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        IC 反應器處理生物制藥廢水的研究

        2020-09-09 04:18:40王金玉
        工業(yè)用水與廢水 2020年4期
        關鍵詞:沼氣進料反應器

        王金玉

        (帕克環(huán)保技術(上海)有限公司, 上海 201319)

        生物制藥指利用微生物、 寄生蟲、 生物組織等,采用現(xiàn)代生物技術方法(主要是基因工程技術)生產(chǎn)治療、 診斷等用途的多肽和蛋白質(zhì)類藥物、 疫苗等藥品的過程[1]。 其生產(chǎn)廢水中含有高濃度的有機污染物, 并且可能還含有一定濃度的毒性及難降解物質(zhì)。 對于高濃有機廢水的處理, 近年來的研究與應用發(fā)展主要集中在厭氧生物處理技術, 但傳統(tǒng)厭氧生物工藝在處理生物制藥廢水中存在一些問題, 例如: UASB 反應器存在容積負荷較低, 污泥易流失, 抗沖擊負荷能力弱等缺點; 兩相厭氧工藝流程復雜, 工藝運行參數(shù)難以精確控制, 基建投資高。

        內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器是新一代高效厭氧反應器, 其主要特點為容積負荷率高, 其進水有機負荷為普通UASB 反應器的3 倍左右; 抗沖擊負荷能力強; 出水穩(wěn)定性好, 可處理一定濃度含毒性物質(zhì)廢水等[2]。 自1996 年第1 臺生產(chǎn)性IC 反應器被引入國內(nèi)后[3], 經(jīng)過多年發(fā)展, 現(xiàn)已在造紙、 啤酒、 淀粉、 檸檬酸、 味精等高濃度廢水處理工程中得到成功應用。 2020 年, 生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《國家先進污染防治技術目錄(水污染防治領域)》, “高濃度有機廢水內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術”作為推廣技術入選其中。為進一步探索IC 反應器在高濃度工業(yè)有機廢水處理工程領域的應用潛力, 采用IC 反應器對生物制藥廢水進行處理, 運行期間考察了反應器內(nèi)COD去除率、 VFA 濃度及沼氣產(chǎn)量的變化趨勢, 以期為該類廢水處理工程的設計及生產(chǎn)運行提供有價值的參考。

        1 材料與方法

        1.1 試驗裝置

        IC 反應器結構示意如圖1 所示, 直徑為10 m,高度為25.5 m, 有效容積為1 970 m3, 反應器內(nèi)沿高度方向設置6 個取樣口, 分別為1.5、 3、 5、 8、11、 15 m 處。 反應器由5 部分組成: 布水區(qū)、 低部位反應區(qū)、 高部位反應區(qū)、 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)及出水溢流區(qū)。 其中, 作為反應器核心部件的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),由一級分離器上升管、 下降管及氣液分離器組成。反應器在35 ℃的中溫條件下運行, 廢水泵送至反應器底部, 依次經(jīng)過低部位反應區(qū)、 高部位反應區(qū), 最終從頂部出水溢流堰流出。 反應過程中產(chǎn)生的沼氣通過氣液分離器分離并由熱式流量計計量。

        圖1 IC 反應器結構示意Fig. 1 Structure of IC reactor

        1.2 廢水水質(zhì)

        試驗用水為某生物制藥公司的生產(chǎn)廢水, 由工藝廢水蒸餾水、 設備沖洗廢水混合而成。 混合廢水COD 及氨氮濃度高, m(BOD5)/m(COD)比在0.5 左右。 具體水質(zhì)如表1 所示。

        表1 廢水水質(zhì)Tab. 1 Wastewater quality

        1.3 接種污泥

        反應器啟動用的種泥購買自某淀粉糖生產(chǎn)廠,為厭氧系統(tǒng)內(nèi)活性污泥, 其含水率在80% 左右。反應器內(nèi)共接種400 m3污泥, 污泥質(zhì)量濃度約為78.6 g[VSS]/L。 接種完畢后, 開始向反應器內(nèi)加入低濃度的廠區(qū)生活污水, 運行7 d 后, 測得反應器內(nèi)VSS 質(zhì)量為30 685 kg。

        1.4 試驗方法

        通過調(diào)節(jié)IC 反應器的進水量來控制IC 反應器的處理負荷, 在保證IC 反應器出水COD 去除率高于80% 的前提下, 每7 d 為1 個周期, 并以20%的幅度提升IC 反應器的負荷, 試驗總歷時為50 d。進水啟動初期反應器需采用較低的污泥負荷, 負荷范圍在0.02 ~0.20 kg[COD]/(kg[VSS]·d)[4], 由于生物制藥廢水中可能存在一定濃度的毒性物質(zhì), 故以0.10 kg[COD]/(kg[VSS]·d)的初始污泥負荷啟動反應器, 如1.3 節(jié)所述, 反應器內(nèi)VSS 總質(zhì)量為30 685 kg, 因此起始進水容積負荷為1.60 kg[COD]/(m3·d), 即進料負荷為3 068.5 kg[COD]/d。

        1.5 分析方法

        COD 采用重鉻酸鉀消解法, VFA 采用酸堿滴定法, 懸浮物濃度及污泥濃度采用重量法, 污泥粒徑分布采用篩分法[5], IC 反應器進水量采用電磁流量計計量, 沼氣產(chǎn)量采用熱式流量計計量。

        2 結果與討論

        2.1 反應器啟動及其對COD 的去除效果

        從IC 反應器進水啟動至負荷提升結束, 總共歷時50 d。 起始進水容積負荷為1.60 kg[COD]/(m3·d), 采用連續(xù)進水方式, 將原廢水的pH 值調(diào)節(jié)至5 ~6。 由于接種了足量的污泥, 反應器內(nèi)污泥負荷較小, 為0.10 kg[COD]/(kg[VSS]·d)。 故反應器啟動初期即表現(xiàn)出良好的COD 去除效果。隨后提高進料負荷。

        啟動及負荷提升過程中, 反應器進出水COD濃度、 COD 去除率及容積負荷的變化趨勢如圖2和圖3 所示。 由圖2 可知, 進水COD 的質(zhì)量濃度為7 000 ~12 000 mg/L, 出水COD 質(zhì)量濃度為500 ~750 mg/L, COD 去 除 率 在90% 以 上, 最 高 達 到94.6%。 反應器運行平穩(wěn), 出水COD 濃度沒有出現(xiàn)較大的波動。

        圖2 進出水COD 濃度及去除率情況Fig. 2 COD concentrations in influent and effluent water and removal rate thereof

        圖3 COD 進料負荷及去除負荷變化Fig. 3 Changes of COD feeding load and removal load

        從COD 的進料負荷和去除負荷看, 在反應器運行第45 天時, COD 進料負荷和去除負荷達到最大, 分別為6.3 和6.1 kg/(m3·d), 折合COD 去除量為11 850 kg/d。

        2.2 反應器VFA 濃度與pH 值變化

        為控制負荷提升幅度, 保證反應器平穩(wěn)運行,連續(xù)測試了啟動期間反應器內(nèi)VFA 的變化情況, 結果如圖4 所示。 進水VFA 質(zhì)量濃度為1 400 ~2 200 mg/L, 出水VFA 最高質(zhì)量濃度為347 mg/L, 最低時低于200 mg/L。 反應器內(nèi)的揮發(fā)酸沒有積累, 說明IC 反應器運行良好, 沒有因進料負荷的提高而形成酸化的趨勢。 由圖4 還可以看出, 反應器出水pH值較平穩(wěn), 并且出水pH 值一直高于進水pH 值。 分析其原因主要有兩方面, 一方面是IC 反應器對COD 的高效去除可以向廢水中返還大量的堿度[6],另一方面得益于IC 反應器的高效內(nèi)循環(huán)作用, 使得進水在反應器內(nèi)得到稀釋和緩沖。

        圖4 VFA 濃度及pH 值變化Fig. 4 Changes of VFA concentration and pH value

        2.3 沼氣產(chǎn)量

        厭氧生物處理廢水過程中, 90% 以上的COD最終被微生物轉化為沼氣[7], 并且沼氣產(chǎn)量與COD去除量之間存在一定的比例關系[8], 圖5 顯示了IC反應器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關系。 反應器運行期間從整體變化規(guī)律上看, 隨著COD 去除量的增加, 沼氣產(chǎn)量在逐漸增大, 并且COD 去除量和沼氣產(chǎn)量之間存在比較明顯的比例關聯(lián)性。 沼氣產(chǎn)量與COD 去除量的比值稱為沼氣比產(chǎn)氣率, 運行階段實測沼氣比產(chǎn)氣率在0.42 ~0.55 之間, 該值符合理論預期[9]。

        圖5 反應器COD 去除量與沼氣產(chǎn)量的關系Fig. 5 Relationship between COD removal and biogas output

        2.4 反應器內(nèi)顆粒污泥的粒徑變化

        歷時50 d 的運行, IC 反應器污泥顆粒粒徑變化趨勢如表2 所示。 隨著進水負荷的逐漸增加, 反應器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸增大, 0.5 mm 以下顆粒污泥質(zhì)量占比逐漸減少,污泥顆?;M程較明顯, 這可能是反應器內(nèi)較高的上升流速及適宜的代謝負荷促進微生物凝聚成團等所致。

        表2 顆粒污泥粒徑分布Tab. 2 Granular sludge particle size distribution

        3 結論

        經(jīng)過50 d 的啟動和運行, IC 反應器對COD 的去除率高于90%, COD 去除量及容積負荷分別達到11 850 kg/d 和6.1 kg/(m3·d)。 反應器內(nèi)VFA 濃度變化很小, 出水pH 值保持穩(wěn)定。 隨著COD 去除量的上升, IC 反應器的沼氣產(chǎn)量逐漸增大, 并且沼氣產(chǎn)量符合理論預期。 IC 反應器運行期間,污泥顆?;M程明顯, 反應器內(nèi)粒徑在0.5 mm 以上的顆粒污泥占比逐漸增加。 在實際工程中, IC反應器能夠穩(wěn)定高效地處理生物制藥廢水。

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