高效水解酸化废水处理技术初步研究 5页

'第23卷第6期环境科学学报Vol.23,No.62003年11月ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAENov.,2003文章编号:0253-2468(2003)06-0721-05中图分类号:X171文献标识码:A高效水解酸化废水处理技术初步研究12212韩相奎,桑连海,叶长兵,尹军,汤洁(1.吉林建筑工程学院环境工程系,长春130021;2.吉林大学环境与资源学院,长春130026)摘要:提出了一种高效水解酸化废水处理技术.通过水力学措施,可以实现水解酸化系统较强烈的湍流和涡旋,加速传质,从而使有机污染物的去除率显著增加.对照试验结果表明,对低浓度溶解性COD的去除率是传统方法的3倍以上.关键词:废水;水解酸化;传质;高效Wastewatertreatmentbyhighefficienthydrolysis-acidogenosisprocess12212HANXiangkui,SANGLianhai,YEChangbing,YINJun,TANGJie(1.DepartmentofEnvironmentEngineering,J-ilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Changchun130021;2.CollegeofEnvironmentalandNaturalResources,JilinUniversity,Changchun130026)Abstract:Ahighefficienthydrolysis-acidificationprocessforwastewatertreatentwasdemonstratedinthispaper.Byimprovingthehydrauliccharacteristic,thereweremoreturbulentcurrentandeddyflowsformedinthereactorandmasstransferandtheefficiencyoftreatmentwereim-proved.Incomparison,theremovalefficiencyforsolubleorganiccomponentsoflowerconcentrationsinthenewreactorwas3timeshigherthanthatinthetraditionalreactor.Keywords:wastewatertreatment;hydrolysis-acidificationprocess;COD[1,2]废水的水解酸化处理工艺作为生物预处理技术在国内外已多有研究和应用.一些国外学者认为,不管是UASB(UpflowAnaerobicSludgeBed)还是EGSB(ExpandedGranularSludgeBed)反应器,如要获得高有机负荷率和去除率,以及良好的沉降特性和微生物活性等,都需要酸化[3,4]段作用的有效发挥.尽管酸化反应器的设计还不够规范,但国外在UASB和EGSB系统中却[5]常应用.关于酸化反应器对溶解性COD的去除能力,国外近年有藉两段UASB处理啤酒废水[5]在酸化段获得(20?4)%去除率的小试研究报导.水解酸化工艺的效能大致有5点:一是可提高废水的可生化性;二是同时可去除少部分有机污染物;三是可使后继的曝气量降低;四是[6]降低污泥产率;五是明显节能.如果能在保持水解酸化工艺诸多优点的同时,再进一步提高其对有机污染物的去除能力,从而大大降低城市污水和工业废水处理工程的投资和运行费用,其实际意义将十分重大.尽管水解酸化废水处理技术已研究和应用多年,但旨在高效去除有机污染物的水解酸化废水处理技术研究却未见报导.本研究的目的也即在于此.笔者认为,水解酸化废水处理技术对溶解性有机污染物去除能力较低的主要原因在于其系统的传质效率不高,从而大大降低了系统的生化反应速率.如果能够造成系统的高效传质,则有可能使水解酸化工艺去除有机物的能力大大提高,从而实现其去除有机物的高效性.为此笔者设计了一试验装置.该装置通过大量回流系统出水,使反应系统产生强烈的湍动,形成大量的脉动和涡旋,以加速传质.并进行对收稿日期:2002-11-08;修订日期:2003-05-28基金项目:吉林省环保局基金项目(编号:吉环科合字第99004号)作者简介:韩相奎(1954)),男,教授电话:(0431)5935012 722环境科学学报23卷照试验,考查相关条件下的试验结果.1试验材料和方法本研究采用对比试验,设2套规模相同的反应器,均由有机玻璃制成.有效高度100cm,内径10cm,有效容积719L,内置弹性立体填料,在不同高度上设置取样口.反应器及其流程如图1所示.采用的回流泵型号为10G04-6,最高扬程10m,最大流量016LPmin,通过转子流量计控制进水和回流水流量.同时,用缠绕在反应器外壁上的电热线和湿式温控仪控制温度,恒温24e.试验废水用啤酒直接稀释配制,这样基本可以保证废水的溶解状态,且可使水质基本稳定,便于把握.每天配制1次,以免腐败,检测指标主要为COD.图1反应器流程图2套试验系统同时进水,初期进水COD浓度Fig.1Schematicdiagramofreactor大约为1000mgPL,同时1#回流系统进行出水回流,1周内即发现填料上有灰白色生物膜,反应器下部有明显污泥层出现.3周后,COD去除率基本稳定,视为启动完成.之后,进行为期6个月的高、低2个COD浓度段的动态试验,考查各种条件下的运行结果.2试验结果与分析2.1回流比与去除率的关系控制进水COD浓度在450mgPL左右和3800mgPL左右2个浓度段,温度为24e,pH值约#为7,水力停留时间(HRT)4h.在此条件下,将1反应器的回流比控制在200%、400%、600%、#800%进行动态试验.每个回流比至少运行1周,以期获得稳定结果并与回流比为0的2反应器进行比较.各运行期的COD去除率平均值与回流比的关系如图2所示.由图2可见,随着回流比的增大,COD的去除率也增大.当回流比增到600%时,COD去除率达到最大值.之后随着回流比的增大,去除率反而下降.说明恰当的回流比确实可以增加系统的传质效率,使COD的去除率显著增加.然而回流比过大,强劲的上升流速所形成的湍流涡旋图2回流比与去除率的关系和剪切力会造成生物膜脱落,生物量同时降低,去除率反Fig.2BlackflowratiovsremovalrateofCOD而下降.此外,从图中还可以看到,低浓度段COD去除率随回流比的变化呈非常显著的趋势,说明加强传质对低浓度废水的水解酸化处理有特效.本试验最佳回流比为600%,此时对应的低浓度段COD平均去除率为5611%,高浓度段COD的去除率3014%.2.2HRT与COD去除率的关系控制进水COD浓度在450mgPL左右和3800mgPL左右2个浓度段,温度24e,pH值约为 6期韩相奎等:高效水解酸化废水处理技术初步研究723#7,1反应器回流比600%.在此条件下,进行HRT为1h、2h、3h和4h的动态试验.同前,每个运行期为1周,其COD去除率的平均值与HRT的关系如图3所示.由图3可见,在低浓度段,HRT愈长,COD去除率愈#大.但HRT从3h增至4h,1反应器的COD去除率仅从#51165%增至52132%;2反应器仅从13197%增至#14193%,而1反应器HRT为1h时,COD去除率就达到45130%.计算结果表明,相同进水浓度相同HRT条件下##的COD去除率1约为2的315倍左右.大流量回流所造成的湍流涡旋对于加速该系统的传质和生化反应的进行,具有显著性效果.同时也说明,在此试验条件下,对于此种低浓度废水,水解酸化反应大部分会在短时间内完成,增加HRT,COD去除率的提高是缓慢的.而在高图3停留时间与COD去除率的关系Fig.3HRTvsremovalrateofCOD浓度段,尽管其变化趋势基本同低浓度段,但辐度则相对较小,HRT大于2h后才比较明显.2.3进水COD浓度与去除率的关系两反应器在进水COD浓度300)600mgPL(考虑到城市污水的浓度范围)和1600)#5700mgPL2个浓度段运行,温度24e,pH值7左右,HRT3h,1回流比600%,进行对照试验,结果如图4所示.#由图4可见,在低浓度段,2反应器的COD去除率始终#处于12%)16%这样一个较低水平.而1反应器则均在40%以上,当COD处于400)500mgPL时,其COD去除率均大于50%.COD平均去除速率也达到了80mgP(L#h)(11923kgP(m#d))以上,该速率与此浓度段的好氧法相当,而其节能的显著性好氧法却无可比拟.高效传质导致了高生化反应速率和高有机物去除率.一般认为,水解酸化工艺对废水[1]不溶性COD的去除率较高,而对溶解态COD去除率低.本技术采用新鲜啤酒配制废水,COD组成均为溶解态有机物构成,则实现了高COD去除率和去除速率.故藉此技术,在大量去除有机污染物的同时,会使后续的好氧处理负荷大大降低,曝气池容积和鼓风机等设备容量都大大降低,从图4进水COD浓度与去除率的关系而使生活污水等低浓度废水的处理工程投资和运行费都显Fig.4InfluentCODvsremovalrateofCOD著下降,意义非常重大.##在高浓度段,与2反应器相比,1反应器的COD去除率仍呈系统性增加趋势,COD平均去除速率净增加38)65mgP(L#h),本法的平均COD去除速3率达到了147)342mgP(L#h)(3153)8121kgP(m#d)).而好氧法受供氧能力的限制,一般难于达到如此高的去除速率.2.4COD去除率与反应器柱高的关系在进水COD为450mgPL左右时,温度24e,pH值为7左右,回流比600%,HRT为4h条件#下,进行1反应器不同柱高处的采样分析,其结果示于图5. 724环境科学学报23卷由图5可见,在柱高0125m处,其COD去除率就已超过40%,而在015m处,则超过50%.其后的COD去除率随柱高变化甚微,这表明,系统内的COD降解主要发生在下部浓污泥区,这与一般厌氧废水处理技术的现象一致.2.5系统pH值变化在24e,HRT为3h等前述条件下,控制进水pH值在7103)7133,分别对高低两浓度段的进出水pH值进行了监测,其图5COD去除率与柱高变化关系结果示于图6.#Fig.5RemovalrateofCODvsheight从图中可见,不管在高浓度段还是低浓度段,1反应器的出ofreactor#水pH值都系统地大于2的对应值,低浓度段表现尤其明显.相#对高的pH值对应于前述相对高的COD去除率,说明在此试验条件下,1反应器内有机酸积累量相对较少,有机物特别是有机酸的进一步降解直至彻底氧化可能是其主要原因,系统内的有机物氨化较为彻底可能也是其原因.2.6试验系统高效性能的理论解释#在试验条件下,当1反应器大比例回流的高速回流废水在较低流速的水相通过时,发生局部剪切流动,生成大量的不同尺度的涡旋群,这些涡旋群的涡旋运动造成局部范围内的对流扩散,即涡流扩散.这种强烈的涡流扩散可以迅速地把液相溶质的不均匀程度降低到涡旋本身大小.尽管此时的最小涡旋也比分子尺度大得多,但它大大增加了分子扩散面积,并也大大地减小了图6出水pH值与进水pH值关系扩散距离,从而使整个反应系统的传质效率显著提Fig.6EnfluentpHvsinfluentpH[7]高.此外,当高速液流通过反应器内的填料和菌胶团时,亦发生局部剪切流动,生成大量不同尺度的涡旋群,产生涡流扩散,从而提高了传质效率.传统理论认为,有机基质向菌胶团的传质可分为3部分,即液相传质、活性污泥附液膜(滞[8]流液膜)传质、固相传质.认为滞流液膜的传质阻力最大,成为生化反应速度的限制因素.但是,当生化反应器内存在着比较强烈的湍流涡旋时,强烈的水力剪切作用和涡旋运动特别是大量小涡旋运动,可使滞流液膜厚度显著减小,使传质效率大大提高;同时,还会提高滞流液膜中有机基质的浓度和补充速度,使其内有机基质向细菌胶团或者膜内的扩散强度增加,从而提高了系统的有机物降解速率.此外,大量微小涡旋的传质作用也会使滞流液膜外的反应产物被迅速带走,有利于微生物代谢产物不断透过滞流液膜而疏散到液相本体,这也会加速本系统的生[9]化反应速率.另外,当高速流体通过本系统下部的污泥区时,会造成该区一定程度的/膨胀化0状态,大量的涡旋运动强化了废水中有机污染物与生物膜和菌胶团的接触,使污泥区高浓度的水解酸化微生物功能得到很好的发挥,从而提高了本系统的生化反应速率.还有,在本系统内,较为强烈的涡旋运动会不断更新生物膜的表面,使生物膜的活性更高,生化反应速率更快.同时,还能使本系统产生的生物气体被及时地从生物膜上带走(对照系统生物膜上有明显的气泡附着现象),使生物膜、菌胶团与污水的接触更加充分,也会明显地提高生化反应速率. 6期韩相奎等:高效水解酸化废水处理技术初步研究725强化传质过程对高浓度段COD去除率影响较小,而对低浓度段COD去除率影响较大,证明高浓度COD不是生化反应速率的限制因素,而低浓度COD则是生化反应的的主要限制因素.因此,强化传质也就对低浓度COD去除率的提高特别有作用,这一点与生化反应零级动力学和一级动力学的理论是吻合的.3小结(1)通过水力学措施造成水解酸化反应器内较为强烈的湍流和涡旋运动,利用涡流扩散来加速传质,可以实现高效水解酸化反应过程,从而使该系统的有机污染物去除率大大提高.(2)在试验条件下,当进水COD浓度在300)600mgPL时,高效水解酸化反应器对溶解性COD的去除率超过45%,多数在50%以上,是相应对照系统COD去除能力的3倍以上,系统的高效性非常显著.(3)限于试验条件,本研究运用回流系统探讨了实现高效水解酸化技术的可能性,对直接加大流量的不回流系统尚未进行试验,对反应器模型的改进以及对生活污水的处理研究也尚未进行,故该高效水解酸化技术经济程度暂时难于全面评价.此外,对不同水力条件、水力参数的影响研究也有待进行.参考文献:[1]王凯军.低浓度污水厌氧化(水解)处理[M].北京:中国环境科学出版社,1991.82)91[2]PohlandFG,GhoshS.Developmentsinanaerobicstabilizationoforganicwastes,thetwo-phaseconcept[J].EnvirLett,1971,1:255)266[3]LetingaG,HulshoffPolLW.UASBprocessdesignforvarioustypesofwastewaters[J].WaterSciTech,1991,24:87)107[4]WentzelMC,MoosbruggerRE,etal.Tentativeguidelinesforwasteselection,processdesign,operationandcontrolofupflowanaero-bicsludgebedreators[J].WaterSciTechnol,1995,31(12):31)42[5]Young-HoA,Kyung-SokM,RichardES.Pre-acidificationanaerobicsludgebedprocesstreatingbrewerywastewater[J].WaterRe-search,2001,35(18):4267)4276[6]沈耀良,王宝贞.水解酸化工艺及其应用研究[J].哈尔滨建筑大学学报,1999,32(6):35)38[7]查金荣,等.传递过程原理及应用[M].北京:冶金工业出版社,1997.49)55[8]方大酉.两相流动力学[M].北京:国防科技出版社,1998.98)103[9]谭天恩,金一中.传质-反应过程[M].杭州:浙江大学出版社,1990.10)22'