多级厌氧反应器处理多晶硅有机废水启动性能研究
EGSB反应器作为高负荷厌氧反应器,广泛用于处理含有毒、难降解有机物的工业废水
1 工程概况
1.1 进出水水质与水量
该多晶硅片生产企业有机废水含有大量SS、聚乙二醇、洗涤剂和表面活性剂等,COD高但可生化性差,属于难生化降解的有机废水。工程设计水量为1 200 m3/d,设计综合进水水质:pH为5.0~7.0、水温15~28℃、COD≤5 000 mg/L、BOD5≤1 500mg/L、SS≤2 000mg/L、TN≤40mg/L、NH3-N≤20mg/L、TP≤5mg/L。设计处理后出水水质达到国家《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中三级标准后排入市政污水管网:pH为6~9、COD≤500mg/L、BOD5≤300mg/L、SS≤400mg/L。
1.2 工艺流程
多晶硅有机废水处理工艺流程见图1。
多晶硅生产中的各类有机废水均排入废水调节池中,在调节池中水质水量得到均化。均化后的废水提升至混凝反应池,投加石灰、PAC和PAM,进行絮凝反应,经初沉池完成固液分离。初沉池上清液排入中间水池,沉泥排入浓缩池。中间水池废水随后进入组合式生化处理系统。废水依次进入EGSB和ABR进行两级厌氧处理。ABR出水再进入接触氧化池,经好氧微生物降解作用进一步去除有机污染物,最后经二沉池沉淀后,出水达标排放。
图1 多晶硅有机废水处理工艺流程
1.3 主要构筑物和设计参数
EGSB的有效容积720m3,设计COD容积负荷6.0kg/(m3·d),设回流泵。ABR设4个单元格串联,内设填料,有效容积610m3,设计COD容积负荷约3.5kg/(m3·d)。接触氧化池内设填料,有效容积1 700m3,设计COD容积负荷约0.45kg/(m3·d)。
2 多级厌氧反应器启动过程和效果分析
2.1 启动方法和过程
多级厌氧反应器的启动分为两个阶段,第一阶段为启动的初始阶段,这一阶段反应器容积负荷控制在较低水平,目的是初步培养和驯化反应器中微生物相,初步形成颗粒污泥并使填料挂膜,第二阶段为提升负荷阶段,使微生物相更加成熟,能够良好的适应和处理废水,实现达标排放,并转入满负荷正常运行阶段。
2.1.1 初始启动阶段
本工程试验研究中EGSB和ABR同步启动,因低COD容积负荷引起的较低产气率和水流上升速度有利于厌氧活性污泥的生长,多级厌氧反应器采用低负荷启动。EGSB投加城市污水处理厂消化污泥后,其启动负荷控制约为1.0kg COD/(m3·d),开启回流,控制好升流速度,保证EGSB形成膨化床层,进水pH控制在6.5~7.5;ABR投加消化污泥后,启动负荷控制在0.6~0.8kg COD/(m3·d)。经过1个多月的运行,EGSB和ABR酸化和洗出污泥现象结束,出水变得较为清澈,初始启动基本完成。
2.1.2 提升负荷运行阶段
随后进入提升负荷运行阶段。进水pH控制在6.5~7.5,采用梯度法逐步提高反应器进水浓度和水量,阶梯式提升反应器有机容积负荷,并保持去除效果稳定。提升负荷阶段EGSB和ABR反应器的有机容积负荷变化如图2所示。
图2 厌氧反应器有机容积负荷变化情况
从图2可见,梯度法提升负荷情况为:前30d,维持进水量为设计水量1/3不变,将进水浓度由初始启动期原水浓度的50%缓慢增加到100%;从30d到90d,以原水浓度进水,将进水量从设计水量的1/3提升到设计水量的1/2、3/4以及满负荷。经过90d运行,EGSB有机容积负荷从约1.0kg COD/(m3·d)逐步提高到6.0kg COD/(m3·d)左右,ABR负荷从0.6~0.8kg COD/(m3·d)逐步提高到3.5kg COD/(m3·d)左右,进入稳定运行阶段。
2.2 提升负荷阶段厌氧反应器处理效果分析
2.2.1 EGSB反应器处理效果
提升负荷阶段,EGSB反应器进出水COD及COD去除率的变化趋势如图3所示。
图3 EGSB对COD去除情况
由图3可知,EGSB反应器的COD去除率从提升负荷初期的约20%逐步上升到提升负荷后期的接近60%。提升负荷后期EGSB出水COD稳定在1 600mg/L左右。分析认为EGSB反应器内出水回流和穿孔管大阻力配水有效防止反应器底部积泥,能产生膨化污泥床层,利于颗粒污泥形成,使反应器保持有高浓度微生物相,利于生物相和废水的充分混合传质,使EGSB对难降解高分子有机物具有很好的耐受和降解作用。在负荷提升阶段EGSB反应器很好地适应了进水浓度和水量不断提升的冲击,COD去除率不断提高,出水浓度逐步走低,为下一级ABR反应器的运行创造了有利的条件。
2.2.2 ABR反应器处理效果
提升负荷阶段,ABR反应器进出水COD及COD去除率的变化趋势如图4所示。
图4 ABR对COD去除情况
由图4可知,EGSB反应器的COD去除率从提升负荷初期的约30%逐步上升到提升负荷后期的近70%。提升负荷后期ABR出水COD在600mg/L左右。分析认为ABR反应器在单个反应室内的水力特性接近于完全混合式,但从整体上看近似于推流式,特殊的结构使ABR反应器具有良好的水力条件及较低的死区百分率。ABR反应器不同的反应室形成不同种类专属细菌,彼此区别又重复迭代,使厌氧降解的不同阶段能高效进行。负荷提升后期ABR反应器COD去除率接近70%,处理出水浓度明显降低,为后续好氧处理达标排放奠定了良好的基础。
2.3 启动完成后工程处理效果分析
工程启动完成正常运行后,出水各项指标达到《污水综合排放标准》(GB 8978-1996)中三级标准。选取4组废水处理运行监测数据,废水处理各工段对COD的去除效果见表1。
从表1可见,多晶硅废水COD主要通过厌氧工艺降解去除,通过EGSB和ABR多级厌氧反应器的降解作用,80%以上的COD的去除,处理后的废水COD在500~700mg/L,再经接触氧化池进一步好氧降解有机物,出水水质优于GB 8978-1996中三级标准,实现达标排放。
表1 各工段对COD的处理效果
3 颗粒污泥和填料挂膜微生物相观察
EGSB内形成了粒径为1~3 mm、具有良好沉降性的厌氧颗粒污泥,检测污泥浓度在20~30g MLSS/L,EGSB的COD去除率接近60%;ABR上流室设有弹性聚乙烯填料优化沉淀效果,填料对ABR的启动和去除效果具有促进作用[9
4 多级厌氧反应器各区位酸碱度分析
启动完成后,分别对厌氧反应器前中间水池进水、EGSB三相分离器上清液、ABR反应器4个格室升流区上部采样,各区位的pH、碱度和VFA检测情况见图5。
图5 厌氧系统各区位酸碱度情况
从图5可见,EGSB和ABR反应器pH在6.4~7.3,处于厌氧发酵细菌特别是甲烷菌适宜生长区域。在EGSB反应器内,碱度从进水的960 mg/L提高到1 390mg/L,在ABR中,碱度在第1格室略降后呈缓慢上升趋势。除ABR第1格室外,厌氧各区位VFA浓度未超过500 mg/L,没有出现VFA的大量积累。上述情况表明EGSB和ABR反应器中产甲烷过程均在顺利进行,产甲烷反应形成碳酸氢盐缓冲体系可以有效中和掉水解酸化过程形成的VFA,防止了VFA的积累
同时,pH在ABR反应器第1、第2格室出现了小幅下滑,而在EGSB和ABR反应器第3、第4格室均达到7以上。分析认为EGSB反应器中水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷过程同时进行,是一步厌氧生物处理工艺;ABR反应器是推流多步厌氧处理工艺,在第1、第2格室内主要发生的是水解酸化反应,其主要产物为低分子脂肪酸等,且此阶段产酸进行得很快,使基质pH下降;此后,在第3、第4格室,有机酸进一步分解为CO2、H2、CH4,进而pH上升。在ABR反应器中pH的变化为不同种类专属细菌活动分别创造了适宜的环境条件,有利于厌氧反应的高效进行,工程试验中ABR反应器与EGSB反应器相比,容积更小而COD去除效率更高,在一定程度上佐证了这一点。
5 启动中的酸化处理
在初始启动阶段,EGSB和ABR反应器均出现了VFA累积引起的酸化情况,pH最低为4.6,VFA最高为1 060mg/L,反应器出水浑浊,漂泥严重。分析认为投加污泥中的细菌从休眠状态恢复和适应新的基质需要较长的活化过程,其中甲烷菌活化和增长的速度低于产酸菌减少VFA积累,提高微生物相状态是要点。调试采取了如下措施:1暂停进水,延长进水间隔时间,降低反应器负荷;2在混凝池投加石灰,提高进水pH;3在中间水池投加尿素、磷肥等调质,补充微生物生长营养元素,提高生物活性;4加强反应器回流,EGSB增大内循环量,ABR反应器开启从第4格室升流区到第1格室降流区回流,进一步增加传质,改善pH缓冲体系,回收出水中部分污泥絮体。
采取上述措施后,出水逐步变清,pH上升至6.0以上,各厌氧反应器VFA基本降至500 mg/L以下,经过半个月的调整,酸化问题得到解决。
6 结论
通过多级厌氧反应器的启动运行调试和特性分析,可以得出如下结论:
(1)低负荷启动,梯度提升负荷法对厌氧反应器的顺利启动具有重要作用。
(2)EGSB和ABR厌氧反应器组合工艺在流态和有机物降解上具有很好的耦合性,EGSB反应器膨胀床中高浓度微生物相和完全混合特征,为具推流特征的ABR反应器进一步处理废水创造了有利条件。多级厌氧反应器对多晶硅废水有机物降解良好,COD去除率达到80%以上。
(3)EGSB和ABR反应器经启动形成良好的碳酸氢盐缓冲体系,ABR分格室pH变化有利于厌氧过程的高效进行。
(4)减负荷、提高生物活性、加强回流对改善pH缓冲体系和解决酸化问题有重要作用。
实践表明工程系统运行可靠,出水水质达标,该研究对高效厌氧技术在特种工业废水处理中的应用具有一定的借鉴意义。
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