CN1032586C - 玉米淀粉废水两级发酵处理法及其设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及玉米淀粉废水两级发酵处理法及其所用设备。本发明用两台结构与尺寸相同的1级和II级的升流式厌氧污泥床反应器进行发酵，II级反应器发酵较好的污泥向1级反应器回流，在每台反应器上设有三相分离器，废水进入反应器底部由配水管平均配水，在各反应器上部水面上设有压力反冲管。本发明适用于含硫酸盐和亚硫酸盐的高浓度玉米淀粉废水处理，效率高。
Description
本发明涉及废水处理领域，特别涉及厌氧生物处理玉米淀粉废水的两级发酵法及其设备。
国内外对高浓度废水厌氧处理正处于开发利用阶段，特别是荷兰、爱尔兰(小麦淀粉)已较大规模应用在工业生产中，但用升流式厌氧污泥床(UASB)时，其有机负荷均较低，一般7～9kg COD/m3·d(COD为化学需氧量)。美国在土豆加工业处理废水时，虽有机负荷高，达25～40kg COD/m3·d，但COD去除率仅为84％。在我国中国科学院广州能源研究所对糖蜜水进行了两段厌氧消化生产性试验，其有机物负荷是10kg COD/m3·产气率为3.48m3/m3·d，COD去除率为77.8％，液体总停留时间长达3.33天。日本专利申请特开平-2-111498公开了一种降低在甲烷发酵中调整pH用碱的方法，该方法采用两段升流式厌氧污泥床反应器，但未采取污泥回流工艺，因而不能保证污泥的活性和浓度，同时加碱量较高，因此，TOC(总有机碳量)和BOD(生化需氧量)的去除率只在75％左右。在其二级反应器之间设有膜式分离装置，以加强气体分离效果，使在甲烷槽中不能处理的，甚至在该槽中不需要的成分分离出去，然后使返回酸发酵槽，这种膜式分离装置设备成本较高。该专利申请所处理的污水pH值并不太低，而加碱量也不少，另外其产气率只有3N1/1左右。
此外，US 4948509所公布的厌氧发酵方法是二段处理法，由厌氧发酵反应器和浮槽组成。在反应器下部采用动力机械搅拌的方法，因而增加能耗与成本；在浮槽中采用自然状态下汽、液、固分离方式，这种操作要求严格控制，否则容易产生浮泡结壳，排气困难或堵塞，有时甚至出现设备爆炸的危险；二段之间没有污泥回流，同时所处理的是一般污水，而不是含有难降解的硫酸盐和亚硫盐的高浓度淀粉废水，不需加碱。
SU912682公开了一种高浓度污水的除气与净化装置，所用设备不是升流式厌氧反应器而是折流式反应器，这种装置容积大，污水在反应器内停留时间长，基建投资高，也没有污泥回流措施，并且维修不便。
US 4735723公布了对含有硫酸盐和有机物的废水厌氧纯化法，所用装置为1000毫升的试验室小试装置，其目的在于将污水中80％的硫酸盐转变成硫化氢，并至少除去硫化氢量的70％，用加酸而不是加碱，是流化床工艺而不是升流式污泥床工艺，消耗动能大，营运费用高。
对于玉米淀粉废水来说，含有机物浓度高，并且由于含有硫酸盐和亚硫酸盐，废水的pH值一般为3.8～4.5，而甲烷球菌的生长条件一般在中性和偏碱性范围如pH7.0～7.5，为此，必须加碱调节废水的pH值，一般工业用碱如碳酸钠价格较高，降低加碱量才能降低废水处理成本。
本发明目的在于：提供一种处理玉米淀粉废水的两级发酵处理法及其装置，用以处理含硫酸盐及亚硫酸盐的玉米淀粉废水，该方法和设备能提高厌氧反应的有机物容积负荷，提高污水处理效率，缩短废水在反应中的停留时间和减少加碱量，降低处理成本。
本发明目的是这样实现的：在两级发酵处理中，使II级UASB反应器发酵较好的污泥向I级UASB反应器回流，在每台UASB反应器上部各设有三相分离器，废水进入UASB反应器底部后由带有穿孔排管的配水管平均配水，在UASB反应器上部水面上设有压力反冲器，防止浮渣结壳，从而本发明目的就完全达到了。
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明玉米淀粉废水两组发酵流程图见附图1。
附图2为升流式厌氧污泥床反应器(UASB)结构示意图。
附图3为附图2的II-II处配水管剖面图。
附图4为附图2的III-III处压力反冲器的剖面图。
附图5为配水管和压力反冲器横截面示意图。
本发明所处理的玉米淀粉加工废水的水质如下.
| 项目 | 一般范围 | 平均值 |
| 水湿℃pH值碱度Mg/LCOD(化学需氧量)mg/LBOD(生物需氧量)mg/LTN(总有机氮mg/LTP(总有机磷)mg/L挥发酸mg/L亚硫酸盐mg/L硫酸盐mg/L游离氨mg/L还原糖mg/L总固体％ | 6～15℃3.8～4.5390～13903000～1400001860～62600106～32029.6～95.8206～652102～13962～12420～400.7～10.11.5～4.4 | 10.2℃4.21000250001450029162.550810896.634.26.31.8 |
由于所处理的玉米淀粉废水的有机物浓度高，并且含有亚硫酸盐和硫酸盐，其pH值一般为3.8～4.5，这样的废水不宜于甲烷球菌的生长。甲烷球菌的生长条件一般在中性和偏碱性，pH值为7.0～7.5％为宜，为此，必须调节废水的pH值，即需加碱，所加碱例如工业碳酸钠价格较高，降低加碱量减少废水处理成本的途径之一，在升流式厌氧污泥床(UASB)反应器处理废水时，废水从反应器底部进入，往往由于与污泥接触不均匀和不充分，从而发酵效率不高；在用二级或两段UASB反应处理废水时，液相(废水)，气相(产生的二氧化硫及二氧化碳等)和固相(如污泥)的分离往往需使用复杂或昂贵的设备，例如膜分离器等，如何采用简单而廉价的设备也能节约基建成本。
从附图1可见，玉米淀粉废水由集水池1被提升泵2打入配水箱3中，在该配水箱中，用蒸汽将废水水温提高到中温，达到35℃±1℃，同时加入少量碱，使废水的pH值被调整到5.0左右，经充分搅拌后，由以时间继电器4控制的投料泵5送入I级UASB反应7底部，其间通过废水流量计6测量流量，进入I级UASB反应器7的废水由带穿孔排管的配水管71均匀分配到污泥层下部，其目的是为了使刚一进入反应器的废水立即与污泥均匀混合，提高发酵效率，更重要的是这样可以减少污泥衬托层，一般在反应器中的污泥衬托层在0.8～1.5米之间，而这种配水方式可降到0.5米以下，这样降低了设备的高度，也就降低设备造价，同时也提高反应中的污泥浓度，也即提高作为污水处理重要指标的污水有机物容积负荷，即提高单位设备容积所能承受的有机物COD(化学需氧量)。废水在I级UASB反应器内发酵，所产生的甲烷等气体通过三相分离器从出气口d3排出，废水由出水口d2流到中间配水槽8，在该槽中再加入少量碱，使pH值调整到6.8左右，使该废水经过由时间继电器控制的投料泵9被送入与I级UASB反应器结构和尺寸大小完全一致的II级UASB反应器10内，废水在II级UASB反应器内完全发酵后由上部出水口d2最终流出，废水在二台反应器中的停留时间为30～40小时。在二台UASB反应器上部各设有相同的三相分离器，该三相分离器由倒圆锥形帽和设于UASB反应器内壁、截面呈M形的挡环构成，倒圆锥形帽底角处于挡环M形空档内，气体不从空档内通过，而是沿倒圆锥形帽向上流动，通过排气管d3排出。经发酵后的废水则通过倒圆锥形帽底角与挡环间的弯曲空挡，由出水口d2排出。反应器内的污泥由于比重缘故在倒圆锥形帽外侧滑回反应器内，从而使三相得以分离。由于气体和废水向上流动，不免带些污物泡沫，为了避免出水口被堵塞，在水面上20cm处设有压力反冲器75，对废水加以喷吹，防止出水口被堵塞。所产生的沼气由顶部排气管d3排到用气系统，例如水封11、蓄气罐、压缩设备等。回流污泥是通过II级UASB反应器10中部偏上的出口d6和导管回流到I级UASB反应器7中的。
以上工艺在35℃条件下，当进水COD浓度为15000～25000mg/L时，废水停留时间为30～40小时，COD总容积负荷14～20kg/m3·d，COD去除率可达90～93％，平均产气率为0.42～0.47m3/kg COD，甲烷含量为65～72％。
对于含有硫酸盐和亚硫酸盐/pH值为3.8～4.5的玉米淀粉废水的处理，采用二级发酵法特别是使II级反应器中发酵较好、含甲烷菌较多而成熟的污泥向I级反应器回流，很好地解决了问题。一般I级发酵不充分，II级反应器污泥回流到I级反应器中改善了I级反应器的厌氧条件，提高一级发酵的效率，减少加碱量，从而提高COD去除率。污泥回流量根据废水中COD浓度而定，一般为UASB反应器中废水量的10～15(重量)％。
本发明方法所用设备如下：
本发明方法所用设备是现有技术的改良，所用设备包括配水箱，中间配水箱等，其关键设备是结构和尺寸大小完全相同的I级和II级升流式厌氧污泥床(UASB)反应器。在I级反应器7之前设有由蒸汽加温并搅拌的至少一只配水箱3，在附图1中是设有二只配水箱的例子，在I级反应器7和II级反应器10之间设有中间配水槽8。所说的I级和II级UASB反应器呈圆形，小型者高对直径比例为6～4∶1，以保持反应器细长形式，有利于盛放所需高度的污泥和促进发酵反应；大型者保证高度4～6米直径不限，道理都是保证污泥层具有的高度，使废水自下而上流动过程中，在颗粒污泥的作用下，充分发酵。
为了使废水和污泥充分和均匀接触，在反应器下部采用均匀布水带穿孔排管的配水管71，该管由一根进水直管d1和两翼带有一组平行排管并与该进水直管垂直的配水直管组成，在各排管上设有多个孔72，该孔的截面直径为6～12mm，孔与孔之间隔为6mm，各孔交错向下45°排列。用这样结构的配水管71效果很好，见附图3和5，其中附图3是附图2上UASB反应器II-II剖面图，显示出配水管71排管分布情况，而附图5是附图3上所示孔72的截面图，该管孔72的位置是向下45°。
为了使处理过的废水、甲烷气体和污泥等固体充分分开，在各UASB反应器上部设有三相分离器，该三相分离器由倒圆锥形帽74和设于UASB反应器内壁，截面呈M形的挡环76组成，倒圆锥形帽底角处于挡环M形空档内，该倒圆锥形帽底部倾角α为50～60°，挡环的M型截面上侧斜面与该倒圆锥形底腰平行，并且其间的污泥回流缝宽度a为5～10cm，大型反应器可达20cm，挡环的M形截面双峰端与倒圆锥形帽底角尖之间在反应器纵向方向上的距离为b＝5～20cm，在三相分离器上端垂直设有排气管d3。
为了避免污泥泡沫堵塞出水口d2，在水面上20cm处设有压力反冲管75，由进水口d5将反冲水送入，见附图2和附图4，附图4是附图2III-III剖面图，在该环形管上设有多个孔，该孔截面直径为6～12mm，孔与孔之间距为6mm，各孔交错向下45°排列，与附图5配水管71的孔72相同。反冲水是从中间配水槽8的泵9打入的(线路未画)。
为取得不同层次的污泥和加碱位置，在反应器的侧壁设有多个管口d6，在附图2中是设5个管口的例子，以II级反应器中部稍高的一个管口d6作为污泥回流的管口，因为该处的污泥是含甲烷菌多而发酵成熟的污泥，回流到I级反应器后就能改善I级反应器内发酵的条件。污泥回流的路线如附图1虚线所示从d6管口到配水箱后和泵5之前。
在反应器中部设有测温孔73。
本发明方法及设备具有许多优点：
污泥回流不仅能提高I级反应器废水的碱度，减少加碱量，使其pH值由原来的3.8～4.5提高到5.0左右，更重要的是，提高污泥浓度，使甲烷球菌胶团的生长速率迅速增加，从而提高I级反应器内厌氧污泥的活性，改善其中污泥的絮凝性能，因此，使I级反应器的COD处理效果提高到75％以上，这就减轻II级反应器的容积负荷，最终使COD的总去除率达到90～93％。
本发明方法及其设备还有如下优点：用本发明方法及设备处理含硫酸盐和亚硫酸盐的高浓度玉米淀粉废水以及其它难稀释的高浓度淀粉废水具有较大的推广应用前景，它较之任何其它污水处理方法具有投资少、占地小、运转费用低的优越性。对于含硫酸盐和亚硫酸盐的高浓度玉米淀粉废水采用此工艺时，当污泥颗粒化后，在低温(18℃)、低碱度和负荷迅速变动的条件下均可稳定运行，并且停运后亦能较快启动。本发明方法的厌氧反应物容积负荷高，污水处理效率高，废水在反应器内停留时间短，加碱量少，它能使玉米淀粉废水变为生物能沼气，即100kg COD能产甲烷31m3，相当于84KW的电能，目前我国玉米淀粉废水总排放量每年已超过3亿吨，按此估算能产甲烷9300m3，相当于每年19亿万度发电量，因此，本发明方法与设备具有相当显著的经济效益与社会效益。
实施例：
中间试验采用二个结构和大小完全一致的UASB反应器分别作为I级和II级UASB反应器，该钢制反应器Φ130mm，高4.55m，试验连续运行330天，实测数据3460个。
1)试验水质：与说明书中所用水质相同。
2)加碱量与流量的关系如下表：
| 流速m3/d | 4 | 5.65 | 6.5 | 8 | 10 | 12 |
| I级反应器II级反应器 | 5.750.79 | 8.071.12 | 9.291.28 | 11.431.58 | 11.291.98 | 17.142.37 |
以上加碱量单位是公斤/天，pH值在I级反应器中从4.3调到5.0，在II级反应器中从6.5调到6.8，加碱量随流速增加，在I级反应器中的加碱量大于II级反应器。
3)UASB I级反应器废水加碱量与pH值的关系(原水)如下表：
单位：mg/L
| pH | 加碱量 | pH | 加碱量 | pH | 加碱量 | pH | 加碱量 |
| 4.14.24.3 | 206.4199.1192.2 | 4.44.54.6 | 185.7179.5173.7 | 4.74.84.9 | 168.1162.9157.9 | 5.05.15.2 | 153.2148.7144.5 |
以上加碱量与pH值之间的关系可以下式表示：
C＝1718.85pH-1.150208
4)UASBII级反应器废水加碱量与pH值的关系(废水)如下：
C＝4187.5pH-2.14097
| pH | 加碱量 | pH | 加碱量 | pH | 加碱量 | pH | 加碱量 |
| 6.36.4 | 31.478.7 | 6.56.6 | 76.173.7 | 6.76.8 | 71.369.1 | 5.97.0 | 70.065.0 |
从上表可看出，在处理效果不变的情况下，II级反应器加碱量可以减少80～85％，此阶段沼气成分以CH4、CO2为主，并有少量H2S，测定结果如下表：
| 成分 | CH4％ | CO2％ | H2S(mg/m) | |||
| 变化范围 | 均值 | 变化范围 | 均值 | 变化范围 | 均值 | |
| I级II级 | 50～6060～75 | 63.872.5 | 30～4220～36 | 32.424.8 | 19.2～44.218.5～32.9 | 29.424.2 |
在II级反应阶段由于加碱，污泥性状也好于试验初期，当在显微镜下观察时，看到微生物十分活跃，相互交织在一起，形如网状，形成颗粒结构，球菌和短杆菌较多，肉眼也能从污泥的玉米粉中分辨出颗粒污泥来。
5)水中挥发酸含量如下表：
| 项目 | 流水 | I级出水 | II级出水 | ||
| pH值 | 4.18 | 6.53 | 6.86 | ||
| 碱度mg/L | 604 | 1043 | 1263 | ||
| 挥发酸mg/L | 乙酸 | 含量 | 380.4 | 1226.6 | 854.7 |
| ％ | 71.9 | 45.2 | 42.5 | ||
| 丙酸 | 含量 | 148.6 | 521.6 | 394.0 | |
| ％ | 28.1 | 19.2 | 19.6 | ||
| 丁酸 | 含量 | 784.5 | 589.4 | ||
| ％ | 28.9 | 29.3 | |||
| 戊酸 | 含量 | 179.5 | 174.0 | ||
| ％ | 6.7 | 8.6 | |||
| 总酸 | 含量 | 529 | 2712.2 | 2012.1 | |
| ％ | 100％ | 100％ | 100％ | ||
6)沿程污泥浓度分布情况如下表：
| 取样高度(m) | 0.7 | 1.4 | 2.1 | 2.8 | 4.46(出水) |
| I级污泥浓度(总固态物/升) | 497.7 | 489.2 | 482.6 | 479.2 | 2.90 |
| II级污泥浓度(总固态物/升) | 262 | 258.3 | 253.2 | 250.9 | 1.64 |
中试试验结果为：在35℃条件下，进水COD浓度25000mg/L左右，水力停留时间30～40小时，COD总容积14～20kg/m3d，其中I级反应器为20～30kgCOD/m3d；II级为8～15kgCOD/m3d，COD去除率达90％以上，平均产气量为0.42～0.47m3/KgCOD，甲烷含量65～72％。
Claims (3)
1、玉米淀粉废水两级发酵处理法，用二台结构和尺寸大小完全相同的升流式厌氧污泥床反应器，所说的废水在配水箱中用蒸汽将水温提高到35℃±1℃并加以搅拌，加入碱，使其pH值提高到5.0左右后，在I级升流式厌氧污泥床反应器中发酵，发酵后的废水由上部出水口流入中间配水槽，在该槽中加碱，使废水pH值达到6.8左右，从底部引入II级升流式厌氧污泥床反应器，并在其中完全发酵，其特征在于：
a)II级升流式厌氧污泥床反应器发酵较好的污泥向I级升流式厌氧污泥床反应器回流，污泥回流量是升流式厌氧污泥床反应器内废水量的10～15(重量)％；
b)在每台升流式厌氧污泥床反应器上部各设有由倒圆锥帽和设于升流式厌氧污泥床反应器内壁、截面呈M形的挡环所构成的三相分离器，使水相、气相和固相物质分离；
c)废水进入升流式厌氧污泥床反应器底部后由带穿孔排管的配水管平均配水；
d)在升流式厌氧污泥床反应器上部水面上设有压力反冲管，对水面固体物或泡沫喷吹，防止污水出水口被堵塞。
2、一种采用权利要求1所说方法的玉米淀粉废水两级发酵处理设备，由配水箱、中间配水槽、二台结构和尺寸完全相同的升流式厌氧污泥床反应器组成，其特征在于：
a)所说的I级和II级升流式厌氧污泥床反应器，小型者其高度对直径比为6～4∶1；大型者高度为4～6米；
b)在二台升流式厌氧污泥床反应器一侧分别设有多个作为测取污泥和加碱的管口，以在II级升流式厌氧污泥床反应器中部偏上的该管口作为污泥回流管口，将污泥从II级升流式厌氧污泥床反应器送入I级升流式厌氧污泥床反应器内；
c)在每台升流式厌氧污泥床反应器上部设有三相分离器，所说的三相分离器由倒圆锥形帽和设于升流式厌氧污泥床反应器内壁、截面呈M形的挡环构成，倒圆锥形帽底角处于挡环M形空档内，该倒圆锥形帽等腰底部倾角α为50～60°，挡环的M形截面上侧斜面与该倒圆锥形底腰平行，并且其间的污泥回流缝宽度a为5～10cm，大型反应器达20cm，档环的M形截面双峰端与倒圆锥形帽底角尖之间，在反应器纵向方向上的距离为b＝5～20cm，在三相分离器上端垂直设有排气管；
b)在反应器下设有带穿孔排管的配水管，该配水管由一根进水直管和两翼带有一组平行排管并与该进水直管垂直的配水直管组成，在各排管上设有多个孔；
e)在升流式厌氧污泥床反应器水面上20cm处设有压力反冲管，该管呈环形，在该环形管上设有多个孔；
3、按照权利要求2所说的设备，其特征在于：在d)和e)中所说的孔，其截面直径为6～12mm，孔与孔之间距为6mm，各孔交错向下45°排列。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |