CN115557604A - 一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，属于高盐有机废水厌氧消化处理技术领域。本发明采用稻草灰改变高盐有机废水厌氧消化系统中的离子平衡和酸碱平衡，并能为微生物生长提供一定的载体，很大程度上缓解了高盐对厌氧微生物的胁迫作用。对含盐量为3.0％，TOC浓度为3.75g/L的高盐有机废水进行厌氧消化，向进水中添加0.88g/L的稻草灰，成功实现了厌氧反应器在高盐高负荷条件下的直接快速启动，TOC去除率达到80％以上。本方法为实际高盐有机废水的处理处置提供了可靠的指导，缩短了高盐有机废水厌氧反应器的启动时间，并有效促进了有机物的降解，实现了厌氧微生物的快速耐盐驯化。
Description
技术领域
本发明涉及一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，属于高盐有机废水厌氧消化处理的技术领域。
背景技术
在我国工业生产中，每天产生大量高盐有机废水，主要包括榨菜废水、肝素钠制药废水、煤化工废水、膜过滤浓水。除了盐含量高(＞1wt％)，高盐有机废水中还含有大量有机物(COD＞2000mg/L)。根据目前的研究，高盐有机废水主要采用物理或化学处理方法，如膜分离、加热蒸发和离子交换。物理或化学方法的处理目标主要是脱盐，但脱盐前需要去除其中的有机物以减轻其对脱盐过程的影响。对于较高浓度的有机物，厌氧生物处理是一种经济可行且环境友好的方法。它不仅成本低，而且可以实现资源回收。但由于较高盐分对厌氧微生物产生较大抑制作用，使得传统厌氧处理方法中反应器启动较慢或无法启动。以往高盐有机废水厌氧生物处理方法往往是通过长时间驯化非嗜盐厌氧微生物，使微生物适应含盐废水；或接种嗜盐微生物，实现反应器的启动。然而，嗜盐微生物的来源是十分有限且价格昂贵。而非嗜盐微生物则需要长时间适应高盐度条件，且反应器启动过程容易受到负荷和盐度冲击导致启动失败。目前在高盐有机废水厌氧生物处理技术领域中迫切需要一种低成本高效的处理及运行方法。
发明内容
为解决高盐有机废水厌氧反应器启动困难、启动时间长、有机负荷低和产气量低的问题，本发明采用向厌氧反应系统中添加稻草灰，以改善高盐有机废水厌氧消化系统中的离子平衡和酸碱平衡，并为微生物的生长提供一定的载体；此项技术提高了厌氧微生物抵抗高渗透压的能力，加速厌氧微生物在高盐度环境下的驯化速度，提高了反应器启动阶段抗冲击负荷能力，解决了高盐有机废水常规厌氧消化中反应器启动慢，微生物驯化慢，处理效果差的问题，为高盐有机废水厌氧消化领域提供了一项低成本高效率的处理方法。
本发明的第一个目的在于，提供一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，所述方法为：
步骤1，污泥接种：向厌氧反应器中加入厌氧污泥作为接种污泥；
步骤2，稻草灰制备：稻草秸秆在500℃下灼烧获得；
步骤3，高盐有机废水预处理：将稻草灰加入到待处理的高盐有机废水中搅拌、静置；稻草灰剂量为0.44-1.2g/L，优选为0.88g/L；
步骤4，反应器启动阶段：将步骤2中预处理后的高盐有机废水泵入反应器中，与接种污泥混合，控制水力停留时间为2天，使得初始容积负荷达到1.88kg TOC/(m3·d)，在不断搅拌条件下直接高负荷启动厌氧反应；
当厌氧反应器出水出化学需氧量(COD)或总有机碳(TOC)去除率达80％，停止将步骤2中高盐有机废水的预处理，将未处理的高盐有机废水直接泵入反应器，反应器高负荷启动完成；
所述高盐有机废水总含盐量≥1.0％。
在一种实施方式中，步骤1中，所述接种污泥为盐度1.41g/L条件下厌氧反应器中的非高盐驯化的厌氧污泥。
在一种实施方式中，步骤2中，所述搅拌时间为20-40min，优选为30min；静置时间为1-3小时，优选为2小时。
在一种实施方式中，所述高盐有机废水pH为7.2～8.0、总盐度：3.0％、COD∶N∶P＝350∶5∶1。
在一种实施方式中，步骤1中，以总固体浓度TS计接种污泥浓度≥10g/L。
在一种实施方式中，所述厌氧反应器为全混合厌氧反应器
在一种实施方式中，所述全混合厌氧反应器总体积为5L，工作体积为4L，共两组，启动时采用间歇进水的方式，每天进水2L，容积负荷为1.88kg TOC/(m3·d)搅拌转速为60r/min。
有益效果
此项技术提高了厌氧微生物抵抗高渗透压的能力，加速厌氧微生物在高盐度环境下的驯化速度，提高了反应器启动阶段抗冲击负荷能力。通过本发明技术方案，实验组在1-20天内平均甲烷日产量达到1416.54mL/d；在第21天之后产气量逐渐上升，并在第30达到稳定状态，此后第37天停止加入稻草灰，反应器处理性能仍能保持稳定；实验组由于产甲烷菌得到驯化，其反应器始终保持较高TOC去除率，积累的VFA浓度不断下降，实验组系统VFA/ALK相应降低，并在30-55天内稳定在0.20左右；提升了全过程污泥脱氢酶活性、乙酸激酶活性和辅酶F420活性。相反，无稻草灰添加的对照组反应器各项性能指标皆不如实验组。该方法有效缩短了高盐有机废水常规厌氧消化中反应器启动时间，加快了微生物驯化速度，提升了高盐有机废水厌氧处理效果。
附图说明
图1连续流实验中反应器系统图；
图2连续流实验中产气的变化；
图3连续流实验中TOC的变化；
图4连续流实验中VFA和pH的变化；
图5连续流实验中总碱度(ALK)的变化情况；
图6连续流实验中无机碳(IC)的变化；
图7连续流实验中污泥酶活的变化。
具体实施方式
实施例1连续流实验设计
实验室规模的CSTR反应器如图1所示，总体积为5L，工作体积为4L。
步骤1，污泥接种：初始接种污泥含量(以TS计)为14.0g/L。
步骤2，稻草灰制备：稻草秸秆在500℃下灼烧获得；
步骤3，高盐有机废水预处理：将稻草灰加入到待处理的高盐有机废水中搅拌、静置；实验组反应器加入0.88g/L稻草灰(实验组，R2)，不添加稻草灰的反应器(对照组，R1)作为对照。
步骤4，反应器启动阶段：将步骤2中预处理后的高盐有机废水泵入反应器中，与接种污泥混合，水力保留时间为2.0d，使得初始容积负荷达到1.88kgTOC/(m3·d)，反应器的温度通过加热板保持在37±1℃，在不断搅拌条件下直接启动厌氧反应。
高盐有机废水pH为7.2～8.0、TOC：3.75g/L、总盐度：3.0％、COD∶N∶P＝350∶5∶1。
对于实验组反应器，在启动期间，TOC去除率逐渐提高到最大值81.93％，然后保持稳定。启动阶段持续了36天。之后，停止在进水中添加稻草灰，再运行反应器18天，以评估具有适盐微生物的反应器长期运行性能。
实施列2运行过程中产气变化
图2两组反应器产甲烷情况，从数据中可以得出，在1-35天内对照组和实验组平均甲烷产率分别为444.09mL/d，2595.30mL/d，相较于对照组，实验组表现出较好的产甲烷情况，在第36天之后对照组产气逐渐降低，直到第44天产甲烷不足100mL，对照组反应器最终启动失败，这主要归因于对照组中高盐环境对产甲烷菌产生了强烈抑制作用，导致对照组系统中大量VFA未被利用，使系统处于不稳定状态。而实验组产气在第21天之后表现出明显的上升趋势，并在第36天时达到稳定状态，最大日产甲烷量为5687.55mL，同时值得注意的是，实验组在停止加灰后，系统产气情况仍保持稳定，这表明添加稻草灰可以提高厌氧产甲烷菌抵抗高渗透压胁迫的能力，实现产甲烷菌得快速驯化，使系统长期稳定高效运行。
同时从产甲烷含量可以观察到，对照组在1-44天内始终保持较低水平，平均为15.70％，这主要归因于对照组长期处于偏酸性条件，使部分碳酸氢钠分解成二氧化碳。相应地实验组在1-20内平均甲烷含量为33.28％，之后甲烷含量逐渐上升，并在第30天达到稳定状态，这表明稻草灰的加入可以提升沼气中的甲烷含量。
实施列3运行过程中TOC的变化情况
图3两组反应器TOC的变化情况，从图可知，实验组在1-20天内出水平均TOC为2398.39mg/L，在21-30天内出水TOC不断下降，直至第31天稳定，此后出水TOC稳定在686.59mg/L，停止加灰反应器处理性能并未下降，对应的平均TOC去除率也从1-20内的36.99％提升至第30-36天的81.93％，并在停止加灰后的37-55天内TOC去除率仍稳定在81.65％。对照组反应器在1-36天中平均出水TOC为3248.61mg/L，平均TOC去除率为14.61％，第36天之后对照组TOC去除率逐渐降低，在第40-44天中平均出水TOC为3707.03mg/L接近进水TOC浓度。
上述TOC结果，再次验证添加稻草灰可提高高盐有机废水厌氧产甲烷性能，并且在高盐高负荷条件下可以实现反应器的快速启动，并且在停止加灰后反应器处理性能仍能保持稳定。无任何添加的对照组在高盐高负荷条件下处理高盐有机废水表现出非常差的效果，对于非嗜盐厌氧微生物的驯化仍需要以较低负荷的方式进行。
实施列4运行过程中VFA和pH的变化分析
挥发性有机酸(VFA)对于评估厌氧产甲烷体系非常重要，其浓度可以反映酸的生成与消耗关系，也可反应系统产甲烷活性。厌氧产甲烷过程中，有机物逐步被微生物转化为VFA，VFA可作为产甲烷菌的底物，通过自身代谢作用生成甲烷，但较高浓度的VFA会引起发酵体系酸化，同时VFA的大量积累会使体系pH显著降低，抑制产甲烷菌的活性，进而影响产甲烷活性。在图4对照组反应器在1-44天内始终保持着较高的VFA浓度，其平均VFA浓度达到7.34g/L，大量VFA的积累表明对照组系统产甲烷活性受到强烈抑制，对应的pH也长期低于6.8以下，据我们所知，厌氧产甲烷体系pH长期低于6.8对产甲烷活性不利。相反的实验组VFA浓度则从1-20天内的5.75g/L降低至第30-55天内的1.25g/L，对应pH也从6.8升至7.61，这说明添加稻草灰后系统产甲烷活性有所提升。
实施列5运行过程中ALK的变化
厌氧反应中系统总碱度是评估系统稳定性的重要指标，在传统厌氧反应器中总VFA与总碱度的比值低于0.8则认为改反应器有较好稳定性，高于1.0则认为反应器稳定性较差。连续运行过程中总碱度(ALK)的变化情况如图5，草木灰由于本身具有一定碱度，在进水中加入稻草灰，进水碱度会有一定的增加，如图7示，实验组出水总碱度在1-36天(6261.19mg/L)中均高于对照组(6025.98mg/L)，而在停止加灰第37-55天中实验组出水碱度降至对照组水平。就VFA/ALK方面，实验组在1-20天内平均VFA/ALK为0.93，之后由于产甲烷菌得到驯化，VFA浓度不断下降，实验组系统VFA/ALK相应降低，并在30-55天内稳定在0.20左右，此时实验组系统出于强稳定性状态。对照组由于大量VFA没有被产甲烷菌利用，导致系统VFA/ALK长期处于1.0以上，这对厌氧系统十分不利。
从上述数据来看，添加稻草灰可以增强系统碱度，这对厌氧反应器初始阶段的启动十分有利，加上稻草灰本身对产甲烷菌的保护作用使系统不至于积累大量VFA，实验组碱度的增强和VFA的及时消耗双向强化厌氧系统稳定性。
实施列6运行过程中无机碳(IC)变化情况
图6两组反应器厌氧消化过程中进出水无机碳(IC)的变化情况，从图中可以看出对照组出水IC浓度(607.28mg/L)低于进水IC浓度(851.65mg/L)，主要归因于对照组系统pH长期低于7，使进水中部分碳酸氢钠分解产生二氧化碳气体，同时产生的二氧化碳气体降低了甲烷含量。实验组中在添加稻草灰阶段进水IC(1059.31mg/L)高于对照组，但在前期由于实验组pH也处于低于7的状态使气体中甲烷含量低于50％，在第20天之后实验组pH逐渐上升，对应IC浓度呈现上升趋势。
实施列7应器运行过程中污泥中酶活性的变化情况
图7映的是两组污泥中脱氢酶、乙酸激酶和辅酶F420在第0、15、35、55天的变化趋势。从图中可知，实验组全过程污泥脱氢酶活性、乙酸激酶活性和辅酶F420活性分别高于对照组25.67％-89.81％、19.03％-50.93％和35.83％-944％，但仍低于接种前的污泥酶活。高盐废水抑制了多种酶活性，但稻草灰的加入缓解了高盐对厌氧污泥酶活性的抑制作用。在第30天时，实验组厌氧污泥酶活性较第15天时明显增加，其中脱氢酶从31.83TFμg/g VSS增加到39.15TFμg/g VSS，乙酸激酶从319.00hmol/(min·g VSS)增加到350nmol/(min·gVSS)，辅酶F420从163.00nmol/g VSS增加到254.11nmol/g VSS。其中辅酶F420浓度增幅最大，说明该阶段产甲烷菌活性显著提高。对照组的三种酶的浓度在第15-55天内逐渐下降，尤其是辅酶F420的浓度从第15天的120nmol/g VSS下降到第55天的25nmol/g VSS，产甲烷活性几乎丧失。
Claims (5)
1.一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，其特征在于，所述方法为：
步骤1，污泥接种：向厌氧反应器中加入厌氧污泥作为接种污泥；
步骤2，稻草灰制备：稻草秸秆在500℃下灼烧获得；
步骤3，高盐有机废水预处理：将稻草灰加入到待处理的高盐有机废水中搅拌、静置；稻草灰剂量为0.44-1.2g/L；
步骤4，反应器启动阶段：将步骤2中预处理后的高盐有机废水泵入反应器中，与接种污泥混合，控制水力停留时间为2天，使得初始容积负荷达到1.88kg TOC/(m3·d)，在不断搅拌条件下直接启动厌氧反应；
厌氧反应器出水中化学需氧量或总有机碳去除率达80％并维持稳定5天后，停止将步骤2中高盐有机废水的预处理，将未处理的高盐有机废水直接泵入反应器，反应器启动完成；
所述高盐有机废水总含盐量≥1.0％。
2.根据权利要求1所述的一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，其特征在于，所述步骤3中，稻草灰添加剂量为0.88g/L。
3.根据权利要求1所述的一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，其特征在于，步骤1中，所述接种污泥在盐度1.41g/L条件下厌氧反应器中的非高盐驯化的厌氧污泥。
4.根据权利要求1所述的一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，其特征在于，步骤3中，所述搅拌时间为30min；静置时间为2小时。
5.根据权利要求1所述的一种高盐有机废水厌氧处理反应器快速启动的方法，其特征在于，所述高盐有机废水pH为7.2～8.0、COD∶N∶P＝350∶5∶1。
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