一文了解废水中各种COD

​废水特性是厌氧处理中必须着重考虑的重要因素,也是相当复杂的因素。特别是对于“复杂废水”更是如此。所谓复杂废水,是指那些容易引起污泥的上浮、形成浮沫或浮渣层、含有大量悬浮物或引起沉淀的化合物以及含有毒物质的废水。这类废水的特性,其所含化合物的种类影响到厌氧处理系统的设计以及运行,需要使用水质检测仪对其进行测定。

  • 发布时间:2023-11-30

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  • 作者:深圳市同奥科技有限公司

  • 来源:同奥宣传部

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废水特性是厌氧处理中必须着重考虑的重要因素,也是相当复杂的因素。特别是对于“复杂废水”更是如此。所谓复杂废水,是指那些容易引起污泥的上浮、形成浮沫或浮渣层、含有大量悬浮物或引起沉淀的化合物以及含有毒物质的废水。这类废水的特性,其所含化合物的种类影响到厌氧处理系统的设计以及运行,需要使用水质检测仪对其进行测定。

除了温度、pH和营养等影响厌氧处理的环境因素之外,本章着重讨论COD对废水厌氧处理的影响。

一、可生物降解的COD

废水中采用COD测定仪测定的COD并不一定能全部为微生物降解,在厌氧条件下能够被厌氧菌消耗的COD称作“可生物降解的COD(Biodegradable COD)”,即CODBD。这是指在厌氧过程中能够作为底物被细菌加以利用的COD,因此也可以称作“底物COD”(SubstrateCOD)。在全部COD中,可降解COD所占的百分比称作废水的“生物可降解性”(Biodegradability),记作CODBD(%),即:CODBD(%)=CODBD/COD×100%。

组成废水的有机物可能是容易降解的、难以降解的或不可能降解的,容易降解的有机物指那些能够由各类厌氧污泥(驯化的或没有驯化的)迅速降解的化合物,难降解的有机物指那些不能被未驯化的污泥所降解而经一定时间的驯化后即能在某种程度上降解的化合物,污泥对这种化合物驯化所需要的时间的长短反映了增殖能利用这些化合物的特殊细菌所需的时间,或使现有细菌产生诱导酶(例如胞外的水解酶)以降解这些复杂化合物所需要的时间。某些有机化合物在厌氧条件下可能根本不会降解,这类有机物被称作“惰性有机化合物”(Inert organic compounds)。

二、可酸化COD

CODBD实际上是指可被发酵菌(即水解菌与酸化菌)利用的底物,在未酸化的废水中,并非全部CODBD可被甲烷菌利用。CODBD首先被发酵菌转化为细胞物质、氢气和大量挥发性脂肪酸(VFA),其中转化为细胞物质的COD(可记作CODcells)不再能被甲烷菌利用,其余部分才是可被甲烷菌利用的底物COD。真正能够被甲烷菌利用的部分称为“可酸化COD(Aeidifiable COD)”,记作CODacid,CODacid最终转化为甲烷和VFA。CODacid在废水总COD 中的百分比计算如下:

CODacid(%)=CODCH4+CODvfa)/COD×100%

式中:

CODCH4—转化为甲烷的COD;

CODvfa—尚未转化为甲烷而以VFA存在的COD。

图一、未酸化废水中可降解COD分类示意图 

图一、未酸化废水中可降解COD分类示意图

图一表示了未酸化底物(例如糖)的CODBD、CODCH4和CODacid的关系,它是根据文献中细胞平均产率和甲烷产率计算而来。在糖液中CODacid一般等于CODBD的80%,而最大的CODCH4约为CODBD的78%。

图二、完全酸化的废水中COD分类示意图

图二、完全酸化的废水中COD分类示意图

图二为已酸化的废水(例如VFA混合水)中CODBD、CODCH4和CODacid的关系示意图。其中CODacid等于全部CODBD,也即全部COD。CODCH4的最大值可等于CODBD的97%。因为废水中的CODacid约等于CODCH4,所以在大多情况下,我们可以认为一种废水中COD的甲烷转化率大体上等于COD的酸化率。

三、生物抗性COD

废水COD中含有可生物降解的COD,即CODBD,同时也可能含有污泥不能发酵的有机化合物,后者被称为“生物抗性COD (Biological resistant COD)”,记作CODres。CODres包括那些在测试过程中污泥来不及对之产生驯化因而未能降解的有机物以及不可能降解的“惰性有机物”。图三表示仅废水CODres部分在厌氧过程中被降解,而COD部分仍原封不动地停留在废水中。

图三、含50%CODBD的废水COD分类示意图

图四、根据溶解性的COD分类

图三、含50%CODBD的废水COD分类示意图

四、废水COD的溶解性分类

废水COD中的某些有机化合物是不溶解的,此外溶解性的CODBD,所产生的细胞也不溶解,因此对厌氧处理讲,COD的溶解性是一个重要参数。图四表示了根据COD溶解性及有机物微粒大小来表示的COD的分类。

 图四、根据溶解性的COD分类

图四、根据溶解性的COD分类

一般可以把通过滤纸的废水中含有的COD记作CODfilt,过滤纸的部分为悬浮物,其相应的COD记作CODss。废水中的悬浮物也可以用离心法分离(以5000r/min,离心5min),其上清液部分可看作含有CODfilt,沉淀部分为CODss

滤纸滤液中可能含有非常微小的不能用普通滤纸或离心法除去的不溶性有机化合物,这些微小的不溶物即是溶液混浊的胶体物质。在滤纸滤液中即CODfilt中)不通过膜的部分被称为胶体COD,记作CODcol。通过膜的滤液中的COD为真正溶解的COD 记作CODsol。在荷兰和欧洲的许多地区,在这一分析中使用孔隙为0.45μm的膜。

COD中不是真正溶解的部分称为不溶性COD,记作CODinsol

五、可水解COD与已水解COD

某些废水含有聚合物底物,即在这些底物能被发酵前必须被首先水解为单体或二聚体。在厌氧过程中能被水解的聚合物COD 称为“可水解COD"。而在厌氧过程的某一阶段以非聚合物形式存在的(包括由聚合物水解而来的)COD被称为“已水解COD”(hydrolyzed COD),记作CODhydr

一些情况下,聚合物以不溶性的悬浮物或胶体形式存在。不溶性的聚合物可以被转化为溶解性的化合物这一经由水解将不溶性的化合物转化为溶解性化合物的过程叫“液化”(Lique-faction)。如果聚合物都是不溶解的,那么在厌氧过程的某一阶段,液化等于水解。不溶解COD在厌氧过程中的水解百分率为:

CODhydr(%)=CODsol+CODcells+CODCH4)/CODinsol×100%

式中:

CODsol—由CODinsol转化而来的溶解性COD(包括VFA); 

CODcells—转化为细胞的CODinsol; 

CODCH4—转化为甲烷的CODinsol

CODinsol—不溶解性COD。

六、COD的去除与COD去除率

在厌氧处理过程中被去除的COD指进入处理系统的废水(进液)COD和出系统的废水(出液)COD的差值。COD去除率可按下式计算:

COD去除率(%)=进液COD浓度一出液COD浓度)/进液COD浓度×100%

对于溶解性的废水,上式中出液COD取样时可以以滤纸过滤或者不过滤,这点应当在测试报告中加以说明,对于溶解性废水,采用过滤后的出水样品COD浓度(即CODfilt)更有意义。它便于对过程进行物料平衡计算,更能准确地反映出废水中溶解性有机物去除的情况。溶解性废水在处理后出液中的悬浮物实际上是厌氧过程中转化为细胞的有机物,它们基本上可以在后序的沉淀过程中除去。以滤纸过滤的出水COD去除率可表示为“CODfilt去除率”,计算如下:

CODfilt去除率(%)=进液COD浓度一出液CODfilt浓度)/进液COD浓度×100% 

图五、厌氧处理中未酸化废水中COD去除率和COD平衡关系 

图五、厌氧处理中未酸化废水中COD去除率和COD平衡关系

对于未酸化的溶解性废水,COD去除率总大于转化为甲烷的COD(即COD)的百分率,因为前者包含了在酸化过程中转化为细胞的COD,即包含了CODcells。因此,每消耗一个单位COD(即包括已去除的COD和已酸化的COD)。CODcells所占的百分率可计算如下:

CODcells去除率(%)=CODfilt去除率(%)-CODCH4(%))/CODfilt去除率(%)+CODvfa(%))×100%

式中:

CODCH4(%)—指废水COD转化为甲烷的百分率;

CODvfa(%)指在出水中由进水COD转化而来的VFA 的百分率。

对于已酸化的溶解性废水,CODfilt去除率约等于CODCH4的百分率,因为这种情况下只有甲烷菌生长,而甲烷菌的细胞产率非常低,因此计算CODcells大约等于0,仅仅在计算非常精确时,CODcells约等于3%。

对于含有不溶解物的废水,在计算COD的去除率时必须使用未经过滤的出水,因为进水中的悬浮物可能依然部分保留在出水中,这部分COD并未被厌氧过程去除。

在厌氧处理中,COD的去除部分来自于非生物过程。主要的非生物过程是沉淀和吸附。它们使少量的有机物与污泥或出水中的悬浮物结合在一起。

沉淀通常由pH的变化或为控制pH而添加的钙离子引起。沉淀物可能沉降在反应器中或与污泥一起从反应器中洗出、以下是沉淀反应的一些典型例子。

①木素,在pH低于9或加钙后开始沉淀;

②脂肪,在pH低于8或加钙后开始沉淀;

③某些蛋白质,在pH低于6开始沉淀;

④腐殖酸,pH低于5或加钙时沉淀;

⑤果胶,加钙时沉淀;

⑥蛋白质与单宁形成蛋白质一单宁絮聚物。

吸附是有机物附着于污泥的表面在实践中最常见的吸附现象之一是脂肪吸附于污泥上。

非生物过程的COD去除对于非溶解性的废水中的悬浮物也有一定的作用。进水中的悬浮物可以被截留在污泥中,这是因为污泥床有一定的过滤作用或者悬浮物本身易于沉降。悬浮物在反应器污泥中的积累对于UASB系统或任何以细胞固定化为基础的高速反应器都是不利的,悬浮物使污泥中细菌比例相对减少,因此污泥的活性降低。由于在一定的反应器中只能保持一定量的污泥,悬浮物的积累最终使反应器产甲烷能力和负荷下降。

UASB反应器允许进液中一定程度上含有悬浮物,但对悬浮物中可液化的例如应加以考虑悬浮物中真正不能够水解的一个月的厌氧消化后仍不可水解的),叫做“积累悬浮物”。

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