高温CSTR-中温UASB两级厌氧处理木薯酒精废水

　　在高温（55 ℃）条件下进行CSTR 的快速启动。CSTR 采用低负荷启动，经过80 d 左右的稳定运行，COD 容积负荷达到了14 kg/（m3·d）。在37 ℃的中温条件下进行UASB 的低负荷启动，经过30 d 左右UASB 运行稳定，运行期间进水COD 容积负荷一直稳定在3 kg/（m3·d）左右。启动及运行过程中，没有对两级厌氧系统的pH 进行人为调节和控制。两级厌氧反应器稳定运行后的实验结果见表2。

表2 两级厌氧处理后的实验结果

　　由表2 可以看出，木薯酒精废水经一级厌氧沉淀处理后，TCOD 去除率为90%左右，SS 去除率＞80%，产气量18 L/d，其中甲烷体积分数为55%~60%；二级厌氧处理后，TCOD 去除率为44%左右，SS 平均去除率40%，产气量0.25 L/d，其中甲烷体积分数为55%~60%。两级厌氧对COD、SS、溶解性TN、溶解性TP 的总平均去除率分别达到94%、96%、44%、87%。

　　实验结果表明，高温厌氧CSTR 适用于处理高固含量的木薯酒精废水，TCOD 和SCOD 的去除率分别为90%和86%，部分SS 能够在全糟厌氧反应器中进行降解，降解率约为50%〔7〕。甲烷产率以TCOD 和SCOD 计分别是0.20 ~0.25、0.37 ~0.50m3/kg，其中以SCOD 计的甲烷产气率大于理论值（0.35 m3/kg），这是由于在厌氧消化过程中部分SS转变为SCOD。而SS 中包含的难降解的COD 通过沉淀去除，且没有产生甲烷，使以TCOD 计的甲烷产气率较小。

　　采用中温UASB 对发酵残液进行后续处理，当UASB 的COD 容积负荷在3 kg/（m3·d）左右时，对TCOD 的去除率为44%左右，产气量为0.25 L/d，但甲烷体积分数＞55%，同样以SCOD 计的甲烷产气率＞TCOD 甲烷产气率，但二者均低于理论值，这是由于废水经过一级厌氧处理，其中的易生物降解有机物被大量利用于产甲烷，二级厌氧可利用的有机物可生化性相对较差。

　　木薯酒精废水经两级厌氧处理后，每一级出水的m（C）∶m（N）和m（C）∶m（P）相对于进水均显著降低。一级厌氧出水中的溶解性TN、TP 浓度相对于进水均显著下降，这是由于进水有机氮厌氧降解生成氨氮，高温条件下逸出导致溶解性TN 含量下降，而系统中溶解性TP 的下降可能是由于pH 升高使一部分正磷酸盐沉淀以及高温厌氧微生物对其的同化吸收。相比于一级厌氧出水，二级厌氧出水溶解性TN 变化不大，其中的有机氮化合物难于被继续降解，溶解性TP 含量有所下降亦可能是由于中温厌氧微生物对正磷酸盐的同化吸收。二级厌氧出水中仍含有大量的N、P 等营养元素，需要后续进一步的处理。针对二级厌氧处理废水COD 去除率较低，出水含有大量N、P 的特点，可在二级厌氧处理后再进行好氧处理，达到进一步去除有机物和脱氮除磷的目的。

　　3 木薯酒精生产周期和废水处理经济效益分析

　　木薯酒精的生产周期包括木薯种植、木薯干片加工和木薯酒精生产3 个阶段，见图2 所示。图2 中虚线部分为木薯酒精生产同时对产生的废液的处理流程。研究表明〔8〕，木薯种植和木薯干片加工对环境的影响较小，而以木薯酒精生产阶段对环境的影响最大，其主要原因一方面是作为动力的煤的燃烧排放污染气体，另一方面就是大量木薯酒精废液的产生，如不有效处理将严重污染水体。因此，对酒精废液进行两级厌氧处理，将产生的沼气代替部分煤的使用，则既能减少煤燃烧产生的污染又可有效处理废水。同时采用如膜生物反应器技术处理的好氧出水，可回用于木薯酒精生产阶段的液化、糖化、发酵和蒸馏工序，从而实现水资源的综合利用。

图2 木薯酒精的生产流程

　　采用高温CSTR—中温UASB 两级厌氧工艺处理木薯酒精废水，产生的大量沼气可代替煤燃烧，其经济效益很可观。高温CSTR 处理木薯酒精废水的甲烷产率（以COD 计）约为0.20~0.25 m3/kg，处理1 t废水（以1 m3计）可去除废水中约49.5 kg的COD，平均产生11.14 m3的甲烷，燃烧可产生热量3.99×105 kJ（以标准状态计，下同）。中温UASB 处理废水的甲烷产气率（以COD 计）约为0.10~0.12 m3/kg，继续处理1 t 废水可去除2.4 kg的COD，平均产甲烷0.26 m3，燃烧产热9.31×103 kJ。因此，两级厌氧工艺处理1 t 木薯酒精废水不仅可以去除51.9 kg的COD，同时产生11.4 m3的甲烷，燃烧总产热4.08×105 kJ，相当于约13.9 kg标煤燃烧产生的热量。对于一个年产3 万t 酒精的木薯酒精厂，若采用该两级厌氧工艺可处理木薯酒精废水45 万t，可去除COD64 t/d，产甲烷量1.4 ×104 m3/d，用于燃烧加热可替代17.1 t/d 的标煤。若每吨标煤价按550 元计，则通过回收沼气中的甲烷可为企业创造经济效益8 550 元/d，既为企业节省了生产成本又减少了酒精废液的污染。

　　因此，在木薯酒精生产阶段对酒精废液采用高温CSTR—中温UASB 两级厌氧工艺处理，不仅能有效解决污染问题，而且还有很好的经济效益。

　　4 结论

　　木薯酒精废水具有高COD、高SS、高温和低pH的特点，其基质元素组成以C、H、O、N、S 为主，且C、H、O 的比例较高，N、S 的含量很小，由于废水黏度大，难于固液分离，可以采用高温CSTR—中温UASB 两级厌氧工艺对木薯酒精废水进行处理。

　　实验表明：采用高温CSTR—中温UASB 两级厌氧工艺处理木薯酒精废水，两级厌氧对COD、SS、溶解性TN、溶解性TP 的总去除率分别达94%、96%、44%、87%。两级厌氧出水含有大量的N、P，需后续结合好氧工艺处理。

　　通过对木薯酒精生产周期和废水处理的经济效益分析，可知两级厌氧工艺处理木薯酒精废水不仅能有效减少木薯酒精生产阶段产生的污染，还可通过回收其中产生的沼气进行燃烧，带来可观的经济效益。

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　　［作者简介］陈金荣（1988—），2009 年毕业于浙江工业大学，现为同济大学环境工程硕士研究生。