生物柴油是一種新型的可再生的生物質能源，是目前極具發(fā)展?jié)摿Φ奶娲茉粗弧５锊裼蜕a(chǎn)也伴隨著廢水污染問題。生物柴油廢水主要產(chǎn)生于水洗階段，是一種集懸浮油、乳化油、溶解性有機物及鹽于一體的多相體系，主要污染物包括油、COD、硫化物、堿、鹽、醇、烴類、懸浮物以及氨氮等。廢水處理難度很大，尤其是硫酸鹽含量高時，會嚴重影響生化處理效果。上流式厭氧污泥床(UASB)工藝是一種具有很大應用前景的生物柴油污水處理技術，具有運行費用低、剩余污泥量少和有機負荷高等優(yōu)點。但也存在反應速度較慢、反應時間較長、處理構筑物容積大、耐高含量硫酸鹽能力差、有機酸積累快和啟動周期長等問題。
為解決上述問題，本研究通過UASB處理生物柴油廢水的實驗，分析UASB工藝在投加填料前后對生物柴油廢水的處理效果和運行規(guī)律，以期為類似廢水的處理提供技術支持。
1、實驗部分
1.1 實驗目的
實驗在北方某生物柴油廢水處理廠進行。處理用水為該廠經(jīng)過預處理的含油污水，由生產(chǎn)廢水(包括原料雜水、工藝生產(chǎn)水、工藝生產(chǎn)甘油、濃硫酸)、沖刷廢水、鍋爐房廢水和生活污水組成。生產(chǎn)廢水(COD高達500～600g/L)是主要廢水，其中含硫酸、甘油的質量分數(shù)分別為10%、40%，甲醇、短鏈有機物、脂肪酸、脂肪酸甲酯、油脂等合計質量分數(shù)2%。實驗通過投加一定比例、一定粒徑的顆粒化填料作為厭氧微生物的載體，來快速提高UASB裝置中微生物的活性和數(shù)量，從而提高UASB裝置對生物柴油廢水中污染物的去除效果，以及UASB反應裝置的容積負荷，并優(yōu)化工藝參數(shù)，進而降低UASB裝置的投資成本。
1.2 實驗裝置
實驗裝置如圖1所示。
實驗裝置主體由有機玻璃管制成，以利于觀察UASB裝置運行過程中發(fā)生的現(xiàn)象。厭氧反應柱直徑200mm，總高約2m。頂部設置三相分離器、出水口和沼氣收集裝置，以利于氣、液、固三相的分離，沼氣收集裝置與氣體流量計相連;中間筒體進廢水和外循環(huán)加熱水;底部設置進水箱和外循環(huán)水加熱箱，進水分別通過泵自動控制。外循環(huán)系統(tǒng)通過泵調控UASB裝置中廢水的上升流速。
1.3 實驗過程
將厭氧污泥(取自該廠一期UASB厭氧污泥，污泥接種量36g/L)和顆粒填料(投加量為裝置有效容積的5%，具體參數(shù)如表1所示)先后裝入UASB反應裝置，控制循環(huán)上升流速為0.2m/h、溫度為35℃，對比填料投加前、后UASB裝置對污染物的去除效果。
實驗過程中廢水由進水箱通過泵進入UASB反應裝置后，在反應區(qū)與微生物進行反應后進入三相分離器進行氣、水、泥的三相分離，產(chǎn)氣量通過氣體流量計測量，出水通過出水口排出，污泥下降返回反應區(qū)繼續(xù)進行廢水處理。裝置反應溫度控制為35℃，通入加熱箱加熱外循環(huán)水進入筒體來控制UASB的反應溫度。為了提高廢水的處理效果，通過泵調節(jié)UASB外循環(huán)流速來控制廢水的上升流速。
1.4 分析方法
水質分析項目為COD、產(chǎn)沼氣量、有機酸含量和pH。其中COD通過重鉻酸鉀法測定，產(chǎn)沼氣量通過氣體流量計讀數(shù)測量，有機酸含量采用化學滴定法檢測，pH采用pH計測定。
2、結果與討論
2.1 COD的去除效果
進行了UASB裝置加裝填料(進水體積流量2.4L/d)和不加裝填料(進水體積流量0.8L/d)情況下COD去除效果的對比實驗，結果如圖2和圖3所示。
從圖2和圖3可以看出，出水COD隨著進水COD的增大而增大，COD去除率總體上隨著容積負荷的增大而減少;UASB裝置加填料后單位時間廢水處理量明顯增加，且前期微生物掛膜啟動時間明顯縮短。
在不加填料的情況下，當控制進水體積流量為0.8L/d，進水COD為70.55g/L時，COD的平均去除率為84.9%，此時COD容積負荷為5.13kg/(m3·d);當進水COD增加為115.3g/L時，COD的去除率為80.7%，此時COD容積負荷為8.4kg/(m3·d)。在不加填料的情況下，前期出水COD偏高，分析原因認為是接種底泥中部分COD釋放到水中所致。
在加裝填料的情況下，當控制進水體積流量為2.4L/d，進水COD為59.18g/L時，COD的平均去除率為88.6%，此時容積負荷為12.9kg/(m3·d);當進水COD增加為125.1g/L，容積負荷為27.3kg/(m3·d)時，COD的平均去除率為71.9%，當COD容積負荷提高為54.6kg/(m3·d)，此時COD的去除率下降為57.97%。COD容積負荷從12.9kg/(m3·d)增加到54.6kg/(m3·d)，雖然此時建設成本降低了約3/4，但是裝置的運行穩(wěn)定性明顯變差，COD的去除率也下降了約30%。
綜上所述，在不加填料情況下，UASB裝置容積負荷為5.13kg/(m3·d)時對COD的去除率最高，為84.9%;在加填料情況下，從建設成本、COD去除率和裝置運行穩(wěn)定性方面考慮，COD容積負荷為12.9kg/(m3·d)時效果較好，此時COD去除率為88.6%。因此建議，UASB裝置COD容積負荷不加填料情況下宜取4～6kg/(m3·d)，在加填料情況下宜取10～13kg/(m3·d)。
2.2 產(chǎn)沼氣量的變化
進行加填料(進水體積流量2.4L/d)和不加裝填料(進水體積流量0.8L/d)情況下的產(chǎn)沼氣量對比實驗，分析UASB裝置產(chǎn)沼氣量v的變化，結果如圖4、圖5和表2所示。
從圖4、圖5和表2可以看出，產(chǎn)沼氣量前期隨著進水COD的增加而增加，后期又呈現(xiàn)下降的趨勢。在不加填料的情況下，當進水COD為70.55g/L時，產(chǎn)沼氣量為1.84L/d，此時COD容積負荷為5.13kg/(m·3d)。在加填料的情況下，當進水COD為18.27g/L時，產(chǎn)沼氣量為11.88L/d，此時COD容積負荷為3.99kg/(m3·d)，出水中有機酸濃度為7.95mmol/L。后期產(chǎn)沼氣量隨出水中有機酸含量的增加而呈現(xiàn)明顯下降趨勢，當出水中有機酸濃度為98.81mmol/L時，產(chǎn)沼氣量降為0.77L/d。后期產(chǎn)沼氣量呈現(xiàn)下降趨勢，分析認為是出水中有機酸的大量增加使產(chǎn)甲烷菌受到了抑制所致。
綜上所述，在不加填料情況下COD容積負荷為5.13kg/(m3·d)時沼氣產(chǎn)量最大，為1.84L/d;在加填料情況下，COD容積負荷為3.99kg/(m3·d)時沼氣產(chǎn)量最大，為11.88L/d。對比不加填料的情況，UASB裝置在加填料的情況下，產(chǎn)沼氣量明顯增加，分析原因認為是作為微生物載體的填料比表面積大、孔隙率高，使得UASB裝置中產(chǎn)甲烷菌數(shù)量明顯增多，從而沼氣產(chǎn)量明顯增大。因此，從沼氣產(chǎn)量和能源利用角度考慮，COD容積負荷建議取3～6kg/(m3·d)，同時控制出水中有機酸濃度<8mmol/L。
2.3 有機酸含量和pH的變化
進行加填料情況下的有機酸和pH變化實驗，進水COD分5個階段提升，每階段運行2d，每天同一時間取樣檢測，分析出水中有機酸含量和pH的變化，實驗結果如圖6所示。
從圖6可以看出，出水中有機酸含量隨進水COD增加基本呈現(xiàn)上升的趨勢，有機酸不斷累計，分析原因認為是，每階段COD大幅提升后2d的穩(wěn)定運行時間較短，產(chǎn)甲烷菌來不及分解厭氧反應產(chǎn)生的有機酸，大量累計的有機酸致使產(chǎn)甲烷菌受到了抑制。
從圖6還可以看出，出水pH隨進水COD增加呈現(xiàn)下降的趨勢。分析認為是有機酸的不斷累計所致。為保證COD的去除效果和沼氣產(chǎn)量，建議控制出水pH>6.8。如果出水pH≤6.8，應在進水中適當加碳酸鈉或氫氧化鈉調節(jié)。
3、結論
UASB裝置出水COD隨進水COD的增大而增大，COD去除率總體上隨進水COD容積負荷的增大而減小。當進水COD為59.18g/L時，填料裝填體積比為5%時，UASB裝置對COD的去除率為88.6%，此時裝置容積負荷為12.9kg/(m3·d)。
產(chǎn)沼氣量前期隨進水COD的增加而增加，后期由于出水中有機酸的大量積累而呈現(xiàn)明顯下降的趨勢。在加填料情況下，當進水COD為18.27g/L時，UASB裝置產(chǎn)沼氣量可達11.88L/d，此時UASB裝置COD容積負荷為3.99kg/(m3·d)。
出水有機酸含量隨進水COD增加基本呈現(xiàn)上升的趨勢。出水pH隨進水COD增加呈現(xiàn)逐步下降的趨勢。(來源：中交上海航道局江蘇分公司)
