CN111675318A - 一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法，步骤如下：取造纸厂EGSB厌氧塔的污泥作为接种污泥，将接种污泥接种至厌氧颗粒污泥装置中形成污泥床；向厌氧颗粒污泥装置中通入高钙废水，使高钙废水在反应器主体内的水力停留时间降低，有机负荷提升；待装置运行稳定后，用于处理高钙废水。在运行过程中，废水中的钙离子与碳酸根等阴离子发生沉淀，导致污泥床底部的污泥逐渐钙化，通过定期排出污泥床底部的钙化污泥，避免污泥板结、产甲烷活性降低的发生；本发明应用于高钙废水的厌氧生物处理，根据颗粒污泥颜色和传质阻力有效系数判断污泥钙化程度，通过排泥克服高钙条件下厌氧反应器污泥床板结、运行不稳定、产甲烷活性降低等问题。
Description
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法。
背景技术
厌氧颗粒污泥技术已广泛应用于造纸、印染、化工等行业处理高浓度有机废水中，常见的厌氧技术有内循环厌氧反应器(IC)、升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)。然而，部分工业废水，尤其是造纸废水中钙离子浓度普遍较高，通常可达1000-6000mg/L。在生物处理过程中，由于厌氧的高碱度特点，废水中的钙离子易于CO3 2-、PO4 3-等阴离子结合形成钙盐沉淀，导致颗粒污泥钙化，污泥中无机成分提高，微生物活性下降。此外，大量的钙盐沉积物易造成污泥床板结，厌氧反应器运行失稳。严重的污泥钙化情况迫使企业需要定期更换反应器内部分甚至全部颗粒污泥，造成较大的经济损失。
目前，为缓解钙离子对废水生物处理的影响，工业上一般在废水进入生物处理阶段前通过添加化学药剂去除钙离子，主要的化学药剂有碳酸钠、钙离子阻垢剂等。但化学法除钙药剂投加量大、成本高，其中，投加碳酸钠使得出水碱度过高，不利于后续处理；而添加钙离子阻垢剂实际上并没有真正有效去除废水中的钙离子。因此，解决颗粒污泥钙化问题并强化高钙废水生物处理效率，具有非常重要的实际应用价值。
发明内容
微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)是一种自然界中广泛存在的生物矿化过程，由于成本低、选择性高、操作灵活等优点，已成为废水处理中去除无机污染物的有效替代方法。本发明提供一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法，利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)富集钙离子，通过控制排泥防止污泥床板结，维持厌氧颗粒污泥装置的稳定运行，实现去除钙离子的同时保持污染物高效去除并回收生物沼气。
本发明具体采用的技术方案如下：
一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法，其包括如下步骤：
1)取造纸厂EGSB厌氧塔的污泥作为接种污泥，将接种污泥接种至厌氧颗粒污泥装置中形成污泥床；
2)向厌氧颗粒污泥装置中通入高钙废水，高钙废水在反应器主体内的水力停留时间逐步降低，有机负荷提升；
3)待装置运行稳定后，即可用于对高钙废水进行处理；
在装置运行过程中，高钙废水使污泥床底部的污泥逐渐钙化，将装置的排泥口设置于污泥钙化区域，通过定期排出污泥床底部的钙化污泥，避免污泥板结、微生物产甲烷活性降低的发生；
定期排泥的排泥周期D和每次的排泥量Vs通过如下公式确定：
其中，SRT为污泥龄，单位为day；VSSout为厌氧颗粒污泥装置出水的污泥浓度，单位为gVSS/L/day；V为反应器体积，单位为L；D为排泥周期，单位为day；VSS为污泥床中的污泥浓度，单位为gVSS/L；Vs为排泥量，单位为L。
作为优选，所述步骤1)中接种污泥的MLSS为60～70g/L，MLVSS为40～50g/L；高钙废水中COD浓度为5000～6000mg/L、钙离子浓度为2～3g/L。
作为优选，所述步骤2)中高钙废水在反应器主体内的水力停留时间从24h逐步降至8h，有机负荷提升至15kgCOD/m3/d。
作为优选，所述步骤4)中SRT取值为250～350day，优选为300day；VSSout取值为0.02～0.08gVSS/L/day，VSS取值为20～30gVSS/L。
作为优选，所述排泥周期D为10～15day，每次的排泥量Vs为0.04～0.05L。
作为优选，所述厌氧颗粒污泥装置包括反应器主体，所述反应器主体为柱状筒体，在反应器主体内下部设有布水器，中部填充有污泥床，上部设有三相分离器；所述反应器主体底部开设进水口，所述进水口通过第一管路与反应器主体外部的进水桶相连；反应器主体下部的侧壁开设排泥口，所述排泥口位于布水器上方，通过第二管路与反应器主体外部的贮泥桶相连；所述三相分离器上方的反应器主体侧壁上设有依次连通的溢流堰、出水渠和出水口，水流通过溢流堰进入出水渠并从出水口排出反应器主体，所述出水口通过第三管路与反应器主体外部的出水桶相连；在所述反应器主体的顶部开设出气口，经过所述三相分离器分离的气体通过所述出气口与外部的第四管路相连。
作为优选，所述反应器主体的高径比为7～8，有效体积为5～6L。
作为优选，所述第一管路上设有第一蠕动泵，第二管路上设有第二蠕动泵。
作为优选，所述排泥口有多个，均位于布水器上方1～2cm处；排泥口口径不小于1.0cm，以防止污泥堵塞。
作为优选，所述第四管路的一端连通出气口，另一端依次连接液封瓶、湿式气体流量计和集气袋，用于收集从反应器主体排出的气体。
先比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1)本发明采用控制排泥的运行方式，克服了厌氧生物处理高钙废水时污泥床易板结、装置运行不稳定、微生物产甲烷活性降低等问题，装置具有较高的污染物处理及能源回收能力(COD去除率达91％以上，比产甲烷速率为7mLCH4/gVSS/h)，并且长时间运行稳定。
2)本发明利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)，将废水中的钙离子以钙盐沉淀的形式富集在污泥床底层，并通过定期排泥的方式去除，为后续的好氧处理减轻了废水中钙离子带来的影响。
3)本发明的装置可以控制污泥停留时间，同时采用多个排泥口设计可以有效排出被废水钙化的污泥，使污泥床中的颗粒污泥保持均匀分布，从而维持了微生物的活性。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明装置在运行过程中污泥床的污泥钙含量分布情况；
图3为本发明的实施例中钙化的颗粒污泥在体式镜下的图像；
图4为本发明的实施例中的装置对COD去除率时间变化图；
图5为实施例中不同反应器的比产甲烷速率(SMA)和传质阻力有效系数(η)的对比图；
图中：进水桶1、第一蠕动泵21、第二蠕动泵22、出水桶3、贮泥桶4、出气口5、液封瓶6、湿式气体流量计7、集气袋8、布水器10、污泥床11、三相分离器12、溢流堰13、出水渠14、出水口15、进水口16。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法，其包括如下步骤：
1)取造纸厂EGSB厌氧塔的污泥作为接种污泥，将接种污泥接种至厌氧颗粒污泥装置中形成污泥床11。选取的接种污泥MLSS为60～70g/L，MLVSS为40～50g/L，接种污泥呈黑色颗粒状，平均粒径约为2.2mm。
2)向厌氧颗粒污泥装置中通入高钙废水，使高钙废水在反应器主体内的水力停留时间从24h逐步降至8h，有机负荷提升至15kgCOD/m3/d。高钙废水中COD浓度为5000～6000mg/L、钙离子浓度为2～3g/L，其中，COD浓度优选为5000mg/L、钙离子浓度优选为2g/L。
3)待装置运行稳定后，即可用于对高钙废水进行处理。
在装置运行过程中，高钙废水会使污泥床11底部的污泥逐渐钙化，因此污泥床11的底部为污泥钙化区域，将厌氧颗粒污泥装置的排泥口设置在该污泥钙化区域位置，即可通过定期排出污泥床11底部的钙化污泥，来避免污泥板结、微生物活性降低的发生，从而使厌氧颗粒污泥装置稳定运行。装置定期排泥的排泥周期D和每次的排泥量Vs可以通过如下公式确定：
其中，SRT为污泥龄，取值为250～350day，优选为300day，单位为day；VSSout为厌氧颗粒污泥装置出水的污泥浓度，取值为0.02～0.08gVSS/L/day，单位为gVSS/L；V为反应器体积，单位为L；D为排泥周期，单位为day；VSS为污泥床11中的污泥浓度，VSS取值为20～30gVSS/L，单位为gVSS/L；Vs为排泥量，单位为L。为了装置达到更好的运行效果，排泥周期D和每次的排泥量Vs除了满足上述公式之外，还需要满足D为10～15day、Vs为0.04～0.05L的取值范围。
如图1所示，在处理过程中使用到的处理高钙废水的厌氧颗粒污泥装置中包括反应器主体，反应器主体为柱状筒体，反应器主体的高径比为7～8、有效体积为5～6L。在反应器主体内下部设有布水器10，中部填充有污泥床11，上部设有三相分离器12。
反应器主体底部开设进水口16，进水口16通过第一管路与反应器主体外部的进水桶1相连。第一管路上设有第一蠕动泵21用于提供进水动力，带动第一管路从进水桶1中连续抽取高钙废水进入反应器主体。
反应器主体下部的侧壁上开设排泥口，排泥口有多个，设置的排泥口均位于布水器10上方约1～2cm处，并且排泥口口径不小于1.0cm，以防止污泥堵塞。在实际应用时，可以在反应器主体底部径向对称设置两个排泥口。每个排泥口均外接第二管路，通过第二管路与反应器主体外部的贮泥桶4相连，用于排出污泥床11底部的钙化污泥。第二管路上设有第二蠕动泵22，利用蠕动泵22控制排泥量，将排出的钙化污泥贮存于贮泥桶4中，用于后续资源回收。
三相分离器12用于实现气、液、固三相的分离，经过三相分离器分离的固体回落至污泥床11中。三相分离器12上方的反应器主体侧壁上设有依次连通的溢流堰13、出水渠14和出水口15，水流通过溢流堰13进入出水渠14并从出水口15排出反应器主体，出水口15通过第三管路与反应器主体外部的出水桶3相连，通过三相分离器12分离的水流从第三管路流出到出水桶3。在反应器主体的顶部开设出气口5，经过三相分离器12分离的气体通过出气口5与外部的第四管路相连。第四管路的一端连通出气口5，另一端依次连接液封瓶6、湿式气体流量计7和集气袋8，用于收集从反应器主体排出的气体。
实施例
本实施例中处理高钙废水使用的厌氧颗粒污泥装置的反应器主体采用有效容积5.5L的升流式厌氧污泥床反应器(UASB)，反应器主体为圆柱形的有机玻璃筒，总高78cm，有效高度68cm，内径9cm，三相分离器与水平面的斜角为50°，保证反应器主体的密封性。装置的具体结构见图1以及前述描述，不再赘述。
本实施例的接种污泥取自某造纸厂EGSB厌氧塔，污泥呈黑色颗粒状，平均粒径2.2mm，含钙量为45-50mgCa/gSS，MLSS为65g/L，MLVSS为45g/L。在运行前先向反应器主体接种污泥形成污泥床11，最终反应器内污泥浓度为20～30gVSS/L。同时向厌氧颗粒污泥装置中通入模拟高钙废水，模拟高钙废水中COD浓度为5000mg/L、钙离子浓度为2g/L。该过程中，由布水器10实现均匀布水并截留污泥。当反应器主体中的废水液面高于溢流堰13时，废水进入出水渠14并从出水口15流出进入出水桶3中。运行过程中，通过调节第一蠕动泵21的转速设置不同的水力停留时间，并相应地改变污泥床11中的有机负荷和钙离子负荷。当模拟高钙废水在反应器主体内的水力停留时间从24h逐步降至8h，有机负荷逐步提升至15kgCOD/m3/d时，该接种培养过程结束。待装置运行稳定后，用于对实际的高钙废水进行处理，实际的高钙废水中COD浓度为5000mg/L、钙离子浓度为2g/L。
在装置运行过程中，高钙废水会使污泥床11底部的污泥逐渐钙化，因此将厌氧颗粒污泥装置的排泥口设置在底部，通过定期排出污泥床11底部的钙化污泥，来避免污泥板结、微生物活性降低的发生，从而使厌氧颗粒污泥装置稳定运行。装置定期排泥的排泥周期D和每次的排泥量Vs可以通过如下公式确定：
其中，取值范围D为10～15day、Vs为0.04～0.05L。
将污泥床11底部的污泥定期排出的原理如下：
在装置处理高钙废水的运行过程中发现，污泥床11底部颗粒污泥逐渐由黑色转变成灰白色，并且通过污泥床中污泥钙含量的分布结果可知(如图2所示)，污泥床底部的污泥含钙量最高，且颗粒污泥颜色越接近白色，这表明钙化越严重。图3显示的是富集了钙盐的钙化颗粒污泥，可以看出颜色为灰白色，也就是说，通过判断污泥颜色可以定性的发现钙化污泥主要集中在污泥床底部。
这一点通过污泥传质阻力有效系数和测定污泥床11中不同位置污泥的钙含量均可以定量证明：
为了确定钙盐沉积在污泥床11中的分布，自下而上地从距离布水器4.5、15和25.5cm高度位置的采样口收集污泥样品，收集的污泥样品用去离子水清洗2次，经105℃烘干后，称取0.1g烘干后的干污泥加入浓硝酸在148℃消解45min，由消解液将该混合物定容至50mL后，用0.45μm醋酸纤维滤膜过滤，利用原子吸收分光光度计测定该取样点的污泥中钙离子浓度(c，mg/L)，钙含量(M，mgCa/gSS)可以通过下述公式计算：
通过计算不同高度位置的污泥样品中钙含量，可以确定污泥床11在竖直高度上的钙化情况。本申请发现，越靠近底部的污泥样品钙含量越高，因此，污泥床11底部的钙化越严重。
传质阻力有效系数(η)计算公式如下：
其中，SMAdisintegrated granules表示研磨后污泥的比产甲烷速率，单位为mLCH4/gVSS/h；SMAintact granules表示完整颗粒污泥的比产甲烷速率，单位为mLCH4/gVSS/h。η越大，说明传质阻力越大，污泥钙化程度越严重。
为方便后续描述，将此实施例记为R1。同时为了对比展示本发明的效果，同步设置了对比例R0和R2。相较于R1，R0和R2均不设置排泥单元，即不进行排泥，且R0的进水中不含钙离子。
如图4和5所示，当污泥床11的有机负荷提升至15kg COD/m3/d后，R1中相比于R0和R2，控制排泥的反应器主体运行更加稳定，且COD去除率维持在91％以上，厌氧颗粒污泥的比产甲烷速率约为7mLCH4/gVSS/h。而不控制排泥的R2，在处理高钙废水时发生了污泥床易板结、反应器运行不稳定、微生物产甲烷活性降低等现象，处理效果很差。同时，从图5中也可以得出这样的结论：当传质阻力有效系数大于1.2时说明污泥钙化严重，此时会发生污泥板结、产甲烷活性降低等现象，因此需要及时排泥。
因此，本发明采用控制排泥的运行方式，克服了厌氧生物处理高钙废水时污泥床易板结、装置运行不稳定、产甲烷活性降低等问题，同时通过微生物诱导碳酸钙沉淀将钙离子以钙盐沉淀的形式富集在污泥床底部，并通过排泥的方式去除。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用厌氧颗粒污泥装置处理高钙废水的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)取造纸厂EGSB厌氧塔的污泥作为接种污泥，将接种污泥接种至厌氧颗粒污泥装置中形成污泥床(11)；
2)向厌氧颗粒污泥装置中通入高钙废水，高钙废水在反应器主体内的水力停留时间逐步降低，有机负荷提升；
3)待装置运行稳定后，即可用于对高钙废水进行处理；
在装置运行过程中，高钙废水使污泥床(11)底部的污泥逐渐钙化，将装置的排泥口设置于污泥钙化区域，通过定期排出污泥床(11)底部的钙化污泥，避免污泥板结、微生物产甲烷活性降低的发生；
定期排泥的排泥周期D和每次的排泥量Vs通过如下公式确定：
其中，SRT为污泥龄，单位为day；VSSout为厌氧颗粒污泥装置出水的污泥浓度，单位为gVSS/L/day；V为反应器体积，单位为L；D为排泥周期，单位为day；VSS为污泥床(11)中的污泥浓度，单位为gVSS/L；Vs为排泥量，单位为L。
2.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述步骤1)中接种污泥的MLSS为60～70g/L，MLVSS为40～50g/L；高钙废水中COD浓度为5000～6000mg/L、钙离子浓度为2～3g/L。
3.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述步骤2)中高钙废水在反应器主体内的水力停留时间从24h逐步降至8h，有机负荷提升至15kgCOD/m3/d。
4.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述步骤4)中SRT取值为250～350day，优选为300day；VSSout取值为0.02～0.08gVSS/L/day，VSS取值为20～30gVSS/L。
5.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述排泥周期D为10～15day，每次的排泥量Vs为0.04～0.05L。
6.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述厌氧颗粒污泥装置包括反应器主体，所述反应器主体为柱状筒体，在反应器主体内下部设有布水器(10)，中部填充有污泥床(11)，上部设有三相分离器(12)；所述反应器主体底部开设进水口(16)，所述进水口(16)通过第一管路与反应器主体外部的进水桶(1)相连；反应器主体下部的侧壁开设排泥口，所述排泥口位于布水器(10)上方，通过第二管路与反应器主体外部的贮泥桶(4)相连；所述三相分离器(12)上方的反应器主体侧壁上设有依次连通的溢流堰(13)、出水渠(14)和出水口(15)，水流通过溢流堰(13)进入出水渠(14)并从出水口(15)排出反应器主体，所述出水口(15)通过第三管路与反应器主体外部的出水桶(3)相连；在所述反应器主体的顶部开设出气口(5)，经过所述三相分离器(12)分离的气体通过所述出气口(5)与外部的第四管路相连。
7.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述反应器主体的高径比为7～8，有效体积为5～6L。
8.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述第一管路上设有第一蠕动泵(21)，第二管路上设有第二蠕动泵(22)。
9.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述排泥口有多个，均位于布水器(10)上方1～2cm处；排泥口口径不小于1.0cm，以防止污泥堵塞。
10.根据权利要求1所述处理高钙废水的方法，其特征在于，所述第四管路的一端连通出气口(5)，另一端依次连接液封瓶(6)、湿式气体流量计(7)和集气袋(8)，用于收集从反应器主体排出的气体。
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