摘要：糖蜜酒精廢水酸化率在30%以下，出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%左右，較好時可能達到70%。當酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進行。對于本試驗乙酸、丁酸最高濃度均能達到占進水TOC的30%，但二者不能同時達到最大值。

兩相厭氧消化法是根據(jù)參與酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵的微生物不同，分別在兩個反應(yīng)器內(nèi)完成這兩個過程的方法。但二相厭氧生物處理工藝自1971年提出以后，由于學(xué)術(shù)界大多認為相分離會破壞厭氧發(fā)酵過程中各類菌群之間的協(xié)同作用，會對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生不利影響，因此這一研究發(fā)展緩慢。目前，許多研究表明該法在處理富硫酸鹽有機廢水是有效的。為了探討二相厭氧UASB工藝處理糖蜜酒精廢水的相分離特性，本文對產(chǎn)酸相的效能、運行狀況、有機物的去除及微生物群體的組成等方面作了研究分析。

1試驗裝置及方法

1.1試驗裝置

本試驗酸化段UASB反應(yīng)器采用有機玻璃管制成，內(nèi)徑15cm，高2m，總有效容積為28.5L，其中三相分離器容積為4L，高度方向上每間隔10cm設(shè)置一個采樣口，以觀測反應(yīng)器中的情況。反應(yīng)器夾套水保溫在35±2℃左右。處理水經(jīng)計量泵由底部進入反應(yīng)器，在反應(yīng)器頂部溢流出水。產(chǎn)氣經(jīng)脫硫后，由濕式氣體流量計計量產(chǎn)氣量。出水進入下一段處理裝置。

1.2接種污泥

接種污泥采自酒精廠EGSB反應(yīng)器高溫處理玉米酒精糟液的顆粒污泥，污泥濃度18.8g/L，VSS/SS為0.93，接種量為18L。

1.3廢水性質(zhì)

本試驗用水來自廣西某糖廠的糖蜜酒精糟液，其水質(zhì)特征如表1所示。

表1原水水質(zhì)指標

1.4分析項目及方法

TOC：TOC-10B
pH：精密Ph計
堿度：滴定法
揮發(fā)酸：氣相色譜法
硫酸根：重量法
硫化物：離子選擇電極法

1.5試驗條件控制

試驗中，原水經(jīng)過稀釋后進水。通過調(diào)節(jié)進水流量來控制進水COD容積負荷；通過加入Na2CO3調(diào)節(jié)pH值；實驗中不再另外加入各種營養(yǎng)鹽。

2結(jié)果與討論

2.1試驗結(jié)果

在最初的15d里，進水TOC控制在10000mg/L左右，但去除率直線下降。調(diào)整進水TOC至6000mg/L，連續(xù)運行50d，負荷逐步提高，去除率逐漸上升，到第60d，穩(wěn)定在30%左右，同時，產(chǎn)氣量也上升至80L/d。繼續(xù)提高進水濃度，到第87d，達到17000mg/L，容積負荷達到30kgCOD/m3，系統(tǒng)仍能正常運行，去除率在35%以上，產(chǎn)氣達到100L/d以上。試驗中，即使SO42->1600mg/L,出水中的硫化物也只有80mg/L，所以在本試驗中沒有發(fā)現(xiàn)H2S的抑制作用。酸化段的SO42-去除率在70%左右。根據(jù)氣相色譜檢測，酸化段產(chǎn)氣中，CH4和CO2組分各占50%，證明在酸化段中，也發(fā)生產(chǎn)甲烷反應(yīng)。

另外，隨系統(tǒng)運行，體系的緩沖能力增強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，即使進水pH在5.2左右，出水pH一直維持在7.7。

2.2酸化反應(yīng)器的運行效能分析

一般認為，厭氧生物處理的限速步驟是產(chǎn)甲烷階段，但現(xiàn)在已經(jīng)認識到產(chǎn)酸階段對厭氧生物系統(tǒng)的成敗也起著關(guān)鍵的作用。一方面產(chǎn)酸相發(fā)酵速率要快，并盡可能消除由于有機酸的大量產(chǎn)生而抑制或阻礙了產(chǎn)酸菌的活性；另一方面，因為產(chǎn)酸相的發(fā)酵產(chǎn)物將作為甲烷相的底物，所以提供易于被產(chǎn)甲烷菌利用、并且減少丙酸含量和可能轉(zhuǎn)化為丙酸的底物，是保證產(chǎn)甲烷相高效、穩(wěn)定運行的重要因素。

2.2.1酸化率

酸化段是將污水中大分子和不易生物降解的有機物降解為易生物降解的小分子有機物。酸化過程是溶解性有機物被轉(zhuǎn)化為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物的過程。研究結(jié)果表明，酸化的末端產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對兩相厭氧處理的第一步，糖作為主要底物，則末端產(chǎn)物將是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氫氣的混合物。

本試驗用水為糖蜜酒精廢水，基質(zhì)中糖的含量很高，達20g/L，糖為主要底物之一，一級UASB反應(yīng)器的操作控制按酸化反應(yīng)器運行條件運行，試驗進程中揮發(fā)酸測定結(jié)果列于表2。結(jié)果顯示，出水中揮發(fā)性脂肪酸有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸四種，其中乙酸和丁酸的量最大，乙酸最高達3796mg/L，丁酸達4436mg/L，揮發(fā)酸的濃度與進水TOC濃度有相關(guān)性。原水中已含有較高濃度的揮發(fā)酸，其中乙酸濃度在1000mg/L以上，如果扣除進水揮發(fā)酸后計算酸化率，則酸化率數(shù)值較低，基本上都小于30%，且該數(shù)值波動較大，這可能與進水水質(zhì)波動有關(guān)。但出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%，盡管該值有所波動，但基本上仍算比較穩(wěn)定。這一數(shù)值說明，對糖蜜酒精廢水酸化率在50%左右，較好時能達到70%。此外，據(jù)試驗推斷當酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進行。對于本試驗乙酸、丁酸最高濃度均能達到占進水TOC的30%，但二者不能同時達到最大值。

表2酸化反應(yīng)器揮發(fā)酸測定結(jié)果

注：酸化率=（TOC出-TOC進）/TOC總TOC出：出水中揮發(fā)酸折合的TOC，TOC進進水中揮發(fā)酸折合的TOC，TOC總：進水中總TOC；揮發(fā)酸百分率=出水中揮發(fā)酸折合的TOC/進水總TOC2.2.2酸化段TOC的去除率、產(chǎn)氣量及微生物群體組成分析

本試驗最初酸化段對TOC雖有去除，但去除率不大，僅在10%左右，產(chǎn)氣量也不大。但隨著運行時間的延長，反應(yīng)器對TOC的去除率開始增加，最后穩(wěn)定在40%左右，單位體積產(chǎn)氣量逐漸增加，酸化段產(chǎn)氣中，CH4約占氣體組成的50%，這可能是反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌已適應(yīng)了環(huán)境，活性增加，從而消耗更多的乙酸來產(chǎn)生甲烷，從而使乙酸濃度降低，丁酸進一步水解產(chǎn)生的乙酸可補充一部分削耗掉的乙酸。試驗結(jié)果表明乙酸下降程度要比丁酸小得多。TOC去除率及單位體積產(chǎn)氣量見圖1。

圖1TOC去除率、產(chǎn)氣量與運行天數(shù)的關(guān)系

本試驗結(jié)果是，隨著系統(tǒng)運行時間的延長，TOC的去除率及產(chǎn)氣量有加大的趨勢，說明產(chǎn)甲烷菌的數(shù)目在加大，并且二者有較好的相關(guān)性。穩(wěn)定運行后，酸化段TOC去除率趨于穩(wěn)定，為40%左右，單位體積產(chǎn)氣量穩(wěn)定在5.0L/d。
微生物的厭氧發(fā)酵過程呈階段性，參與整個厭氧發(fā)酵過程的微生物也因代謝功能不同分為水解、發(fā)酵細菌，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌，同型產(chǎn)乙酸菌，產(chǎn)甲烷菌等主要菌群。根據(jù)試驗結(jié)果和資料分析，對二相厭氧消化過程中各大菌群的分布提出如圖2所示的示意圖。

圖2二相厭氧消化過程中各大類菌群的位置示意圖。

由圖2可見通過動力學(xué)控制實現(xiàn)相分離并不意味著產(chǎn)酸發(fā)酵菌群與產(chǎn)甲烷菌群的完全分離。如Gil-Pena的研究結(jié)果表明在酸化反應(yīng)器的厭氧污泥中，產(chǎn)甲烷菌含量約為104個/毫升。表3是張錄等［10］人的研究結(jié)果，從表3中可以看出，二相厭氧生物處理系統(tǒng)并未將產(chǎn)酸微生物與產(chǎn)甲烷微生物截然分開，只是通過對有關(guān)運行參數(shù)的控制限制了產(chǎn)酸相中甲烷菌的增殖，強化了水解發(fā)酵菌群功能。因此，在產(chǎn)酸相中仍含有一定數(shù)量的產(chǎn)甲烷菌，由于產(chǎn)甲烷菌也消耗有機物，所以酸化段可以對COD有一定的去除率。

表3產(chǎn)酸槽與產(chǎn)甲烷槽各菌群計數(shù)結(jié)果

3結(jié)論

3.1酸化段的容積負荷達到30kgCOD/m3時，系統(tǒng)仍能正常運行，TOC去除率在35%以上，酸化段的SO42-去除率在70%左右。

3.2糖蜜酒精廢水酸化率在30%以下，出水揮發(fā)酸卻能占總TOC的50%左右，較好時可能達到70%。當酸化末端產(chǎn)物揮發(fā)酸的濃度達到一定數(shù)值后，酸化過程很難再深入進行。對于本試驗乙酸、丁酸最高濃度均能達到占進水TOC的30%，但二者不能同時達到最大值。

3.3兩相厭氧生物處理系統(tǒng)并未將產(chǎn)酸微生物與產(chǎn)甲烷微生物截然分開，只是通過對有關(guān)運行參數(shù)的控制限制了產(chǎn)酸相中甲烷菌的增殖，強化了水解發(fā)酵菌群功能。因此，在產(chǎn)酸相中仍含有一定數(shù)量的產(chǎn)甲烷菌，由于產(chǎn)甲烷菌對有機物的消耗，所以酸化段可以對TOC有一定的去除率。

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