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乳品廢水處理方法

  乳制品廢水主要來(lái)源于容器 、管道 、設備 、車(chē)間的清洗過(guò)程,以及冷卻水和部分生活污水。其主要污染成分為乳蛋白 、乳糖、乳脂以及酸、堿等 ,CODCr 在 800~2 500 mg/L,BOD5 為 600~1 500 mg/L,B/C>0.5,具有易生化處理、pH 變化大、容易起泡沫等特點(diǎn) 。目前處理乳品廢水應用較多的工藝有單獨好氧處理工藝、 氣浮+好氧處理工藝 、水解酸化+好氧處理工藝以及厭氧+好氧處理工藝等〔1〕。而多相串聯(lián)內循環(huán)厭氧反應器(MICR) 針對乳品廢水的特點(diǎn),采用多相厭氧反應、 管道進(jìn)水和增設內循環(huán)等方式,提高了反應器的容積負荷,可以達到更好的處理效果 。筆者在成功培養馴化顆粒污泥的基礎上,對 MICR 處理乳品廢水時(shí)的抗沖 擊特性和相分離特性進(jìn)行了研究,旨在為該反應器的實(shí)際應用和工藝優(yōu)化提供一定的理論指導 。

  1 試驗材料與方法

  1.1 試驗裝置

  試驗裝置如圖 1 所示 ,MICR 由 3 根 D 80 mm× 1 000 mm 的有機玻璃管串聯(lián)而成,總有效容積為 12.81 L,分為 1#、2#、3# 反應室。各反應室均設 3 個(gè)孔徑為 8 mm 的取樣口,取樣口分別位于距離 反應室底部 100、350、700 mm 處,并用恒溫水浴槽控制試驗溫度為(35±1 ) ℃。 廢水從高位槽向 1# 反應室底部注入,然后由上部出水口經(jīng)溢流堰順管道進(jìn)入 2# 反應室底部,依次推進(jìn),經(jīng)過(guò) 3# 反應室之后排出 。各反應室的氣體在集氣罩下方匯集,以泥水混合液的形式經(jīng)提升管進(jìn)入氣液分離器,氣體從排氣口排出,泥水混合液經(jīng)回流管回流至反應室底部,形成液體內部循環(huán) 。

 圖 1 試驗裝置

  1.2 接種污泥

  所用污泥取自廣西大學(xué)實(shí)驗室處理淀粉廢水的厭氧顆粒污泥,粒徑在 2.0 ~3.5 mm 之間,黑色,污泥容積指數(SVI) 為 19.1 mL/g,沉降性能良好。污泥經(jīng)淘洗備用,污泥接種量為反應室容積的 1/2。

  1.3 試驗用水

  試驗所用乳品廢水取自廣西皇氏甲天下乳業(yè)股份有限公司 ( 主要水質(zhì)參數見(jiàn)表 1 ),并根據需要添加了適量純牛奶,以提高 CODCr,以尿素為氮源 、磷酸二氫鉀為磷源,保持 m (CODCr) ∶ m (N) ∶ m (P) = 300 ∶5∶1 。為促進(jìn)污泥馴化,適量添加含有 Fe、Ca、 Mn、Zn、Co、K 等微量元素的營(yíng)養液。

  1.4 試驗方法

  啟動(dòng)試驗采用自制的淀粉廢水與乳品廢水進(jìn)行混合作為進(jìn)水,控制 CODCr 為1 000 mg/L左右,保持 HRT= 24 h 不變,逐步提高進(jìn)水中乳品廢水的比例 ,直至進(jìn)水完全是乳品廢水。

  MICR 啟動(dòng)成功后,即進(jìn)入運行特性研究。首先保持進(jìn)水CODCr 不變,以每次 4 h 的梯度逐步縮短 HRT; 隨后保持 HRT 不變,以每次 500 mg/L 的梯度逐步提高進(jìn)水的 CODCr。 通過(guò)這兩種方式增加進(jìn)水的容積負荷 ,并對整個(gè)運行過(guò)程中出水的 CODCr、pH、SS、VFA、產(chǎn) CH4 量等進(jìn)行分析。

  1.5 分析方法及儀器

  試驗中對 CODCr、pH、SS、VFA、產(chǎn) CH4 量進(jìn)行測定 ,具體方法參照文獻〔2〕、〔3〕。 其中 CODCr 采用微波消解法測定 ,pH 用玻璃電極法測定 ,SS 采用重量法測定 ,VFA 用比色測定法,CH4 采用自制血清瓶液體置換系統測定 ( 以質(zhì)量分數 3% 的 NaOH 溶液吸收去除其中的 CO2,剩余氣體即 CH4)。

  儀器: WMX 型微波密封消解 COD 速測儀,汕頭市環(huán)海工程總公司 ; pHS-3C 型精密 pH 計,上海雷磁儀器廠(chǎng); CS-122 型恒溫箱 ,重慶試驗設備廠(chǎng) ; 自制蒸餾裝置。

  2 結果與分析

  2.1 MICR 的抗沖擊特性

  2.1.1 進(jìn)水容積負荷對 CODCr 去除率的影響

  經(jīng)過(guò)近 40 d 的培養馴化,當進(jìn)水 CODCr 為 1 100 mg/L,HRT 為 24 h 時(shí) ,CODCr 去 除 率 穩 定 在 92% 左右,進(jìn)入運行特性試驗階段,該過(guò)程分 2 個(gè)階段提高進(jìn)水容積負荷 。 CODCr 去除率隨進(jìn)水容積 負荷的變化情況見(jiàn)圖 2。

 圖 2 CODCr 去除率隨進(jìn)水容積負荷的變化

  第 1 階段保持 CODCr 為 1 000 mg/L,逐步縮短 HRT。 由圖 2 可見(jiàn) ,CODCr 容積負荷 <3.0 kg/(m3· d)時(shí),每次提高容積負荷 CODCr 去除率均呈現先下降后回升的趨勢 ,最高都在 88% 左右 ,例如容積負荷從 1.0 kg/(m3· d) 升至 1.2 kg/(m3· d) 時(shí),CODCr 去除率由 91.4%降到 80.1%,之后又升到 87.2%。 主要原因是容積負荷的增加使得甲烷菌增殖速率滯后于產(chǎn)酸菌 ,導致有機酸發(fā)生積累 ,代謝產(chǎn)物增多 ,從而抑制了甲烷菌對有機物的降解活性; 待微生物開(kāi)始適應新的環(huán)境,其降解活性得以恢復。

  當 CODCr 容積負荷提高到3.0 kg/(m3· d) 時(shí),CODCr 去除率相對較低 ,最高只恢復到 84.4%,并呈下降趨勢 ,特 別 是 當 HRT =4 h,相 應 的 容 積 負 荷 為 6.0 kg/(m3· d) 時(shí),CODCr 去除率一直在 78%的較低水平,表明此時(shí)進(jìn)水容積負荷已經(jīng)超過(guò) MICR 的抗沖擊負荷能力 ,原因可能是 HRT 較短使得世代時(shí)間較長(cháng)的產(chǎn)甲烷菌被“沖出 ”。

  第 2 階段保持 HRT =8 h 不變,以 500 mg/L 的梯度逐步提高 CODCr 質(zhì)量濃度 。 當進(jìn)水 CODCr 提高到 1 500 mg/L 時(shí) ,CODCr 去 除 率 回 升 到 84.5% ; 進(jìn) 水 CODCr 提高到 2 000 mg/L 時(shí) ,CODCr 去除率先略微降低后逐漸升高,并最終穩定在 85.6%左右。 可見(jiàn)運行 50 余天后 ,當 HRT =8 h,進(jìn)水 CODCr 為 2 000 mg/L,相應的容積 負 荷 為 6.0 kg/(m3· d) 時(shí) ,MICR 具 有 最優(yōu)的運行效能。

  2.1.2 pH 對 CODCr 去除率的影響

  pH 是影響厭氧反應器處理效果的最重要因素之一 〔4〕。圖 3 為進(jìn)、 出水 pH 隨時(shí)間的變化情況。

 圖 3 進(jìn)、出水 pH 及 CODCr 去除率隨運行時(shí)間的變化

  由圖 3 可見(jiàn),經(jīng)過(guò)前期的污泥馴化之后 ,當進(jìn)水 pH 保持在 7.0 ~7.6 時(shí),出水 pH 也穩定在 7.5 左右 。當進(jìn)水 pH 突然增大至 8.16(A 點(diǎn) ) 時(shí) ,出水 pH 也隨之升高到 8.44,CODCr 去除率即由 88%降至 80%,及時(shí) 降 低 進(jìn) 水 pH 至 8.0 后 ,CODCr 去 除 率 恢 復 到 82.1% ; 當進(jìn)水 pH 突然減小到 6.47 (B 點(diǎn) ) 時(shí) ,出水 pH 隨 之 降 到 7.16,CODCr 去 除 率 由 84.4% 降 至 77.5%,及時(shí)提高進(jìn)水 pH 至 6.71 后 ,CODCr 去除率恢復至 82.5%。 這主要是因為微生物對 pH 非常敏感,pH 的突然改變會(huì )引起細胞膜發(fā)生變化 ,影響微生物對營(yíng)養物質(zhì)的吸收,從而大大降低細菌活性; 而及時(shí)調節進(jìn)水 pH 后 CODCr 去除率的迅速恢復 ,表明顆粒污泥結構為內層產(chǎn)甲烷菌提供了保護和隔離作用 ,使得厭氧顆粒污泥對短時(shí)的 pH 變化具有一定的緩沖能力 ,能夠很好地適應環(huán)境的改變,迅速恢復活性。

  2.1.3 HRT 對 SS 去除率的影響

  研究表明 HR T 對 SS 去除率有重要影響 〔5〕。 圖 4 為進(jìn)、 出水 SS 及 SS 去除率隨運行時(shí)間的變化情況。

 圖 4 進(jìn)、出水 SS 及 SS 去除率隨運行時(shí)間的變化

  由圖4 可知,隨著(zhù) HRT 的增加 ,系統出水的 SS 逐漸降低 ,SS 去除率逐漸升高。 HRT >8 h 時(shí),出水 SS 均 <40 mg/L,SS 去除率保持在 78.8% ~88.7%之間 。 當 HRT 減小至 4 h 時(shí) ,出水 SS 增至 60 mg/L,SS 去除率則降至 69.7%。 可見(jiàn),若要保證出水 SS ≤ 40 mg/L, HRT 至少應 >4 h。 實(shí)驗過(guò)程中進(jìn)水 SS 在 180 ~210 mg/L 之間變化,但出水 SS 受其影響較小 ,仍表現出上述變化規律,且具有較高的 SS 去除率 ,這主要受益于 MICR 的內部結構 : 內設的集氣罩很好地截留了污泥和懸浮物,同時(shí)多相串聯(lián)的結構使得大量懸浮物在第 1 格室被吸附分解,在最后格室沉淀,因此該系統對 SS 的去除效果明顯 。

  2.2 相分離特性

  2.2.1 各反應室出水VFA 的變化規律

  在厭氧消化過(guò)程中 ,甲烷菌主要利用 VFA 形成甲烷,因此 VFA 的積累程度及變化規律能夠很好地表征厭氧反應器的相分離狀態(tài)〔6〕。圖 5 為各反應室出水的 VFA 隨運行時(shí)間的變化情況。

 圖 5 各反應室 VFA 隨運行時(shí)間的變化

  由圖 5 可以看出 ,1# 反應室出水的 VFA 最多,總體在 2.0 mmol/L 以上,并隨著(zhù)進(jìn)水容積負荷的增加 而 增 大 ( 隨 運 行 時(shí) 間 延 長(cháng) 進(jìn) 水 容 積 負 荷 逐 漸 加大 ),VFA 最高達到 7.0 mmol/L; 2#、3# 反應室出水的 VFA 沒(méi)有明顯差異 ,均較低 ,在 0.25~0.75 mmol/L 之間變化。 說(shuō)明 1# 反應室以產(chǎn)酸菌為主,2#、3# 反應室以產(chǎn)甲烷菌為主。1# 反應室中 ,隨著(zhù)進(jìn)水容積負荷的逐漸增大 ,大量有機物為代謝速率高 、 適應能力強的產(chǎn)酸菌提供了適宜的生長(cháng)環(huán)境 ,產(chǎn)酸菌大量生長(cháng)繁殖 ,有機物被產(chǎn)酸菌迅速轉化為脂肪酸 ,而產(chǎn)甲烷菌適應環(huán)境較慢且代謝能力弱 ,無(wú)法將產(chǎn)生的脂肪酸及時(shí)吸收利用 ,致使脂肪酸大量積累 ,出水 VFA 較高 ; 在 2#、3# 反應室中 ,產(chǎn)甲烷菌開(kāi)始適應環(huán)境并迅速生長(cháng)繁殖,而此時(shí)產(chǎn)酸菌由于底物不足,活性變差,與產(chǎn)甲烷菌的生長(cháng)達到平衡,其產(chǎn)生的脂肪酸能夠及時(shí)被產(chǎn)甲烷菌利用 ,出 水 VFA 較 低 。 此 外 , MICR 的內循環(huán)系統可增強泥水的混合 ,加快各種厭氧菌種的代謝活動(dòng) ,從而達到良好的相分離效果 。

  2.2.2 各反應室產(chǎn) CH4 量的變化

  試驗過(guò)程中對各反應室產(chǎn)生的 CH4 氣體單獨收集測定 ,以考察反應室厭氧菌種的生長(cháng)情況。 各反應室的產(chǎn) CH4 量如圖 6 所示。

 圖 6 各反應室的產(chǎn) CH4 量隨運行時(shí)間的變化

  由圖 6 可見(jiàn),2# 反應室產(chǎn)生的 CH4 最多,容積產(chǎn)氣率 >0.153 m3/(m3· d),最高達 0.397 m3/(m3· d),并隨著(zhù)容積負荷的 增加而增大 ( 隨運行時(shí)間延長(cháng)容積負荷增加 ),表明 2# 反應室以產(chǎn)甲烷菌為主。 1# 反應室產(chǎn)生的 CH4 量受進(jìn)水容積負 荷的影響不大 ,總體保持在 0.103~ 0.137 m3/(m3· d) 的水平 ,表明 1# 反應室主要起水解和酸化作用 ,以產(chǎn)酸菌為主,產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制 ,而且受進(jìn)水容積負荷的直接沖擊,CH4 產(chǎn)量呈現小幅度的波動(dòng) 。 3# 反應室與 2# 反應室一樣 ,產(chǎn) CH4 量隨著(zhù)容積負荷的增加而增大 ,但 產(chǎn) CH4 量 始 終 很 低 ,其 容 積 產(chǎn) 氣 率 最 大 為 0.071 m3/(m3· d),表明 3# 反應室也以產(chǎn)甲烷菌為主 ,但由于廢水流至 3# 反應室時(shí)剩余的有機物很少 ,底物不足,因此 CH4 量很少 。

  3 結論

  (1)MICR 對乳品廢水有穩定高效的處理效果 。當 HRT=8 h、 進(jìn)水 CODCr 為 2000 mg/L、 相應的容積負荷為 6.0 kg/(m3· d) 時(shí) ,MICR 具 有 最 優(yōu) 的 運 行 效能 ,CODCr 去除率可穩定在 85.6%左右 。 MICR 底部污泥對 pH 驟變有較好的抗沖擊能力 ,能夠隨 pH 的穩定很快恢復活性,提高 CODCr 去除率。 MICR 獨特的結構設計對 SS 有較高的去除率 ,當 HRT>8 h 時(shí)出水 SS<40 mg/L,SS 去除率保持在 78.8%~88.7%。

  (2)MICR 存在產(chǎn)酸相與甲烷相分離現象。 1# 反應室出水 VFA 在 2.0 mmol/L 以上,2#、3# 反應室出水 VFA 僅在 0.25~0.75 mmol/L 之間變化 ; 2# 反應室產(chǎn)生 CH4 最多 ,容積產(chǎn)氣率最高可達 0.397 m3/(m3· d),研究表明 2# 、3# 反應室以產(chǎn)甲烷菌為主 ,1# 反應室以產(chǎn)酸菌為主。

 

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