柠檬酸生产废水处理工艺设计（6000 m3/d）外文翻译资料

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摘要

本研究描述了应用UASB反应器在25℃处理浓缩的黑（马桶）水的可行性。流入的COD在8.7天的HRT平均去除率为17%。生产的甲烷可以转化为56MJ / p / y的电力和84MJ / p / y的热电联产（CHP）的热量。最低限度反应堆体积满量程计算为每人63L（含黑水，16 gCOD / L，产量为5 L / p / d），并运用比其他类型体积小2倍以上的反应器用于厌氧处理浓缩黑水。

关键词：黑水; 厌氧处理; UASB反应器; 卫生; 来源分离

1 简介

在源头分离生活废水中的马桶上的黑水（粪便和尿液）和较少污染的从淋浴、洗衣房和厨房灰色水。 这些源分离的废水的体积和成分不尽相同，应根据其浓度和组成分开处理。这样做的主要优点包括回收能源和营养物质以及有效去除微量污染物的可能性。灰水具有很高的再利用潜力，因为它是生活污水的主要部分（70％），污染相对较低[1]。黑水含有生活废水中有机物质的一半，氮和磷营养物的主要部分[2,3]，并且可以根据用水的量进行收集，如真空马桶。黑水还含有大多数病原体，激素和药物残留物。 黑水的量取决于马桶的类型和冲洗所需的水量。厌氧处理被认为是来源分离黑水能源和养分回收的核心技术[3-5]，因为它将有机物质转化为甲烷，可用于产生电力和热量，同时厌氧处理只产生少量的剩余污泥。营养物质在液相中大部分保守，随后可通过物理化学过程如沉淀和离子交换或从生物学上除去[6,7]。根据与农田的距离，如果处理去除病原体和微量污染物，可以直接重复使用富含营养的厌氧污水[8,9]。平均负荷为62 gCOD / p / d，甲烷化水平为60％[10]，可以从黑水（0.35 L CH4 / gCOD（标准温度和压力（STP））生成12.5 L CH4 / p/d。当包括固体厨房垃圾（（60 gCOD / p / d），[10]）时沼气产生量可以加倍，产生25 L CH4 / p / d，也就是335 MJ / p / y（35.6 MJ / Nm3 CH4）。 热电联产（CHP）发电系统可以以85％的效率（其中40％的电力和60％的热量）产生热和电力[11]。这将可以产生32 kWh / p / y的电力（2.1％的家庭用电量（荷兰2006年的87 PJ用电量[12]，即1487千瓦时/年））和使用从黑水和固体厨房垃圾生产的甲烷生产47千瓦时/p/y的热量。

在文献中报道了使用三种类型的用于厌氧处理在不同温度下用真空吸尘器吸收的黑水的反应器，即CSTR（连续搅拌釜式反应器），积聚系统和UASB-化粪池（Upflow厌氧污泥床）。

Wendland等人[13]研究了在高温条件（37℃）下操作的CSTR中真空马桶的黑水的厌氧处理。在20天的HRT（水力停留时间）下实现了总COD的去除效率为61％。 应用CSTR对黑水进行厌氧处理（7L / p / d）需要每人140L的体积[13]。

Kujawa-Roeleveld等[10]研究了在20℃运行的积聚系统中对黑水和厨房垃圾的厌氧处理。积累系统是连续供给的反应器，将消化和储存结合在一个反应器体积中。在150天内实现了80％黑水的稳定化。由于储存时间长，需要相当大的体积为1.0立方米/人处理黑水。因此，积累系统仅适用于甚至更浓缩的流（例如，只有粪便（棕色水）和厨房废物），并且较不适合于黑水[10]。

Kujawa-Roeleveld等人的第二个系统[10,23]研究了在15℃和25℃下运行的UASB化粪池。由于生物质保留由内部气体、污泥、液体分离系统完成，UASB反应器能够在较短的水力停留时间（HRT）下实现长污泥停留时间（SRT）[4]。UASB化粪池是相对于液体的连续反应器，但是有固体的积聚，结合UASB反应器和化粪池的特征。UASB-化粪池在15℃时除去总COD的61％，在25℃时去除总COD的78％。对于25℃下的污泥稳定和挥发性脂肪酸（VFA）的总还原，需要每人200L的最小体积，相当于约30天的HRT [10]。

上述反应堆需要每人相对较大的体积（表1）。与UASB化粪池不同，UASB反应器不需要额外的空间来积堆积污泥，需要定期排泥，但会降低反应堆的体积[4]。这对于在空间可能受限制的较大规模的应用中是重要的。

表1.浓缩黑水厌氧处理反应器

*根据获得的甲烷生产和流入量计算

到目前为止，UASB反应堆尚未对其处理浓缩废水（如黑水）的能力进行实验，Zeeman等人仅仅讨论过^[14]。UASB反应器的体积将取决于实现甲烷化和污泥稳定所需的最小SRT ^[4]。对于黑水的厌氧处理，颗粒有机底物的水解速率是限制因素^[15]。使用一级动力学和0.1d-1的水解常数（20-30℃的平均值^[16]），可以计算出SRT在40和90天之间可以获得高百分比的水解率（80-90％）。其他研究还表明，在25℃下估计最小SRT为75天，以实现污泥的甲烷化和稳定化^[4,17]。 对黑水厌氧处理很重要的其他因素是游离氨的温度和抑制^[18]。Luostarinen等人 ^[19]研究了温度对UASB化粪池中黑水厌氧处理的影响。 温度对悬浮固体的去除没有显著影响，但是由于污泥适应于在较低的温度（15℃）^[19]去除溶解的COD。 黑水可以在约20℃的温度下产生^[20]。较高的温度可以缩短水力停留时间，但这需要额外的能量来加热黑水。因此，选择25℃的温度来处理UASB反应器中的黑水。在浓缩的黑水中，存在高浓度的氨氮（0.8-1.4gNH₄-N / L），会抑制甲烷化，因此需要更高的停留时间来实现甲烷的最大化产生^[21]。

本文介绍了在这些条件下应用紧凑型UASB反应器处理来自真空马桶的浓缩黑水的可行性。此外，将讨论UASB反应堆的设计以及满量程所需的最小体积。

2 材料和方法

2.1 黑水收集

收集在真空马桶中的黑水是从Sneek（Friesland，NL）的DESAR（Decentralated Sanitand Reuse）示范点获得的^[22]。每两周，在示范场地的缓冲罐（水力停留时间为4小时，未冷却），每隔两周装满黑水，运送至实验室并储存在4℃。 使用Masterflex L / S蠕动泵将黑水从搅拌的（6℃）进水槽泵入UASB反应器。 进水箱中的过滤器（4-5毫米孔）可防止入口管堵塞。

2.2 UASB反应器

在25℃下，将50L絮状污泥UASB（Upflow厌氧污泥毯）反应器（图1）运行951天，从黑水中产生沼气。反应器由透明的有机玻璃/有机玻璃管（高度为1.30米，内径为0.20米）制成，双层壁用于温度控制。用恒温水浴（Haake DC10 / K10）控制温度。顶部由不透明塑料（聚丙烯）制成，用作三相分离器（高度为0.19m，宽度为0.22m）。在不同高度（0，0.26，0.52，0.78和1.02 m）的五个采样点对污泥进行采样。在顶部收集液体流出物和气体。用气流计（Ritter TG05 / 5）监测气体产量。通过UASB反应器底部的磁力搅拌器（VarioMag Mobil）均匀布水。磁力搅拌器仅混合污泥床的底部。 在25℃的温度和0.42kgCOD / m³ / d的速率下，从处理浓缩的黑水的UASB-化粪池中接种20L厌氧污泥（1.1gVSS / L）^[23]。

2.3 UASB反应堆的设计

使用Zeeman和Lettinga^[4]提出的以下等式计算在UASB反应器中应用的HRT：

（1）其中C为入水中的COD浓度（COD总计，gCOD / L），SS为入水的悬浮固体的分数（COD_SS / COD_total），X为反应器中的污泥浓度（gCOD / L），R 是去除的COD_SS的分数，H是去除的固体的水解水平。

C，SS，X，R和H的值取自Kujawa-Roeleveld^[16]的研究，设计HRT为6.9天（表2）。

最初，反应器在14天的HRT下运行，以防止挥发性脂肪酸（VFA）的积聚。 最初的200天被用作启动期，HRT随后在没有观察到VFA积累的情况下逐步减少（每5-6周）。 实现了平均HRT为8.7天，但是由于流入管的淤积而在5.8和13天之间波动。 每月清洁流入管，以清除淤泥。

从水龙头4经常从1.02米的高度除去污泥，以使最大污泥高度达到反应器体积的75％。

图1. UASB（Upflow厌氧污泥床）反应器处理浓缩的黑水。

表2. UASB反应器的初始设计值

单位 备注 UASB反应器的初始设计

SRT d 25℃时的最小值 75

C gCOD/L 入水COD总量 12

SS -- 入水的悬浮固体分数 0.78

X gCOD/L 污泥浓度 28

R -- COD_ss去除率 0.9

H -- 水解度 0.7

HRT d 6.9 2.4 分析和测量

样品收集后立即对每周进水和出水组成进行分析（总共125个样品）。 从UASB反应器入口（图1的阀门0）之前的阀门收集流出物，并在早晨3小时内收集流出物（两个样品约0.5-1升）。从未过滤的样品中确定COD总量，从滤纸样品（黑带滤纸（Schleicher＆Schuell））测定过滤COD（COD_f）和溶解COD（COD_soluble），并用膜过滤样品（0.45mu;m膜过滤器（Cronus过滤器PTFE ））使用DrLange套件（LCK514）。使用DrLange试剂盒（LCK238和LCK350）从未过滤的样品测定总氮（TN）总磷（TP）。DrLange套件LCK302和LCK303用于测定过滤样品中的总氨氮浓度（NH₄-N）。离子色谱（万通761 Compact IC）用于测量膜过滤样品中的阴离子浓度（Cl^-，NO^3-，NO^2-，SO₄^2-和PO₄^3-）和挥发性脂肪酸（VFA：乙酸，丙酸和丁酸）。ICP-AES（电感耦合等离子体-原子发射光谱）用于测量膜过滤样品中元素磷的浓度。通过Shimadzu TOC分析仪与纸过滤样品中测得的总碳（TC）和不可降解有机碳（NPOC）的差异测定无机碳（IC）。根据标准方法使用黑带无灰纸过滤器（Schleicher＆Schuell）测定总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）^[24]。使用校准用于BOD测定的OxiTophead测定UASB流出物的生物需氧量（BOD）。监测氧气耗氧5天（BOD₅）（总共17个样品）。 使用气相色谱（Shimadzu GC-2010气相色谱仪含有GS-Q（CO₂）和HP molsieve（O_{2 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料}

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