石灰法與低堿法混合草漿黑液厭氧發酵研究

論文類型	技術與工程	發表日期	2000-02-01
來源	《工業用水與廢水》2000年第1期
作者	朱志臣,邱曉航
關鍵詞	造紙廢水處理生化處理厭氧
摘要	針對造紙生產中的石灰法和低堿法草漿混合黑液進行發酵試驗研究，CODCr去除率達60.7%～70.4％，BOD去除率達90.4％，SS平均去除率為92.1％，容積負荷為5－7kg[CODCr]/（m3.d），每立方米廢液回收沼氣9.11m3。

朱志臣2，邱曉航2
（1天津城建學院，天津 300381；2 南開大學化學系，天津 300071）

　　摘　要：針對造紙生產中的石灰法和低堿法草漿混合黑液進行發酵試驗研究，COD_Cr去除率達60.7%～70.4％，BOD去除率達90.4％，SS平均去除率為92.1％，容積負荷為5－7kg[COD_Cr]/（m³.d），每立方米廢液回收沼氣9.11m3。
　　關鍵詞：造紙；廢水處理；生化處理；厭氧
　　中圖分類號：X793
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1009-2455（2000）01-0016-03

　　造紙工業廢水是我國環境的重大污染源之一。本文采用厭氧發酵工藝對石灰法和低堿法草漿混合黑液進行了試驗研究。

1 廢水來源及水質

　　試驗所用廢液取自天津板紙廠二車間（石灰法草漿黃液）和四車間（低堿法草漿黑液），水質特性見表1。

表1 試驗水質特性 項目石灰法草漿黃液石灰法草漿黃液和低堿法草漿黑液混合液外單位測定值自測值酸化前酸化后 COD_Cr/(mg.L^-1) 14000 13800 11784.9 7121.4 BOD₅/(mg.L^-1) 4850 4630 　 2661 pH 9.5 11 9.0 7.1 SS/(mg.L^-1) 5140 5140 4307 　凱氏氮/(mg.L^-1) 21.7 　　　揮發脂肪酸/(mg.L^-1) 　　　 21831.9 BOD₅/COD_Cr 0.35 　　 0.374 COD_Cr:N:P 645:3.5:1 　　　 Ca2+/(mg.L^-1) 1500 　　 600-800

2 試驗工藝流程與設備

　　試驗所用廢水在取樣運輸途中及水樣保存過程中已自然酸化，其COD降低率在15％～42％不等。pH值從10降至6，揮發脂肪酸升到100－2000 mg/L，因此不再人工酸化。
　　參考前人工作[1-2]我們采用如圖1所示的設備。主體設備UASB反應器是采用有機玻璃柱制成，上段內徑188mm，高400mm，為分離區；下段內徑92 mm，高1200mm，為反應區。反應器為甲烷相反應器，其進水由提升泵將酸化后的廢液從低位水箱提升到高位水箱，再經時間控制下的計量泵脈沖式地向UASB反應器底部注人。廢液在升流過程中與消化污泥接觸進行厭氧發酵，發酵后由上部三相分離器溢出。反應器產生的氣體從頂排出，經水封瓶進人濕式氣體流量計計量，由數字及指針顯示。UASB溫度控制在（36±1）℃。

3　試驗過程

　　所用接種污泥來自天津紀莊子污水處理廠的厭氧消化污泥和北京啤酒廠的厭氧污泥。
3.1 UASB反應器的啟動
　　由于甲烷菌世代時間長，繁殖慢，因此厭氧活性污泥，特別是顆粒污泥的培養馴化較復雜，其啟動經歷了以下幾階段：
3.1.1 接種和靜態培養馴化期
　　將從天津紀莊子污水處理廠取來的厭氧消化污泥和從北京啤酒廠取來的厭氧顆粒污泥以2：1的配比混合，定期投配石灰草漿黃液及人工攪拌以恢復其活性并使其對黃液初步適應。
3.1.2 啟動UASB反應器，用黃液進行動態培馴
　　盡管污泥已在靜態培馴中恢復活性，但還不適應UASB反應器中的動態環境，為此進行動態培馴。啟動的步驟是按反應區有效容積的 80％將恢復活性的污泥裝人柱子中。然后進黃液，使柱子充滿。逐漸升高溫度達（36±１）℃，使懸浮的污泥逐漸下沉。廢液在柱中停留2d左右，開始按1－3kg[CODcr]/（m³.d）的低負荷進水，進行動態培馴。UASB反應器流出的污泥不回流，促使污泥床中污泥增殖、顆粒化。反應器中污泥濃度隨啟動時間的變化經歷三個階段。第一階段，輕污泥部分被出水帶出，結果使床內污泥減少；第二階段，輕污泥繼續被帶出池外，生物量減少量大于增長量，床內污泥濃度繼續下降；第三階段逐漸增加COD負荷，增殖的生物量大于帶出量，污泥濃度增加，馴化成功。
3.1.3 低堿法草漿黑液再馴化期
　　為使經石灰草漿黃液馴化成功的污泥進一步適應混有低堿法黑液的混合液而進行再馴化。

4 試驗結果與分析

　　試驗按低堿法黑液30％和石灰法草漿黃液70％的混合液進行培馴，經近4個月正式運行，容積負荷從3.2kg[COD_Cr](m³.d）逐漸升至7kg[COD_Cr]/（m³.d）以上，SS平均去除率為92.1％，BOD平均去除率為90.4％。
4.1 容積負荷與有機物（COD）去除率的關系
　　由圖2可以看出，UASB反應器處理板紙廠低堿法草漿黑液與石灰法草漿黃液混合液，當容積負荷在3.3～6.0kg[CODcr]/（m³·d）時，其COD_Cr去除率為68.8％－73.3％，并隨容積負荷增加而有所減少，但變化不大。主要原因為隨容積負荷NV的提高，反應器內活性微生物量也慢慢增加，當容積負荷繼續增加到7.5kg[COD_Cr]/(m³.d）時，COD_Cr去除率將迅速降低。這是因為有機物負荷過高，造成有機酸的積累，使甲烷菌的活性受到抑制。為防止厭氧污泥受到嚴重損害，降低有機物負荷，使厭氧污泥活性逐漸得到恢復。

4.2 容積負荷與揮發性脂肪酸
　　揮發性脂肪酸（VFA）是發酵過程的重要指標，負荷過高會造成有機酸的積累，從而使弱堿性環境破壞，甲烷菌受抑制，反應器的去除能力降低，產氣量也大大減少。圖3為容積負荷與VFA的關系。由此可以看出，用UASB反應器處理樣品混合液，有機酸控制在1000mg/L，最多不超過155mg/L時，厭氧污泥活性抑制不明顯。

4.3 產氣量與容積負荷的關系
　　由表2可以看出，在容積負荷3.3-6.0kg[CODcr]/（m³.d）時，產氣量與有機物容積負荷近似成正比關系。平均去除每克CODcr產氣量為0.45L，折算為標準狀態下，平均去除每克CODcr產氣量為0.434L。

表2 產氣量與容積負荷的關系 容積負荷/kgpCODcr](m^-3.d^-1) 3.3 4.5 5.0 5.5 6.0 7.0 7.5 產氣率/（L.g^-1)[COD_Cr]) 0.485 0.42 0.43 0.46 0.47 0.45 0.30 產氣量/（L.d^-1) 9.271 1.50 12.38 14.75 15.68 15.85 7.93

　　表3為本試驗所產氣體的組分含量。平均甲烷含量為68.7％。故每去除1g COD_Cr產甲烷含量為68.7%。故每去除１gCODcr產甲烷氣0.434×68.7%=0.3L（標準狀態下）。理論值為0.35L，本試驗的產氣量為理論值的85.7%。

表3 試驗所產氣體的組份 樣品檢驗項目 1 2 3 CH₄ CO₂ O₂ N₂ CH₄ CO₂ O₂ N₂ CH₄ CO₂ O₂ N₂ 實測結果 70.82 19.53 1.12 4.49 68.26 26.78 1.414 0.56 67.21 20.90 2.13 0.73

4.4 UASB反應器內污泥分布情況
　　厭氧反應器中的污泥濃度和污泥活性決定了厭氧發酵能否保持高負荷運行的關鍵。圖4、圖5為污泥在反應器中的分布情況，表明隨著運行負荷的提高，反應器中厭氧活性污泥有所提高，MLVSS/MLSS從原來的41.1％提高到63.6%。
4.5 Ca2+對UASB的影響
　　隨著污泥床運行時間的增長，在床底部的污泥逐漸形成顆粒，成為顆粒污泥，使層內維持很高的污泥濃度。
　　G.Lettinga[3]等提出的晶核假說認為顆粒污泥的形成類似于結晶過程，在品核來源于接種污泥或在運行過程中產生的無機鹽，如CaCO₃等顆粒物質。所以進水中含有一定量的Ca²⁺對提高污泥的沉降性能，顆粒污泥的形成有促進作用。當然Ca²⁺密度過高，長期運行就會有CaCO₃和有機酸鈣析出沉積，降低污泥活性，從而影響厭氧發酵設備有效容積的利用，降低代謝效能。
　　由于石灰法草漿黃液的Ca²⁺濃度在155mg/正左右，將會有CaCO₃沉積，造成污泥MLVSS/MLSS下降，活性降低。本試驗將低堿法草漿黑液和石灰法草漿黃液混合處理，大大減低了進水中的Ca²⁺濃度，加之本試驗厭氧處理前采用自然酸化，酸化時間較長，使Ca²⁺酸化產牛的有機酸形成有機酸鈣析出，進一步使水中的Ca²⁺濃度降到600－800mg/L，從而避免了石灰法草漿黃液Ca²⁺濃度過高對UASB反應器的不良影響，這也是本試驗中MLVSS/MLSS隨著有機物提高而增加的重要原因。