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UASB反应器处理PTA废水启动及污泥特性分析

发布时间:2018-10-27 7:50:12  中国污水处理工程网

  精对苯二甲酸(PTA)通常被用在薄膜、增塑剂和聚酯类材料等的生产中,是我国重要的有机原材料。随着我国PTA产业规模不断扩大,PTA废水的排放量越来越多,由于PTA废水主要污染物为芳香类化合物(对苯二甲酸(TA)、甲基苯甲酸(PT)和苯甲酸(BA)等),一旦进入环境,将会造成严重污染。此外,如果该废水得不到切实有效处理,必将成为各个企业的发展“瓶颈”。因此,关于PTA废水的处理研究受到越来越多的关注。PTA废水具有有机浓度高,水质组成复杂、可生化性差、具有一定毒性等特点,这也是研究的难点。

  由于厌氧生物技术具有承受高有机负荷、剩余污泥产量少、能源回收率高等优点,是目前处理PTA废水的研究热点。目前主要的厌氧工艺包括上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧生物滤池(AF)及厌氧内循环反应器(IC)等。JOUNG等采用AF反应器处理PTA废水,实现了连续15个月的稳定运行,COD去除率均达到85%以上。KLEEREBEZEM等在利用UASB降解PTA废水实验中也取得了良好的COD去除效果,并且发现,废水中BA容易被厌氧菌降解掉,而TA、PT则难于降解,BA对TA、PT的降解存在抑制作用,而且与进水有机负荷有关。此外,也有研究人员将生物膜技术与IC反应器结合起来降解PTA废水,缩短反应器启动时间,经过稳定运行后,COD去除率可达到80%。然而,目前在PTA废水生物处理的研究中主要集中于反应器的运行效果和目标污染物的降解机理,关于污泥形态和微生物群落结构的报道[13]较少。而掌握这些内容又可以在微生物水平上掌握反应器的运行状况。因此,全面掌握系统运行效能与污泥形态和微生物群落结构的响应关系,对PTA废水处理具有重要意义。本实验采用UASB反应器处理PTA废水,培养厌氧颗粒污泥,研究废水处理效果、颗粒污泥的形态及其产甲烷活性及群落结构,为PTA废水处理应用提供参考。

  1 实验部分

  1.1 实验装置

  实验装置见图1,UASB反应器材质为有机玻璃,整体高度60 cm,其中反应区高度35 cm,内径6 cm,有效容积约1 L。内径外侧为可温控水套,温度控制为35 ℃。反应器外壁自下而上设置6个取样口,取样口的内径是10 mm。反应区上部设置回流管,回流液可经过循环泵重新进入反应器。进水由蠕动泵从反应器底部进入。

  图1 实验装置示意图

  1.2 PTA废水及接种污泥

  实际PTA废水成分主要为TA、PT、BA,和少量的邻苯二甲酸和间苯二甲酸等,以及其他促进微生物生长代谢的微量元素,见表1。根据上述芳香类化合物在实际废水中的比例,本实验模拟废水以上述芳香类化合物为碳源,调节废水COD为5 000 mg·L−1。PTA废水进入反应器之前通过调节NaOH和HCl将pH控制在7.5左右。模拟废水成分见表1。接种污泥来自于哈尔滨市太平污水处理厂A2/O工艺中的厌氧段。取样时厌氧段污泥为黑色絮状厌氧污泥,混合液悬浮固体浓度(MLSS)为8 900 mg·L−1,混合液挥发性固体浓度(MLVSS)为6 500 mg·L−1,对应的MLVSS/MLSS为0.73。接种污泥在进入反应器前静沉0.5 h,去除上清液。最终污泥接种量占反应器有效容积的60%。

  表1 废水各组分浓度

   1.3 实验方法

  由于低负荷启动可减少反应器的污泥损失,降低抑制性物质的积累,因此本实验采用低负荷启动。在反应器启动过程中,采用逐渐提高进水负荷和减少HRT的运行方法进行。为快速提高接种污泥活性,第1阶段用葡萄糖代替模拟PTA废水作为碳源。随后往葡萄糖配水中逐渐加入PTA废水提高配水COD值,直至成分完全为PTA废水。启动过程按照PTA废水的比例分为6个阶段,见表2。在反应器进入下一个阶段之前,出水各项指标值达到稳定。在启动初期,通过内回流将进水流速提高至0.5 m·h−1,增加进水和底部污泥充分接触,去除系统中细小和老化污泥。当系统内产气量逐渐增多,可实现液体在反应器内部扰动,优化混合效果,此时逐渐减小回流量。

  表2 UASB反应器运行参数

  1.4 测试项目和方法

  常规分析参考《水和废水监测分析方法》,其中COD采用重铬酸钾法,碱度采用酸碱滴定法,VSS和SS采用重量法。pH用WTW Terminal 740测定仪测定。颗粒污泥沉降速率采用重量沉降法。厌氧颗粒污泥粒径采用激光衍射粒度仪(Mastersizer 2000, Malvern instruments Ltd., UK)测定。厌氧颗粒污泥的产甲烷活性采用史氏发酵法。TA、PT和BA等 PTA废水组分采用高效液相色谱法。挥发性脂肪酸(VFA)和甲烷含量采用气象色谱法。厌氧颗粒污泥的形态采用电子扫描电镜(SEM; JSM-5610LV, JEOL, Japan)观察。颗粒污泥的群落结构采用454高通量测序技术。

  2 结果与讨论

  2.1 UASB反应器的启动

  2.1.1 污染物的去除

  不同阶段内COD、容积负荷的变化见图2。在第1阶段前1周,反应器污泥流失现象严重,此时出水的悬浮物较高,水质变化也较大。原因是接种污泥中的老化污泥受到进水的冲刷,随出水排出反应系统。之后,随着出水悬浮物的减少,出水COD浓度也随之降低。在第19天,出水COD浓度降到了400 mg·L−1以下,去除率达到了80%以上,此时反应系统对应的容积负荷在0.8 kg·(m3·d)−1以上。反应器在此后的运行中,出水COD浓度逐渐降低,最终稳定在200 mg·L−1左右,对应的COD去除率在89%左右。接着反应器进入第2阶段,通过向进水中加入PTA废水,将进水中COD浓度提高至3 000 mg·L−1,并将HRT缩短至36 h,对应进水负荷为2.0 kg·(m3·d)−1。此时出水COD浓度上升到1 200 mg·L−1左右,说明系统抗负荷能力较弱。出水COD在波动一小段时间后逐渐降低,最终稳定在760 mg·L−1,此时对应的容积负荷提高到1.5 kg·(m3·d)−1。在第3阶段和第4阶段,继续增加进水PTA废水含量和缩短HRT,此时进水COD浓度达到最大设计值5 000 mg·L−1。在这2个阶段,尽管进水负荷逐渐提高,但是进水中含有容易微生物降解的底物(葡萄糖),因此,出水水质在10 d左右达到稳定,最终对应的容积负荷也达到4.0 kg·(m3·d)−1以上。在第5阶段和第6阶段,保持进水容积负荷不变,逐渐降低葡萄糖浓度,同时提高PTA废水浓度。在第5阶段初期,出水COD仍出现较大波动,而在第6阶段初期,尽管进水全部为PTA废水,但是出水COD并未出现较大波动,COD去除率均保持在80%以上,说明反应器启动成功,系统具有一定的抗负荷冲击能力,此时系统的容积负荷仍然在4.0 kg·(m3·d)−1以上。经过6个阶段(201 d)的运行,系统内黑色絮状的厌氧污泥成功培养成黑色椭圆形球状颗粒污泥,并具有明显光泽(见图3)。此时颗粒污泥的沉降速率和VSS/TSS分别为65.7 m·h−1 和0.75。

  图2 不同阶段内COD、容积负荷的变化

   图3 驯化后颗粒污泥形态

  反应器启动完成后,废水中的主要的污染物为TA和PT,不同阶段内目标污染物的去除效果见图4。经过UASB反应器处理后,两者浓度均有大大降低,TA和PT出水浓度分别为55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1,去除率分别为97.2%和83.6%。其他3种污染物BA、邻苯二甲苯和间苯二甲苯去除率均在95%以上。说明系统内微生物经过驯化后具有较强的降解苯类化合物的能力。LEE等采用两段序批式膨胀颗粒污泥床处理PTA废水,TA和PT的去除率分别为97.6%和75.2%,与本实验的结果相似。具体联系污水宝或参见http://www.taashnews.com更多相关技术文档。

  

图4 不同阶段内目标污染物的去除效果

  2.1.2 出水VFA、pH和碱度

  VFA是厌氧消化过程的重要中间产物之一,产甲烷菌以VFA为底物,在生长代谢过程中产生甲烷。pH和碱度也是重要的工程控制参数,影响微生物群落结构与代谢活性。出水VFA、pH和碱度随时间的变化见图5。反应器在启动初期,出水VFA较高,最高浓度达到68.3 mg·L−1,之后逐渐降低。尽管进水负荷逐渐增加,但是出水VFA浓度在60 d之后并未出现较大变化,出水VFA浓度逐渐趋于稳定,说明产甲烷菌数量增多或活性逐渐增强,反应器未发生酸化现象。在启动实验结束后,对出水VFA组分进行了检测,主要成分为乙酸,占90%以上,其余为丙酸和丁酸等。通过pH变化曲线,可以看出随着进水负荷的增加,出水pH呈逐渐降低趋势。但是出水pH一直处在6.7~7.5之间,并未发生太大波动,这是由于原水中碱度在1 500 mg·L−1左右,水质本身具有较强的抗酸化能力。出水碱度在启动初期低于进水,说明此时反应器内以酸化反应为主。随着培养的进行,产甲烷反应开始出现,出水碱度增加,最后稳定在2 000 mg L−1左右,属于1 000~5 000 mg L−1的正常范围以内。

  

图5 不同时间内出水pH、VFA和碱度的变化

  2.2 颗粒污泥的特征

  2.2.1 粒径

  在第2阶段末期,反应器底部出现了少量的细小颗粒污泥。随着培养的进行,沉降性能差的絮状污泥逐渐被淘汰,而颗粒污泥的数量逐渐增多,粒径也随之增大。在第3阶段末期,新生颗粒污泥逐渐增多,颗粒污泥的体积平均粒径为113.48 μm。进入第4阶段,通过提高进水负荷,颗粒污泥的体积平均粒径快速增长到227.33 μm,此时反应器内污泥已基本颗粒化。在第5阶段,颗粒污泥的体积平均粒径继续增长,在第5阶段末期,体积平均粒径增长到390.42 μm,说明颗粒污泥在第4阶段和第5阶段处在快速生长期。第6阶段,进水全部采用PTA废水,经稳定运行后COD去除率很快达到80 %以上。此时颗粒污泥的体积平均粒径增长到416.53 μm。说明颗粒污泥进入了生长平稳期,并趋于成熟,反应器内污泥实现颗粒化。不同阶段颗粒污泥粒径的具体参数见表3。

 表3 颗粒污泥的特征参数

  2.2.2 污泥形态

  经过201 d的启动实验,反应器内的颗粒污泥基本培养成熟。成熟的颗粒污泥为黑色,卵状,具有清晰的表面边界(图3)。为了更清晰、直观地了解颗粒污泥形态,对其进行了扫描电镜观察,见图6。颗粒污泥表面存在丰富的菌胶团,杆菌和丝状菌镶嵌其中。菌胶团有助于微生物的聚集,加速污泥颗粒化过程。产气微生物在代谢活动中产生的CO2、CH4等气体在颗粒污泥内部形成孔隙,这进一步促进微生物与基质接触、吸附和物质交换,同时也加强了微生物间的协同作用。

  图6 颗粒污泥扫描电镜

  2.2.3 产甲烷活性

  污泥的产甲烷活性是厌氧污泥的重要生理指标,反映污泥的产甲烷潜力。在不同阶段稳定期内,污泥比产甲烷活性见图7。在第1阶段,进水负荷较低,污泥处在驯化期,此时产甲烷活性也较低,只有14.4 mL·(g·d)−1。随着污泥继续驯化,进水负荷持续升高,产甲烷活性在第2阶段达到了26.3 mL·(g·d)−1。随着颗粒污泥的出现,在第3阶段,产甲烷活性增加到41.8 mL·(g·d)−1。在第4阶段和第5阶段,颗粒污泥进入快速生长期,产甲烷活性也呈现对数增长。到了第5阶段末期,产甲烷活性增加到113.7 mL·(g·d)−1。在第6阶段末期,产甲烷活性最终稳定在121.2 mL·(g·d)−1,相比上一阶段,产甲烷活性变化幅度较小,说明颗粒污泥已经进入生长的稳定期,产甲烷活性已经达到最大。

 

 图7 污泥在不同阶段的产甲烷活性

  2.2.4 群落结构

  启动实验完成后,提取颗粒污泥样品DNA,然后进行高通量测序,确定反应系统内的主要微生物类型和群落结构。如表4所示,样品获得12 057条有效古菌序列以及13 896条有效细菌序列。在相似水平为97%时,样品所含操作分类单元(OTU)数分别为47个古细菌以及251个细菌。颗粒污泥群落结构见图8。互营杆菌属(Syntrophorhabdus)是苯类工业废水生物处理系统中常见菌种,可以降解苯酚、BA、4-羟基苯甲酸和邻苯二甲酸异构体等芳香族化合物。本实验中Syntrophorhabdus占细菌量的27.4%,这与之前研究的实验结果相似,LI等采用上流式厌氧固定床处理模拟PTA废水,反应系统中Syntrophorhabdus占23.7%。厌氧绳菌(Anaerolinaceae)也是降解TA类化合物微生物,占细菌量7.8%,但是降解机理仍然不清楚。古细菌属中与产甲烷有关的菌种主要为乙酸营养型产甲烷鬓菌(Methanosaeta)和少量的氢营养型甲烷绳菌属(Methanolinea),数量分别占古细菌总量的67.3%和13.2%。而MA等在实验中发现PTA废水有助于氢营养型产甲烷菌代谢生长,抑制乙酸型产甲烷菌。在本实验的大部分时间内(前5个阶段),PTA废水含有葡萄糖,葡萄糖容易被微生物降解,生成乙酸,因此,减少了PTA废水对乙酸型产甲烷菌的抑制作用。

  图8 启动完成后属水平上颗粒污泥群落结构

  表4 样品的测序信息及多样性指数

  3 结论

  1)历时近200 d的运行,完成了UASB反应器在PTA废水处理的启动实验。反应器的容积负荷达到4.0 kg·(m3·d)−1以上,COD的平均去除率在80%以上。主要污染物TA和PT的出水浓度分别为55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1,去除率分别为97.2%和83.6%。

  2)成熟的颗粒污泥体积平均粒径为416.53 μm,产甲烷活性达到121.2 mL·(g·d)−1。颗粒污泥表面存在大量菌胶团,杆菌和丝状菌镶嵌其中。在颗粒污泥内部存在孔隙促进微生物与基质接触、吸附和物质交换,同时也加强了微生物间的协同作用。

  3)在微生物类型和群落结构的研究中,Syntrophorhabdus是降解PTA废水中苯类污染物的重要微生物,占细菌量的27.4%,而Methanosaeta则是主要的产甲烷菌,占古细菌总量的67.3%。(来源:环境工程学报 作者:李俊生)

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