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厌氧反应器为什么会“酸罐”?该如何进行恢复?

作者:admin 发布日期: 2019-11-17 二维码分享

河南沼气设备厂家之厌氧反应器为什么会“酸罐”?该如何进行恢复?
pH是沼气发酵重要的影响因素,超过pH范围时,会引起更严重的后果。低于pH下限并持续过久时,会导致产甲烷菌活力丧失殆尽,而产乙酸菌大量繁殖,引起反应系统的“酸化”,严重酸化发生后,反应系统难以恢复至原有状态。对此,本文对“酸化”的原因现象进行了简单介绍,并就其恢复措施进行了探讨。

一、厌氧反应器三个重要参数
1、碱度(ALK)
厌氧处理系统中,较强的酸碱缓冲体系能够降低系统pH的变化幅度,而与酸碱平衡有关的共轭酸碱对包括:H2CO3/HCO3-、HCO3-/CO32-、NH4+/NH3、H2S/HS-、HS-/S2-和HAc/Ac-等。当废水中的pH发生变化时,这些酸碱对的浓度也会发生相应的变化。
理论上,总碱度将包括水中的[HS-]、[CO32-]、[NH3]、[HCO3-]、[Ac-]、[OH-]和[S2-]等,常称之为“挥发性酸碱度”,也称“VFA”,因为一般厌氧体系的pH值为6.0~8.0,上述致碱物质中的[OH-]和[S2-]的浓度会相对较小,可以忽略不计。
废水中有足够的碱度时,能够通过控制反应器的pH来监控VFA的积累,只有在厌氧体系中有足够的碳酸氢盐碱度才能保证稳定的pH值环境。PAQUES公司认为:水解酸化池的出水碱度必须保持至少在600~900mg/L(该数值为低限,在高浓度废水中,碱度要高出此许多),这样可防止当挥发性脂肪酸积累的情况下反应器的pH值骤然下降。
2、酸化度(VFA/COD)
在厌氧工艺的研究中,将酸化度(VFA/COD)作为废水酸化程度的指标,但查阅相应的厌氧处理技术资料后发现,明确提出将酸化度(VFA/COD)作为厌氧反应器进水的一项重要水质指标的并不多。将挥发酸产率(VFA/COD)作为废水处理中的一个重要性质,研究了蔗糖-蛋白胨人工配水的酸化过程,在此基础上提出和定义了废水可酸化性和酸化度的概念,并构建了废水厌氧酸化过程的评判标准。
部分学者认为有机废水完全预酸化对厌氧反应是有害的,因为预酸化出水中含有细小的发酵产酸菌污泥,这些污泥会置换出反应器中的部分产甲烷菌,使产甲烷菌过多流失,使污泥增长速度变慢,严重时会导致反应器“酸化”。所以,建议在厌氧处理前采用轻微的预酸化,酸化率为20~40%,有时甚至更低就可以达到要求。
厌氧反应器进水COD达到至少30%的预酸化度是必要的,这能够使反应器内部的酸化菌和产甲烷菌达到良好的混合比率。而预酸化程度过低(<30%)或过高(>50%)都会改变这些细菌的种群比例,从而影响颗粒污泥的结构。一般情况下,可以通过延长预处理系统中的调节池或预酸化池的水力停留停留时间或添加碱性药剂提高pH值以达到较高的预酸化度。
3、VFA/ALK
VFA表示厌氧处理系统内的挥发性有机酸的含量,ALK则表示厌氧处理系统内的碱度。厌氧消化系统正常运行时,VFA一般在50~2500mg/L之间,ALK一般在1000~5000mg/L(以CaCO3计)之间,必须维持碱度和挥发性有机酸浓度之间的平衡,才能保持消化液pH值在6.5~7.5的范围内。
VFA/ALK反映了厌氧处理系统内的中间代谢产物的积累程度,正常运行的厌氧处理装置的VFA/ALK一般在0.3以下。如果VFA/ALK突然升高,往往表明中间代谢产物不能被甲烷及时分解利用,即系统已经出现异常,需要采取措施进行解决。
如果VFA/ALK刚刚超过0.3,在一定时间内,还不不会导致pH下降,还有时间分析造成VFA/ALK升高的原因以进行控制;如果VFA/ALK超过0.5,沼气中CO2含量开始升高,如果不及时采取措施控制,会很快导致pH下降,使甲烷菌的活动受到抑制;如果VFA/ALK超过0.8,厌氧反应器内pH开始下降,沼气中甲烷的含量往往只有42%~45%,沼气不能燃烧;如果pH持续下降到5以下,甲烷菌将全部失去活性,需要重新培养厌氧污泥。
二、“酸化”现象原因及表象
1、酸化的产生
厌氧消化中非产甲烷菌降解有机物的过程可产生大量的VFA和CO2,明显降低系统pH;而产甲烷菌则在利用乙酸、甲酸、氢形成甲烷的过程中消耗有机酸和CO2。两者的共同作用可使反应体系内pH稳定在一个适宜的范围内,并使废水中COD顺利地降解为甲烷、CO2而去除。
然而,相对于非产甲烷菌而言,产甲烷菌对温度、pH、氧化还原电位(ORP)、碱度及有毒物质等均很敏感,各种生态因子的生态幅均较窄,对生态因子的要求更加苛刻。所以当系统中温度、pH、ORP等生态因子或有机负荷剧烈变化时,产甲烷菌的活性会受到一定程度抑制,而非产甲烷菌活性所受的影响较小,其产生的VFA不能全部被产甲烷菌利用,使得厌氧体系内VFA大量积累,两大类细菌的代谢平衡被破坏。因而温度、pH、ORP、有机负荷等条件均导致厌氧酸化现象的产生。
此外,沟流问题也常会导致厌氧反应器的酸化现象。当厌氧反应器内污泥粒度过细、密度大、液流分布不均匀时会出现沟流现象,由于活性污泥不能与进水有效接触,易造成反应器局部VFA的大量积累,进而导致反应器酸化;而酸化会降低产气量、加大污泥黏度、增大反应器“死区”体积,导致沟流问题进一步恶化。
2、酸化的表象
沼气产量下降;
沼气中甲烷含量降低;
消化液VFA增高;
有机物去除率下降;
消化液pH值下降;
碳酸盐碱度与总碱度间差值明显增加;
洗出的颗粒污泥颜色变浅没有光泽;
反应器出水产生明显异味;
ORP(氧化还原电位)值上升等;
微生物种群“畸变”或减少。
三、厌氧反应器“酸化”恢复措施
1、化学恢复法
01
投加氢氧化物
投加NaOH、Ca(OH)2等氢氧化物可有效提升反应器pH,实现短期内厌氧体系中pH的恢复。然而投加的氢氧化物如Ca(OH)2大多被碳酸盐所消耗,由于缺乏酸碱缓冲能力,厌氧反应器内pH会出现大幅震荡过程,难以保持长期稳定,不利于耗氢产乙酸菌及产甲烷菌的活性恢复,部分情况下甚至会导致反应器崩溃;其次,氢氧化物会消耗产甲烷过程中所需的CO2,破坏产甲烷的进行,对产甲烷菌的恢复不利,因此这种方法目前已不常用。
02
投加NaHCO3
仅从理论角度讲,NaHCO3的投加能够在不干扰微生物敏感的理化平衡的情况下平稳地将pH调节到理想状态,且不影响CO2的含量,pH的波动相对其他化学药品也较小;但NaHCO3饱和溶液的pH值仅为8.2,在不考虑NaHCO3随出水流失以及与VFA反应的消耗量,将容积为800m3反应器的pH值从6.0提升到7.0需固体NaHCO3质量为12t,况且将反应器中pH值和VFA都恢复正常并不是一两天的事,需要一定的恢复期,所以有可能需要长期投加NaHCO3。显然,这是一个相当沉重的经济负担,虽然试验中有较好的效果,但在工程实际中,不宜采用NaHCO3。
2、物理恢复法
01
提高混合程度
通过增加反应器水力停留时间(HRT),或改进反应器的设计,可提高厌氧反应器混合程度,降低“死区”范围,进而抑制或减少沟流现象。例如,改变ABR导流挡板的角度与安插方向,可促进水流在反应器底部的均匀分布,.大限度地增加反应器的混合程度。此种方法通常用于预防酸化或对酸化进行辅助恢复。
02
降低进水浓度
通过降低进水浓度(通常<2000mg/L),进而降低反应器的有机负荷,是实现酸化反应器恢复的常用方法。但单独采用这种方法的恢复效果并不明显,通常要配合碱液投加方法一起使用。例如,采用降低进水浓度同时配合加入一定NaHCO3的方法将酸化反应器的pH从4.5调至7.0,9d后UASB的出水pH从.初被酸化时的5.4回升到6.5。
03
处理出水回流
处理出水回流是保障厌氧反应器进水负荷的条件下,降低其进水浓度的一种有效措施。采用该方法,回流水中产甲烷阶段产生的碱度,可在酸化阶段被充分利用,大幅降低了反应器进水碱度的需求。此外,该方法不会引起反应器内CO2含量的剧烈变化,可以平稳地提升反应器pH;由于回流水温度与反应器温度基本一致,容易实现反应器温度的恒定;回流水溶解氧较低,不会对反应器内厌氧颗粒污泥产生不良影响,因而恢复效果明显。研究表明:轻度酸化后采用该方法,厌氧反应器pH仅需36h,即可恢复至6.5,因而该方法比较适用于高效厌氧反应器的酸化恢复。
04
处理出水置换
处理出水置换是利用储存的反应器出水一次性置换反应器内含高浓度有机酸的污水。由于反应器正常出水中有较高的碱度,在换水的同时相当于加入大量的碱,因而该方法既不需要额外的投资(加碱的费用),也不需要考虑加碱量,是一种较经济的恢复办法。研究显示,采用该方法仅8d,反应器出水pH就可以从酸化时的5.35回升到6.58,气体产量上升,出水中挥发酸含量恢复到反应器正常运行水平。
3、生物恢复法
01
投加颗粒污泥
投加新鲜、成熟的颗粒污泥可以快速补充反应器中微生物数量,降低污染负荷,因而是一种时间短、效果好的酸化恢复方法。然而,由于缺乏必要的厌氧颗粒物污泥活性保持技术的支持,颗粒污泥投加常伴随高昂的成本,因而该方法目前多局限于实验研究。随着厌氧颗粒污泥活性快速恢复及活性激活技术的逐渐发展及推广,该技术有望在实际工程中得到应用。
02
投加关键微生物种群
厌氧反应器的过渡酸化直接来源于产氢产乙酸菌无法及时降解VFA而导致VFA积累,因而通过采取一定的工程措施,使厌氧消化系统中的产氢产乙酸获得优先生长,提高VFA转化为乙酸的效率,使后续的产甲烷菌群获得更多可直接利用的营养底物,将有助于加快厌氧消化链反应的恢复。
总结
对比研究显示,仅仅采用降低COD的自然恢复法,酸化反应器需要近3个月才能重新正常运行,这与重新接种、驯化并培养污泥的时间接近。单独采用碱性药剂投加法很难长期实行,无法达到恢复酸化的目的。而采用投加碱液+降低COD、间歇稀释进水+加碱、出水回流稀释、投加颗粒污泥法和换水法5种恢复方法结果表明,这5种方法均能促进反应器快速恢复正常,其中投加颗粒污泥法和换水法效果较好,其次为出水回流稀释法和投加碱液+降低COD法。
pH值是影响厌氧消化过程的重要因素,厌氧消化需要一个相对稳定的pH值范围。如果生长环境的pH值过低,而出现“酸化”现象,产甲烷菌的生长代谢和繁殖就会受到抑制,进而对整个厌氧消化过程产生不利影响。因此当厌氧反应器出现“酸化”现象时,要分析其产生的原因,并及时采取一定的措施对反应器运行进行调节和控制,以保证厌氧消化稳定的运行环境。
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