CN103992012A - 一种纤维乙醇生产废水资源化系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维乙醇生产废水资源化系统，同时，提供一种利用该系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法。沼气发酵采用高温沼气发酵与中温沼气发酵串联的发酵方式，使发酵效率更高，沼气产能高，CODCr去除率有效达到95-98%，发酵更加彻底，从而有效提高发酵出水的回用率，降低对淡水资源的消耗，减少后续废水处理量和处理成本，一级高温发酵采用快速、大量发酵生产沼气，从而有效地使废水中80-85%的有机物转化为沼气，高效、快速；二级发酵罐通过中温发酵更进一步发酵，充分将水中的有机物转换为沼气，以提高沼气发酵罐的出水水质，使出水中有机物含量降至2-5%以下，极大地提高了纤维乙醇生产废水的回用率。

Description

一种纤维乙醇生产废水资源化系统及工艺方法

技术领域

本发明涉及环保及新能源领域，特别涉及一种纤维乙醇生产废水资源化系统及工艺方法。

背景技术

能源作为现代社会赖以生存和发展的基础，受到世界各国的高度关注。目前,石油、煤炭、天然气等化石燃料在价格不断上涨的同时,正面临资源枯竭的危险。而且化石能源在生产和使用的过程中所排放的二氧化碳和各类污染气体，对环境造成了不同程度的污染。生物乙醇以其环保、可再生等优点成为一种重要的替代能源。与使用粮食作为原料的第一代生物乙醇不同，第二代生物乙醇及纤维乙醇，是以秸秆、农作物壳皮茎秆等纤维为原料。伴随着纤维乙醇的生产，会有一部分有机废水产生。废水的COD_Cr在40000-50000mg/L，pH在5～6之间，水温在55～60℃之间。废水直接排放不但会造成严重环境污染，而且会造成资源的极大浪费。

2009年11月18日公开的公开号为CN 101580323A的发明专利，提供了一种纤维乙醇生产废水的处理方法，对纤维乙醇废水采用絮凝-酸析-电解催化氧化-厌氧发酵的组合流程，达到纤维乙醇生产的节水和减少污水排放的目的，然而，其不足之处在于：废水需要絮凝沉降、酸析处理、电解催化氧化等预处理再进行厌氧发酵，需要大量的预处理设施，增加了投资、运行费用、管理难度等；厌氧发酵采用的是中温，纤维乙醇生产废水温度较高，故需要降温处理。

2013年2月6日公布的公布号为CN 102910777 A的发明专利，公开一种纤维乙醇废水的处理方法，采用压滤-多效蒸发-冷却-厌氧发酵-好氧生化-过滤组合流程，处理后出水可直接回用作纤维乙醇生产的酸液配制、水解及发酵等过程用水，达到纤维乙醇生产的节水和污水零排放的目的。其不足之处在于：以玉米秸秆为原料，采用的是压滤、多效蒸发的预处理，液体进厌氧发酵前需要冷却至40℃以下，能耗高，沼气产能低。

发明内容

本发明的目的是针对现有纤维乙醇生产废水资源化技术中存在的不足，提供一种生产废水回用率高、有机物去除率、高沼气产能高、投资少、能耗低、运行成本低的纤维乙醇生产废水资源化系统，同时，提供一种利用该系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种纤维乙醇生产废水资源化系统，依次包括废水收集调节模块、废水发酵模块和资源化利用模块，所述废水收集调节模块包括与纤维乙醇生产系统连接的集水池和与所述集水池连接的调节池；所述废水发酵模块包括一级沼气发酵罐、二级沼气发酵罐和沼气柜，所述一级沼气发酵罐与所述调节池连接，所述沼气柜分别与所述一级沼气发酵罐和二级沼气发酵罐连接；所述资源化利用模块包括与所述沼气柜连接的沼气利用模块和与所述二级沼气发酵罐连接的沼气发酵出水利用模块。

所述沼气利用模块包括采用沼气发电和沼气燃烧。

所述调节池与所述一级沼气发酵罐间设置换热器。

所述一级沼气发酵罐与所述调节池间设置回流机构。

所述沼气发酵罐为自身循环水力搅拌，不需增加外部搅拌设备。

所述沼气发酵出水利用模块包括回用于纤维乙醇生产单元和再处理单元。

所述再处理单元包括用于好氧生化一级处理的好氧池、与所述好氧池配套进行泥水分离的二沉池、用于好氧生化二级处理的MBR反应池和RO膜。

一种利用上述纤维乙醇生产废水资源化系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，包括以下步骤：

1）            废水发酵：

纤维乙醇生产废水通过集水池汇集后进入调节池，通过控制一级沼气发酵罐出水与生产废水的回流比为1:3-3.5，实现对生产废水进行温度和PH调节，水温为55～60℃，PH为5-6；调节后的混合水由调节池进入一级沼气发酵罐，采用高温厌氧发酵，容积负荷采用15-20 kgCOD_Cr/m³.d，将80-85%的有机物转化为沼气，COD_Cr含量降至8000-12000 mg/L，一级沼气发酵出水温度为40-50℃，PH 6.5-7.5，一部分出水通过回流机构回流至调节池，其余出水进入二级沼气发酵罐进行进一步的沼气发酵，二级沼气发酵罐采用中温厌氧发酵，温度为35-40℃，PH为 6.5-7.5，使有机物含量降到2-5%， COD_Cr含量降至800-2000 mg/L，所述一级沼气发酵罐和二级沼气发酵罐产生的沼气进入沼气柜；

2）            资源化利用：

将经步骤1）中沼气柜内的沼气输送至沼气利用模块进行发电或燃烧利用；二级沼气发酵罐出水2/3直接回用于纤维乙醇生产，纤维乙醇生产废水回用率达66.7%，剩余1/3出水依次进入好氧池、二沉池、MBR反应池和RO膜进行再处理后达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。

进一步的，作为本工艺方法的优选方案，所述好氧池进行好氧生化的一级处理，其污泥浓度（MLSS）控制在3000～4000 mg/L，运行负荷控制在1.5～2 KgCOD_Cr/m³.d，去除剩余1/3出水中80%的COD_Cr，COD_Cr含量降至160-400 mg/L；

所述二沉池与所述好氧池配套使用进行污泥沉淀分离，污泥进入污泥池并回流至所述好氧池，含有少量污泥的污水进入MBR反应池通过膜过滤方式进行泥水分离，实现好氧生化反应的二级处理，MBR反应池内污泥浓度（MLSS）控制在15000～20000 mg/L，容积负荷为1.0～1.5KgCOD_Cr/m³.d，使COD_Cr含量低至80-120 mg/L；

经过生化处理后，通过RO膜将出水水质控制在COD_Cr低于50 mg/L，色度降至30倍，达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。

本发明是申请人通过实验室的探索性试验、现场中试以及工程规模系统的建设研究，得出的纤维乙醇废水的资源化系统和综合利用工艺。申请人本着为企业、为社会节能减排、避免污染环境的宗旨，对纤维乙醇生产废水进行治理研究，申请人注意到，纤维乙醇生产时产生的废水温度较高，且富含有机物，适宜高温沼气发酵除去废水中的有机物，采用高温沼气发酵，可有效增加沼气产出率。申请人经过无数次重复性试验、研究、改进，形成了本申请的纤维乙醇废水资源化系统和工艺方法，首先，采用调节池对纤维乙醇生产废水进行调节，同时，引入沼气发酵出水对其进行调节，从而有效实现不需要引入外部水源，通过控制回流比以调节水温和PH，达到满足高温沼气发酵罐反应要求。沼气发酵采用高温沼气发酵与中温沼气发酵串联的发酵方式，使发酵效率更高，沼气产能高，CODCr去除率有效达到95-98%，发酵更加彻底，从而有效提高发酵出水的回用率，降低对淡水资源的消耗，减少后续废水处理量和处理成本，同时，沼气发酵罐采用具有自身循环搅拌功能的发酵罐，机械动力小，维修成本低。一级高温发酵采用快速、大量发酵生产沼气，从而有效地使废水中80-85%的有机物转化为沼气，高效、快速；二级发酵罐通过中温发酵更进一步发酵，充分将水中的有机物转换为沼气，以提高沼气发酵罐的出水水质，使出水中有机物含量降至2-5%以下，极大地提高了纤维乙醇生产废水的回用率。更进一步地，二级沼气发酵罐出水依次经过好氧池、二沉池、MBR反应池和RO膜，通过多级生化处理，使出水中的COD_Cr控制在50 mg/L以下，使纤维乙醇生产废水经过处理后得以更广泛地应用灌溉等功能。

本申请通过纤维乙醇生产废水的沼气发酵，产生的沼气用于发电，发电用于补给厂区用电，据现场运行数据显示，年产3000吨规模的纤维乙醇生产基地，废水资源化利用后，沼气发电量可以平衡全厂总用电量1200KWH，每年可节省电耗约1000万元，同时该废水通过两级高温沼气发酵后2/3直接回用于生产，每天节省了600多吨自来水，每年可节省自来水费近100万元；同时减少了后续好氧深度处理的废水量，降低了能耗及减少了外排水量；经过处理后，出水能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准》，直接排放，或用于农田灌溉等，产生更大经济效益。

附图说明

图1为本发明纤维乙醇生产废水资源化系统的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示：

实施例一

一种纤维乙醇生产废水资源化系统，依次包括废水收集调节模块、废水发酵模块和资源化利用模块，所述废水收集调节模块包括与纤维乙醇生产系统连接的集水池1和与所述集水池1连接的调节池2；所述废水发酵模块包括一级沼气发酵罐4、二级沼气发酵罐6和沼气柜5，所述一级沼气发酵罐4与所述调节池2连接，所述沼气柜5分别与所述一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐连接6；所述资源化利用模块包括与所述沼气柜5连接的沼气利用模块和与所述二级沼气发酵罐6`连接的沼气发酵出水利用模块，所述沼气利用模块采用沼气发电供生产利用。

所述调节池2与所述一级沼气发酵罐4间设置换热器，所述换热器通过所述沼气利用模块发电产生的电能，对调节池2进入一级沼气发酵罐4的废水进行温度向度微调，以满足夏天或冬天外界温度对发酵入水温度的影响。当外界温度对废水温度影响小时，可以不使用换热器。

所述一级沼气发酵罐4与所述调节池2间设置回流机构3，所述回流机构3采用回流管，通过回流管将一级沼气发酵罐4的出水回流至调节池2，并控制回流比在1:3-3.5之间，实现对生产废水进行温度和PH调节，以达到良好的一级高温沼气发酵条件，提高发酵效率和沼气产量。

所述一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐6均采用自身循环水力搅拌发酵罐，通过自身内部水流动，进行混合搅拌效果，不需增加外部搅拌设备，节能降耗，减少设备投入，降低成本。

通过一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐6的发酵处理，将纤维乙醇生产废水中的COD_Cr含量降至800-2000 mg/L，去除废水中95-98%有机物，使沼气发酵出水利用模块将2/3的发酵出水回用于纤维乙醇生产，极大地提高了废水回用率，降低了纤维乙醇生产中新鲜水源的利用，以每天节省了600多吨自来水计算，每年可节省自来水费近100万元，同时减少了后续好氧深度处理的废水量，降低了能耗及减少了外排水量。

所述再处理单元包括用于好氧生化一级处理的好氧池7、与所述好氧池7配套进行泥水分离的二沉池8、用于好氧生化二级处理的MBR反应池10和RO膜11，通过RO膜将出水水质控制在COD_Cr低于50 mg/L，色度降至30倍，达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。所述二沉池8分离出的污泥进入污泥池9，大部分污泥回流入好氧池6进行循环利用。

实施例二

一种利用上述实施例一的纤维乙醇生产废水资源化系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，包括以下步骤：

1）                   废水发酵：

COD_Cr含量为40000mg/L、pH为5、水温为60℃的纤维乙醇生产废水按1000m³/d通过集水池1汇集后进入调节池2，控制回流比为1:3，调节废水进行温度为58℃，PH为5.2；回流调节后的混合水进入一级沼气发酵罐4，采用高温厌氧发酵，容积负荷采用15 kgCOD_Cr/m³.d，将82%的有机物转化为沼气，COD_Cr含量降至7200 mg/L，一级沼气发酵出水温度为50℃，PH 6.5，1/4出水通过回流管3回流至调节池2，其余出水通过中间缓冲池缓冲散热降温后进入二级沼气发酵罐6进行进一步的沼气发酵，二级沼气发酵罐6采用中温厌氧发酵，温度为40℃，PH为 6.5，使有机物COD_Cr含量降至1800 mg/L，有机物去除率达95.5%，所述一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐6产生的沼气进入沼气柜5, 沼气产量为17000m³/d；

2）                   资源化利用：

将经步骤1）中沼气柜内5的沼气输送至沼气利用模块进行发电,发电量为30000KWH；二级沼气发酵罐出水2/3直接回用于纤维乙醇生产，剩余1/3出水进入常规污水处理系统进行处理。

实施例三

一种利用上述实施例一的纤维乙醇生产废水资源化系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，包括以下步骤：

1）                   废水发酵：

COD_Cr含量为50000mg/L、pH为5.8、水温为55℃的纤维乙醇生产废水按1000m³/d通过集水池1汇集后进入调节池2，控制回流比为1:3.5，实现对生产废水进行温度和PH调节，并通过换热器对水温进行微调，温度为56℃，PH为6；调节后的混合水由调节池2进入一级沼气发酵罐4，采用高温厌氧发酵，容积负荷采用20 kgCOD_Cr/m³.d，将85%的有机物转化为沼气，COD_Cr含量降至7500 mg/L，一级沼气发酵出水温度为42℃，PH7.5，部分出水通过回流管3回流至调节池2，其余出水进入二级沼气发酵罐6进行进一步的沼气发酵，二级沼气发酵罐6采用中温厌氧发酵，温度为38℃，PH为7.5，使COD_Cr含量降至1000 mg/L，有机物去除率达98%，所述一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐6产生的沼气进入沼气柜5，沼气产量为19600m³/d；

2）                   资源化利用：

将经步骤1）中沼气柜5内的沼气输送至沼气利用模块进行发电或燃烧,用于纤维乙醇生产；二级沼气发酵罐6出水2/3直接回用于纤维乙醇生产，剩余1/3出水依次进入好氧池7、二沉池8、MBR反应池10和RO膜11进行再处理，所述好氧池7进行好氧生化的一级处理，其污泥浓度（MLSS）为3000 mg/L，运行负荷控制在1.5KgCOD_Cr/m³.d，去除剩余1/3出水中80%的COD_Cr，COD_Cr含量降至200 mg/L；

所述二沉池8与所述好氧池7配套使用进行污泥沉淀分离，污泥进入污泥池9并回流至所述好氧池7，含有少量污泥的污水进入MBR反应池10通过膜过滤方式进行泥水分离，实现好氧生化反应的二级处理，MBR反应池10内污泥浓度（MLSS）为15000 mg/L，容积负荷为1.0KgCOD_Cr/m³.d，使COD_Cr含量低至120 mg/L；

经过生化处理后，通过RO膜将出水水质中COD_Cr含量降低至45 mg/L，色度降至30倍，达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。

实施例四

一种利用上述实施例一的纤维乙醇生产废水资源化系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，包括以下步骤：

3）            废水发酵：

COD_Cr含量为48000mg/L、pH为5.6、水温为58℃的纤维乙醇生产废水按1000m³/d通过集水池1汇集后进入调节池2，通过控制一级沼气发酵罐4出水与生产废水的回流比为1:3.3，实现对生产废水进行温度和PH调节，水温为56℃，PH为5.8；调节后的混合水由调节池进入一级沼气发酵罐4，采用高温厌氧发酵，容积负荷采用18 kgCOD_Cr/m³.d，COD_Cr含量降至8500 mg/L，一级沼气发酵出水温度为50℃，PH为7.0，一部分出水通过回流管3回流至调节池2，其余出水进入二级沼气发酵罐6进行进一步的沼气发酵，二级沼气发酵罐6采用中温厌氧发酵，温度为37℃，PH为7.0，使有机物COD_Cr含量降至1400mg/L，所述一级沼气发酵罐4和二级沼气发酵罐6产生的沼气进入沼气柜5，沼气产量为18600m³/d；

4）            资源化利用：

将经步骤1）中沼气柜5内的沼气输送至沼气利用模块进行发电或燃烧，用于纤维乙醇生产；二级沼气发酵罐6出水2/3直接回用于纤维乙醇生产，剩余1/3出水依次进入好氧池7、二沉池8、MBR反应池10和RO膜11进行再处理，所述好氧池7进行好氧生化的一级处理，其污泥浓度（MLSS）控制在4000 mg/L，运行负荷控制在2 KgCOD_Cr/m³.d，去除剩余1/3出水中80%的COD_Cr，COD_Cr含量降至280 mg/L；所述二沉池8与所述好氧池7配套使用进行污泥沉淀分离，污泥进入污泥池9并回流至所述好氧池7，含有少量污泥的污水进入MBR反应池10通过膜过滤方式进行泥水分离，实现好氧生化反应的二级处理，MBR反应池10内污泥浓度（MLSS）采用20000 mg/L，容积负荷采用1.5KgCOD_Cr/m³.d，使COD_Cr含量低至100 mg/L；经过生化处理后和RO膜处理，出水中COD_Cr为40 mg/L，色度低至30倍，作为灌溉水使用。

本发明沼气产能高，可有效去除纤维乙醇生产废水中95-98%的COD_Cr，有机物发酵更加彻底，一级高温发酵采用快速、大量发酵生产沼气，从而有效地使废水中80-85%的有机物转化为沼气，高效、快速；二级发酵罐通过中温发酵更进一步发酵，充分将水中的有机物转换为沼气，以提高沼气发酵罐的出水水质，使出水中有机物含量降至2-5%以下，极大地提高了纤维乙醇生产废水的回用率。产生的沼气用于发电，发电用于补给厂区用电，据现场运行数据显示，年产3000吨规模的纤维乙醇生产基地，废水资源化利用后，沼气发电量可以平衡全厂总用电量1200KWH，每年可节省电耗约1000万元，同时该废水通过两级高温沼气发酵后2/3直接回用于生产，每天节省了600多吨自来水，每年可节省自来水费近100万元；同时减少了后续好氧深度处理的废水量，降低了能耗及减少了外排水量；经过处理后，出水能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准》，直接排放，或用于农田灌溉等，产生更大经济效益。

下表为本申请工艺与常规处理方法（厌氧-好氧-深度处理-水回用）在厌氧负荷、厌氧处理效率、沼气产率和好氧负荷等方面的数据对比表：

	常规处理方法	本申请工艺
			厌氧负荷	不高于10kgCODCr/m3.d	15~20CODCr/m3.d
厌氧处理效率	不高于90%	95~98%
			沼气产率	不高于0.4m3/kgCODCr去除	0.4~0.45m3/kgCODCr去除
好氧负荷	不高于1kgCODCr/m3.d	1.5kgCODCr/m3.d
			水回用点及回用量	最终出水回用	厌氧出水回用三分之二
工程投资	好氧及浓度处理投资大，为处理全部废水量	好氧段及浓度处理段可节省三分之二的投资
			运行费用	全部废水好氧处理费用	与常规方法比，好氧节省三分之二的运行费用

由上表可知，本申请的纤维乙醇生产废水资源化综合利用工艺，不仅在厌氧负荷、厌氧处理效率、沼气产率和好氧负荷方面均得以显著提高，并且极大地降低了工程投资费用和运行费用。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：它依次包括废水收集调节模块、废水发酵模块和资源化利用模块，所述废水收集调节模块包括与纤维乙醇生产系统连接的集水池和与所述集水池连接的调节池；所述废水发酵模块包括一级沼气发酵罐、二级沼气发酵罐和沼气柜，所述一级沼气发酵罐与所述调节池连接，所述沼气柜分别与所述一级沼气发酵罐和二级沼气发酵罐连接；所述资源化利用模块包括与所述沼气柜连接的沼气利用模块和与所述二级沼气发酵罐连接的沼气发酵出水利用模块。

2.如权利要求1所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述沼气利用模块包括采用沼气发电和沼气燃烧。

3.如权利要求1所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述调节池与所述一级沼气发酵罐间设置换热器。

4.如权利要求1所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述一级沼气发酵罐与所述调节池间设置回流机构。

5.如权利要求1所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述沼气发酵罐为自身循环水力搅拌，不需增加外部搅拌设备。

6.如权利要求1或4所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述沼气发酵出水利用模块包括回用于纤维乙醇生产单元和再处理单元。

7.如权利要求6所述的纤维乙醇生产废水资源化系统，其特征在于：所述再处理单元包括用于好氧生化一级处理的好氧池、与所述好氧池配套进行泥水分离的二沉池、用于好氧生化二级处理的MBR反应池和RO膜。

8.一种利用上述纤维乙醇生产废水资源化系统进行纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，其特征在于：它包括以下步骤：

废水发酵：

纤维乙醇生产废水通过集水池汇集后进入调节池，通过控制一级沼气发酵罐出水与生产废水的回流比为1:3-3.5，实现对生产废水进行温度和PH调节，水温为55～60℃，PH为5-6；调节后的混合水由调节池进入一级沼气发酵罐，采用高温厌氧发酵，容积负荷采用15-20 kgCOD_Cr/m³.d，将80-85%的有机物转化为沼气，COD_Cr含量降至8000-12000 mg/L，一级沼气发酵出水温度为40-50℃，PH 6.5-7.5，一部分出水通过回流机构回流至调节池，其余出水进入二级沼气发酵罐进行进一步的沼气发酵，二级沼气发酵罐采用中温厌氧发酵，温度为35-40℃，PH为 6.5-7.5，使有机物含量降到2-5%， COD_Cr含量降至800-2000 mg/L，所述一级沼气发酵罐和二级沼气发酵罐产生的沼气进入沼气柜；

资源化利用：

将经步骤1）中沼气柜内的沼气输送至沼气利用模块进行发电或燃烧利用；二级沼气发酵罐出水2/3直接回用于纤维乙醇生产，纤维乙醇生产废水回用率达66.7%，剩余1/3出水依次进入好氧池、二沉池、MBR反应池和RO膜进行再处理后达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。

9.如权利要求8所述的纤维乙醇废水资源化综合利用的工艺方法，其特征在于：所述好氧池进行好氧生化的一级处理，其污泥浓度（MLSS）控制在3000～4000 mg/L，运行负荷控制在1.5～2 KgCOD_Cr/m³.d，去除剩余1/3出水中80%的COD_Cr，COD_Cr含量降至160-400 mg/L；

所述二沉池与所述好氧池配套使用进行污泥沉淀分离，污泥进入污泥池并回流至所述好氧池，含有少量污泥的污水进入MBR反应池通过膜过滤方式进行泥水分离，实现好氧生化反应的二级处理，MBR反应池内污泥浓度（MLSS）控制在15000～20000 mg/L，容积负荷为1.0～1.5KgCOD_Cr/m³.d，使COD_Cr含量低至80-120 mg/L；

经过生化处理后，通过RO膜将出水水质控制在COD_Cr低于50 mg/L，色度降至30倍，达到绿化灌溉标准，作为灌溉水使用。