上流式厌氧反应器对污水处理的研究

任怀智

(陕西省水务集团 略阳县水务有限公司,陕西 略阳724300)

1 概 述

随着经济的发展,生活污水和工业废水的排放日益增多。未经处理的污水直接排放到自然环境中,会破坏生态平衡,对环境造成严重污染。如污水处理不当,将会导致大量的经济损失,严重时会危害人体健康。因此,针对在治理污水的同时,提取污水内的能量,实现废水再利用,许多学者进行了多方面研究。张海亚等[1]对城镇污水处理厂碳排放现状及减污降碳协同增效路径进行了研究,结果表明,在污泥处理处置过程中,采取厌氧消化+沼气发电的方式,温室气体排放量较少。王沁意等[2]对污水处理过程CH4与N2O排放监测进行了研究,分析了污水处理过程中温室气体排放的主要影响因素。张睿[3]通过分析市政污水处理现状,阐述了市政污水处理及回收利用的必要性。张晓亮[4]通过论述城市污水处理对环境的影响,分析了环境工程中城市污水处理存在的问题,并提出了具体的解决对策。易佳佩等[5]分析了工艺污水处理厂中PPCPs的浓度和去除效率,结果表明,污水处理厂对大部分目标污染物的总去除效率达到80%以上。赵只增等[6]分析了污水处理中节能低碳技术应用现状,提出了加强污水处理中的节能措施。

以上文献研究了污水处理对环境的影响,并分析了污水处理碳排入现状。本文参考上述研究成果,通过设置上流式厌氧污泥床反应器(UASB),在4℃条件下对污水的处理进行研究,并对氧化还原电位和pH值、废水处理以及气体生产和能源平衡进行分析。

2 试验材料与方法

2.1 反应堆设置和运行

试验设置2个1L的上流式厌氧污泥床反应器(UASB),反应器高度和直径的比值为1∶6,高度600mm,上行流速0.65m/h。污水处理采用冷适应接种物接种,接种物为17.2±2gTSS/L和1.2±0.15gVSS/L溶液混合而成。其中,TSS为水体或液体中悬浮的固体颗粒总量浓度,VSS为挥发性固体悬浮物。

两个UASB中的一个配备了聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜单元,纤维膜为疏水性材料,孔径0.1μm。两个反应器都配备了用于气体储存的气囊,并配有样品端口,两个反应器的软管需经常清洗,防止生物膜的形成。在纤维膜的下游设置注射器,方便评价膜的阻力,保护膜免受过压和损坏。

从污水处理厂收集初级沉降的生活污水,该基质化学需氧量(COD)浓度变化较大(320～640mg/L),部分颗粒富含脂质,基质的挥发性悬浮固体(VSS)波动很大,其浓度在32～480mg/L之间。在分批进料的水解-发酵试验中,估计硫酸盐还原、甲烷生成和总COD去除率,试验在20天内分24期进料,然后其中一个UASB接收膜单元并转化为厌氧膜生物反应器(AnMBR)。两个反应器连续进料,调节流量以提供3.5天的所需水力停留时间(HRT),上行流速保持在0.9m/h。在AnMBR中,膜通量(LMH)设定为0.5L/(m2·h)。

由于接种物中存在低群体,选择增加HRT和低LMH,以防止堵塞,减少了膜的反洗和清洗,对于膜的反洗和清洗,每天需放松30min;进行2次HRT反洗,时间持续30min。

启动污泥负荷率(SLR)最初为每天0.25kgCOD/kgVSS,由于接种物最初为富含植物材料的土壤和沉积物,因此并非所有VSS都包含细菌。预计每毫升接种物的细胞数约为5.2×107,使用每个细胞12～15gVSS的细菌质量,相当于在SLR为48±1.6kgCOD /kgVSSba的情况下启动。由于生物质的性质(沉积物而非厌氧污泥),该操作可能存在太多变量。

2.2 化学分析

使用气相色谱法(GC)监测顶部空间(气囊)中的CH4体积(%),使用气密注射器将50μl的气体样品注射到配有FID检测器和HP-PLOTQ柱 (基于键合的苯乙烯-二乙烯基苯(DVB)的色谱柱)中。该柱直径0.32mm,长度30m,薄膜20μm。混合液和流出物中溶解的甲烷在25℃条件下剧烈摇晃后,从封闭的60ml惠顿小瓶中取20ml样品中,定量(%)测量形成的甲烷。

对生物质的VSS含量进行重量估算。使用无菌注射器从反应器中取出液相样品,并将其转移到无菌的2ml微量离心管中,然后在13 000×g下离心4min,以获得用于分析的上清液。采用离子交换色谱法分析上清液,其中SO42-在装有自动采样器的离子色谱仪中过滤(0.45μm)后进行测量。根据在24h内通过膜的流出物体积来估计膜通量,测量进水、出水和混合液中的总COD和可溶性COD。

2.3 产甲烷活性测定

试验结束时,在浓度为1 200mgCOD/L的情况下,使用两种直接产甲烷基质(乙酸盐和甲酸盐),在100ml玻璃瓶中(带橡胶硼硅酸盐密封)评估反应器中开发的生物质产甲烷活性。添加的生物量F∶M(gCOD∶gVSS)约为1∶2,根据操作温度和常用分析温度,选择分析的操作温度为4℃和36℃,并包括未处理生物质的对照,即采用蒸馏水进料,所有处理均操作两次。在培养前,pH设定为7.0±0.2,甲烷每天测量2次,每次间隔12h。在测定开始时,测定每克VSS并进行qPCR(利用PCR技术定量检测DNA或RNA的方法)计数,结果表示为每个产甲烷细胞的活性。对于废水产生的活性,采用与上述相同的基于细胞方法,并通过qPCR计数间隔产生的甲烷,除以两个数据点之间测量的平均细胞数,该试验天数为8、40、56、64、72、136和184天。

3 试验结果与分析

3.1 批量试验分析

在连续操作之前,反应器作为具有内部循环的分批进料反应器操作,以评估生物转化率,包括水解/发酵、硫酸盐还原、甲烷生成和COD去除。初始性能表明,接种物中的冷适应细胞可以利用废水中存在的底物,见图1,试验运行流程从左至右。

图1 反应器运行期间生物转化效率

该试验期间的速率限制步骤是水解-发酵,COD去除主要是甲烷产生和硫酸盐还原的组合,组合速率12.5mgCOD/d。生物COD减少过程占减少量的68%,产生7.0mgCOD/d的质量平衡间隙,并将其归因于部分物质未水解。由于这些化合物通常与生物量有关,较难检测,因此通常不进行COD测量采样。

3.2 氧化还原电位和pH值

在最初的分批进料期之后,使用连续进料方式操作反应器,在两个反应器(UASB和AnMBR)其中一个中加入膜单元(MBR)。在运行过程中监测184天。监测到的大部分参数均从第42天开始变化,由此可知,在该阶段细胞开始适应底物和温度。

在试验中,氧化还原电位(ORP)在第42天(小于-120mV)后,明显降低至厌氧环境的水平。两个系统(UASB和AnMBR)中ORP均出现减少现象,见图2。但速率略有不同,相较于UASB,AnMBR速率呈明显增大趋势,适应更快。UASB和AnMBR的氧化还原电位降低率分别约为-1.32和-1.48/d。在氧化还原电位继续下降阶段,可以预测两种反应器设置约210天时,其电位将达到预设水平。pH值最初处于增加趋势,随着时间的推移,稳定在pH7.2±0.4(图2),此过程为最佳的厌氧过程,表明预期的水解-发酵是有限的。

图2 反应器中ORP和pH的变化

3.3 操作负载分析

从第42天开始,OLR(有机负荷率)基本恒定,见图3。平均每天0.15kgCOD/m3或每天0.25kgCOD/kgVSS作为SLR(污泥负荷率)。相较于传统的中温操作,此项数据相对较低。但反应器中的大量生物质为相对惰性的植物材料,每个细菌的载量可能要高得多。对于每毫升大约8.5×104个产甲烷细胞,假设每个细胞产甲烷10-12gVSS,产甲烷污泥为0.045gVSS/m3。该反应器在类似温度下运行1 150天加入VFA(挥发性脂肪酸)中间体,相对传统的中温接种物,使用冷适应接种物(4℃下)适应的优势极为显著。

3.4 污水处理分析

在运行后0～42天阶段内,试验中两个系统UASB和AnMBR的COD出水质量良好,见图4(a)。在第42天后,两个系统的出水均符合COD法规,但UASB需更多的时间才能达到符合法规的水平。而sCOD(溶解性化学需氧量)的结果与此类似,见图4(b)。其中,与UASB相比,AnMBR中颗粒COD的裂解稍微更为稳健,见图4(c)和图4(d),有利于形成不同的生物膜。两个系统之间的出水COD仅在第42天略有不同,由此可知,两个系统均能够去除COD。对于AnMBR和UASB,OLR可逐渐增加,对出水质量无明显影响,而流出物中固体的状态遵循类似的趋势,AnMBR具有较高的效率,见图4(e)。由于COD去除效率高,在实际污水治理中,当流出物被进一步处理去除氨时,不需要额外的氧气输入来去除污水中的COD和sCOD,从而将氧气的理论输入减少1.6kgO2/kgBOD,其中BOD为生化耗氧量。

在AnMBR中,混合液对COD的处理率为57.0±9.6%,其余有机物均被生物膜去除;UASB的混合液对COD的去除率为91.5±10.3%;对于sCOD、AnMBR和UASB的混合液分别去除58.3±9.2%和73.8±5.6%。研究表明,该生物膜是活性的,在整个操作过程中,由于操作温度和负载,造粒并不明显。从试验结果预测,在低温下造粒是可行的,但缓慢的代谢率会对基于细胞的团聚体产生负面影响,使其很难保存。

图4 系统运行中进水和出水的演变

3.5 气体生产和能源平衡

AnMBR和UASB的甲烷生产速率均随着时间呈上升趋势。两个系统均运行良好,AnMBR系统的加速度稍快,见图5,AnMBR和UASB的速率分别提高0.0039和0.0034mmol/HRT。在4℃条件下,在流出物中发现大量甲烷,AnMBR和UASB分别为16.2±5.8%和24.8±10.3%。

在初步批处理阶段,硫酸盐的减少对COD的去除起到了预期的作用,与UASB相比,AnMBR的硫酸盐还原率更高。AnMBR和UASB系统的总甲烷产量都很低,UASB几乎能够达到能量中性-0.0015±0.016kWh/m3,而AnMBR达到-0.3216±0.008kWh/m3。假设污水中的所有甲烷都可以回收,在进水中SO4耗尽或不存在的情况下,UASB的平衡变为正,AnMBR保持能量负,分别为0.0684±0.036和-0.296±0.037kWh/m3。由此表明,该厌氧(预)处理技术不需要能量进行氧化,在深度处理即运行中使用膜的情况下,在4℃条件下甲烷化生活废水中的COD通常不足以支撑能源中性,但可采用更简单的设置(即UASB)提高甲烷生产率。

图5 系统中甲烷生产速率

4 结 论

本文通过设置上流式厌氧污泥床反应器(UASB),在4℃条件下对污水的处理进行了研究,并对氧化还原电位和pH值、废水处理以及气体生产和能源平衡进行了分析。结论如下:

1)化学需氧量(COD)去除主要是甲烷产生和硫酸盐还原的组合,组合速率为12.5mgCOD/d;UASB和AnMBR的氧化还原电位降低率分别约为-1.32和-1.48/d;pH值最初处于增加趋势,随着时间的推移稳定在pH7.2±0.4。

2)当42天后,有机负荷率(OLR)基本恒定,平均每天污泥负荷率(SLR)为0.15kgCOD/m3。UASB和AnMBR的出水均符合COD法规,两个系统均能有效去除COD。在AnMBR中,混合液对COD的处理率为57.0±9.6%,UASB的混合液对COD的去除率为91.5±10.3%。

3)AnMBR和UASB的甲烷生产速率均随着时间呈上升趋势,与UASB相比,AnMBR的硫酸盐还原率更高。由于厌氧预处理不需要能量进行氧化,在4℃条件下甲烷化的生活废水中可采用UASB提高甲烷生产率。