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初步实验室调查的甲烷生成潜在使用UASB反应器从啤酒厂废水

马卡里姆1 *和便雅悯L苔藓2

1土木及结构工程学系肯尼索州立大学的玛丽埃塔校园1100南玛丽埃塔百汇,l - 114,玛丽埃塔,乔治亚州30060,美国

2首席工程师、色度和索耶5775年桃树邓伍迪道路NE,套件d - 520,亚特兰大,乔治亚州30342,美国

*通信地址:马Karim博士,副教授,土木及结构工程学系肯尼索州立大学的玛丽埃塔校园1100南玛丽埃塔百汇,l - 114,玛丽埃塔,格鲁吉亚30060年美国电话:804-986-3120;470-578-5078;电子邮件:mkarim4@kennesaw.edu;makarim@juno.com

日期:提交:2017年4月24日;批准:2017年5月15日;发表:2017年5月17日

本文引用:卡里姆马、苔藓提单。初步实验室调查的甲烷生成潜在使用UASB反应器从啤酒厂废水。安民事环境Eng。2017;1:034 - 041。DOI:10.29328 / journal.acee.1001004

版权许可:©2017卡里姆马,等。这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,必威体育西汉姆联它允许无限制的使用,分布,在任何介质,和繁殖提供了最初的工作是正确引用。

关键词:啤酒厂废水;甲烷的生成;流厌氧污泥blanketequations

文摘

初步实验室研究使用上流式厌氧污泥层反应器(UASB)调查从啤酒厂废水甲烷生成的潜力。啤酒厂废水从本地啤酒公司收集并用于实验。实验运行15天。甲烷生产的速度大约是每公斤5.32 L的化学需氧量(COD)每天删除。pH值降低实验性反应堆有限的天然气生产的能力和可能的结果进行温度实验。

介绍

像国内污水处理啤酒厂废水是一种监管要求符合国家污染物排放淘汰制度(npd)许可证限制。虽然酿造工业排放大量高污染废水全年[1、2],酿酒行业构成任何国家的重要经济部门(3、4)。事实上,啤酒是世界上第五大消费饮料背后茶、碳酸盐、牛奶和咖啡[3]。啤酒酿造包括两个主要步骤,即。、酿造和包装的成品[5]。此外,清洁的坦克,瓶,机器,和地板产生大量污染水[5]。据估计,生产1升啤酒,3 - 10 L废物废水生成取决于生产和具体用水量(1、3、6、7)。换句话说,大量的水在啤酒酿造过程中消耗[8]。大多数啤酒厂废水排放70%的进水。废水被定义为废水生成和流向下水道系统,最终进入污水处理厂。 In most cases, due to the high COD content, brewery effluent disposal costs may be much higher than water supply costs and domestic wastewater treatment costs.

啤酒厂废水厌氧分解,沼气生产高浓度的甲烷是副产品,这可能被捕获和作为一种能源,发电用于出口,来掩盖自己的权力。甲烷产生的副产品厌氧废水处理的过程。甲烷是归类为天然气,可用于发电或作为燃料加热锅炉水或热办公室或房子。因此,估计的潜在甲烷的生成是重要的规划和使用目的。酿造工业,能源是需要在酿造啤酒的过程中,包装啤酒,一般设备的生产,和员工卫生。酿造过程完成时,残余能量出现在提供能源的废水可以收获到其他工业过程[9]。几项研究(10、11),调查了直接发电啤酒厂废水分解利用微生物燃料电池(MFC电池)和membrane-free MFC。他们的研究结果表明,它是可行的发电与啤酒厂废水的处理,得出的结论是,更高的鳕鱼内容生成更高的电子密度。

这项技术需要不断监测时投入使用,确保污泥层,而不是淘汰(从而失去效果)。热产生的副产品可以重用发电热消化坦克,附近的房子或办公室。在这项研究中,尝试评估的潜在甲烷产生率啤酒厂废水采用上流式厌氧污泥层(USAB)反应堆在实验室设置使用当地的啤酒厂废水。本研究的主要局限是:(1)厌氧系统通常是缓慢的启动(如果使用种子污泥2或3周),本研究进行了15天,可能不适合画独家结论关于沼气生产。这就是为什么标题被诬陷为“初步调查”。(2)实验室规模的反应堆改良厌氧反应器代替UASB反应器(即三相分离器被外部堰提供水力屏障)所取代。

材料和方法

啤酒厂废水的典型特性使它成为一个很好的候选人使用厌氧反应器处理。基于典型的数据如表1所示的啤酒厂废水废水被认为是高强度。上流式厌氧污泥层(USAB)反应堆是一个常见的反应堆使用呢,特别是在高强度浪费[8]。这其中一个原因是使用USAB反应堆在这项研究的力量啤酒厂废水在这项研究中的应用是非常高的。

表1:啤酒厂废水的典型特征。
参数 Enitan et al ., [12] Inyang et al ., [13] Simate et al ., [8] Rao et al ., [14] 本研究(苔藓)[15]
鳕鱼(毫克/升) 1096 - 8926 2000 - 6000 2000 - 6000 2000 - 6000 44100 - 135300
BOD5(毫克/升) 1609 - 3980 1200 - 3600 1200 - 3600 1200 - 3600 推荐- - - - - -
TSS(毫克/升) 530 - 3728 200 - 1000 2901 - 3000 2901 - 3000 推荐- - - - - -
温度(摄氏度) 24 - 30.5 18-40 18-40 18-40 23-35
pH值 4.6 - -7.3 -12 - 4.2 3 - 12 3 - 12 5.41 - -6.71

啤酒厂废水用于本研究收集从本地酿酒厂位于亚特兰大地区。废水收集似乎是具有代表性的一个典型的污水排放一周时间。废水包括清洁化学物质(酸和碱),多个不同的啤酒残差,和水(这将是用于清洁的坦克)。啤酒厂废水样本收集在50 l耐尔根瓶容器类型。

实验运行一段15天的室温大约23°C在整个实验期间。这个温度是理想的,因为不需要额外的外部能量加热反应堆和将抵消能源生产的好处。维护和加热系统也会增加与反应器的安装相关的维护工作,增加系统的持续的成本。废水通过反应堆运行在连续的基础上使用蠕动泵的流量0.25 mL / min。图1说明了本研究中使用的实验设置。种子污泥(图1)被引入反应堆大约一天开始前的测试。这是担心残留氯从城市水系统可能会影响种子污泥内微生物的增长。出于这个原因,城市水混合并举行了10天前引入到反应堆。一天后的大部分悬浮物在介绍住回了污泥层的混合并不是连续的。

图1:实验设置的示意图表示。

影响油管从啤酒厂废水,通过蠕动泵、反应器的底部。影响位置均匀散布在反应器的底部,以流被均匀地分布在底部的反应堆。倾斜的底部(图1)坐落在角落里的废水的反应堆协助聚集的污泥层的面积影响的位置。这也帮助留住生物反应器内的定位影响进一步远离污水。一些研究用挡板,通常位于两侧的槽,防止固体离开坦克[16]。废水使水箱通过挡板附近的坦克。

黄铜液压quick-connects被用来分配流向四个入口位置。快速连接螺纹进核反应堆和密封部分环氧胶的线程。外部堰是构造和放置在反应堆提供液压障碍保留生成气体收集装置,提供了一个屏障保持反应器内固体。铜接头的连接器使用的反应堆是气体收集端口。黄铜连接螺纹到反应器的顶部和线程被使用部分环氧胶密封。油管连接到铜接头,跑到气体收集装置。废水污水样本取自每个反应堆的外部堰。

液压测试是进行反应堆,然后再开始测试。不同的水面反应堆和出水堰作为一个持续的检查气密性的反应堆。另外空气取代可以视觉观察到气体收集器。污水废水收集在5加仑容器和水量是每晚检查以确保一致的流量保持在每个反应堆。

获取样本收集定期测定COD, pH值,气体体积。鳕鱼和pH值样本收集每天从反应堆的入渗和废水。鳕鱼是决定使用哈希博士/ 3900自动数据记录器分光光度计和pH值确定使用哈希HQ411d万用表。

气体收集的气体收集数据集(图1 b)在10 l聚四氟乙烯袋5天间隔15天。这个时间框架被选为平均产量的时间框架,并允许更精确的测量的相对较小的气体量相比,大规模的核反应堆。气体的最初分析使用火焰离子化检测器(FID)通过ASTM D7675-15。由于气体含量的样品超过1000 ppm,这是最大的决心限制支撑材,气体样本运往美国实验室测试在诺克斯维尔,TN。体积和压力(基于立方体的内外水位差)测量之前收集气体样品。理想气体定律应用于获得的数量使用中列出的典型值生成甲烷Simate et al。(2011)。这项研究表明,啤酒废水是由大约55 - 75%的甲烷(CH4), 25 - 40%的二氧化碳(CO2),微量的硫化氢(H2S)。过程的细节可以在[15]。

结果和讨论

啤酒厂废水流入的是一个不透明的黄色废水是半透明的棕色。暂停和解决固体在入渗啤酒厂废水和直观地观察到没有直观地观察到固体。在此基础上观察,似乎通过反应器保留固体。固体保留是一个关心UASB反应器[17],因此是一个焦点在反应堆的建设。强烈的气味来自啤酒厂废水影响被发现在测试。在开始的测试中,废水有清爽的啤酒味道。随着天进步的气味变得越来越酸。看来,这可能是由于影响和反应堆内的pH值下降。

在啤酒废水pH值的变化影响,随着时间的推移废水提出了如图2所示。啤酒厂污水入渗和废水的初始pH值分别为6.34和6.17,和第九天的实验中,pH值下降分别为5.41和5.69。为了防止恶化,pH值是通过添加氢氧化钠的影响。从9到15天,pH值从5.41到6.71,为微生物提供了良好的环境。化学品的成本增加的pH值可以抵消成本节约现场天然气生产。啤酒酿造过程是一种酸的过程,和小型啤酒厂利用腐蚀剂如高锰酸钠在啤酒生产过程中。

图2:变化的影响和废水pH值随着时间的推移。

入渗和废水中COD值的变化随时间呈现在图3中。如这个图所示,在实验期间,影响COD浓度下降。这可能是由于影响油管位于底部的废水容器和油管中提取的高强度解决固体容器在废水少固体保持顶部的容器。第五天的实验后,容器涨跌互现每天一次模拟坦克和一个均衡的混合效果提供一致的浓度固体进入影响油管。

图3:随时间变化的影响和废水COD。

鳕鱼在实验室测量值在这个研究是大于100000 mg / L在实验的开始时期,超过80000 mg / L, 8天的15天。为以前的研究可能提供更大的啤酒厂废水比小型啤酒厂拥有更大的业务。酿酒厂可能使用更少的水相比,一个更大的操作(由于更少的设备清洁,更少的浪费,等等),会增加废水的COD浓度。鳕鱼在本研究收集的数据表明,鳕鱼的啤酒厂反应堆将消化和转化能量。在消化过程中,挥发性脂肪酸(vfa)成立糖和淀粉分解时,最终降低反应堆的pH值[17]。如果pH值下降过低,甲烷的浓度是阻碍的转换。这是通常被称为恶化的反应堆,和里面的数据表明,这将发生反应堆之前添加氢氧化钠。氢氧化钠添加到影响坦克增加pH值为微生物在酸性环境中无法生存。

总体百分比COD去除率与时间的变化如图4所示,COD去除率的变化在g /天,pH值随着时间的0.25毫升/分钟的流量如图5所示。见这些数字,影响高COD浓度(> 100000 ppm)经验丰富的前五天。微生物似乎应对加载产生的反应堆和COD去除率的增加百分比和克第一次四天,但从4到7天的百分比COD去除率从78%下降到16%。pH值是一致的前6天,仍在6.34和6.13之间。后每天6到9(之前添加氢氧化钠)反应堆的pH值下降了从6.15到5.41(图5)。这可能是急剧减少的原因COD去除率。减少COD浓度和pH值有可能创建vfa的结果比产甲烷细菌通常转化成甲烷。氢氧化钠的加入后,COD浓度降低,从4800年到19400年(相对低于第一三分之二的测试),但仍然相对一致。看来,如果高pH值保持一致的方面,大量的鳕鱼是移除。内的pH值发生改变(减少)反应堆,更少的鳕鱼是移除。COD去除率的增加稳定pH值和/或增加期间观察6 - 7,8,9 - 15天。

图4:随着时间的推移变化总体百分比和COD去除率。

图5:随着时间的推移,COD去除率和pH值的变化。

标准化的甲烷体积每公斤鳕鱼移除和时间策划和呈现在图6中,估算甲烷的产量。如这个图所示,天11的数据从情节,由于COD去除率较低,这似乎是一个例外。三个趋势线,如线性、多项式和指数被添加在图6中看到哪一个最合适的方法。根据R2值多项式(R2 = 0.8893)似乎是最适合和指数(R2 = 0.6730)似乎是最合适的。为了估计甲烷的速度生产每公斤的COD去除率、线性趋势线(R2 = 0.7194)和使用天然气产量在实验期间被发现每公斤大约5.32升的CH4的鳕鱼每天删除。天然气产量增加10到15天期间,可能是由于增加的pH值在此期间(图2和图5)。

图6:每公斤的甲烷产量的变化随着时间的推移,COD去除率。

结论和建议

初步研究显示一些潜在的甲烷生成使用USAB从啤酒厂废水处理反应器。操作一个UASB反应器需要化学酸碱稳定提高平衡vfa的生产和转化甲烷的浓度。一个UASB反应器处理啤酒废水在23°C产生大约5.32升的甲烷气体在环境温度和压力每天每公斤的鳕鱼移除。在未来的研究中,建议提供混合影响废水容器防止减少鳕鱼在测试期间,增加反应堆的温度高温范围(> 35°C),稳定pH值在整个实验期间确定天然气产量在一定的pH值、环境温度和压力,消除上述局限性。

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