代 軍

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油分公司，寧夏銀川 750011）

1 項(xiàng)目背景及研究目的

1.1 廢水生物處理技術(shù)

有機(jī)工業(yè)廢水的生物處理技術(shù)主要分為厭氧和好氧兩個(gè)范疇，完全意義上的厭氧必須實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物到沼氣的降解轉(zhuǎn)化。

從最原始的厭氧接觸工藝面世，迄今已有百年歷史，只是從20世紀(jì)70年代以來高負(fù)荷厭氧反應(yīng)器的出現(xiàn)才使厭氧技術(shù)出現(xiàn)了重大突破。

近年來IC反應(yīng)器已基本替代UASB反應(yīng)器。厭氧顆粒污泥法對大型煤制油化工項(xiàng)目的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)了厭氧生物處理技術(shù)的發(fā)展。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募把芯績?nèi)容

通過本次連續(xù)小試實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證厭氧工藝運(yùn)用于費(fèi)托合成廢水處理的可行性。本研究以費(fèi)托合成廢水培養(yǎng)馴化厭氧顆粒污泥的小試規(guī)模厭氧工藝為研究對象，主要研究厭氧工藝生物降解COD的處理效率。通過實(shí)驗(yàn)，期望能得出：

（1）研究煤制油費(fèi)托合成廢水對于厭氧顆粒污泥的適應(yīng)性、對其活性的影響及外貌形狀的變化。

（2）進(jìn)水COD濃度的變化對厭氧反應(yīng)器的影響。

（3）確定厭氧的負(fù)荷和去除效率。

（4）確定沼氣的比產(chǎn)氣率。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所用反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，厭氧反應(yīng)器總體積10L。進(jìn)水通過供料泵供給并控制進(jìn)水水量。

在調(diào)節(jié)罐中投加磷和微量元素，并使其和廢水在調(diào)節(jié)罐中充分混合，以滿足厭氧菌的生成需求。

厭氧供料泵將調(diào)節(jié)罐中的廢水泵入?yún)捬醴磻?yīng)器，通過調(diào)整厭氧供料泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)整進(jìn)入?yún)捬醯牧髁恳员ＷC厭氧反應(yīng)器內(nèi)COD負(fù)荷滿足要求。沼氣在分離器中被分離出來，經(jīng)過沼氣水封罐排出系統(tǒng)。沼氣流量計(jì)連續(xù)監(jiān)測排出系統(tǒng)的沼氣量。內(nèi)循環(huán)泵使廢水在厭氧反應(yīng)器下層反應(yīng)區(qū)形成充分的循環(huán)，保證了厭氧反應(yīng)器的上升流速。

在厭氧反應(yīng)器外設(shè)有夾套，加熱循環(huán)泵將恒溫水箱中的水泵入?yún)捬跬鈯A套內(nèi)并循環(huán)回到恒溫水箱，以保證厭氧反應(yīng)器內(nèi)的水溫在厭氧反應(yīng)所要求的溫度范圍內(nèi)。

經(jīng)過厭氧反應(yīng)后的廢水經(jīng)溢流，流入出水槽。

2.2 進(jìn)水水質(zhì)及接種污泥

2.2.1 進(jìn)水水質(zhì)

為使連續(xù)小試結(jié)果能更有效地反映在以后工程的實(shí)際運(yùn)行情況，本次連續(xù)流小試實(shí)驗(yàn)匯總廢水水質(zhì)具體如表1。

表1 廢水水質(zhì)參數(shù) mg/L

2.2.2 接種污泥

厭氧接種污泥接種量為4.5L，污泥濃度MLSS為40g/L，MLVSS濃度為31.6g/L，VSS/SS為0.79。

2.3 分析監(jiān)測項(xiàng)目與方法

本次實(shí)驗(yàn)的測試方法與使用儀器及測試項(xiàng)目按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)分析方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論

從2020年8月27日至2020年11月20日，對費(fèi)托合成廢水進(jìn)行厭氧處理小試實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段：

1）以費(fèi)托合成廢水作為厭氧進(jìn)水的厭氧顆粒污泥馴化和低負(fù)荷階段。

2）中負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究。

3）高負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 厭氧實(shí)驗(yàn)運(yùn)行分析

3.1.1 實(shí)驗(yàn)過程

依據(jù)常規(guī)廢水水質(zhì)參數(shù)和GCMS初步判斷，該廢水的可生化性較高，故將污泥負(fù)荷設(shè)置在0.2kg COD/kg VSS·d開始，并根據(jù)厭氧反應(yīng)器的出水情況對厭氧反應(yīng)器的負(fù)荷進(jìn)行逐步調(diào)整。

3.組建合作小組，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)氛圍。結(jié)合學(xué)生特點(diǎn)，將學(xué)生分成五個(gè)合作學(xué)習(xí)小組。分組時(shí)均衡各組整體水平，注重小組成員間的差異互補(bǔ)。

3.1.2 結(jié)果與討論

3.1.2.1 低負(fù)荷污泥階段

由圖1、圖2可以看出，8月27日到9月21日期間，此階段厭氧進(jìn)水COD為10 500~11 400mg/L，厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷為2.9~4.0kgCOD/m3·d，平均值為3.67kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負(fù)荷為0.21~0.30kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.26kg COD/kg VSS ·d。

圖1 厭氧反應(yīng)器進(jìn)出水VFA濃度及酸化度隨時(shí)間的變化

圖2 厭氧反應(yīng)比產(chǎn)氣率隨時(shí)間的變化

在上述這些進(jìn)水水質(zhì)條件下，厭氧反應(yīng)器的出水COD濃度為100~270mg/L，平均值為167mg/L；COD去除率為96%~99%，平均值為98.4%；污泥去除負(fù)荷為0.20~0.30kgCOD/m3·d，平均值為0.26kgCOD/m3·d。表明厭氧顆粒污泥已基本適應(yīng)于該類廢水水質(zhì)。

在低負(fù)荷階段，顆粒污泥的比產(chǎn)氣率為0.24~0.67m3/kg CODrem·d，平均為 0.54m3/kgCODrem·d。

3.1.2.2 中負(fù)荷污泥階段

9月21日到10月9日，經(jīng)過低負(fù)荷階段運(yùn)行后，厭氧顆粒污泥馴化完全，所以此階段在較短時(shí)間內(nèi)提高污泥負(fù)荷至0.39kgCOD/kg VSS·d。此階段厭氧進(jìn)水COD為9 500~11 400mg/L，厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷為4.7~5.6kgCOD/m3·d，平均值為5.4kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負(fù)荷為0.33~0.39kg COD/kg VSS·d，平均值為0.38kgCOD/kg VSS·d。

在上述這些進(jìn)水水質(zhì)條件下，厭氧反應(yīng)器的出水COD濃度為130~270mg/L，平均值為208mg/L；COD去除率為97%~99%，平均值為98%；污泥去除負(fù)荷為0.33~0.39kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.37kgCOD/kg VSS·d。因此經(jīng)過低負(fù)荷運(yùn)行后，隨著進(jìn)水COD的增加，反應(yīng)器的處理效果與低負(fù)荷階段的去除效果基本不變，污泥去除負(fù)荷明顯高于低負(fù)荷階段的污泥負(fù)荷。

3.1.2.3 高負(fù)荷污泥階段

為驗(yàn)證厭氧反應(yīng)器能承受較高的污泥負(fù)荷，10月9日到11月20日，接近6周運(yùn)行時(shí)間，將此階段的污泥負(fù)荷提高至0.4kgCOD/m3·d以上。此階段厭氧進(jìn)水COD為9 800~11 000mg/L，厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷為5.8~6.3kgCOD/m3·d，平均值為6kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負(fù)荷為0.39~0.44kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.43kgCOD/kg VSS·d。

在上述這些進(jìn)水水質(zhì)條件下，厭氧反應(yīng)器的出水COD濃度為170~290mg/L，平均值為235mg/L，除10月20日的出水COD濃度為329mg/L外，其他均可維持在300mg/L以下；COD去除率為97~99%，平均值為97.7%；污泥去除負(fù)荷為0.38~0.44kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.42kgCOD/kg VSS·d?？梢姡诒倦A段反應(yīng)器的處理效果基本與中負(fù)荷階段時(shí)相當(dāng)，但污泥去除負(fù)荷明顯較低、中負(fù)荷階段時(shí)高。故此階段進(jìn)水水質(zhì)條件下厭氧生物處理系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)表明，厭氧反應(yīng)器完全能在污泥去除負(fù)荷為0.42kgCOD/kg VSS·d、容積負(fù)荷為6kgCOD/m3·d參數(shù)下正常運(yùn)行。

調(diào)節(jié)罐中廢水的預(yù)酸化度在78%~85%，平均值為80.3%。而厭氧出水的VFA濃度較為穩(wěn)定，基本維持在10meq/L以下，平均值為5.2meq/L。厭氧出水BOD＜110mg/L。因此，根據(jù)出水VFA濃度和厭氧進(jìn)出水COD/BOD值變化，可知將污泥負(fù)荷提高至0.43kgCOD/kgVSS·d后厭氧反應(yīng)器仍處于一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)。

在高負(fù)荷階段，顆粒污泥的比產(chǎn)氣率為0.44~0.62m3/kg CODrem ·d，平均為 0.52m3/kgCODrem ·d。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算，厭氧出水COD中VFA所占比例較高，且B/C較高，也驗(yàn)證了廢水中含較多短鏈醇類和酸類，基本是容易降解的物質(zhì)，廢水的可生化性較高，可進(jìn)一步進(jìn)行生物降解處理。

3.2 厭氧顆粒污泥

為對厭氧顆粒污泥的特性有更深入的認(rèn)識，對比分析了馴化前與實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的厭氧顆粒污泥的性能指標(biāo)。經(jīng)過費(fèi)托合成廢水進(jìn)行接近三個(gè)月培養(yǎng)后，盡管從表觀上發(fā)現(xiàn)大顆粒污泥（粒徑>2mm）的數(shù)量較接種前有所減少，顆粒污泥有所變“細(xì)”，但直徑為1~2mm的顆粒污泥占比增多，這更利于物質(zhì)在顆粒內(nèi)部的傳遞。

實(shí)驗(yàn)前接種VSS污泥總量142g；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后VSS顆粒污泥總量113.7g，絮狀污泥總量17.3g，表明在馴化過程中有少量污泥解絮。考慮到在連續(xù)流小試中污泥損耗量和中途污泥有取出觀察，表明實(shí)驗(yàn)前后污泥基本總量變化不大。

4 結(jié)論

連續(xù)流小試經(jīng)過接近約3個(gè)月運(yùn)行研究，可得到以下結(jié)論：

1）在相對較高起始負(fù)荷情況下，厭氧顆粒污泥能較快適應(yīng)馴化并提高負(fù)荷。厭氧顆粒污泥經(jīng)過馴化后，略微變細(xì)小，更適合厭氧工藝要求，其他基本無變化。

2）厭氧小試裝置及其內(nèi)部顆粒污泥可有效抵抗低負(fù)荷和高負(fù)荷的沖擊，厭氧出水較為穩(wěn)定。

3）本次實(shí)驗(yàn)厭氧小試容積負(fù)荷達(dá)到最高6.0kgCOD/m3·d，由于小試實(shí)驗(yàn)裝置為簡易厭氧反應(yīng)裝置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完善，有較多不合理空間，導(dǎo)致容積負(fù)荷較低。

4）厭氧出水的B/C較高，可選擇好氧工藝以進(jìn)一步去除COD。