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本研究基于找到一种合理有效的处理木薯酒精废水的方法开展研究。根据目前工业中此类废水的处理方法,参照前人的研究成果,分析了存在的问题和合理的解决方法。根据木薯酒精废水的特点,提出高温两相全糟厌氧方法来处理木薯酒精废水。产酸相采用高温接触式厌氧反应器,产甲烷相采用高温EGSB反应器。EGSB反应器作为UASB反应器的改进与创新,目前的理论和实践多集中于中温或常温条件下,高温条件下的研究尚不足。本研究主要探讨作为产甲烷相的EGSB反应器在高温(55℃)条件下处理木薯酒精废水。
实验采用自制的EGSB小试反应器,重点考察了高温厌氧EGSB反应器处理木薯酒精废水启动和运行的规律,包括COD的降解,产气量的变化和出水pH及碱度的情况等;分析了EGSB反应器的流态,对基质降解动力学和沼气转化系数进行了探讨;最后研究了EGSB反应器中颗粒污泥的相关性质,对颗粒污泥的形成机理进行了初步分析。
研究的结果表明,高温EGSB反应器接种中温颗粒污泥,仅需20天即可完成反应器启动,运行期间COD去除率稳定在80%—90%以上。二次启动仅需10天。10—14kgCOD/(m3·d)是本实验EGSB反应器运行最理想的有机负荷条件。启动和运行期,出水pH值随着系统COD去除率的变化而波动,可以通过系统pH的变化来初步判断厌氧EGSB反应器的运行效果。
沼气生成量随有机负荷的提升而增加,当有机负荷超过24kgCOD/(m3·d),产气量可达40L/d以上。沼气中甲烷的含量稳定在55%—61%之间。理论沼气转化系数为0.559m3/kgCOD,合标准状态下0.465m3/kgCOD。在稳定运行后,实测沼气转化系数为0.378m3/kgCOD,合标准状态下0.315m3/kgCOD。实验测得转化系数小于理论值,这是因为被去除的COD一部分被转化为沼气,一部分被用于反应器内微生物增殖。
流态实验采用LiCl为示踪剂,结果显示EGSB反应器的流态介于完全混合式与推流式之间。死区容积较小,为4.47%。多釜串联模型串联数N为2.42,一维扩散模型离散数D为0.286,表明反应器的整体流态更趋近于完全混合式。
对基质降解动力学的探讨分别求得第202-275天Eckenfelder减速增长速率常数K2=0.0005L/(mg·d),Monod最大比基质降解速率常数Vmax=1.17d-1、饱和常数Ks=695.3mg/L。动力学常数表明高温EGSB反应器的降解能力强,木薯酒精废水也易生化降解。由于进水成分较为复杂,Eckenfelder模型更适于来进行本实验的动力学方程推导。
高温EGSB反应器接种中温污泥可快速驯化。驯化后高温颗粒污泥沉降性能良好。粒径为1.0—5.0mm不等;直径2mm以上的大颗粒污泥增长迅速,较小的颗粒污泥占比变化不大。污泥颗粒化率接种初期不到60%,后期稳定在80%左右。颗粒污泥的VSS/TSS由0.51变为0.84,表面微生物在EGSB反应器内不断生长,且以竹节状丝菌、杆菌和球菌为主,其中竹节状丝菌通常认为可能是索氏产甲烷丝菌(Methanothrix soehngenii)。
通过化学组分、剖面电镜扫描照片和能谱仪分析,推测颗粒污泥具有无机质内核,主要组成物质可能为Ca5(PO4·CO3)3(OH),也可能为CaCO3,或是两者的混合物。颗粒污泥的形成过程推测为在特定的运行环境中微生物内部逐步形成含有Ca、P元素的Ca3(PO4)2类或CaCO3类沉积物,由于颗粒污泥粒径较大,随着沉积物的生长、加厚,被其包裹的微生物营养得不到供应,进而逐渐死亡、自溶,形成无机质内核。