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餐厨垃圾废水处理方法

发布时间:2015-02-10 09:40:16

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餐厨垃圾废水是指餐厨垃圾经过固液分离后的含有食用废弃油脂的高浓度有机废水。其常规处理方法是将其中废弃油脂与废水相分离,然后分别处理。目前,国内外对餐厨垃圾废水的研究主要集中在油水分离废弃油脂的资源化等领域,对于分离后的去油脂餐厨废水的研究较为少见。笔者采用新型内循环厌氧反应器(IC)处理餐厨垃圾废水,以期为实际工程提供理论指导。

1 材料与方法
 
1.1 餐厨垃圾废水的水质
 
实验以苏州市洁净废植物油回收有限公司油水分离车间去除油脂后的餐厨废水为研究对象,具体水质如表 1所示。

表1 餐厨垃圾废水水质
水质指标 数值 水质指标 数值
注:除pH外,其他水质指标单位均为mg/L。
COD 66000~122000 SS 8000~15000
NH 4 + -N 1200~1500 NO 4 2- 2326~4576
TN 2000~4000 Cl - 4184~7243
TP 200~350 PH 3.96~4.84

COD采用重铬酸钾法测定,pH采用玻璃电极法测定,NH4+-N和TP含量采用分光光度法测定,挥发性有机酸(VFA)含量采用滴定法测定。

1.2 实验装置及方法
 
IC置于恒温水浴箱中,水浴箱内通过温度传感器将温度控制在(35±2) ℃,IC内径90 mm,总高 1 070 mm,总有效容积为6 L。具体结构如图 1所示。

 图 1 IC反应器实验流程

凯时由蠕动泵从IC底部泵入,处理后从上部流出,生成的沼气通过水封瓶后排入大气。IC反应器每天进水6 L,HRT为1 d。

1.3 接种污泥
 
IC接种污泥有两种来源:一是取自苏州新区凯时 处理厂浓缩池的絮状污泥,接种量为2 L,二是取自无锡市某柠檬酸生产废水IC反应器中的颗粒污泥,粒径为0.8~1.5 mm,TSS为68.6 g/L,VSS为47.3 g/L,含水率为90%,接种量为1 L。此外,为了加快颗粒污泥化速率,在污泥中加入少量的颗粒活性炭。

2 实验结果与讨论
 
2.1 有机物去除分析
 
IC的启动运行由适应期,负荷提升期和稳定运行期三个阶段组成。

2.1.1 适应期
 
适应期阶段共进行31 d。启动初期先用蠕动泵将COD为1 000 mg/L的稀释啤酒水间歇打入反应器的底部以恢复IC内污泥的活性。一般认为厌氧启动初期不易过快提高负荷。但笔者实验中IC的启动采用快速提升负荷到5 kg/(m3·d),并稳定3 d,其后保持负荷不变,逐步在进水中加入少量餐厨废水,同时减少啤酒的用量。待有机物去除率达到80%以上后再缓慢提高进水有机负荷,对微生物驯化培养。主要是因为采用低负荷启动,容易造成IC内部产气量过少,传质效果差,形成沟流,实验采用快速提升负荷的方式,可以使得沼气的水力搅拌和提升作用增强,强化泥水传质,进而使得一些活性较差的细小污泥迅速洗出IC反应器,而活性高、沉降性能良好的新生成颗粒污泥则沉淀到反应器底部,进水中的有机物会首先被这部分污泥消化降解,从而加快了颗粒污泥的增殖。启动期具体运行情况如图 2所示。

 图 2 启动期有机物去除情况

由图 2可见,启动初期,IC的COD去除率大多低于70%,波动很大,且观察到出水桶中有大量的絮状污泥。实验前5 d,进水COD从1 000 mg/L快速提高到5 000 mg/L,出水COD也从832 mg/L 急剧上升到3 440 mg/L,COD去除率低于40%。第5天,COD去除率仅为31.2%。其后,随着微生物对餐厨废水水质的逐步适应,出水COD开始缓慢下降,COD去除率在60%~80%之间波动,且随着时间的推移,总体呈上升趋势,稳定性也逐步提高。其后进水负荷经过两次提升后到达5.96 kg/(m3·d),每一负荷稳定3~5 d,出水COD大幅度下降到850 mg/L以下,COD去除率也稳步上升到88%左右,且此时跑泥量明显减少。说明IC中厌氧微生物已经完全适应了餐厨废水的水质,抗浓度冲击负荷能力逐渐提高,启动期顺利完成。

2.1.2 负荷提升期
 
负荷提升期,加大负荷提升的幅度,每次提升20%左右。此阶段共进行50 d。运行情况如图 3所示。

由图 3可见,第32~49天,当进水COD从6 500 mg/L经历3次负荷提升后到达10 171 mg/L,出水COD基本稳定在800~1 300 mg/L,COD去除率也从82%上升到90%左右,出水COD并未随进水COD的增加而增加。原因主要有以下两点:

 图 3 负荷提升期进、出水COD及COD去除率的变化

(1)负荷提升期,微生物活性较高,且已经完全适应了餐厨废水,此时负荷提升幅度也不超过20%,每次提负荷后均稳定4~5 d,各种环境条件均在厌氧菌适宜生长的范围内。

(2)IC独特的内循环构造和污泥逐步颗粒化也有利于负荷的快速提升:随着负荷的逐步提升,污泥颗粒化的进程加快,而颗粒污泥具有较强的抗浓度波动能力。另一方面,负荷的增加使系统产气量增加,IC内开始形成不连续的内循环,使得反应器内泥水充分接触混合,避免了反应死区及局部严重偏酸或偏碱的情况,为微生物提供了良好的生长条件。

此后逐步提升进水COD,出水COD开始缓慢增加。当负荷提高到21.2 kg/(m3·d),出水COD也随之上升到1 900 mg/L左右,COD平均去除率依然高达91%,且此时IC内循环持续时间较长。

当进水COD提升到25 200 mg/L时,出水COD从1 820 mg/L急剧上升到2 620 mg/L,此后持续上升,最高达到3 625 mg/L,运行6 d后一直居高不下,COD去除率也下降到86%。而且此时VFA浓度也上升到15 mmol/L以上。此时跑泥现象十分严重。实验中还观察到气液分离器中经常发生沸腾,有时提升液会直接冲出反应器进入水封瓶,严重影响反应器的稳定运行。这些现象均表明IC反应器处理餐厨垃圾废水可能已经达到了极限负荷。此时不宜再提高有机负荷,负荷提升期结束。

2.1.3 负荷稳定期
 
负荷提升末期,降低进水负荷到20.8 kg/(m3·d)左右,考察厌氧反应器长期稳定运行的能力。结果如图 4所示。

由图 4可见,稳定期前5 d,随着进水负荷的降低,出水COD缓慢下降到2 086 mg/L,COD去除率也缓慢回升到90%以上。第89天,COD去除率上升到91.8%。为了探索IC反应器处理餐厨废水的最大容积负荷,第90天,将进水有机负荷提升到22.3 kg/(m3·d),并稳定运行19 d。出水COD在一段波动后最终稳定在1 650~1 950 mg/L,COD去除率稳定在91%~92.5%,由此也说明餐厨废水中可能有5%~10%左右的COD物质是不可被厌氧微生物快速降解的。

 图 4 负荷稳定期进、出水COD及COD去除率的变化

2.2 进出水pH与出水VFA浓度
 
考察了IC启动及运行期进出水pH及出水VFA浓度变化,结果发现:启动前13 d,出水pH在4.82~6.43之间波动,IC内呈酸性。这主要是因为刚接种的微生物活性不高,且餐厨废水中含有大量的有机酸,而且快速提升负荷导致甲烷菌的活性受到强烈抑制,产酸菌呈优势生长,产酸作用明显。此后随着负荷稳定在5 kg/(m3·d),甲烷菌的活性也逐步恢复,其分解有机酸的速率加快,出水pH也缓慢上升到6.0以上,但出水pH仍小于进水pH。这主要是因为餐厨废水中含有大量的蛋白质和碳水化合物。由于蛋白质为高分子聚合物,水解速率较慢,而碳水化合物极易降解。所以,厌氧微生物降解餐厨废水时,碳水化合物会首先被降解,体系pH降低,此时蛋白质完全水解生成氨较少,不能补充足量的碱度。负荷提升期,随着负荷的逐步提升,餐厨废水中有机氮在IC内通过氨化作用生成氨氮,提高了反应器内的碱度,系统出水pH逐渐升高,最高达到8.30。负荷提升末期,出水pH缓慢回升,最终稳定在7.5~8.0。

启动初期,出水VFA持续升高,第5天,出水VFA值高达12.6 mmol/L。此后随着负荷的稳定,出水VFA基本维持在6.2 mmol/L左右。说明此时反应器内酸碱平衡能力增强,甲烷菌的活性较高,能及时消化有机酸。负荷提升初期(第32~48天),出水VFA仍维持在6.0~7.0 mmol/L之间。其后随着进水COD的提高,出水COD逐渐升高,出水VFA也随之缓慢增加。进水COD逐步提升到25 200 mg/L,出水VFA浓度大幅度提升,第81天陡升到16.6 mmol/L,而此时出水pH也缓慢下降到6.6,但仍在产甲烷适宜生长的范围内。说明此时反应器未酸化。降负荷进入稳定期后,出水VFA浓度稳定在9.0~10.2 mmol/L之间。具体参见http://www.chinataijiang..com更多相关技术文档。

贺延龄认为:在pH为中性或偏碱性时,大部分VFA以离子态存在,而只有游离的VFA才会对产甲烷菌产生抑制。所以,此时的8.3~9.0 mmol/L的VFA相对而言是无毒的,不会对IC稳定运行产生不利影响。

3 结论
 
(1)IC采用快速提升负荷到5 kg/(m3·d),并稳定运行19 d后,出水COD逐渐稳定在1 200 mg/L以下,启动期结束时,COD去除率恢复到88.5%。出水VFA浓度为5.1 mmol/L,出水pH为6.52。

(2)负荷提升初期,出水COD基本保持稳定,并未随进水COD的提高而上升,COD去除率维持在90%左右。当进水COD提升到25 200 mg/L时,出水COD急剧上升到2 500 mg/L以上,且居高不下,COD去除率也下降到86%左右。此时出水VFA浓度也陡升到15 mmol/L以上,出水pH下降到6.6。

(3)降负荷进入稳定期后,出水COD缓慢下降,最终稳定在1 650~1 950 mg/L之间,COD平均去除率为91.8%,此阶段9.0~10.2 mmol/L的VFA不会对IC的稳定运行造成不利的影响。

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