摘 要:處理生物質氣化發電焦油廢水的上流式污泥床過濾器(UBF)內厭氧污泥在環境溫度(16～36℃)條件下完成馴化并實現顆粒化,其間焦油廢水的COD比例是主要影響因素。UBF反應器穩定運行時,在HRT為66 9H,OLR為0 65～0 75kgCOD·m-3d-1的條件下,焦油廢水COD平均去除率達到26%。
關鍵詞:生物質氣化;焦油廢水;UBF反應器;馴化;顆粒化
引言
1984年,加拿大Guiot[1]開發的上流式污泥床—過濾器(UpfLow Banket FiLter,簡稱UBF)復合式厭氧反應器,是由上流式污泥床(UASB)和厭氧濾器(AF)復合而成,反應器下部是高濃度顆粒污泥組成的污泥床,上部是填料和其表面附著的生物膜組成的濾料層。UBF裝置極大地延長了ＳＲＴ,反應器內污泥的濃度高,增強了反應器對不良因素(例如有毒物質)的適應性,能夠高效、穩定地處理高濃度難處理有機廢水。
焦油廢水是生物質氣化發電燃氣水洗凈化過程中產生的洗滌廢水,其COD濃度一般在2000mg·L-1左右,氨氮濃度在400mg·L-1左右,含有大量復雜的多環芳烴類物質,另外,根據筆者研究,焦油廢水對厭氧菌有毒性,屬于生物難降解有機廢水。因此,在處理焦油廢水的UBF反應器中完成污泥馴化和顆粒化有一定的難度,本文在這一方面作了一些探索。
1 材料和方法
1.1 試驗設備與工藝流程
試驗中的UBF反應器采用直徑300mm鑄鐵管制成,高2450mm,總容積173L。整個反應器由兩張多孔板分割成3段:即污泥床,竹子填料濾層和顆粒活性炭(GAC)填料濾層。GAC上部是集水區和氣室,反應器底部有穿孔管配水裝置。反應器的幾何尺寸示于表1。試驗流程示于圖1。
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表1 UBF復合式厭氧反應器幾何尺寸
1.2 試驗方法
試驗中以蔗糖作為共基質對厭氧污泥進行同步馴化(污泥培養和馴化同時進行),并逐漸增加反應器人工合成進水中焦油廢水COD比例。蔗糖為生物易降解物質,為微生物的生長提供基質和能量,并偶發代謝焦油廢水中難降解物質。
1.3 進水成分及微量元素投加量
試驗采用人工合成廢水加不同比例的焦油廢水,配制的人工合成廢水成分見表1。
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表2 進水成分
(a 該值由試驗測定;b COD∶N∶P=200∶5∶1;c 小蘇打的投加量滿足進水COD∶堿度>3∶1;d 焦油廢水的量根據實測值確定。)
為了確保系統不因缺乏其它無機營養元素而受到抑制,試驗中直接向反應器投加一定量的常量元素(mg,cａ,Ｆｅ)和微量元素(co,Ni,mN,ZN)。
2 結果和討論
2 .1 馴化
整個馴化過程歷時274天,其中進水中焦油廢水COD比例為1/40歷時57d,1/30歷時23d,1/20歷時56d,1/10歷時6d,1/5歷時12d,1/4歷時26d,1/3歷時39d,1/2歷時20d,3/4歷時18d,1/1歷時18d。實驗溫度為室外自然溫度(16～36℃),試驗期間焦油廢水比例、進、出水COD濃度、COD去除率、有機負荷變化曲線示于圖2,3,4。
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2 1 1 COD去除率
圖3表明同一焦油廢水比例階段,COD去除率先下降后回升,最后穩定(廢水比例為1/3,1/2,3/時比較明顯)。這說明,人工合成廢水中焦油廢水比例增加,微生物活性受到抑制,COD去除率降低。經過一段時間后,微生物體內形成適應新環境的酶系其轉化有機物能力有所恢復,COD去除率呈上升趨勢。整個馴化階段隨著進水中焦油廢水比例增加COD去除率呈下降趨勢。
2 1 2 有機負荷
圖4表明在整個馴化階段有機負荷(OLR)由最小值增加至最大值,然后再逐漸減少。整個馴化期可分為低負荷運行期(第1～12d)、負荷逐步提高期(第13～57d)、高負荷運行期(第58～73d)、負荷穩定運行期(第74～132d)、負荷逐步降低期(第133～274d)5個時期。
有機負荷直接反映了基質與微生物之間的平衡關系,對既定反應器,微生物在不同運行時期、不同生活環境中對有機物的降解能力存在著差異。試驗中焦油廢水比例增至1/10以上后,厭氧微生物受到的毒害作用增加,為防止微生物活性的完全喪失,主要通過降低進水濃度來降低有機負荷,有效防止了馴化的失敗。
2 2 污泥顆粒化
試驗中顆粒污泥初次形成期在運行的第35～133d:反應器運行的第35d反應器底部1號取樣口出現顆粒污泥,第125d竹子填料段底部的3號取樣口出現顆粒污泥,到第133d顆粒污泥充滿整個反應器的懸浮相。第133d以后,尤其是第142d以后顆粒污泥受到廢水比例變化的影響,顆粒污泥解體和顆粒化兩種變化趨勢交替出現,到試驗結束時,顆粒污泥最終充滿整個反應器。
試驗中培養的顆粒污泥為似球形粒狀物,粒徑為1～3mm,質地松軟,有韌性和粘性。顆粒污泥表面呈黑色、灰黑色、黃色三種顏色。有的顆粒污泥一半呈灰黑色,一半呈黃色。
2 2 1 焦油廢水比例變化對污泥顆粒化的影響
污泥顆粒化主要發生在廢水比例為1/40,1/30,1/20,1/10時,該時期內焦油廢水濃度較低,廢水比例增加對顆粒污泥的影響不大。廢水比例經歷1/5,1/4,1/3,1/2,3/4,1/1變化時,顆粒污泥形態不穩定,而且焦油廢水比例變化對反應器底部污泥影響比對填料段污泥影響大。廢水進入反應器首先和底部的污泥接觸,污泥表面可以吸附降解廢水中部分有機物,另外,人工合成廢水在反應器底部經水力混合得到稀釋,進入反應器填料段的焦油廢水濃度降低,相應的焦油廢水毒性物質濃度降低,所以填料段污泥受到焦油廢水比例變化的影響較小。
焦油廢水比例增加,受焦油廢水成分的影響顆粒污泥解體,其表面細菌脫落,經過一段時間后,微生物又出現團聚、顆粒化的趨勢。這與馴化過程中COD去除率隨焦油廢水比例增加的變化情況相近,都是先惡化然后逐漸恢復好轉。另外,值得一提的是,在每個焦油廢水比例階段,污泥重新團聚出現顆粒化趨勢恰好是COD去除率開始回升的起點,這并非是巧合,因為顆粒污泥本身的活性就很高,污泥能夠發生團聚,說明其活性有所恢復,COD去除率有所恢復。
2 2 2 有機負荷對污泥顆粒化的影響
運行35d時,反應器底部出現顆粒污泥,第36～57d,有機負荷變化頻繁,顆粒污泥的狀態極不穩定。
高負荷運行期,有機負荷在19kgCOD·m-3d-1左右,維持了較高的水平。在此階段,污泥產氣旺盛,高達1172L/d,污泥過度洗出,污泥顆粒化延遲。
負荷穩定運行期,反應器的有機負荷維持在9～10kgCOD·m-3d-1范圍內,保持相對穩定。顆粒污泥在此期間發展、成熟起來,并充滿整個反應器。
負荷逐步降低期,焦油廢水比例增加,反應器的處理效果開始惡化,有機負荷被迫逐步減低,但終因廢水水質特性未緩解反應器處理效果的惡化。在此階段,影響顆粒污泥的主要因素是廢水本身性質,有機負荷已經不再是主導因素。
綜上所述,OLR對顆粒污泥的形成有很大影響。頻繁變化進水濃度和HRT逐步提高OLR對顆粒污泥的形成產生不利影響;超高負荷時,污泥產氣旺盛,但不利于污泥沉降形成顆粒污泥。維持進水基質濃度與進水流量的相對穩定,即使OLR穩定在一定范圍內有利于顆粒污泥的形成。
2 3UBF處理全焦油廢水效果
進水完全是焦油廢水(2000mgCOD·L-1左右)時,在OLR為0 65～0 75kgCOD·m-3d-1,HRT為66 9H條件下,COD平均去除率為26%。UBF反應器內厭氧污泥雖然經過馴化,但反應器對焦油廢水的處理能力仍然較低,分析其原因有:1 焦油廢水對厭氧微生物有毒害作用;2 焦油廢水成份復雜,多為酚類、多環芳烴類物質,其中很多都是生物難降解物質;3 焦油廢水的氨氮濃度高,其氨氮濃度為362～492mg·L-1,廢水PH在8 8左右,略顯堿性,游離NH3多,對厭氧微生物有抑制作用,4 出水的PH值在8 0左右,略高于甲烷菌的最適生長PH范圍6 8～7 2[2]。
3 結論
對UBF反應器污泥馴化和污泥顆粒化研究可以得出以下結論:
(1)處理焦油廢水的UBF反應器完成污泥馴化的技術條件有:1 以易生物降解的蔗糖為共基質,為微生物的生長提供碳和能量的來源,避免馴化失敗;2 保持恰當的有機負荷。進水中焦油廢水COD比例增加時,可通過減小進水的COD濃度降低反應器的有機負荷,從而減緩進入反應器焦油廢水絕對量的增加,避免馴化失敗。
(2)在處理焦油廢水的UBF反應器中形成顆粒污泥的技術條件是要保持恰當的有機負荷。顆粒污泥出現以后,進水基質濃度,水力停留時間頻繁改變,顆粒污泥的形態不穩定;超高負荷時,微生物產氣旺盛,污泥過分洗出,不利于污泥顆粒化;有機負荷在9～10kgCOD·m-3d-1范圍內利于顆粒污泥形成、成熟。
(3)UBF反應器處理焦油廢水達到穩定運行狀態時,COD平均去除率為26%,雖然處理效率較低,但是厭氧生物處理可以作為焦油廢水好氧生物處理的預處理手段。來源：谷騰水網
