高濃度木糖醇生產(chǎn)廢水厭氧技術(shù)

食品、發(fā)酵、化工、煉焦、醫(yī)藥、農(nóng)藥、造紙、制革等行業(yè)排出的有機(jī)物，不僅數(shù)量多、廢水量大，而且濃度高，有些還含有有害、有毒物質(zhì)，對環(huán)境造成很大危害。此外，這類高濃度有機(jī)廢水的處理工藝復(fù)雜、投資成本高，采用常規(guī)的廢水處理方法難以達(dá)到凈化的目的或無法滿足凈化處理的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求。如何經(jīng)濟(jì)有效地凈化處理這類高濃度有機(jī)廢水及工業(yè)廢水成為了現(xiàn)階段國內(nèi)外環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的難題。木糖生產(chǎn)廢水屬于高濃度有機(jī)廢水，廢水中含有木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等難降解的有機(jī)物。

內(nèi)循環(huán)(InternalCirculation，IC)厭氧反應(yīng)器于20世紀(jì)80年代中期由荷蘭PAQUES公司開發(fā)成功，并推入國際廢水處理工程市場，可用于處理土豆加工、啤酒、食品、檸檬酸等工業(yè)廢水。反應(yīng)器高度約為16～25m，容積負(fù)荷為普通升流式厭氧污泥床(UASB)的4倍左右，占地少，是一種值得推廣的新型反應(yīng)器。本實(shí)驗(yàn)在內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，輔助以外循環(huán)對高濃度木糖醇生產(chǎn)廢水進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)。輔助外循環(huán)可以提高反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷的能力，同時(shí)也可以適當(dāng)改變外循環(huán)的回流比。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1 水力模型

IC反應(yīng)器最典型的特性是廢水和污泥在沼氣提升管和泥水下降管中循環(huán)，可視為一種特殊的氣體式反應(yīng)器。1976年由Hills對氣升式反應(yīng)器(上升管直徑0.15m，高10.5m)的研究中得到。上升管中的氣持率(εgr)可通過上升管氣體表面上升流速(ugr)和液體表面上升流速(ulr)間的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式估算，見式(1)和式(2)：

式中：εgr為上升管中的氣持率；ugr為上升管中氣體表面上升流速，m/s；ulr為液體表面上升流速，m/s。

Pereboom于1994年根據(jù)能量守恒得出的液體表面上升流速(ulr)見式(2)，Pereboom結(jié)合氣持率(εgr)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)等實(shí)際情況對ulr進(jìn)行了修訂，見式(3)：

式中：hD為氣液擴(kuò)散高度，m；Δh為提升管與下降管間的液位差，m；KB/T為底部和頂部阻力系數(shù)；Ar/d為提升管與下降管間的橫截面積；εgd為回流管中的持氣率，%。

IC反應(yīng)器的水力模型是在不考慮循環(huán)過程中的壁面磨損，只考慮廢水從沼氣提升管向回流管和從回流管向沼氣提升管流動處的局部損失的基礎(chǔ)上建立起來的，因此，此水力模型還需要進(jìn)一步深入研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用O＆IC反應(yīng)器為自行設(shè)計(jì)制造，O＆IC反應(yīng)器的基本構(gòu)造如圖1所示：反應(yīng)器高2000cm，直徑50cm，有效容積為360L，高徑比一般為4～8，反應(yīng)器主要由6個(gè)部分組成：混合區(qū)、第1反應(yīng)室、第2反應(yīng)室、出水區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和外循環(huán)系統(tǒng)。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是O＆IC反應(yīng)器的核心部分，由三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和回流管組成。用WMZK－01溫控儀和熱源構(gòu)成自動溫控系統(tǒng)，將原水箱和循環(huán)水箱的溫度控制在(35±1)℃。

廢水首先經(jīng)提升通過布水系統(tǒng)進(jìn)入IC反應(yīng)器底部的混合區(qū)，并與來自泥水下降管的內(nèi)循環(huán)泥水混合液充分混合后進(jìn)人顆粒污泥床進(jìn)行COD的生化降解，此處的COD容積負(fù)荷很高，大部分進(jìn)水COD在此處被降解，產(chǎn)生大量沼氣由一級三相分離器收集。由于沼氣產(chǎn)生氣提作用，使得沼氣、污泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至反應(yīng)器頂部的氣液分離器，沼氣在該處與泥水分離并被導(dǎo)出處理系統(tǒng)。泥水混合物則沿泥水下降管進(jìn)人反應(yīng)器底部的混合區(qū)，并與進(jìn)水充分混合后進(jìn)入污泥膨脹床區(qū)，形成內(nèi)循環(huán)。使有機(jī)物與顆粒污泥的傳質(zhì)過程加強(qiáng)，反應(yīng)器的處理能力得到提高。另外，實(shí)驗(yàn)中輔助以外循環(huán)，可以提高反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷的能力。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品取某木糖醇廠生產(chǎn)廢水污水處理站預(yù)處理段后廢水，原木糖醇廠生產(chǎn)廢水，預(yù)處理后所用工藝為UASB，進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。UASB出現(xiàn)跑泥等問題，出水COD為1700mg/L，對后繼處理單元SBＲ?guī)頉_擊負(fù)荷，使好氧處理單元的處理影響很大，以致出水不能達(dá)標(biāo)排放。針對此問題就厭氧段工藝進(jìn)行了IC厭氧反應(yīng)器的中試實(shí)驗(yàn)。

接種污泥采用某檸檬酸有限公司IC反應(yīng)器中的顆粒污泥，污泥的TSS為70g/L。用1m3水樣連續(xù)并部分循環(huán)(72h)進(jìn)行漂洗和活化。

1.4 常規(guī)分析方法

采用多功能測試儀測定試樣的pH，采用微波密封消解COD速測儀測定廢水的COD。

2、結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在O＆IC反應(yīng)器中加入顆粒污泥后，開始進(jìn)水，并以0.5℃/h速率逐漸加熱原水到37±1℃，初始原水流量為50L/h，對加入的顆粒污泥進(jìn)行馴化，經(jīng)過24h的連續(xù)進(jìn)水反應(yīng)，有氣體產(chǎn)生，然后用循環(huán)水箱的水進(jìn)行循環(huán)進(jìn)水，并慢慢減少再增大原水流量，穩(wěn)定后調(diào)節(jié)原水流量為50L/h，回流水量為100L/h，經(jīng)過一周的反應(yīng)器發(fā)應(yīng)及污泥的培養(yǎng)馴化，反應(yīng)器基本趨于穩(wěn)定，每隔2～4h取樣一次，14h后，我們調(diào)節(jié)原水流量為40L/h，回流水量為120L/h，并測其COD和pH變化，如表2所示。

2.2 討論由表2可以看出，IC厭氧反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)原水與回流水的比為1∶2到1∶3，污水經(jīng)IC反應(yīng)器的COD去除率基本保持在78.6%～83.6%之間，pH也基本在7.65～8.16之間，個(gè)別數(shù)據(jù)的起伏與進(jìn)水量控制、溫度調(diào)節(jié)等影響因素有關(guān)，同時(shí)增加回流比提高了上升流速和設(shè)備的抗沖擊能力，整體表現(xiàn)了很好的穩(wěn)定性和去除效果。IC反應(yīng)器的主要特點(diǎn)就是流體在沼氣提升管和回流管之間形成一個(gè)內(nèi)循環(huán)的水流，回流的稀釋作用同時(shí)增加外循環(huán)比UASB厭氧反應(yīng)器具有更好的處理高濃度和難降解的有機(jī)廢水。

3、結(jié)論

IC反應(yīng)器是一種高技術(shù)的新型超高效厭氧反應(yīng)器，其主要特點(diǎn)是：有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，高徑比大，占地面積小，基建投資省等。O＆IC反應(yīng)器作為IC的一種改進(jìn)，繼承了IC反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加輔助外循環(huán)，加大了反應(yīng)器的內(nèi)部循環(huán)，提高了反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷及運(yùn)行穩(wěn)定性，本次中試實(shí)驗(yàn)研究為木糖醇處理提供理論依據(jù)。

與UASB出現(xiàn)的跑泥現(xiàn)象，O＆IC反應(yīng)器兩級三相分離器的特殊結(jié)構(gòu)保證了在較高上升流速條件下對污泥截留。O＆IC的穩(wěn)定處理保證了下一級處理單元的處理的穩(wěn)定性。

CODCr/SO2－4遠(yuǎn)大于2，＜2000mg/L，＜4500mg/L，無抑制作用。

O＆IC反應(yīng)器在處理木糖醇廢水的實(shí)驗(yàn)中，去除率達(dá)到80%以上，是有效的處理工藝單元。隨著O＆IC研究的不斷深入，在高濃度有機(jī)廢水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得推廣與應(yīng)用。（來源：中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，西北工業(yè)大學(xué)）