UASB處理飲料廢水的工藝研究

【資料簡介】

    UASB是厭氧反應器中應用zui廣泛的反應器,具有負荷高、能耗低、可產生生物能等特點,被用于處理啤酒、酒精、制藥、淀粉、化工、檸檬酸和碳酸飲料等行業(yè)排出的有機廢水。飲料廢水具有有機物含量高、可生化性好的特征,尤其適合采用UASB 反應器進行處理。

　　厭氧顆粒污泥活性高,沉降性能好,實際工程由于環(huán)境條件復雜很難培養(yǎng)出顆粒污泥。實驗室關于厭氧污泥顆粒化的研究比較多,但對于實際工程中污泥顆粒化的研究較少。影響污泥顆粒化的因素有溫度、pH 值、有機負荷、水利條件、基質特性、營養(yǎng)物質、重金屬、接種污泥等。氮、磷等營養(yǎng)物是微生物生長所必需的組分,在厭氧生物處理過程中也是如此。微生物對氮、磷等營養(yǎng)物的需求非常復雜,文獻研究發(fā)現(xiàn),基質中過量的氮磷有助于厭氧污泥的顆粒化進程,但是很多工業(yè)廢水普遍存在N 營養(yǎng)缺乏的問題;GOODWIN 等認為,營養(yǎng)物(如磷,鎂,鈣和微量元素)不足,會降低厭氧顆粒污泥中EPS 含量,進而影響污泥的顆粒化程度。對現(xiàn)有文獻的檢索未發(fā)現(xiàn)有專門針對N 營養(yǎng)缺乏影響厭氧污泥顆粒化進程的研究,鑒于氮磷等營養(yǎng)物在微生物增殖方面的重要作用,所以探討氮營養(yǎng)物在污泥顆粒化進程中的作用很有必要。

　　西安中萃可口可樂飲料有限公司的廢水采用UASB 工藝進行處理,自2001 年投入運行以來,處理效果良好;但反應器中的污泥一直為絮體形態(tài)[7] ,在旺季處理負荷較高時,造成污泥流失,出水SS 增高。本研究通過對進水水質進行監(jiān)測,探討氮營養(yǎng)物在污泥顆粒化進程中的作用,主要體現(xiàn)在以下3 個方面:1)通過測定反應器進出水水質、產氣量、氣體組分等評價UASB 反應器的處理性能;2) 分析污泥顆粒化的成因;3)采用激光粒度儀和熒光原位雜交(FISH)技術對污泥的顆粒化過程以及顆粒污泥的形態(tài)、微生物種群等進行研究。

　　1　材料與方法

　　1. 1 反應器及運行參數(shù)

　　1. 1. 1 反應器運行參數(shù)

　　UASB 反應器平面尺寸為14 m × 10 m,總高度6. 5 m,有效反應器高度為4. 8 m,總工作容積為667 m3 。采用穿孔管配水,布水面積139 m2 ,空塔水流上升速度< 1 m·h - 1 。出水槽長14 m,寬1 m,深2. 75 m。厭氧池設有回流管,當廢水量較低時,將出水部分回流以保證UASB 中足夠的上升流速。

　　設計zui大流速為30 m3 ·h - 1 ,設計zui大流量為2 000 m3 ·d - 1 ,設計水力停留時間為10 ~ 15 h。設計COD 負荷為6 kg·(m3 ·d) - 1 ,沼氣產率為0. 4 m3 ·kg - 1 ;投入運營后,由于工藝變化及清潔生產改進等,排水量及濃度均較設計值大幅減少,實際日處理平均水量為463. 10 m3 。運行溫度為25 ~ 29 ℃ 。

　　1. 1. 2 進水水質

　　該飲料廠主要生產可樂、雪碧、芬達和瓶裝飲用水。UASB 的進水為生產過程中產生的廢水和廠區(qū)生活污水的混合廢水,其中生產廢水主要來源于車間的洗瓶水、設備清洗水、水線的反滲透(RO)設備排出的濃水等,生產廢水中的污染物以糖分為主,進水中的COD、氨氮濃度見圖1。

　　1. 2 分析方法

　　1. 2. 1 常規(guī)分析

　　參照文獻所的標準分析方法,COD 采用重鉻酸鉀法、pH 值采用玻璃電法、VSS 和SS 采用重量法、氨氮采用納氏試劑比色法、磷酸鹽采用鉬銻抗分光光度法測定。VFA 和氣體組分采用氣相色譜法測定(Agilent 6 890 N GC / FID 和Agilent 6 890 N GC / TCD)。

　　1. 2. 2 污泥粒徑分布測定

　　厭氧污泥粒徑分布采用激光衍射粒度儀(LS230 / SVM,BECKMEN,USA) 進行測定,粒度測定范圍為0 ~ 2 000 μm。

　　1. 2. 3 污泥形態(tài)和結構

　　污泥絮體和顆粒形態(tài)采用光學顯微鏡(Nikon ECLIPSE 90i)的相差模式直接進行觀察。

　　1. 2. 4 zui大比產甲烷活性

　　顆粒污泥zui大比產甲烷活性(specific methanogenic activities,SMA)采用血清瓶實驗法。

　　1. 2. 5 微生物種群分析

　　顆粒污泥中微生物種群采用熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization,FISH)法進行檢測。FISH方法的具體操作步驟如下:顆粒污泥樣品固定采用4% 多聚甲醛于4 ℃ 下固定6 h,將顆粒污泥浸泡于冷凍切片包埋劑(SAKURA Tissue-Tek? O. C. T. Compound,USA) 中12 h,使包埋劑滲透至顆粒內部。然后,將包埋的泥樣置于- 20 ℃ 下冷凍,采用冷凍切片機(Leica CM 1950,Germany)進行切片,切片厚度為20 μm。取切片所得污泥樣品于明膠載玻片上,室溫過夜干燥。將干燥后的污泥載玻片依次置于50% 、80% 和 (體積比)的乙醇溶液中各3 min 對細胞進行脫水后,取出后風干。取適量的探針使用液(探針溶液(50 ng·μL - 1 )與雜交緩沖液(去離子甲酰胺濃度為20% )按照體積比1 ∶ 8 混合,避光,于46 ℃ 中預熱數(shù)分鐘)涂于載玻片的樣品上,然后將載玻片迅速移入雜交管中,于46 ℃ 下避光雜交3 h。雜交完成后,取出載玻片進行洗脫處理并立即風干封片。雜交的具體操作方法依據(jù)NIELSEN 等 編寫的《FISH 操作技術手冊》和于莉芳采用的方法進行。檢測所用寡核苷酸探針及雜交條件等見表1。采用激光掃描共聚焦顯微鏡(LEICA TCS SP8)進行觀察。

 表1　實驗所用寡核苷酸探針

　　2　結果與討論

　　2. 1 處理效果

　　針對UASB 中的污泥形態(tài)主要為絮狀污泥,沉淀效率較低的情況,對進水水質進行全面分析。圖1為2014 年9 月至2015 年9 月UASB 反應器進出水COD、氨氮含量、產氣量及容積負荷等監(jiān)測結果。如圖1 所示,未投加N 源時(對應于1 ~ 60 d),進水中平均氨氮濃度為2. 25 mg·L - 1 (圖1(a)),C / N 比高達800 多,氮營養(yǎng)明顯缺乏。反應器中污泥仍是絮體形態(tài),沉降性能差,經常會引起污泥流失,導致出水SS 增高。進水COD 變化范圍為800 ~ 3 500 mg·L - 1 (圖1 ( b)),出水COD 為100 ~ 300 mg· L - 1 ,COD 去除率為84. 55% 。投加N 源后(60 d 以后),使得進水中氨氮濃度維持在15 ~ 20 mg·L - 1 ,C / N比約為130,1 周后即在反應器中觀察到部分小的顆粒污泥。隨著運行時間的延長,顆粒污泥的含量逐漸升高,約3 個月(對應于150 d)后,污泥*顆粒化,其后一直維持在穩(wěn)定狀態(tài)。顆粒化后,COD 去除率提高到92. 5% ,出水SS 濃度降低。說明營養(yǎng)物(氮) 濃度對UASB 污泥顆粒化具有十分重要的作用。

　　飲料廢水水量和水質波動較大,測定期間,水量變化范圍為30 ~ 865 m3 ·d - 1 ,反應器日平均產氣量達到300 m3 ,單位容積的日平均產氣量為0. 46 m3 ·(m3 ·d) - 1 (圖1(c)),折算為去除每kg COD 平均產甲烷0. 3 m3 。顆粒化后UASB 反應器去除率高達92. 5% ,比未顆粒化時提高了約8% ,對應的COD 容積負荷變化范圍為0. 08 ~ 3. 2 kg·(m3 ·d) - 1 (圖1(d)),遠遠小于該廢水處理系統(tǒng)設計的COD 負荷。盡管進水COD 濃度有較大的波動,但出水水質穩(wěn)定,說明UASB 反應器對飲料廢水具有較好的適應性和很強的耐沖擊負荷能力。

　　VFA 是厭氧消化過程中重要的中間產物,是反應器運行控制的一個重要指標。一般認為,出水VFA濃度(以乙酸計)低于200 mg·L - 1 時,反應器運行狀態(tài),VFA 濃度過高會產生酸積累,超過800 mg·L - 1 時系統(tǒng)就會有酸化的危險[14] 。本實驗中定期對VFA 進行監(jiān)測,測得出水中平均VFA 濃度(以乙酸計)為36. 17 mg·L - 1 ,遠小于200 mg·L - 1 ,說明該系統(tǒng)運行良好。

　　2. 2 污泥顆粒化分析

　　顆粒化前后反應器中污泥形態(tài)見圖2 和圖3。可見,在未顆粒化時,反應器中污泥呈深黑色,主要為絮體,結構較松散,絮體外圍分布有大量絲狀細菌(見圖2(a))。隨著反應器的運行,污泥絮體不斷聚集,形成粒徑較大且密實的顆粒態(tài)污泥。如圖2(b)所示,成熟的厭氧顆粒污泥呈黑色,形狀多數(shù)是相對規(guī)則的球形或橢球形,表面邊界清晰。運行至第150 天后,厭氧反應器中的污泥基本完成顆粒化。

　　為了追蹤UASB 中厭氧污泥顆粒化的進程,實驗對反應器中污泥粒徑分布的變化進行了測定,其中粒徑大于0. 5 mm 的污泥占總污泥量的比例達到了58. 63% (見圖3),成熟的顆粒污泥的沉降速度達到約60 m·h - 1 。

　　2. 3 顆粒污泥的zui大比產甲烷活性

　　厭氧生物處理過程中,單位污泥單位時間產生的zui大甲烷量(SMA)是評價污泥活性的重要指標。測定期間,絮體污泥(投加氯化銨前)以乙酸、丙酸和丁酸為基質的SMA 分別為1. 07、0. 87 和0. 63 g·(g·d) - 1 (以VSS 計)[7] ;污泥顆粒化完成后,顆粒污泥的SMA 分別為0. 69、0. 47 和0. 39 g·(g·d) - 1 。很明顯,污泥顆粒化后,其對應的活性反而有所降低,這是因為西安可口可樂公司UASB 進水的COD 負荷較低,污泥停留時間較長,當顆粒化后,沉淀性能大幅提高,反應器中污泥的平均濃度由顆粒化的28. 12 mg·L - 1 大幅增加到63. 28 mg·L - 1 ,較高的污泥齡造成污泥中的活性成分降低,污泥中的甲烷菌含量降低。

　　將基于混合菌群的污泥產甲烷活性定義為表觀活性(即采用Serum Bottles 測定的活性),而基于各目標微生物(乙酸營養(yǎng)型甲烷菌和氫營養(yǎng)型甲烷菌)的產甲烷活性為真活性。表觀活性除以目標菌群在厭氧污泥中所占的比例即為相應菌群的真活性。經計算,絮體和顆粒污泥以乙酸、丙酸和丁酸為基質的真活性(折算為COD)分別為1. 99、1. 62、1. 17 和2. 13、1. 43、1. 19 g·(g·d) - 1 (以甲烷菌計)。盡管顆粒污泥的表觀活性比絮體污泥低,但是兩者的真活性基本接近。表2 對比了實際UASB 反應器處理不同種類廢水的污泥形態(tài)、容積負荷以及污泥分別以乙酸、丙酸和丁酸為基質的產甲烷活性。可以看出,在容積負荷和溫度大致相同的條件下,顆粒污泥和絮狀污泥的表觀產甲烷活性差異較大,這與相應污泥中甲烷菌的含量差異較大有關。

 表2　UASB 反應器處理不同廢水的表觀產甲烷活性對比

　　2. 4 微生物種群分布特性觀察

　　在厭氧生物處理中,參與的微生物主要分為3 類,即發(fā)酵細菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌,三者之間存在互營關系。3 類微生物在顆粒污泥中的空間分布主要與基質種類、濃度、負荷以及水力條件(擴散)等相關。現(xiàn)有研究表明,厭氧微生物種群在顆粒污泥中的分布主要有層狀分布或非層狀分布2 種結構。當基質容易水解、濃度較低、負荷較小、水力條件較差、擴散限制時,易形成層狀結構;反之,易形成非層狀結構。如BATSTONE 等 通過研究基質動力學對UASB 反應器中顆粒污泥微生物種群分布的影響,發(fā)現(xiàn)處理果汁廢水(主要為碳水化合物,容易降解)的厭氧顆粒污泥呈層狀結構,顆粒外層為高密度的產酸菌,甲烷菌和微生物互營體系分布在顆粒中心;處理蛋白廢水(水解較碳水化合物難)的厭氧顆粒污泥密度較低且沒有明顯的分層結構,參與有機物降解的微生物均勻分布于污泥顆粒內。

　　為了分析顆粒污泥中各類微生物的空間分布情況,本實驗采用FISH 方法對顆粒污泥種群結構進行原位檢測,結果見圖4。

　　王紅葉等對反應器中污泥絮體的FISH 檢測結果表明,絮體中的菌膠團主要為發(fā)酵細菌和產氫產乙酸菌,絮體中分布的絲狀菌主要為甲烷菌,同時還有少量甲烷球菌和甲烷桿菌,其中甲烷菌在污泥絮體中所占比例為46. 3% ,保證了系統(tǒng)較高的產甲烷能力,從而使厭氧過程順利進行。圖4(a)為顆粒污泥切片的FISH 圖,厭氧微生物遍布整個顆粒污泥內,且顆粒中心沒有觀察到明顯的無機核區(qū)。可見,顆粒污泥種群分布表現(xiàn)為層狀結構( layered structure),顆粒的表層主要為發(fā)酵產酸球菌(圖4(b)),在顆粒內部,產酸菌與乙酸營養(yǎng)型甲烷菌、產酸菌與氫營養(yǎng)型甲烷菌形成的互營體系均勻分布在顆粒污泥內,有利于減小種間氫和乙酸的傳質阻力,從而為甲烷菌利用基質提供了有利的條件,促進產甲烷活性。通過MSMX860 探針標記發(fā)現(xiàn),顆粒污泥中乙酸營養(yǎng)型甲烷菌主要以球菌形式存在(圖4(c)),并且有少量的桿狀甲烷菌,而被MB1174、MC1109 和MG1200探針標記的氫營養(yǎng)型甲烷菌則以桿菌為主(圖4(d))。其中甲烷菌(包括乙酸營養(yǎng)型和氫營養(yǎng)型甲烷菌)的比例占到約32. 84% ,這比絮體污泥中甲烷菌的所占比例小很多,也是造成顆粒污泥表觀活性變小的主要原因。

　　3　結論

　　實驗通過對西安可口可樂飲料有限公司污水處理站的UASB 反應器各項指標的連續(xù)監(jiān)測,得到如下結論:

　　1)發(fā)現(xiàn)UASB 反應器中污泥開始顆粒化,而這一現(xiàn)象與進水中氨氮含量增加有很大的關系。150 d后,反應器中污泥基本完成顆粒化,粒徑大于0. 5 mm 的顆粒占到54. 66% ,顆粒污泥有比較高的沉速和活性,顆粒污泥以乙酸、丙酸和丁酸為基質時的zui大比產甲烷活性分別為0. 69、0. 47 和0. 39 g ·((g·d) - 1 )(以VSS 計)。

　　2)反應器的處理效果表現(xiàn)如下:對COD 去除率達到92. 5% ,比未顆粒化時提高了約8% ,沼氣中甲烷組分含量高達75. 27% 。反應器日平均產氣量達到300 m3 ,折算為去除每公斤COD 平均產甲烷0. 3 m3 。

　　3)顯微鏡和FISH 方法的觀察結果表明,反應器中厭氧顆粒污泥呈黑色,形狀大多數(shù)是相對規(guī)則的球形或橢球形,邊緣清晰且光滑;厭氧微生物遍布整個顆粒污泥內,且顆粒中心沒有觀察到明顯的無機核區(qū)。顆粒污泥中種群分布表現(xiàn)為層狀結構,發(fā)酵產酸細菌分布于顆粒外層,而甲烷菌分布于顆粒內層。