间歇式厌氧反应器处理猪粪废水工艺条件研究

张良佺,祝 巨

(浙江科技学院生物与化学工程学院,杭州310023)

畜禽养殖废弃物治理的难度大,主要表现在[1-3]:畜禽养殖业排水量大、废水温度低、冲洗栏舍的时间相对集中、冲击负荷大、废水固液混杂、有机质浓度较高及黏稠度大。畜禽废水的厌氧处理工艺中,核心技术是厌氧反应器的开发。目前国内普遍推广使用的是20世纪70年代初由荷兰CSM公司开发的UASB上流式厌氧污泥床反应器[4-5]。UASB及其改进的厌氧反应器,因国外技术拥有者的严格保密,对其尺寸、操作运行数据,外人不得而知。中国当前还不能自主地将UASB反应器推广到生产规模,而从使用的领域来看,主要集中在工业废水,对养殖废水很少涉及。因此,设计出高效的厌氧反应器,研究反应器的操作行为及其工艺条件,并进而应用到养殖废水领域,以及实现工业化生产,对改善农村生态环境,建设生态农村,便具有极其重要的意义。

1 实验部分

1.1 实验流程

图1为间歇式厌氧反应器处理猪粪废水的装置图,实验过程如下:取一定体积、一定浓度的猪粪废水加入到三口烧瓶中,依次按比例加入厌氧污泥富集驯化母液、微量元素溶液、硫化钠母液,再向三口烧瓶内加入一定量的活性污泥。将烧瓶放入水浴锅内,并且调节水浴锅的温度至设定值。每隔一定时间测定一次反应液COD,同时根据量筒内排出水的体积,获得实验产气量。至排出水的体积不再变化时,反应结束。单因素改变工艺条件,重复实验。

1.2 实验原料与器材

1.2.1 实验原料

不同质量浓度猪粪废水溶液,厌氧污泥富集驯化母液,微量元素溶液,硫化钠母液。

1.2.2 实验器材

电子天平,FA1104N,上海菁海仪器有限公司制造;恒温电热套,TC-15,海宁市华星仪器厂制造;气相色谱仪,GC-1690B,杭州科晓化工仪器设备有限公司制造。

图1 间歇反应器反应流程装置图Fig.1 Process equipment of batch anaerobic reactor

2 结果与讨论

2.1 初始COD变化对反应结果的影响

按图1将反应装置与液体置换系统相连,取350 mL一定质量浓度猪粪废水加入到三口烧瓶中,依次加入0.5 mL厌氧污泥富集驯化母液等,水浴温度控制为35℃,其他操作和1.1相同。间隔一定时间测定COD值及所产气体成分(CH 4、CO2),结果如图2所示。

从图2可以看出,废水的COD值随时间的延长而减少,曲线上各点斜率基本相同,说明底物消耗速率和初始COD值高低关系不大。

图2 COD随时间变化关系曲线Fig.2 Diagram of COD value changing reaction time

猪粪废水厌氧发酵所生成的产物中,包含二氧化碳和甲烷2种组分。从图3和图4可知:气体的产生有一延后期,一般在12 h左右。原因如下:一是在活性污泥中的发酵细菌作用下,猪粪废水中含有的大量复杂有机物,首先进行水解,如多糖水解为单糖,再通过酵解作用进一步生成乙醇和脂肪酸;蛋白质先水解为氨基酸,再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨;二是在产氢产乙酸菌的作用下,将第一阶段产生的丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇转化为乙酸、H 2、CO2;三是在产甲烷菌的作用下,将乙酸、H 2、CO2转化为甲烷。

开始阶段,由于生成的乙酸量很少,少量的乙酸主要用于维持产甲烷菌的生命活动,没有用于合成产物,所以没有气体产生。只有当乙酸量增多时,才能满足三个方面的需要,即细菌的生长和繁殖、维持其生命活动所需的能源及合成产物。图中曲线还显示,当初始COD为3 000 mg/L左右时,有少量气体产生;当初始COD为4 000 mg/L左右时,产气量较大;COD为8 000 mg/L左右时,实验没有气体产生。因此从产气量角度看,初始COD浓度应保持在4 000 mg/L左右。由于实际养殖场中,猪粪废水的COD通常在3 000～4 000 mg/L范围内,厌氧反应器启动运行时,可以直接采取原水进样。

2.2 不同温度对反应结果的影响

温度是影响微生物生命活动的重要因素,对厌氧消化过程也不例外。实验研究了温度的变化对COD值及产气量的影响,如图5所示。从图中可以看出,当反应温度为35℃时,猪粪废水中的COD下降速率较快;45℃时的变化速率略小于35℃;当温度为25℃时,反应速率明显低于35℃。温度对厌氧微生物的影响相当复杂,按照温度的高低,厌氧菌可分为高温菌和中温菌,35℃正是中温菌最佳活动温度,活性明显高于其他温度时的情况。由此得出结论:温度低,则活性低,反应速度慢,生产效率低下;温度过高,则不仅反应速度下降,技术上不可行,且能耗高,经济成本也高。实际生产中厌氧反应器温度应保持在35℃水平上。

图6和图7为在不同反应温度下,产气量与时间t的变化关系。从图上可以看出,当反应温度为35℃时,产气量较大;当反应温度为25℃和45℃时,实验产气量明显少于35℃时,而且所产气体中CO2所占的比例较高。其原因可能是35℃时产甲烷菌将厌氧反应第二阶段所产生的H 2、CO2合成为CH4的能力高于其他温度,故从产气量看,温度也应维持35℃。

2.3 不同污泥量对反应结果的影响

加入的污泥量越多,表明单位体积反应器中所含的微生物量越多,显然污泥量的多少对厌氧反应结果的影响将是存在的。污泥量多少的度量实验中采取液固比表示,液体是指一定量的粪水,浆态的固体则指所用的活性污泥。实验将350 mL粪水加入三口烧瓶中,通过改变加入的污泥量考察其对反应结果的影响,数据如图8所示。

图5 COD随时间变化关系曲线Fig.5 Diagram of COD value changing with reaction time

从图8可以看出,当加入污泥量为100 mL时,猪粪废水中的COD变化速率较快;当加入污泥量为60 mL时,实验中的COD变化速率略小于加入污泥量为100 mL的;当加入污泥量为150 mL时,实验中的COD变化速率最慢。其原因分析认为是:微生物的生长需要一定量的营养物,而营养物数量的多少则和微生物的种类和数量紧密相关。厌氧反应器中细菌种类主要有产酸菌、酸分解菌和产甲烷菌,但不论何种细菌,C、N、P都是不可缺少的。不同的菌种要求C∶N∶P的比值不同。当粪水量一定时,改变污泥量,意味着单位体积中微生物所具有的营养物比例也发生着变化。350 mL粪水与100 mL的污泥应当是最佳的营养物状态,所以COD值的降低比其他两种情况优越。

从图9和图10可以看出,当加入污泥量为100 mL时,不仅产气量较大,而且所需的时间也是最少。污泥量为100 mL时,0.33 d便有气体产生,60 mL污泥量时需3.75 d,150 mL则需1.75 d。原因和上面类似,只不过上面COD的降低和产酸菌联系密切,而这里的气体的产生则主要是和产甲烷菌有关。

图8 COD随时间变化关系曲线Fig.8 Diagram of COD value changing with reaction time

2.4 p H值对反应结果影响研究

粪水中的复杂有机物通常含有碳水化合物、脂肪和蛋白质,厌氧生物处理第一阶段中,高分子有机物首先在胞外酶的作用下发生液化和水解,该过程将大分子转化为小分子,然后渗入细胞体内;在胞内酶的作用下,渗入的小分子转化为丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸。

第二阶段,在产氢产乙酸作用下,将第一阶段产生的中间产物转化为乙酸、二氧化碳和少量的氢气;氢气和部分二氧化碳在第三阶段合成转化成甲烷,大部分的二氧化碳挥发离开系统。产酸菌的分解产物,几乎都具有酸性,所以产酸菌在低的pH值时也能生存。

第三阶段中,产甲烷菌将第二阶段产生的中间产物分解成甲烷、氨及二氧化碳,二氧化碳、甲烷挥发出来离开反应系统,而氨则以强碱性的亚硝酸铵的形式存留下来。亚硝酸铵和第一阶段产生的有机酸发生中和,使得整个系统维持在弱碱环境,而这正是甲烷菌所需要的。甲烷菌的生长条件十分苛刻,只要有空气和光的存在就会立即停止活动,对p H值的要求是弱碱性。

为了寻找出不同菌体适宜的pH范围,本实验研究了p H的变化对产物的影响,数据见图11。从图11可以看出,当初始p H 为6.11、6.90、8.04时,猪粪废水中的COD变化速率基本上变化不大,说明产酸菌具有较大的pH适应范围。从图12可以看出,当初始p H值为6.90时,不仅产气量为较大,而且开始产气所需的时间也是最短;当初始p H为8.04时,实验产生的二氧化碳气体比p H为6.90的少,但比p H为6.11的多,说明二氧化碳气体主要产生于第二阶段,产氢产乙酸菌对pH的变化不是很敏感,故有较强的活性。由图13可见,产甲烷菌只能在p H 6.9附近很小范围内活性强,超过该范围活性大大降低,产甲烷菌对p H值十分敏感。因此,建议在实际生产中p H值应保持在6.9左右。

图11 COD随时间变化关系曲线Fig.11 Diagram of COD value changing with reaction time

3 结 语

根据以上实验,厌氧反应器处理猪粪废水适宜工艺条件如下:初始COD值为4 000 mg/L左右,初始p H值为6.9,反应温度在35℃,当猪粪废水与污泥比为3.5∶1时,反应速率较快且产气速率也较大。

[1] 雷英春,张克强,李炎保,等.国内外规模化猪场废水处理工艺技术新进展[J].城市环境与城市生态,2003,16(6):218-220.

[2] LETTINGA G,HULSHOFF P L W.UASB-process design for various types of waste waters[J].WaterSci Technol,1991,24:87-107.

[3] LETTINGA G.Use of upflow sludge blanket(UASB)reactor concept for biological wastewater treatment,especially for anaerobic treatment[J].Biotech Bioeng,1980,22:669-737.

[4] STRONACH.Anaerobic digestion process[J].Industrial Wastewater Treatment,1986(6):23-35.

[5] 马三剑,吴建华,刘锋,等.多级内循环(MIC)厌氧反应器的开发应用[J].中国沼气,2002,20(4):24-27.

[6] 贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版社,1998.

[7] ZOUTBERG G R.Anaerobic treatment of potato processing waste water[J].WaterSci Technol,1999,40:297.