上流式污泥床過(guò)濾器處理生物質(zhì)氣化發(fā)電焦油廢水
摘 要:處理生物質(zhì)氣化發(fā)電焦油廢水的上流式污泥床過(guò)濾器(UBF)內(nèi)厭氧污泥在環(huán)境溫度(16～36℃)條件下完成馴化并實(shí)現(xiàn)顆粒化,其間焦油廢水的COD比例是主要影響因素。UBF反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),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(dá)到26%。
關(guān)鍵詞:生物質(zhì)氣化;焦油廢水;UBF反應(yīng)器;馴化;顆粒化
引言
1984年,加拿大Guiot[1]開(kāi)發(fā)的上流式污泥床—過(guò)濾器(UpfLow Banket FiLter,簡(jiǎn)稱UBF)復(fù)合式厭氧反應(yīng)器,是由上流式污泥床(UASB)和厭氧濾器(AF)復(fù)合而成,反應(yīng)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(zhǎng)了ＳＲＴ,反應(yīng)器內(nèi)污泥的濃度高,增強(qiáng)了反應(yīng)器對(duì)不良因素(例如有毒物質(zhì))的適應(yīng)性,能夠高效、穩(wěn)定地處理高濃度難處理有機(jī)廢水。
焦油廢水是生物質(zhì)氣化發(fā)電燃?xì)馑磧艋^(guò)程中產(chǎn)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(fù)雜的多環(huán)芳烴類物質(zhì),另外,根據(jù)筆者研究,焦油廢水對(duì)厭氧菌有毒性,屬于生物難降解有機(jī)廢水。因此,在處理焦油廢水的UBF反應(yīng)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(yàn)設(shè)備與工藝流程
試驗(yàn)中的UBF反應(yīng)器采用直徑300mm鑄鐵管制成,高2450mm,總?cè)莘e173L。整個(gè)反應(yīng)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(qū)和氣室,反應(yīng)器底部有穿孔管配水裝置。反應(yīng)器的幾何尺寸示于表1。試驗(yàn)流程示于圖1。
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表1 UBF復(fù)合式厭氧反應(yīng)器幾何尺寸
1.2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)中以蔗糖作為共基質(zhì)對(duì)厭氧污泥進(jìn)行同步馴化(污泥培養(yǎng)和馴化同時(shí)進(jìn)行),并逐漸增加反應(yīng)器人工合成進(jìn)水中焦油廢水COD比例。蔗糖為生物易降解物質(zhì),為微生物的生長(zhǎng)提供基質(zhì)和能量,并偶發(fā)代謝焦油廢水中難降解物質(zhì)。
1.3 進(jìn)水成分及微量元素投加量
試驗(yàn)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(jiàn)表1。
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表2 進(jìn)水成分
(a 該值由試驗(yàn)測(cè)定;b COD∶N∶P=200∶5∶1;c 小蘇打的投加量滿足進(jìn)水COD∶堿度>3∶1;d 焦油廢水的量根據(jù)實(shí)測(cè)值確定。)
為了確保系統(tǒng)不因缺乏其它無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素而受到抑制,試驗(yàn)中直接向反應(yīng)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(jié)果和討論
2 .1 馴化
整個(gè)馴化過(guò)程歷時(shí)274天,其中進(jìn)水中焦油廢水COD比例為1/40歷時(shí)57d,1/30歷時(shí)23d,1/20歷時(shí)56d,1/10歷時(shí)6d,1/5歷時(shí)12d,1/4歷時(shí)26d,1/3歷時(shí)39d,1/2歷時(shí)20d,3/4歷時(shí)18d,1/1歷時(shí)18d。實(shí)驗(yàn)溫度為室外自然溫度(16～36℃),試驗(yàn)期間焦油廢水比例、進(jìn)、出水COD濃度、COD去除率、有機(jī)負(fù)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(wěn)定(廢水比例為1/3,1/2,3/時(shí)比較明顯)。這說(shuō)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,微生物體內(nèi)形成適應(yīng)新環(huán)境的酶系其轉(zhuǎn)化有機(jī)物能力有所恢復(fù),COD去除率呈上升趨勢(shì)。整個(gè)馴化階段隨著進(jìn)水中焦油廢水比例增加COD去除率呈下降趨勢(shì)。
2 1 2 有機(jī)負(fù)荷
圖4表明在整個(gè)馴化階段有機(jī)負(fù)荷(OLR)由最小值增加至最大值,然后再逐漸減少。整個(gè)馴化期可分為低負(fù)荷運(yùn)行期(第1～12d)、負(fù)荷逐步提高期(第13～57d)、高負(fù)荷運(yùn)行期(第58～73d)、負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行期(第74～132d)、負(fù)荷逐步降低期(第133～274d)5個(gè)時(shí)期。
有機(jī)負(fù)荷直接反映了基質(zhì)與微生物之間的平衡關(guān)系,對(duì)既定反應(yīng)器,微生物在不同運(yùn)行時(shí)期、不同生活環(huán)境中對(duì)有機(jī)物的降解能力存在著差異。試驗(yàn)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(guò)降低進(jìn)水濃度來(lái)降低有機(jī)負(fù)荷,有效防止了馴化的失敗。
2 2 污泥顆粒化
試驗(yàn)中顆粒污泥初次形成期在運(yùn)行的第35～133d:反應(yīng)器運(yùn)行的第35d反應(yīng)器底部1號(hào)取樣口出現(xiàn)顆粒污泥,第125d竹子填料段底部的3號(hào)取樣口出現(xiàn)顆粒污泥,到第133d顆粒污泥充滿整個(gè)反應(yīng)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(shì)交替出現(xiàn),到試驗(yàn)結(jié)束時(shí),顆粒污泥最終充滿整個(gè)反應(yīng)器。
試驗(yàn)中培養(yǎng)的顆粒污泥為似球形粒狀物,粒徑為1～3mm,質(zhì)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(duì)污泥顆粒化的影響
污泥顆粒化主要發(fā)生在廢水比例為1/40,1/30,1/20,1/10時(shí),該時(shí)期內(nèi)焦油廢水濃度較低,廢水比例增加對(duì)顆粒污泥的影響不大。廢水比例經(jīng)歷1/5,1/4,1/3,1/2,3/4,1/1變化時(shí),顆粒污泥形態(tài)不穩(wěn)定,而且焦油廢水比例變化對(duì)反應(yīng)器底部污泥影響比對(duì)填料段污泥影響大。廢水進(jìn)入反應(yīng)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(jī)物,另外,人工合成廢水在反應(yīng)器底部經(jīng)水力混合得到稀釋,進(jìn)入反應(yīng)器填料段的焦油廢水濃度降低,相應(yīng)的焦油廢水毒性物質(zhì)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(xì)菌脫落,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,微生物又出現(xiàn)團(tuán)聚、顆粒化的趨勢(shì)。這與馴化過(guò)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(fù)好轉(zhuǎn)。另外,值得一提的是,在每個(gè)焦油廢水比例階段,污泥重新團(tuán)聚出現(xiàn)顆粒化趨勢(shì)恰好是COD去除率開(kāi)始回升的起點(diǎn),這并非是巧合,因?yàn)轭w粒污泥本身的活性就很高,污泥能夠發(fā)生團(tuán)聚,說(shuō)明其活性有所恢復(fù),COD去除率有所恢復(fù)。
2 2 2 有機(jī)負(fù)荷對(duì)污泥顆粒化的影響
運(yùn)行35d時(shí),反應(yīng)器底部出現(xiàn)顆粒污泥,第36～57d,有機(jī)負(fù)荷變化頻繁,顆粒污泥的狀態(tài)極不穩(wěn)定。
高負(fù)荷運(yùn)行期,有機(jī)負(fù)荷在19kgCOD·m-3d-1左右,維持了較高的水平。在此階段,污泥產(chǎn)氣旺盛,高達(dá)1172L/d,污泥過(guò)度洗出,污泥顆粒化延遲。
負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行期,反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷維持在9～10kgCOD·m-3d-1范圍內(nèi),保持相對(duì)穩(wěn)定。顆粒污泥在此期間發(fā)展、成熟起來(lái),并充滿整個(gè)反應(yīng)器。
負(fù)荷逐步降低期,焦油廢水比例增加,反應(yīng)器的處理效果開(kāi)始惡化,有機(jī)負(fù)荷被迫逐步減低,但終因廢水水質(zhì)特性未緩解反應(yīng)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(zhì),有機(jī)負(fù)荷已經(jīng)不再是主導(dǎo)因素。
綜上所述,OLR對(duì)顆粒污泥的形成有很大影響。頻繁變化進(jìn)水濃度和HRT逐步提高OLR對(duì)顆粒污泥的形成產(chǎn)生不利影響;超高負(fù)荷時(shí),污泥產(chǎn)氣旺盛,但不利于污泥沉降形成顆粒污泥。維持進(jìn)水基質(zhì)濃度與進(jìn)水流量的相對(duì)穩(wěn)定,即使OLR穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)有利于顆粒污泥的形成。
2 3UBF處理全焦油廢水效果
進(jìn)水完全是焦油廢水(2000mgCOD·L-1左右)時(shí),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(yīng)器內(nèi)厭氧污泥雖然經(jīng)過(guò)馴化,但反應(yīng)器對(duì)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(duì)厭氧微生物有毒害作用;2 焦油廢水成份復(fù)雜,多為酚類、多環(huán)芳烴類物質(zhì),其中很多都是生物難降解物質(zhì);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(duì)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(zhǎng)PH范圍6 8～7 2[2]。
3 結(jié)論
對(duì)UBF反應(yīng)器污泥馴化和污泥顆粒化研究可以得出以下結(jié)論:
(1)處理焦油廢水的UBF反應(yīng)器完成污泥馴化的技術(shù)條件有:1 以易生物降解的蔗糖為共基質(zhì),為微生物的生長(zhǎng)提供碳和能量的來(lái)源,避免馴化失敗;2 保持恰當(dāng)?shù)挠袡C(jī)負(fù)荷。進(jìn)水中焦油廢水COD比例增加時(shí),可通過(guò)減小進(jìn)水的COD濃度降低反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷,從而減緩進(jìn)入反應(yīng)器焦油廢水絕對(duì)量的增加,避免馴化失敗。
(2)在處理焦油廢水的UBF反應(yīng)器中形成顆粒污泥的技術(shù)條件是要保持恰當(dāng)?shù)挠袡C(jī)負(fù)荷。顆粒污泥出現(xiàn)以后,進(jìn)水基質(zhì)濃度,水力停留時(shí)間頻繁改變,顆粒污泥的形態(tài)不穩(wěn)定;超高負(fù)荷時(shí),微生物產(chǎn)氣旺盛,污泥過(guò)分洗出,不利于污泥顆粒化;有機(jī)負(fù)荷在9～10kgCOD·m-3d-1范圍內(nèi)利于顆粒污泥形成、成熟。
(3)UBF反應(yīng)器處理焦油廢水達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí),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(yù)處理手段。
參考文獻(xiàn):
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