设计案例 | 厌氧技术在制醋废水处理系统中的应用与改进

01 水质参数

本项目主要进水水质指标如表1所示。

02 厌氧技术在制醋废水处理系统中的应用与改进

2.1 制醋废水原有处理工艺及运行情况

制醋废水原有工艺流程如图1所示。

原有废水处理系统设计规模为1 300 m3/d，待处理废水中是没有引入醋糟压榨水的，醋糟未经压榨进入肥料厂，醋糟水在肥料厂的水处理系统进行处理，故进水CODCr=2 500 mg/L，TSS=300 mg/L。原系统中AO池设计水力停留时间为70 h，MLSS浓度约2 500 mg/L，经原有系统处理后可以满足污水排放要求。本项目出水排放至市政管网，最终出水的排放要求如表2所示。

2.2 制醋废水改造后的工艺流程

改造后的处理流程主要增加了UASB厌氧反应器及配套的沼气处理设施，即沼气涤气塔、沼气稳压柜、，沼气燃烧器、蒸汽锅炉。UASB厌氧反应器设计进水量为2 160 m3/d，进水SCOD负荷为11 000 kg/d。工艺流程如图2所示。

目前主流的厌氧工艺设备有UASB厌氧反应器和IC厌氧反应器，对于厌氧工艺的选择主要有下述考虑：本项目中醋糟压榨水和醋超滤浓水虽然水量较小，但是在混合废水的COD浓度中贡献较大，这两股废水的主要成分是醋酸。由醋酸转化成甲烷的化学反应方程[式(1)]可知，该反应产生的吉布斯自由能较低，理论上合成的微生物细胞少，不利于污泥的颗粒化生长。

如果反应器内为絮状污泥，则IC厌氧反应器并不适用。采用UASB反应器，可以控制相对较低的上升流速，适用于絮状污泥。本项目UASB反应器满负荷时上升流速为0.5 m/h。

本项目UASB反应器直径为15 m，高度为17 m，有效容积为2 827 m3，水力停留时间为31 h，设计容积负荷为3.9 kg SCOD/m3。实际工程应用过程中，出于快速启动的目的，UASB反应器内接种的是造纸废水项目IC反应器内性能良好的颗粒污泥。接种污泥的颗粒粒径较大，平均直径为2~5 mm。经过1年的运行后，颗粒污泥的粒径明显变小，平均直径为0.5~1 mm。污泥颗粒完整、表面黑亮光泽、沉降性良好、甲烷比产气率高、污泥活性良好。污泥颗粒逐步减小与设计前的预判一致。运行过程中出现进水施加负荷过高的情况，厌氧出水取样有污泥随水流出反应器。此时用50 mL量筒取反应器底部污泥样，发现污泥出现分层现象，上层污泥表面附着微小气泡，样品静置30 min后，污泥全部落至量筒底部。根据上述情况可知，即使选择很低的上升流速，高负荷情况下仍然容易出现污泥流失的情况。

厌氧降解过程中有机污染物被微生物降解产生甲烷和二氧化碳，即我们通常所说的沼气的主要成分，因此，在工艺流程中设置了沼气处理系统。据报道，每处理1 kg COD理论上可以产生0.35 m3的CH4气体(0 ℃、1.013×105 Pa下)。CH4气体的燃烧值为3.93×107 J/m3，高于天然气的燃烧值3.53×107 J/m3。目前工程实际中常用的反应器为中温厌氧反应器，反应器的最佳运行温度为35~38 ℃，而制醋废水无论冲洗水、压榨水还是醋超滤浓水都是常温水，特别是在冬天，不能满足厌氧进水要求，因此，需要进行蒸汽加热。本项目利用厌氧系统产生的沼气作为蒸汽锅炉燃料，制备蒸汽对反应器进水进行升温，实现资源利用，降低运行成本。本项目预计满负荷时沼气产量为200 m3/h，设计选择2 t/h的蒸汽锅炉，蒸汽压力1.0 Mpa。沼气中含有少量的硫化氢气体，为了避免硫化氢对蒸汽锅炉造成腐蚀，设置沼气涤气塔，通过碱液喷淋吸收沼气中的硫化氢。考虑到瞬时沼气产量的波动，沼气涤气塔处理能力按照400 m3/h设计。净化后的沼气进入沼气稳压柜，恒压输送至蒸汽锅炉。考虑锅炉检修等特殊情况，设置沼气燃烧器，当沼气不能被利用时输送至沼气燃烧器，避免沼气直接排放产生安全隐患及破坏臭氧层。

本项目实际运行过程中厌氧反应器的进水量为1 100 m3/d，进水SCOD平均值为3 500 mg/L，容积负荷为1.4 kg SCOD/m3。厌氧单元的COD去除率高，好氧单元主要作用是脱氮除磷。厌氧单元具体运行数据如图3所示。

由图3可知，厌氧进水SCOD有波动，但是厌氧出水SCOD相对稳定，厌氧SCOD去除率＞90%。

厌氧降解过程中产生沼气，较高的COD去除率，意味着较高的沼气产量，从能源利用角度来看，增加厌氧系统可以创造较高的经济效益。沼气产量与COD去除量曲线如图4所示。

由图4可知，厌氧系统沼气产量与SCOD去除量成比例，经核算比产气率平均值约0.8 m3沼气/( kg SCOD)。比产气率曲线如图5所示。

制醋废水中很多悬浮物质是可被降解的COD，在SCOD的测定中这部分物质没有计入，因此，用SCOD核算的比产气率非常高。

厌氧出水COD浓度较低，因此，好氧单元的污泥负荷大幅降低，需氧量降低，曝气设备的运行能耗降低。同时因好氧进水有机物浓度降低，好氧污泥产量降低，污泥处理成本降低。

综上可见，厌氧技术应用在制醋废水处理中，具有有机物去除率高，污水处理系统能耗降低，污泥处理成本降低，产生清洁能源的优势。

2.3 厌氧单元运行过程中存在问题及改进措施

2.3.1 厌氧供料泵吸入口篮式过滤器频繁堵塞

本项目原水中有醋糟压榨水，麸皮、谷糠等难降解的木质纤维素形成大量悬浮物，原有预处理设备中有1台机械格栅，齿耙间隔为5 mm，可以拦截废水中的部分塑料胶条和麸皮等，但是在调节池内仍然发现有麸皮等存留，为了避免悬浮物堵塞厌氧进水泵或进入厌氧反应器，设计时在厌氧供料泵吸入口管道上增加了篮式过滤器。实际运行过程中发现，经过机械格栅拦截之后进入调节池的废水中仍然含有很多悬浮物，导致篮式过滤器堵塞频繁，设备清理频率非常高，人工操作强度大。厌氧颗粒污泥取样过程中发现有麸皮存留于底部污泥床。

结合现场实际情况，为避免麸皮等惰性物质进入厌氧反应器，并在系统内累积，影响厌氧污泥活性，工艺设计进行了优化：在调节池顶增加旋转滤网，滤网 采用栅条形不锈钢网，栅条间隔0.5mm。从优化后的运行情况看，栅格间距为0.5 mm的旋转滤网可以有效的拦截麸皮、谷糠的悬浮物质，有 利于后续厌氧系统运行。

2.3.2 沼气涤气塔填料结晶

厌氧降解过程中产生沼气，其主要成分是甲烷和二氧化碳，此外还有少量的硫化氢气体和水蒸气。本项目设计原水硫酸根浓度小于30 mg/L，由此估算沼气中的硫化氢浓度应小于1‰，故设计采用沼气碱洗涤气塔，通过碱液喷淋沼气以去除沼气中的硫化氢气体。实际运行过程中测试发现沼气中硫化氢浓度约为3‰，二氧化碳约为200‰。涤气塔运行过程中控制较高的pH值以保证出口硫化氢浓度低于0.1‰不对后续锅炉造成腐蚀，但较高的pH和二氧化碳浓度使得涤气塔内形成碳酸钠结晶，同时碱的消耗量非常高。

结合本项目的实际情况，结晶主要在气温较低的时候出现，在沼气涤气塔底部增加了盘管式电加热器，以减缓结晶。从工艺原理角度看，对于二氧化碳浓度较高的沼气，沼气脱硫装置不宜采用碱洗脱硫设备，宜采用生物法脱硫设备，以降低化学品消耗量和避免填料结晶。

03 结论

厌氧技术应用于制醋废水处理具有有机污染物去除效率高、产生可利用清洁能源、大幅度降低后续生化处理系统的能耗等优点，在制醋废水处理领域推广应用具有较好的节能减排效益。