高濃度工業(yè)廢水處理兩相厭氧法

近年來，工業(yè)廢水的排放量大幅上升，同時其濃度也是越來越高，高濃度的工業(yè)廢水處理成為難題。這些高濃度工業(yè)廢水主要來自造紙、制藥、金屬表面處理、紡織印染、石化等重污染行業(yè)，含有大量難降解或無法降解物質(zhì)以及有害有毒物質(zhì)。基于該背景對高濃度工業(yè)廢水的處理問題進(jìn)行研究。目前應(yīng)用較多的方法可以分為物理方法、化學(xué)方法以及生物方法。在最近幾十年，由于生物處理法發(fā)展得更加成熟，并且具備環(huán)保特性，使其得到了廣泛的應(yīng)用，在各國的防治水污染工作中都起到了很大作用。其中兩相厭氧法是一種新出現(xiàn)的生物處理法，能夠達(dá)到很好的工業(yè)廢水處理效果，因此基于兩相厭氧法進(jìn)行高濃度工業(yè)廢水處理的研究。

1、試驗設(shè)計與試驗材料

1.1 試驗材料

試驗中，選擇某化工產(chǎn)品生產(chǎn)公司的高濃度工業(yè)廢水作為試驗材料。在該公司的廢水綜合排放口取得一定試驗高濃度工業(yè)廢水，其中包括沖洗廢水、回收殘液、母液類等多種廢水。取得的試驗高濃度工業(yè)廢水中含有各種副反應(yīng)產(chǎn)物、反應(yīng)物產(chǎn)品及原料，具有毒性大、色度深、可生化性差、COD值高等特征。

1.2 試驗設(shè)備及儀器

在試驗中，使用的設(shè)備及儀器包括顯微鏡、電磁攪拌器等，具體如下。

型號為FVJ3456TS，生產(chǎn)廠家為加德泵業(yè)生產(chǎn)有限公司的計量補(bǔ)液泵；型號為AFQ－4414Q，生產(chǎn)廠家為海樹精密儀器生產(chǎn)有限公司的顯微鏡；型號為CＲD2345，生產(chǎn)廠家為海樹精密儀器生產(chǎn)有限公司的電磁攪拌器；型號為DWEQ32－4566，生產(chǎn)廠家為加特電爐生產(chǎn)廠的管式電阻爐；型號為EＲGVV－34，生產(chǎn)廠家為天緣精密儀器生產(chǎn)廠的恒溫電熱鼓風(fēng)干燥箱；型號為ＲFWＲF－23，生產(chǎn)廠家為精科儀器制造廠的分析天平。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 試驗裝置設(shè)計

設(shè)計的試驗裝置由三部分構(gòu)成，包括產(chǎn)甲烷反應(yīng)器、中間調(diào)節(jié)池、產(chǎn)酸反應(yīng)器。其中產(chǎn)甲烷反應(yīng)器與產(chǎn)酸反應(yīng)器分別設(shè)計成UASB反應(yīng)器與CSTＲ反應(yīng)器。試驗裝置整體設(shè)計具體見圖1。

其中CSTＲ反應(yīng)器的設(shè)計具體如下：

(1)配置加熱裝置；

(2)設(shè)置了四個取樣口，直徑為5mm；

(3)底部錐形進(jìn)水結(jié)構(gòu)的高是125mm，錐度是45度；

(4)設(shè)置的出流方式包括回流口與出水口兩種；

(5)沉降區(qū)容積設(shè)計為19.8L，高設(shè)為300mm，內(nèi)徑設(shè)為290mm；

(6)反應(yīng)區(qū)容積設(shè)計為39.7L，高設(shè)為1260mm，內(nèi)徑設(shè)為190mm；

(7)反應(yīng)器有效容積設(shè)計為56.2L，總?cè)莘e設(shè)計為59.5L；

(8)總高設(shè)為1560mm；

(9)材料使用PVC聚氯乙烯。

中間調(diào)節(jié)池設(shè)計為一個柱狀沉淀池，為其設(shè)計一個錐形底部，其錐高設(shè)為260mm，總高設(shè)為610mm，內(nèi)徑設(shè)為240mm。將進(jìn)水管伸到池底部，在頂部對加藥口進(jìn)行設(shè)置，并在錐底對污泥排放口進(jìn)行鋪設(shè)。

UASB反應(yīng)器的設(shè)計具體如下：

(1)為反應(yīng)器配置加熱裝置和攪拌裝置；

(2)在底部側(cè)面設(shè)置污泥回流口，頂部設(shè)置排氣口，在距底部150mm處對采樣口進(jìn)行設(shè)置，距底部50mm處對進(jìn)水口進(jìn)行設(shè)置；

(3)材料選擇有機(jī)玻璃；

(4)有效容積設(shè)計為15.2L；

(5)總?cè)莘e設(shè)計為19.5L；

(6)總高設(shè)為450mm；

(7)反應(yīng)器內(nèi)徑設(shè)為240mm。

在設(shè)計的試驗裝置中，對于產(chǎn)酸反應(yīng)器來說，在配水槽中進(jìn)行進(jìn)水取樣，在出水口處進(jìn)行出水采樣；對于產(chǎn)甲烷反應(yīng)器來說，在回流槽中進(jìn)行進(jìn)水取樣，在出水槽進(jìn)行出水采樣；取樣污泥樣品則在所需反應(yīng)器的對應(yīng)采樣口處進(jìn)行。

1.3.2 分析項目

試驗中的分析項目包括污泥形態(tài)、污泥微生物量、VFA、COD、進(jìn)出水pH值等。分析項目的具體分析方法見表1。

其中VSS即揮發(fā)性懸浮固體的分析方法具體如下：對定量濾紙進(jìn)行干燥處理直至恒重。洗滌瓷坩鍋，在馬弗爐中對瓷坩鍋中的樣品進(jìn)行一小時的灼燒，溫度控制在600℃。當(dāng)爐內(nèi)降溫到100℃時，將瓷坩鍋取出并在干燥器內(nèi)冷卻，冷卻后稱重。在瓷坩鍋中取出適量均勻水樣，體積為毫升，利用濾紙進(jìn)行過濾。干燥后燃燒并放在瓷坩鍋中灼燒。灼燒后當(dāng)降溫到100℃時，將瓷坩鍋取出并在干燥器內(nèi)冷卻，冷卻后稱重。

通過下式計算VSS的含量及灰分含量：

上式中a表示濾紙重量；c代表濾紙和懸浮物重量；W表示灰分重量；b代表坩堝重量；d表示灰分和坩堝重量。

SS即混合液總懸浮物的分析方法具體如下：在烘箱中對中速定量濾紙進(jìn)行烘干，溫度設(shè)定為102℃～105℃，烘干時間設(shè)定為兩小時。完成烘干后冷卻并稱重直到恒重。取適量均勻水樣，利用濾紙進(jìn)行過濾。在烘箱中對濾紙及上面的沉淀物進(jìn)行兩個小時的烘干處理，溫度設(shè)定為103℃～105℃。冷卻后進(jìn)行稱重。

通過下式進(jìn)行SS含量的計算：

在VFA即揮發(fā)性脂肪酸的分析中，使用的試劑為乙二醇、酸性氯化鐵試劑、硫酸羥胺溶液(10%)、氫氧化鈉(4.5mol/L)、1∶1硫酸。測定分為兩個步驟，首先配制乙酸標(biāo)準(zhǔn)液并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，接著對樣品進(jìn)行測定。

COD的分析中，使用的試劑為標(biāo)準(zhǔn)COD溶液、粉末硫酸汞、標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀溶液、硫酸銀溶液(5g)、濃硫酸(500ml)。在實驗中對替代試劑進(jìn)行自制，通過HACH－COD測定儀進(jìn)行密封加熱，使用直讀光度計程序?qū)?/span>COD進(jìn)行測定。

1.4 污泥接種

將好氧剩余污泥當(dāng)做接種污泥，由于其中含有絮凝劑，實施一周左右的曝氣培養(yǎng)。為使污泥達(dá)到初步適應(yīng)狀態(tài)，加入少量廢水。

在污泥接種中，Ｒ1(產(chǎn)甲烷反應(yīng)器)污泥接種量是9L，污泥床可達(dá)到250mm的高度，污泥在反應(yīng)器中占據(jù)60%的體積。在接種后，平均反應(yīng)器污泥濃度約為21g?SS/L。Ｒ2(產(chǎn)酸反應(yīng)器)污泥接種量是28L，污泥床可達(dá)到700mm的高度，在反應(yīng)器中占據(jù)70%的體積。在接種后，平均反應(yīng)器污泥濃度約為23g?SS/L。

1.5 厭氧反應(yīng)器啟動

首先實施產(chǎn)甲烷反應(yīng)器和產(chǎn)酸反應(yīng)器的氣密性試驗，以順利進(jìn)行厭氧污泥接種。檢測氣密性的方法具體如下：將二者分別連接蠕動泵，將自來水當(dāng)做進(jìn)水并連續(xù)進(jìn)水。當(dāng)反應(yīng)器中充滿自來水后，將蠕動泵調(diào)節(jié)為空轉(zhuǎn)狀態(tài)并運行。此時在反應(yīng)器內(nèi)會連續(xù)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)集氣裝置可以收集到氣體，代表反應(yīng)器具備良好的氣密性。當(dāng)確定其氣密性良好后，在反應(yīng)器上部的污泥接種口中接入過濾后的種泥。在接種污泥后靜沉，反應(yīng)器內(nèi)會出現(xiàn)明顯的污泥分層。

2、試驗結(jié)果分析

2.1 去除結(jié)果分析

首先在常溫運行狀態(tài)下對兩相厭氧法的COD去除情況與氨氮濃度變化情況進(jìn)行觀察。在進(jìn)水COD與氨氮濃度不斷增長的情況下，裝置的出水COD與氨氮濃度變化情況具體見圖2。

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)，在25℃和20℃時，隨著進(jìn)水濃度不斷增長，裝置出水中COD與氨氮濃度整體變化不大，保持著很好的出水水質(zhì)；在15℃以及10℃時，裝置出水中COD與氨氮濃度升高，出水水質(zhì)有所下降。該結(jié)果說明，在25℃－20℃之間，由于微生物有著較高的活性，因此處理COD與降低氨氮濃度的能力較強(qiáng)；而當(dāng)溫度下降至15℃－10℃的區(qū)間，微生物整體活性下降，處理COD與氨氮的能力也隨之下降，使出水中的COD與氨氮濃度整體有所增加。但在10℃時，裝置出水中COD與氨氮濃度仍然低于250mg/L，仍然保持著較高的COD與氨氮濃度去除能力，說明兩相厭氧法適用于低溫下的高濃度工業(yè)廢水COD與氨氮去除處理。

2.2 VFA變化情況分析

裝置啟動后，Ｒ1出水與Ｒ2出水的VFA變化情況具體見表2。

由表2的VFA變化情況可知，在啟動初期，Ｒ1出水與Ｒ2出水的VFA含量差異較小且較低，這是由于剛啟動反應(yīng)器后污泥活性較低，再加上水力停留時間比較長，因此二者分相不明顯。

在啟動中期，水力停留時間減少，使進(jìn)水COD負(fù)荷不斷提升，Ｒ1由于COD負(fù)荷的提升出現(xiàn)VFA含量上升的現(xiàn)象，但上升幅度較小。Ｒ2由于水解酸化現(xiàn)象使VFA含量大幅提升。

在啟動后期，Ｒ1的微生物活性持續(xù)提高，因此VFA含量沒有上升。而Ｒ2的COD負(fù)荷持續(xù)增長，使其VFA含量大幅上升。

2.3 污泥生物量變化情況分析

試驗裝置需要產(chǎn)生足夠的厭氧污泥才能證明其成功啟動，基于此對反應(yīng)器中污泥形態(tài)及生物量是否足夠進(jìn)行測試。其中生物量變化情況測試結(jié)果具體見圖3。

根據(jù)圖3的污泥生物量變化數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器在啟動后各項指標(biāo)都在不斷增大，這說明反應(yīng)器中的污泥活性在逐漸增大。

污泥的形態(tài)觀察結(jié)果為污泥顏色越來越深直到變成黑亮色，并且底部出現(xiàn)了一些1mm以上粒徑的顆粒污泥，說明試驗裝置運行狀態(tài)良好。

2.4 SS/VSS含量變化情況分析

最后對SS/VSS含量變化情況進(jìn)行測定，結(jié)果具體見表3。

表3數(shù)據(jù)表明，試驗裝置實現(xiàn)了SS與VSS含量的降低，在運行中期其效果開始變得顯著。

3、結(jié)語

在基于兩相厭氧法進(jìn)行高濃度工業(yè)廢水處理研究的過程中，成功通過兩相厭氧法設(shè)計了一種處理效果良好的高濃度工業(yè)廢水處理裝置。在試驗中，裝置的效果得到了驗證，但也發(fā)生了污泥上浮、短流等問題，將會在今后的研究中對這些問題進(jìn)行改善。（來源：江蘇省生態(tài)環(huán)境廳江蘇省環(huán)境保護(hù)宣傳教育中心，江蘇省水文水資源勘測局常州分局，江蘇省生態(tài)環(huán)境廳江蘇省生態(tài)環(huán)境評估中心，南京中電環(huán)保科技有限公司）