白酒廢水厭氧條件優選的實驗研究

劉煦晴, 賀 珍, 鄧光天, 向 科, 熊 誠

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

白酒生產是中國經濟的重要支柱產業之一，在生產過程中會產生高濃度有機廢水，即俗稱的鍋底水、窖底水，窖底水的COD濃度最高可達100 000 mg/L以上.目前，除個別大型國有企業(規模20 000 t/a以上)建有污水處理設施外，其余多數小型白酒企業廢水或不處理直接排放，或不能做到達標排放，成為行業的環保難題.熊誠等[1]采用貴州某小型白酒廠(規模600 t/a)的鍋底水、窖底水做實驗，探討了該類型白酒廢水高溫、中溫厭氧產甲烷及回收利用的可行性，本文在此基礎上，重點針對高溫厭氧消化，在實驗室進行了條件實驗以及消化中間產物VFA與COD濃度和甲烷產氣量的關系研究，并推薦小型醬香型白酒企業高濃度有機廢水處理的適宜工藝及優化控制條件，為企業的水污染治理提供科學依據.

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.

自制厭氧反應器8套(由碘量瓶、血清瓶，量筒及連接管組成，見圖1)，厭氧產生的沼氣經導氣管進入集氣裝置，用排水法記錄甲烷氣產量，測試處理前后COD濃度，計算去除率.厭氧反應器放置于SHZ-C恒溫水浴振蕩器中，確保反應器內污泥的均勻分布及溫度恒定.

實驗污泥取自湖北省某市檸檬酸廠IC厭氧反應器中的厭氧顆粒污泥.

圖1 厭氧反應器實驗裝置示意圖

1.1 實驗方法

取8份等量厭氧污泥(約50 mL)置于8個厭氧反應瓶中，實驗初期分別向8個厭氧反應瓶中加入50 mL的原水稀釋液，投加一定量的碳酸氫鈉調節pH為7.0,并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧污泥的馴化與培養[2-3]，逐步提高厭氧反應溫度至55 ℃[4].待裝置運行穩定后，向反應器中加入窖底水與鍋底水的配比液，采用逐步提高進水濃度的方法，連續運行48 h，通過排水法記錄甲烷氣產量并定時取樣分析COD及VFA質量濃度，計算去除率.

1.2 實驗內容

取貴州省某小型醬香型白酒生產車間的鍋底水、窖底水進行高溫厭氧試驗，窖底水、鍋底水的水質指標見表1.

表1 實驗白酒廢水各污染指標

1.2.1 鍋底水、窖底水及兩者混合樣的高溫厭氧實驗 取8份不同濃度的鍋底水、窖底水及兩者的混合液各50 mL置于8個厭氧反應瓶中，投加一定量的碳酸氫鈉調節pH為7.0，并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧實驗，觀察并記錄實驗結果.

1.2.2 水力停留時間(HRT)對厭氧反應效果影響的實驗 取混合水樣50 mL置于厭氧反應瓶中，加入一定量的的碳酸氫鈉調節pH為7.0，并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧實驗.每隔8 h記錄產氣量并測定上清液COD質量濃度[5].

1.2.3 pH對厭氧反應效果影響的實驗 取混合水樣50 mL置于厭氧反應瓶中，加入一定量的的碳酸氫鈉調節進水的pH值，并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧實驗.記錄不同pH條件下的產氣量和上清液COD質量濃度[6].

1.2.4 厭氧反應過程中VFA與COD去除率及產氣量的關系實驗 取混合水樣50 mL置于厭氧反應瓶中，加入一定量的的碳酸氫鈉調節pH為7.0，并置于恒溫水浴鍋中進行厭氧實驗.每隔8 h 記錄產氣量并測定上清液COD濃度及VFA質量濃度[7].

2 結果與討論

2.1 鍋底水、窖底水及兩者混合樣的高溫厭氧實驗

單獨鍋底水、窖底水及兩者混合樣的COD去除效果及產氣量試驗結果見表2和表3.

由表2和表3可知，單獨鍋底水、窖底水COD去除效果、產氣量都不如混合水樣，且COD去除率都未超過90%.混合樣鍋底水：窖底水配比為5∶11時COD去除率達90.84%，且產氣量最高.由此認為，混合樣鍋底水：窖底水配比以5∶11為宜，進水質量濃度為24 000 mg/L時，混合樣整體COD去除率較高，所以進水質量濃度以24 000 mg/L最佳.

因此，后續試驗均采用混合水樣，鍋底水：窖底水為5∶11，進水質量濃度24 000 mg/L.

表2 厭氧反應COD去除效果以及產氣量情況

注：鍋底水最高質量濃度不超過20 000 mg/L.

表3 混合水樣厭氧反應COD去除效果以及產氣量情

2.2 水力停留時間(HRT)對厭氧反應效果影響的實驗

水力停留時間HRT對COD去除率及產氣量的影響實驗結果見圖2.

圖2 HRT對COD去除率及產氣量影響的結果

由圖2可知， 32 h之前厭氧反應較快，產氣量大，但COD去除率不高，到40 h后，COD去除率迅速提高，反應趨于平和，到48 h后，COD去除率達90.17%，產氣量達650 mL，處于峰值，在之后的反應中，COD去除率以及產氣量都變化不大，說明厭氧反應在48 h后基本結束.

因此，厭氧反應控制HRT48 h為宜.

2.3 pH對厭氧反應效果影響的實驗

pH對COD去除率及產氣量的影響實驗結果見圖3.

圖3 pH對COD去除率及產氣量影響的結果

由圖3可知，pH從6.6上升到7.0的過程中，COD去除率、產氣量都在逐步增大；當pH為7.0的時候，COD去除率達最高90.12%，產氣量達最大872 mL.當pH從7.0繼續升高到 7.3的過程中發現，COD去除率及產氣量都在逐步降低.因此，厭氧反應最佳pH是7.0.

2.4 VFA與COD去除率及產氣量的關系試驗

當VFA濃度居高不下，醋酸菌消化就會成為主導[8].因此控制VFA的積累量是有效去除COD并獲得較高甲烷產量的重要指標.

VFA對COD去除率及產氣量的影響試驗結果見圖4和圖5.

圖4 VFA對COD去除率影響的結果

圖5 VFA對產氣量影響的結果

由圖4和圖5可知，HRT16 h之前，反應器中VFA濃度逐漸升高，至16 h達頂峰，而此階段產氣量不高，COD去除率低，說明厭氧反應處于水解酸化階段，當HRT16 h之后， VFA的濃度逐漸降低，產氣量迅速上升， COD去除率迅速提高，在HRT48 h時出現峰值，COD去除率降至2 575 mg/L，產氣量達608 mL，說明此階段進入產甲烷階段，HRT48 h之后，COD去除率及產氣量變化不大.

因此，厭氧反應中VFA的積累量是影響COD去除率及產氣量的重要指標.

3 結 語

小型醬香型白酒廠窖底水、鍋底水最佳厭氧條件參數如下：

a.鍋底水與窖底水最佳混合配比(v/v)為5∶11.

b.厭氧過程 HRT 16 h前 VFA濃度逐漸升高，至16 h達頂峰，此后甲烷氣產量逐步抬升，COD去除加快.

c.HRT 48 h，COD去除率達90.17%，產氣量達650 mL，處于峰值.

d.厭氧過程最佳pH 7.0.

對廢水厭氧處理工藝的優選結論為：

根據最佳厭氧條件參數，該類型白酒廠高濃度有機廢水厭氧過程存在著明顯的兩相階段，其廢水厭氧處理工藝以兩相厭氧為宜，出水COD可降解至3 000 mg/L以下，有利于后續的好氧處理.水解酸化反應器HRT以16 h為宜，厭氧反應器(產甲烷階段)HRT可控制在32 h.

參考文獻：

[1] 熊誠，向家新，向科，等.小型醬香型白酒廢水厭氧產甲烷及回用的研究[J].環境科學與技術，2011，34(3)：72-75.

[2] 韓育宏，季民，柴建榮，等.高溫厭氧消化污泥的培養試驗研究[J] .環境工程，2009，27(1)：78-84.

[3] Sen Q，Yuki K，Toichiro K, et al. Partial nitritation of raw anaerobic sludge digester liquor by swim-bed and swim-bed activated sludge processes and comparison of their sludge characteristics[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2008,106(5):433-441.

[4] Eskicioglu C, Kennedy K J, Marin J, et al. Anaerobic digestion of whole stillage from dry-grind corn ethanol plant under mesophilic and thermophilic conditions[J]. Bioresource Technology, 2010.

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[7] 楊亞靜.污水處理廠污泥酸性發酵實現揮發酸產量最大化實驗研究[D].太原:太原理工大學環境科學與工程學院,2006.

[8] Kaan Y，Zehra S-Z. Stochastic modeling applications for the prediction of COD removal efficiency of UASB reactors treating dilutedreal cotton textile wastewater[J].Stoch Environ Res Risk Assess,2007,23∶113-26.