本發(fā)明涉及一種木薯酒精廢液厭氧出水深度處理的方法，屬于污水凈化處理技術領域。

背景技術：

根據(jù)相關的報道，木薯燃料乙醇在未來的能源配置過程中將會發(fā)揮越來越重要的作用。由于木薯的根、莖中含有大量的碳水化合物和淀粉，乙醇酒精生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的有機廢水，其中含有大量的可再生利用的營養(yǎng)物質，是一類無毒的高濃度有機廢水。在木薯燃料乙醇生產(chǎn)過程中，生成每噸酒精能排放大約15t的酒精廢水，該類廢水具有高含固率、高cod和低ph等特點，是一類難降解的工業(yè)高濃度有機廢水，不僅會影響廢水接納水體的生態(tài)環(huán)境，而且也是制約企業(yè)發(fā)展的影響因素之一，因此，如何解決該問題已成為企業(yè)發(fā)展過程中一個重要課題。厭氧發(fā)酵是將生物質轉化為生物能源的技術，能產(chǎn)生可再生的清潔能源沼氣，目前已成為處理酒精廢水的有效方法之一

相比其它處理處置技術，厭氧消化更具有優(yōu)勢，它不僅可以有效的處理木薯酒精廢液，而且可以獲得清潔化沼氣能源，實現(xiàn)木薯酒精廢液的減量化、無害化和資源化，對環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

在木薯酒精廢液厭氧發(fā)酵過程中，經(jīng)過一級厭氧處理后雖然能降解部分有機質，但是一級厭氧出水中的有機物質仍較高、可生化性好、ss含量低、ph適中等，因此對木薯酒精廢液一階段厭氧發(fā)酵出水的處理方法仍需要改進。目前高有機濃度高ss厭氧發(fā)酵一階段厭氧出水處理仍面臨著許多問題，主要表現(xiàn)為兩方面：一方面是由于一階段厭氧發(fā)酵體系出水中廢水水質特性不同，所采用的后續(xù)深度處理的處置類型不同；另一方面在實際廢液處理過程中需要考慮到經(jīng)濟性和可操作性等原則，要求后續(xù)深度處理單元不僅需要高效的處理能力，同時又具備經(jīng)濟費用低、管理簡易等特點，此外，針對厭氧發(fā)酵過程的操作條件優(yōu)化問題，如何建立優(yōu)化方式和方法也是在處理酒精廢液過程中所面臨的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術問題是針對一階段高溫cstr反應器的出水中可溶性有機物質含量較高的問題，提供一種木薯酒精廢液厭氧出水深度處理的方法，所述方法是采用上流式厭氧污泥床反應器uasb，接種顆粒污泥進行中溫連續(xù)式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述中溫顆粒污泥的ts為100～110mg/l，vs為80～90mg/l，ph為7.5～8.0。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述接種量為8～10gvs污泥/l廢水。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述接種量是在7.2l的反應器容積中接種72gvs污泥。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述中溫顆粒污泥來自食品加工廠的中溫厭氧uasb反應器中，所述接種量為72gvs菌種于反應罐中。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述木薯酒精廢液厭氧發(fā)酵的vs為10g/l，木薯酒精厭氧發(fā)酵廢液通過蠕動泵進行連續(xù)進料，出水與進水回流比為2：1，反應過程中不調節(jié)ph。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述反應器的進水ph為7.4～7.62，總cod15000～15400mg/l，可溶性cod10000～11000mg/l，堿度6200～6500caomg/l，vfa2200～2700mg/l。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述uasb厭氧反應器的運行溫度為33～35℃。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述uasb厭氧反應器的運行方式為階段提升容積負荷的方式，于3kgcod/(m³.d)運行5～10d，提升至5kgcod/(m³.d)運行10～15d，再提升至7kgcod/(m³.d)運行30～35d。

在本發(fā)明的一種實施方式中，所述uasb反應器的hrt和產(chǎn)氣率按下式計算：y＝5.2441x²+2.29x；其中，y為y(t)/ym；y(t)為單位時間產(chǎn)氣率，ym為最大產(chǎn)氣率；x為水力停留時間hrt；通過給定產(chǎn)氣率，計算獲得所需的水力停留時間。

本發(fā)明還提供按照所述方法設計、制造的用于木薯酒精廢液厭氧出水的處理設備。

有益效果：本發(fā)明將接種污泥取自食品加工廠的中溫厭氧顆粒污泥，采用上流式厭氧污泥床uasb反應器作為處理設備，本著最大化資源回收廢物處理、操作簡易、費用成本低等理念，通過對微生物生長繁殖過程中產(chǎn)生的中間代謝產(chǎn)物進行綜合分析，經(jīng)過近60天的廢水生物處理，tcod濃度從15000mg/l降至1327.9mg/l，tcod去除率達到83.0％～84.1％。本發(fā)明通過容積負荷提升的厭氧發(fā)酵運行方式，進一步降低厭氧發(fā)酵出水有機物質濃度，提高厭氧發(fā)酵出水的資源化利用程度。本發(fā)明的工藝簡單，易于控制和操作，對提高木薯酒精厭氧發(fā)酵廢液的處理效率和能源回收率具有重要意義，且不會產(chǎn)生二次污染，因此可以作為木薯酒精廢液一階段厭氧發(fā)酵出水的后續(xù)處理手段，具有良好的應用和研究前景。

附圖說明

圖1為uasb厭氧反應器示意圖；

圖2為不同運行條件下uasb反應器出水cod的變化情況；

圖3為不同條件下uasb反應器的運行效能；

圖4為uasb反應器有機酸和ph的穩(wěn)定特性；

圖5為uasb反應體系有機酸組成動態(tài)變化；

圖6為不同容積負荷下cstr厭氧反應沼氣產(chǎn)氣率擬合直線；

圖7為hrt與y(t)/(ym-y(t))之間的擬合直線；

圖8為k、hrt與y(t)/(ym-y(t))之間的擬合曲線。

具體實施方式

采用便攜式甲烷測定儀測定甲烷含量，采用重鉻酸鉀滴定法測定tcod、scod，采用液相法測定vfa。

木薯酒精廢液，即一階段高溫cstr厭氧發(fā)酵出水的基本特性如表1：

表1木薯酒精廢液水質特性

本實施方式中uasb厭氧反應器接種的中溫顆粒污泥取自食品加工廠的中溫厭氧反應罐，污泥基本特性如表2：

表2接種污泥的性質

實施例1

采用圖1所示的上流式厭氧污泥床uasb反應器裝置，裝置為全玻璃材質，體積為9.5l，實際有效反應體積為7.2l。反應溫度為35℃，進水通過泵從反應器底部進入，反應產(chǎn)生的沼氣通過三相分離器分離，從氣體排出管排至集氣袋收集，出水與進水按照2:1比例進行回流，反應器外部為玻璃夾層，采用水浴加熱方式維持溫度在35℃條件下運行。

實施例2不同運行條件下uasb反應器出水cod的變化情況

uasb反應器運行效能如圖2所示。經(jīng)過一階段cstr厭氧反應器處理后，出水根據(jù)所設定的相應水力停留時間和容積負荷經(jīng)過稀釋，利用泵進入uasb反應器進行厭氧發(fā)酵，在3kgcod/(m³.d)負荷下運行10d，提升至5kgcod/(m³.d)運行15d，再提升至7kgcod/(m³.d)運行33d。經(jīng)過近60天的處理，最終反應器運行負荷為7kgcod/m³.d，出水中tcod和scod濃度分別為1327.9、551.2mg/l，tcod去除率達到83.0％～84.1％。在處理的過程中，出水中有機物濃度隨著進水容積負荷的增加而提高。

如圖3所示，日沼氣產(chǎn)生量隨著容積負荷的提高而提高，當反應器在容積負荷為3、5、7kgcod/m³.d條件下穩(wěn)定運行時，日沼氣產(chǎn)量分別為6.9、12、17.1l/d，甲烷含量分別達到47.5％、52.3％、51％，沼氣產(chǎn)氣率分別為0.358、0.315、0.31ml/gtcod。隨著反應的進行，日沼氣產(chǎn)量并沒有出現(xiàn)劇烈波動，表明反應器在該容積負荷下具有良好的穩(wěn)定處理能力和效果。

產(chǎn)甲烷厭氧發(fā)酵體系容易受到vfa濃度的沖擊，在高負荷條件下，隨著vfa濃度的累積會導致體系ph的降低，從而抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，使得有機底物去除率和轉化率降低。因此，采用vfa濃度和ph指標評價厭氧發(fā)酵體系的發(fā)酵特性。

如圖4所示，uasb厭氧反應器整個發(fā)酵過程中，由于進水ph一直保持在7.4以上，容積負荷在該反應器的處理能力范圍之內，因此，出水中ph一直保持在7.3以上，堿度維持在1660～2325caomg/l左右，這是因為uasb進水ph較高，同時所接種微生物的產(chǎn)甲烷活性較高，這說明在合適的運行負荷調節(jié)下，該反應體系具有良好的緩沖能力，在運行過程中沒有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。

對整個發(fā)酵過程中的有機酸組成進行了分析，結果如圖5所示，乳酸含量很低，最大值為24.7mg/l，主要有機酸成分為乙酸，在容積負荷為7kgcod/m³.d時，乙酸濃度在532.9-1168.1mg/l之間，丙酸和丁酸含量在體系穩(wěn)定階段含量較低且波動較小，ph的變化和各有機酸組成成分動態(tài)變化趨勢較為一致。綜上所述，在整個厭氧發(fā)酵過程中，當容積負荷為7kgcod/m³.d時，反應器有機酸濃度一直保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，vfa濃度在900～951.4mg/l之間。

實施例3不同容積負荷下cstr厭氧反應沼氣產(chǎn)氣率的動力學模型

所述反應器的運行參數(shù)按照以下動力學模型控制：

動力學模型的建立基于物料守恒而得，則有：

上述公式中：

vr為反應器的體積(l)；mo為投加的物料量(l/d)；c0為投加物料有機物質的濃度(g/l)；c為反應器中有機物質的濃度(g/l)；r(c)為底物被消化的速率(g/l.d)；y為單位原料產(chǎn)氣率(l/gtcod)；ym為最大單位原料產(chǎn)氣率(l/gtcod)；

根據(jù)一級反應動力學:

其中，k為一級反應速率(d^-1)。

根據(jù)hrt＝m0.vr,在穩(wěn)定狀態(tài)條件下，由以上(1)(2)兩個公式可得:

此外，在厭氧反應過程中，在不同的時間t條件下，產(chǎn)氣率和底物有機物質濃度有著如下關系:

對方程式(4)轉化可得，

其中，y(t)為單位原料產(chǎn)氣率(l/gtcod)。

由(3)和(5)方程式可得:

此外，根據(jù)容積負荷與水力停留時間的關系式fr＝m0.hrt，(6)式可以轉化得:

在公式(7)的條件下，k值可以根據(jù)hrt與y(t)/(ym-y(t))之間的擬合直線圖而得，如圖7。

此外，也可以通過擬合曲線圖獲得k、hrt和y(t)/(ym-y(t))三者之間的關系圖，令y(t)/ym＝u，可以將公式(6)轉化為，

從產(chǎn)氣率擬合曲線圖6可得擬合方程為y＝-0.004x+0.396，最大產(chǎn)氣率為0.396l/gtcod，即單位原料產(chǎn)氣率，通過hrt與y(t)/(ym-y(t))之間的擬合曲線圖7(擬合方程為y＝34.49x-2.06)可以得到一級動力學參數(shù)k*c0值為34.49g/l.d，根據(jù)uasb進水有機物質濃度c0為15000mg/l，可以進一步獲得k值為2.29d^-1。

令y(t)/ym＝u，根據(jù)容積負荷與水力停留時間的關系式可以得圖8。擬合曲線方程為y＝5.2441x²+2.29x。再通過圖8，在k值為2.29d^-1時，根據(jù)所給定的y(t)值0.35l/gtcod，可以獲得該條件下最佳的hrt值為3.3d，fr值為4.5kgcod/(m³·d)。

因此，該模型能夠在給定的預產(chǎn)氣率y條件下，計算獲得達到相應產(chǎn)氣率的最佳hrt和fr，對工程建設規(guī)模和成本預算具有一定的指導意義，同時也能為實際工程運行提供一定的理論技術支持。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，都可做各種的改動與修飾，因此本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書所界定的為準。