上流式厭氧反應器對污水處理的研究

任懷智

(陜西省水務集團 略陽縣水務有限公司,陜西 略陽724300)

1 概 述

隨著經濟的發展,生活污水和工業廢水的排放日益增多。未經處理的污水直接排放到自然環境中,會破壞生態平衡,對環境造成嚴重污染。如污水處理不當,將會導致大量的經濟損失,嚴重時會危害人體健康。因此,針對在治理污水的同時,提取污水內的能量,實現廢水再利用,許多學者進行了多方面研究。張海亞等[1]對城鎮污水處理廠碳排放現狀及減污降碳協同增效路徑進行了研究,結果表明,在污泥處理處置過程中,采取厭氧消化+沼氣發電的方式,溫室氣體排放量較少。王沁意等[2]對污水處理過程CH4與N2O排放監測進行了研究,分析了污水處理過程中溫室氣體排放的主要影響因素。張睿[3]通過分析市政污水處理現狀,闡述了市政污水處理及回收利用的必要性。張曉亮[4]通過論述城市污水處理對環境的影響,分析了環境工程中城市污水處理存在的問題,并提出了具體的解決對策。易佳佩等[5]分析了工藝污水處理廠中PPCPs的濃度和去除效率,結果表明,污水處理廠對大部分目標污染物的總去除效率達到80%以上。趙只增等[6]分析了污水處理中節能低碳技術應用現狀,提出了加強污水處理中的節能措施。

以上文獻研究了污水處理對環境的影響,并分析了污水處理碳排入現狀。本文參考上述研究成果,通過設置上流式厭氧污泥床反應器(UASB),在4℃條件下對污水的處理進行研究,并對氧化還原電位和pH值、廢水處理以及氣體生產和能源平衡進行分析。

2 試驗材料與方法

2.1 反應堆設置和運行

試驗設置2個1L的上流式厭氧污泥床反應器(UASB),反應器高度和直徑的比值為1∶6,高度600mm,上行流速0.65m/h。污水處理采用冷適應接種物接種,接種物為17.2±2gTSS/L和1.2±0.15gVSS/L溶液混合而成。其中,TSS為水體或液體中懸浮的固體顆?？偭繚舛?VSS為揮發性固體懸浮物。

兩個UASB中的一個配備了聚偏氟乙烯(PVDF)中空纖維膜單元,纖維膜為疏水性材料,孔徑0.1μm。兩個反應器都配備了用于氣體儲存的氣囊,并配有樣品端口,兩個反應器的軟管需經常清洗,防止生物膜的形成。在纖維膜的下游設置注射器,方便評價膜的阻力,保護膜免受過壓和損壞。

從污水處理廠收集初級沉降的生活污水,該基質化學需氧量(COD)濃度變化較大(320～640mg/L),部分顆粒富含脂質,基質的揮發性懸浮固體(VSS)波動很大,其濃度在32～480mg/L之間。在分批進料的水解-發酵試驗中,估計硫酸鹽還原、甲烷生成和總COD去除率,試驗在20天內分24期進料,然后其中一個UASB接收膜單元并轉化為厭氧膜生物反應器(AnMBR)。兩個反應器連續進料,調節流量以提供3.5天的所需水力停留時間(HRT),上行流速保持在0.9m/h。在AnMBR中,膜通量(LMH)設定為0.5L/(m2·h)。

由于接種物中存在低群體,選擇增加HRT和低LMH,以防止堵塞,減少了膜的反洗和清洗,對于膜的反洗和清洗,每天需放松30min;進行2次HRT反洗,時間持續30min。

啟動污泥負荷率(SLR)最初為每天0.25kgCOD/kgVSS,由于接種物最初為富含植物材料的土壤和沉積物,因此并非所有VSS都包含細菌。預計每毫升接種物的細胞數約為5.2×107,使用每個細胞12～15gVSS的細菌質量,相當于在SLR為48±1.6kgCOD /kgVSSba的情況下啟動。由于生物質的性質(沉積物而非厭氧污泥),該操作可能存在太多變量。

2.2 化學分析

使用氣相色譜法(GC)監測頂部空間(氣囊)中的CH4體積(%),使用氣密注射器將50μl的氣體樣品注射到配有FID檢測器和HP-PLOTQ柱 (基于鍵合的苯乙烯-二乙烯基苯(DVB)的色譜柱)中。該柱直徑0.32mm,長度30m,薄膜20μm?；旌弦汉土鞒鑫镏腥芙獾募淄樵?5℃條件下劇烈搖晃后,從封閉的60ml惠頓小瓶中取20ml樣品中,定量(%)測量形成的甲烷。

對生物質的VSS含量進行重量估算。使用無菌注射器從反應器中取出液相樣品,并將其轉移到無菌的2ml微量離心管中,然后在13 000×g下離心4min,以獲得用于分析的上清液。采用離子交換色譜法分析上清液,其中SO42-在裝有自動采樣器的離子色譜儀中過濾(0.45μm)后進行測量。根據在24h內通過膜的流出物體積來估計膜通量,測量進水、出水和混合液中的總COD和可溶性COD。

2.3 產甲烷活性測定

試驗結束時,在濃度為1 200mgCOD/L的情況下,使用兩種直接產甲烷基質(乙酸鹽和甲酸鹽),在100ml玻璃瓶中(帶橡膠硼硅酸鹽密封)評估反應器中開發的生物質產甲烷活性。添加的生物量F∶M(gCOD∶gVSS)約為1∶2,根據操作溫度和常用分析溫度,選擇分析的操作溫度為4℃和36℃,并包括未處理生物質的對照,即采用蒸餾水進料,所有處理均操作兩次。在培養前,pH設定為7.0±0.2,甲烷每天測量2次,每次間隔12h。在測定開始時,測定每克VSS并進行qPCR(利用PCR技術定量檢測DNA或RNA的方法)計數,結果表示為每個產甲烷細胞的活性。對于廢水產生的活性,采用與上述相同的基于細胞方法,并通過qPCR計數間隔產生的甲烷,除以兩個數據點之間測量的平均細胞數,該試驗天數為8、40、56、64、72、136和184天。

3 試驗結果與分析

3.1 批量試驗分析

在連續操作之前,反應器作為具有內部循環的分批進料反應器操作,以評估生物轉化率,包括水解/發酵、硫酸鹽還原、甲烷生成和COD去除。初始性能表明,接種物中的冷適應細胞可以利用廢水中存在的底物,見圖1,試驗運行流程從左至右。

圖1 反應器運行期間生物轉化效率

該試驗期間的速率限制步驟是水解-發酵,COD去除主要是甲烷產生和硫酸鹽還原的組合,組合速率12.5mgCOD/d。生物COD減少過程占減少量的68%,產生7.0mgCOD/d的質量平衡間隙,并將其歸因于部分物質未水解。由于這些化合物通常與生物量有關,較難檢測,因此通常不進行COD測量采樣。

3.2 氧化還原電位和pH值

在最初的分批進料期之后,使用連續進料方式操作反應器,在兩個反應器(UASB和AnMBR)其中一個中加入膜單元(MBR)。在運行過程中監測184天。監測到的大部分參數均從第42天開始變化,由此可知,在該階段細胞開始適應底物和溫度。

在試驗中,氧化還原電位(ORP)在第42天(小于-120mV)后,明顯降低至厭氧環境的水平。兩個系統(UASB和AnMBR)中ORP均出現減少現象,見圖2。但速率略有不同,相較于UASB,AnMBR速率呈明顯增大趨勢,適應更快。UASB和AnMBR的氧化還原電位降低率分別約為-1.32和-1.48/d。在氧化還原電位繼續下降階段,可以預測兩種反應器設置約210天時,其電位將達到預設水平。pH值最初處于增加趨勢,隨著時間的推移,穩定在pH7.2±0.4(圖2),此過程為最佳的厭氧過程,表明預期的水解-發酵是有限的。

圖2 反應器中ORP和pH的變化

3.3 操作負載分析

從第42天開始,OLR(有機負荷率)基本恒定,見圖3。平均每天0.15kgCOD/m3或每天0.25kgCOD/kgVSS作為SLR(污泥負荷率)。相較于傳統的中溫操作,此項數據相對較低。但反應器中的大量生物質為相對惰性的植物材料,每個細菌的載量可能要高得多。對于每毫升大約8.5×104個產甲烷細胞,假設每個細胞產甲烷10-12gVSS,產甲烷污泥為0.045gVSS/m3。該反應器在類似溫度下運行1 150天加入VFA(揮發性脂肪酸)中間體,相對傳統的中溫接種物,使用冷適應接種物(4℃下)適應的優勢極為顯著。

3.4 污水處理分析

在運行后0～42天階段內,試驗中兩個系統UASB和AnMBR的COD出水質量良好,見圖4(a)。在第42天后,兩個系統的出水均符合COD法規,但UASB需更多的時間才能達到符合法規的水平。而sCOD(溶解性化學需氧量)的結果與此類似,見圖4(b)。其中,與UASB相比,AnMBR中顆粒COD的裂解稍微更為穩健,見圖4(c)和圖4(d),有利于形成不同的生物膜。兩個系統之間的出水COD僅在第42天略有不同,由此可知,兩個系統均能夠去除COD。對于AnMBR和UASB,OLR可逐漸增加,對出水質量無明顯影響,而流出物中固體的狀態遵循類似的趨勢,AnMBR具有較高的效率,見圖4(e)。由于COD去除效率高,在實際污水治理中,當流出物被進一步處理去除氨時,不需要額外的氧氣輸入來去除污水中的COD和sCOD,從而將氧氣的理論輸入減少1.6kgO2/kgBOD,其中BOD為生化耗氧量。

在AnMBR中,混合液對COD的處理率為57.0±9.6%,其余有機物均被生物膜去除;UASB的混合液對COD的去除率為91.5±10.3%;對于sCOD、AnMBR和UASB的混合液分別去除58.3±9.2%和73.8±5.6%。研究表明,該生物膜是活性的,在整個操作過程中,由于操作溫度和負載,造粒并不明顯。從試驗結果預測,在低溫下造粒是可行的,但緩慢的代謝率會對基于細胞的團聚體產生負面影響,使其很難保存。

圖4 系統運行中進水和出水的演變

3.5 氣體生產和能源平衡

AnMBR和UASB的甲烷生產速率均隨著時間呈上升趨勢。兩個系統均運行良好,AnMBR系統的加速度稍快,見圖5,AnMBR和UASB的速率分別提高0.0039和0.0034mmol/HRT。在4℃條件下,在流出物中發現大量甲烷,AnMBR和UASB分別為16.2±5.8%和24.8±10.3%。

在初步批處理階段,硫酸鹽的減少對COD的去除起到了預期的作用,與UASB相比,AnMBR的硫酸鹽還原率更高。AnMBR和UASB系統的總甲烷產量都很低,UASB幾乎能夠達到能量中性-0.0015±0.016kWh/m3,而AnMBR達到-0.3216±0.008kWh/m3。假設污水中的所有甲烷都可以回收,在進水中SO4耗盡或不存在的情況下,UASB的平衡變為正,AnMBR保持能量負,分別為0.0684±0.036和-0.296±0.037kWh/m3。由此表明,該厭氧(預)處理技術不需要能量進行氧化,在深度處理即運行中使用膜的情況下,在4℃條件下甲烷化生活廢水中的COD通常不足以支撐能源中性,但可采用更簡單的設置(即UASB)提高甲烷生產率。

圖5 系統中甲烷生產速率

4 結 論

本文通過設置上流式厭氧污泥床反應器(UASB),在4℃條件下對污水的處理進行了研究,并對氧化還原電位和pH值、廢水處理以及氣體生產和能源平衡進行了分析。結論如下:

1)化學需氧量(COD)去除主要是甲烷產生和硫酸鹽還原的組合,組合速率為12.5mgCOD/d;UASB和AnMBR的氧化還原電位降低率分別約為-1.32和-1.48/d;pH值最初處于增加趨勢,隨著時間的推移穩定在pH7.2±0.4。

2)當42天后,有機負荷率(OLR)基本恒定,平均每天污泥負荷率(SLR)為0.15kgCOD/m3。UASB和AnMBR的出水均符合COD法規,兩個系統均能有效去除COD。在AnMBR中,混合液對COD的處理率為57.0±9.6%,UASB的混合液對COD的去除率為91.5±10.3%。

3)AnMBR和UASB的甲烷生產速率均隨著時間呈上升趨勢,與UASB相比,AnMBR的硫酸鹽還原率更高。由于厭氧預處理不需要能量進行氧化,在4℃條件下甲烷化的生活廢水中可采用UASB提高甲烷生產率。