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    啤酒廠廢水處理HRT內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器 老河口廢水

    更新日期:2022-05-31 13:44
    銘盛環(huán)境——工業(yè)污水,工業(yè)廢水處理專家,提供污水處理解決方案

    啤酒廠廢水的主要特點(diǎn)是排放量大。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明,每生產(chǎn)1t啤酒產(chǎn)生約10t廢水,因此啤酒廠廢水是水處理行業(yè)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。啤酒廢水的另一個(gè)特點(diǎn)是其良好的生化特性。主要成分為糖類(戊糖、蔗糖、葡萄糖等)、果膠、蛋白質(zhì)和纖維素等有機(jī)化合物,以及少量的K+、Ca2+、Mg2+等無機(jī)鹽。物質(zhì),因此啤酒廢水被廣泛用于微生物燃料電池(MFC)、厭氧發(fā)酵制氫等實(shí)驗(yàn)研究。其中,厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)可以利用多種有機(jī)廢水作為發(fā)酵底物進(jìn)行制氫,從而實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)電與廢水高效處理相結(jié)合。

    內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應(yīng)器是第三代高效厭氧反應(yīng)器的代表之一。它是由 PAQUES 在 1980 年代開發(fā)的。工程造價(jià)低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中,IC反應(yīng)器常用于處理含有高濃度有機(jī)物的廢水和廢物,如造紙廢水、豬糞廢水和污水、啤酒廢水、染料廢水、食品廢水和廢渣等。

    本研究采用IC反應(yīng)器處理啤酒廢水,在此基礎(chǔ)上研究了水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)啤酒廢水厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響,為啤酒
    工業(yè)廢水處理提供參考。

    一、材料與方法

    1.1 IC反應(yīng)器

    本實(shí)驗(yàn)采用第三代高效厭氧反應(yīng)器——內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC),其有效容積為8.5 L,試驗(yàn)所用釀造廢水從反應(yīng)器下部進(jìn)入反應(yīng)器。恒流泵的作用,并通過污泥混合區(qū)、第一反應(yīng)室、第二反應(yīng)室、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū),從而完成發(fā)酵過程。 IC電抗器通過纏繞電熱絲進(jìn)行加熱。將電熱絲、反應(yīng)器內(nèi)的傳感器和溫度控制裝置連接起來,將反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在(35±l)℃,使活性污泥保持在活性污泥中。微生物的最佳溫度。

    1.2 厭氧活性污泥和反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行

    試驗(yàn)所用的厭氧活性污泥取自哈爾濱文昌污水處理廠二沉池,經(jīng)好氧曝氣和熱處理馴化,在抑制嚴(yán)格厭氧產(chǎn)甲烷菌活性的同時(shí)提高污泥活性。馴化后期污泥顏色為棕黃色,VSS/SS=0.72,為高活性絮狀活性污泥。

    IC厭氧發(fā)酵制氫系統(tǒng)以啤酒廠廢水為底物,控制進(jìn)水啤酒廠廢水的COD濃度在2000~2500mg/L左右,并添加N和P使COD:N:P維持在(200~500 ):5:1,同時(shí)添加Fe2+、Ga2+、Mg2+等微量金屬元素。 IC制氫系統(tǒng)進(jìn)水加入堿性物質(zhì),調(diào)節(jié)PH值,使PH值保持在4.5左右,IC制氫系統(tǒng)內(nèi)部溫度保持在(35±1)℃。研究了不同水力停留時(shí)間(7h、6h、5h、4h、3h)對(duì)以啤酒廢水為底物的IC制氫系統(tǒng)的影響。在反應(yīng)堆啟動(dòng)初期,系統(tǒng)的 HRT 保持在 7h。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),HRT依次縮短到下一個(gè)階段,相同HRT下系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間不少于7天。

    1.3 檢測(cè)方法

    發(fā)酵氣體的組成及含量采用上海天美分析儀器GC-7890Ⅱ氣相色譜儀進(jìn)行分析測(cè)定,內(nèi)置熱導(dǎo)檢測(cè)器,檢測(cè)器溫度為80℃,載氣為氮?dú)狻?br />
    發(fā)酵產(chǎn)物的組成及含量采用上海天美分析儀GC-7890Ⅱ氣相色譜儀HT-SP502氣相色譜儀,配備氫火焰離子化檢測(cè)器,氮?dú)鉃檩d氣,流速30mL/min。

    實(shí)驗(yàn)中各項(xiàng)指標(biāo)均采用國(guó)標(biāo)法測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)要測(cè)量的指標(biāo)主要包括進(jìn)出水的COD、產(chǎn)氣量、pH、ORP等。測(cè)量方法采用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)法。

    2. 結(jié)果與討論

    2.1 IC系統(tǒng)產(chǎn)氣情況

    在厭氧發(fā)酵制氫研究中,制氫效率是衡量系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要參數(shù)。在厭氧發(fā)酵制氫過程中,產(chǎn)生的發(fā)酵氣體的主要成分是CO2和H2。通過收集發(fā)酵氣體,測(cè)量其產(chǎn)生量和其中氫氣的比例,得到圖1。



    IC反應(yīng)器控制HRT啟動(dòng)7小時(shí),啟動(dòng)第一天出現(xiàn)發(fā)酵現(xiàn)象。隨著反應(yīng)器的連續(xù)運(yùn)行,厭氧活性污泥中的發(fā)酵菌增多。制氫能力逐漸提高,第13天左右,產(chǎn)氣率和氫氣含量基本達(dá)到穩(wěn)定水平,分別為4.21L/d和28.36%。在HRT為7h的IC制氫系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行過程中,最大產(chǎn)氣量為4.9L/d,最大氫氣含量為34%。在第二階段,當(dāng)HRT降低到6h時(shí),IC厭氧反應(yīng)器表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行特性,并迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。產(chǎn)氣量和氫氣含量較HRT 7h有所增加,分別穩(wěn)定在4.21L/d。和 39.36%。第三階段進(jìn)一步降低HRT并保持5 h,此時(shí)產(chǎn)氣率和氫氣含量分別為7.1 L/d和57.14%。當(dāng)HRT繼續(xù)降低到4h時(shí),系統(tǒng)產(chǎn)氣量低于5h,平均產(chǎn)氣量和氫氣含量分別為6.05L/d和44.64%。在第五階段,HRT 進(jìn)一步降低到 3h,但由于出水渾濁,反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)“污泥損失”,因此沒有監(jiān)測(cè)產(chǎn)氣率和產(chǎn)氫量。從以上結(jié)果可以看出,以啤酒廠廢水為底物的IC厭氧系統(tǒng)的產(chǎn)氣率和產(chǎn)氫率在進(jìn)水COD保持穩(wěn)定時(shí)HRT為5h時(shí)達(dá)到最大值,而當(dāng)HRT降至4h時(shí)系統(tǒng)的產(chǎn)氣率降低,并且而當(dāng)HRT進(jìn)一步降低時(shí),反應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)污泥流失現(xiàn)象,無法正常運(yùn)行。因此,進(jìn)水COD為2000~2500mg/L,HRT為5h時(shí),是比較合適的操作條件,產(chǎn)酸發(fā)酵微生物有足夠的時(shí)間水解酸化底物。在厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的研究中,得出的結(jié)論是產(chǎn)氫菌適合較低的HRT,一般為4-6小時(shí)。一方面,它可以抑制生長(zhǎng)速度較慢的產(chǎn)甲烷菌的活性,從而維持發(fā)酵產(chǎn)氫菌。另一方面,HRT的縮短可以增加單位時(shí)間內(nèi)微生物可利用的有機(jī)物量。

    2.2 啤酒廠廢水COD去除情況

    厭氧發(fā)酵過程中有機(jī)物的去除效果主要表現(xiàn)在降低廢水的COD值,這也是反應(yīng)器作為廢水處理裝置的重要性能特點(diǎn)。在厭氧發(fā)酵過程中,COD的降低主要是通過微生物的生長(zhǎng)代謝同化有機(jī)物以及發(fā)酵氣體(CO2、H2等)的逸出來實(shí)現(xiàn)的。




    圖2為本實(shí)驗(yàn)IC反應(yīng)器運(yùn)行過程中COD去除率的變化。 IC反應(yīng)器接種1~2天系統(tǒng)COD去除率較高主要原因是接種后的活性污泥的馴化過程為好氧曝氣過程,因此接種后的溶氧和好氧微生物較多。污泥,因此有機(jī)物的降解過程比較完整,因此出水的COD較低。 ,COD去除率保持在較高水平(35%);隨著溶解氧的消耗,好氧微生物的活性受到抑制,因此COD去除率呈急劇下降趨勢(shì)(2~3天)。由于厭氧微生物的生成時(shí)間短,一般為10~30min,厭氧活性污泥在第10天逐漸適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)的厭氧環(huán)境,對(duì)有機(jī)物的去除能力大大提高,最終去除了COD。速率穩(wěn)定在28.27%,平均出水COD濃度為1363.11 mg/L。當(dāng) HRT 降低到 6、5 和 4 小時(shí)時(shí),COD 去除率分別穩(wěn)定在 32.64% 和 35.49。%,31.03%。

    從以上結(jié)果可以看出,在反應(yīng)器運(yùn)行過程中,系統(tǒng)的COD去除率和產(chǎn)氣狀態(tài)呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì),均在HRT為5h時(shí)達(dá)到最高。

    2.3 IC 系統(tǒng)中的 pH 和 ORP

    影響反應(yīng)器運(yùn)行效果的主要因素有HRT、溫度、氧化還原電位(ORP)、OLR等,其中pH被認(rèn)為是厭氧制氫過程中最重要的因素。最重要的環(huán)境因素,因?yàn)樗梢灾苯佑绊懏a(chǎn)氫菌的活性、代謝途徑和優(yōu)勢(shì)菌的分布。本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)水的pH值不受酸堿的調(diào)節(jié),平均值為5.37。從圖3可以看出,由于微生物降解有機(jī)物導(dǎo)致?lián)]發(fā)性酸的積累,在運(yùn)行過程中pH值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。在 4.15 ± 0.09。 HRT的變化對(duì)體系pH影響不大,體系pH基本穩(wěn)定在3.87左右??梢钥闯觯琁C電抗器具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。在啤酒廢水厭氧處理過程中,系統(tǒng)內(nèi)部的ORP基本穩(wěn)定在-324~-394mV范圍內(nèi),保持了良好的厭氧環(huán)境,為啤酒廢水厭氧消化的正常工藝提供了重要依據(jù)。的條件。


    2.4 啤酒廢水發(fā)酵產(chǎn)物現(xiàn)狀

    厭氧發(fā)酵過程中,隨著厭氧活性污泥中微生物對(duì)有機(jī)物的吸收利用,代謝產(chǎn)生直接發(fā)酵產(chǎn)物和次生代謝產(chǎn)物,這些產(chǎn)物主要是乙醇、乙酸、丙酸等。在微生物厭氧發(fā)酵過程中,隨著進(jìn)水HRT的變化,反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境也在不斷變化,導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌群也發(fā)生變化,從而影響中間產(chǎn)物的種類和種類??倲?shù)也在不斷變化。通過研究反應(yīng)器中液體終產(chǎn)物的狀態(tài),可以了解反應(yīng)系統(tǒng)中微生物的組成和代謝過程。


    圖 4 顯示在四種不同的 HRT 下,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的總代謝物含量和代謝物如乙醇、乙酸鹽、丁酸鹽和丙酸鹽的相對(duì)含量。從圖中可以看出,總代謝物的含量與COD去除率和產(chǎn)氣率呈相同趨勢(shì),其含量從1064mg/L(HRT=7h)增加到1594mg/L(HRT=5h)。當(dāng)系統(tǒng)HRT降低時(shí),乙醇含量發(fā)生顯著變化,由37.62%(HRT=7h)變?yōu)?0.45%(HRT=5h),總代謝物濃度在HRT 5h時(shí)達(dá)到最大值,為1594 mg/L .

    根據(jù)乙醇發(fā)酵的定義:在液體末端發(fā)酵產(chǎn)物中,乙醇和乙酸含量之和占發(fā)酵產(chǎn)物總量的70%以上。從圖4可以看出,在整個(gè)HRT還原過程中,系統(tǒng)保持乙醇型發(fā)酵型,保持最佳產(chǎn)氣量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外,根據(jù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫理論,乙醇型發(fā)酵主要發(fā)生在pH 3.2~5.0的范圍內(nèi),與實(shí)驗(yàn)條件下的3.87一致。

    2.5 啤酒廠廢水酸化度

    啤酒廢水的發(fā)酵會(huì)伴隨著部分COD的去除和揮發(fā)性酸的產(chǎn)生,因此可以從廢水中有機(jī)物的遷移轉(zhuǎn)化的角度來衡量。產(chǎn)酸發(fā)酵。本實(shí)驗(yàn)以酸化度(α)作為評(píng)價(jià)有機(jī)廢水在發(fā)酵過程中酸化效果的指標(biāo)。

    根據(jù)不同運(yùn)行水力停留時(shí)間系統(tǒng)出水發(fā)酵產(chǎn)物的生產(chǎn)狀況,以及啤酒廢水進(jìn)出反應(yīng)器的發(fā)酵產(chǎn)物含量確定,按式(1)計(jì)算。


    IC反應(yīng)器中不同HRT條件下啤酒廢水的發(fā)酵情況如圖5所示。從圖中可以看出,IC反應(yīng)器中的酸化率在42.14%(HRT=4h)~62.37%(HRT= 5h),當(dāng)HRT為5h時(shí)體系酸化度達(dá)到最大值,為62.37%。

    三、結(jié)論

    (1) 以啤酒廠廢水為處理對(duì)象,進(jìn)水COD2000~2500mg/L,溫度控制在35±1℃。 IC 系統(tǒng)在 HRT 為 5h 時(shí)達(dá)到最佳運(yùn)行。此時(shí)最大產(chǎn)氣量為7.1L/d,最大含氫量為57.14%。

    (2)反應(yīng)器運(yùn)行過程中,系統(tǒng)COD去除率與產(chǎn)氣狀態(tài)呈相同趨勢(shì),均在HRT為5h時(shí)達(dá)到最高,COD去除率為35.49%。

    (3)運(yùn)行過程中,系統(tǒng)內(nèi)部pH基本穩(wěn)定在3.87左右,ORP基本穩(wěn)定在-324~-394mV。

    (4)在整個(gè)HRT還原過程中,系統(tǒng)保持乙醇型發(fā)酵型,保持最佳產(chǎn)氣量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    (5)啤酒廢水酸化效果好,在HRT為5h的運(yùn)行條件下,最大酸化率為62.37%。 (

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