同心圆复合式厌氧水解酸化反应器的中试应用与特性分析

张 龙,刘伟京,吴 伟,张双圣,王晓青

(1.江苏省环境科学研究院,南京210036;2.中国矿业大学环境与测绘学院,江苏徐州 221116)

水解酸化工艺通过控制酸化过程,利用污泥中的厌氧微生物,可以将废水中非溶态或难降解的大分子有机物转化为溶态易降解的小分子有机物[1-2],显著提高废水的可生化性,因此越来越多地应用于各种难降解废水的预处理中,并且具有剩余污泥产量少、能耗低、操作简单、效果稳定等优点。通过长期的实践研究表明,影响水解酸化处理效率的主要因素是:进水布水的均匀性以及泥水混合的充分性[3-4]。广大环保科技工作者基于这2点,优化了水解酸化反应器的工艺结构,开发出了多种水解酸化反应器,并取得了较好的实际应用效果。依据水解酸化反应器中水体流动的形态,各种反应器可以归纳为3类:升流式、折流式和推流式[5-9]。其中升流式水解酸化反应器脱胎于UASB反应器,依靠进水由下而上的升力,达到泥水混合、反应、分离的效果;折流式水解酸化反应器通过反应器内布置的折流板,实现废水在反应器内上行-下行的运行,目前应用较多的是ABR反应器;而推流式水解酸化反应器依靠动力,使废水和污泥实现搅拌混合,进行反应。各类反应器各具优点又各有缺点,其中缺点集中在布水不均匀,泥水混合不完全,布水管容易堵塞等问题上。

针对现有厌氧水解反应器的不足,将3类反应器优点进行集成,设计开发出一种新型厌氧水解反应器,集成升流式、折流式和推流式反应器的优点。中试实际运行结果表明,该反应器对各类难降解废水具有较好的处理效果,同时,模块化的设计使之针对不同水质的废水,可以调整运行方式,降低运行费用,具有较大的灵活性。

1 材料与方法

1.1 新型水解酸化反应器

新型水解酸化反应器结构示意图如图1所示,反应器为同心圆结构,其中穿孔布水管、回流布水管和上清液收集管均为环形穿孔布水管。在实际应用中,进水通过环形布水器进入预反应区,与厌氧污泥进行初步混合反应,然后进行上流式反应,废水上升流速大,并且可以通过上清液回流或搅拌器搅拌强化混合效果。之后废水下行,通过折流板进行2次扰动达到泥水混合的目的,反应区体积大,污水上升流速小,并通过填料区水解酸化生物膜的反应,强化处理效果,有效提高废水可生化性。反应区污泥自流回流至预反应区,泥水分离效果较好,出水进入后续反应器进行后续处理。水解酸化反应器的容积为1.24m3,水力停留时间为12～32 h,搅拌速度为60～120 r/m,上清液回流比为50%～300%,使用填料为K3填料。反应器的主要创新点在于实现无动力的污泥内回流,以及实现上流式、推流式和折流式厌氧水解反应器的有机结合。

1.2 实验水样

使用2类不同废水对新型水解酸化反应器性能进行实验和评估,①类为某印染厂综合废水,经过格栅和调节池之后出水,水质分析平均值如下:COD为544.0mg/L,NH3-N为25.5mg/L,TN为32.3mg/L,TP为2.5mg/L,色度300倍,B/C=0.19。②类为某化工园区综合废水,为园区污水厂集水井出水,主要含有苯类物质、染料和生活污水,以印染废水为主(占86.7%),水质分析平均值如下:COD为313.0mg/L,NH 3-N为30.3mg/L,TN为35.9mg/L,TP为4.4mg/L,色度280倍,B/C=0.30。

图1 新型水解酸化反应器结构示意图

1.3 分析方法

实验分析指标,包括mLSS、COD、BOD5、NH 3-N、TN、TP以及色度均按照《水和废水监测分析方法(第4版)》相关方法进行测试。生物相观察使用40倍生物显微镜LED XSP-10C(上海光学仪器厂)。挥发性脂肪酸(VFA)含量的测定选用蒸馏滴定法[10-11]。

2 结果与分析

2.1 水解酸化反应器的启动

水解酸化反应器接种污泥选用周边污水厂水解酸化池含水污泥,MLSS浓度为8 g/L左右,投加量为0.3m3,接种后进水,开动搅拌器和上清液回流泵,搅拌速度为90 r/m,上清液回流量为100%,水解酸化反应器水力停留时间为24 h。污泥接种后,每日投加好氧系统剩余污泥10 L,连续投加3周,反应器底部采样结果如图2所示。

图2可知,通过3周的运行,水解酸化反应器底部污泥的MLSS超过9 g/L,并逐渐稳定。同时,污泥具有较好的流动性,泥水分离界面距水面0.3m,表明整个反应器有较好泥水混合和分离效果。运行6个月以来,填料挂膜效果理想,且未进行排泥。

图2 水解酸化反应器底部污泥MLSS变化

2.2 水解酸化反应器运行方式的筛选

水解酸化反应器的运行方式有4种:搅拌、回流、搅拌+回流以及无动力运行(无搅拌也无回流)。实际运行中,以2类废水作为处理对象,搅拌和回流选择以3水平因子进行对比,单因子表征的运行时间为2周,其主要的运行结果对比如表1。

表1 厌氧水解反应器不同运行方式下处理效果对比

总体比较来说,搅拌+回流的效果最好,无动力运行效果最差。在搅拌和回流运行条件的筛选中,总体而言,随着搅拌强度和回流量的增大,效果要稍好一点,但提升幅度并不明显。尤其是对COD浓度较低的②类废水,提高搅拌强度或者回流量效果并不明显。因此,从能耗和运行成本考虑,针对进水污染物浓度较高的废水,推荐使用搅拌加回流运行方式,其中搅拌强度为90 r/m,回流比为100%。而针对进水污染物浓度较低的废水,则推荐使用搅拌,而不使用回流,搅拌强度选为90 r/m。

2.3 水解酸化反应器处理效果

新型水解酸化反应器对2类废水的实际运行效果如表2所示。

表2 针对不同废水厌氧水解反应器处理效果对比

系统运行中,除表2数据以外,二者水力停留时间均为24 h,但二者系统中的污泥浓度略有不同,①类废水处理系统污泥浓度MLSS在1 800～2 500mg/L之间,平均2 130mg/L,②类废水处理系统污泥浓度MLSS在2 000～2 800mg/L之间,平均2 520mg/L。此外,由表2可知:水解酸化反应器对COD、色度的去除效果较为明显,对B/C的提升效果也较为明显。此外,经过水解酸化处理后,出水的氨氮、总氮和总磷都有提高,总磷的提高是由于微生物在厌氧环境下的释磷作用,而氨氮和总氮的提高,是由于2类废水中都含有大量印染废水,水解酸化作用对印染废水的处理,会导致含氮染料降解为胺类物质,从而导致总氮、氨氮浓度的上升[12-13]。

水解酸化反应器中的的生物相主要是兼性酸化菌、产甲烷菌和其他一些菌类,其组成为复杂的菌胶团,一般较难在低倍数的显微镜下观测到生物相。但由表2可知,新型水解酸化反应器VFA的产量较大,因此判断其所含酸化菌的活性很强。此外,经过长时间连续观察,在水解酸化反应器污泥中也发现了少量原生动物,其生物相如图3所示。

图3 新型水解酸化反应器生物相

2.4 新型水解酸化反应器与其他反应器对比

除了实验的新型水解酸化反应器之外,针对①类废水的处理,与另外3种厌氧水解反应器进行了比对,4类反应器的具体构造对比如表3所示,对比结果如表4所示:

表3 4类水解水解酸化反应器结构和运行参数

表4 4类水解酸化反应器运行效果对比

由表可知:几种反应器对废水的处理效果都较好,其中新型厌氧水解反应器在COD的去除上有明显的优势,提升幅度约为6个百分点左右,在B/C的提高以及对色度的去除上也有一定的优势。

3 结论

1)设计开发了一种同心圆新型水解酸化反应器,其集成上流式、折流式和推流式水解酸化反应器的优点,结构简单,可以有效处理不同水质的难降解废水,针对实验中两类不同废水,处理出水中VFA超过50mg/L乙酸当量。

2)针对不同的废水,可以启用不同的运行方式,处理高浓度废水时,可以通过搅拌+回流的方式强化泥水混合效果,提高处理效率;在处理低浓度废水时,可以不使用上清液回流设备,在取得较好去除效果的条件下降低运行成本,在实际应用中具有较好的灵活性。

3)和其他各种类型的厌氧反应器相比,新型水解酸化反应器可以提高6个百分点左右的COD去除效果。

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