UASB反应器处理造纸废水不同高度的污泥特性

Posted 2023-01-12 反应器

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为探讨上向流污泥床(UASB)反应器不同高度处的污泥特性，研究了生产性UASB反应器(总高7.2m)处理造纸废水时不同高度的污泥外观形态、稳定性及其产甲烷活性.结果显示，VS、TS、VSS、TSS浓度随着在反应器中取样高度的增加逐渐降低，并在距离反应器底部2.20m高度处出现分层.反应器1.20m和3.45m高度处的溶解性COD值较大(900mg.L-1以上).反应器1.20m处污泥的稳定性较好(VS/TS较低)，固体浓度较高(TS136g.L-1，VS75g.L-1)，产甲烷活性较高(0.16g.g-1.d-1，以每gVSS中的COD计)，颗粒较大(平均当量直径为308μm).UASB反应器处理造纸废水不同高度的污泥颗粒外观形态虽有差异，但污泥的生物活性近似.
文章编号：0253-2468(2012)12-2929-06中图分类号：X703文献标识码：A
1.引言
上向流污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBed，UASB)反应器是开发最早、应用最普遍的高效厌氧反应器之一(vanLier，2008).迄今，全球安装的UASB反应器已经超过3000座，主要用于处理食品加工行业产生的废水，诸如饮料、土豆、淀粉和糖类加工行业废水(Tchobanoglousetal.，2003；vanLier，2008)；其次是处理造纸行业产生的废水(Habetsetal.，1985)和生活污水，大约有10%～15%的厌氧反应器用于处理纸浆和造纸废水(vanLier，2008).
UASB反应器处理生活污水主要应用在一些热带国家或地区，这些地方的生活污水温度在24～27℃之间(vanHaandeletal.，1994).水解是厌氧消化的限速步骤，在低温(5～20℃)条件下水解速率大大降低，这就限制了UASB反应器在处理低温生活污水方面的应用.针对低温污水的厌氧处理，LettingaandHulshoffPol(1991)设计出一种UASB反应器与厌氧消化池集成的处理系统.该系统将UASB反应器中的少部分污泥回流到厌氧消化池，经过厌氧消化后，将消化污泥返回到UASB反应器中，提高UASB反应器中污泥的活性，从而提高UASB反应器低温污水的效率.Mahmoud等(2004)研究了这种中试集成系统处理低温污水的效率，结果表明，总COD与悬浮COD去除率分别达到了66%和87%，并且产甲烷效率从单一UASB反应器的20%提高到了集成系统UASB反应器的47%.这种集成系统的应用需要解决的关键问题包括UASB反应器污泥回流的位置及集成系统处理低温污水的效能，另外，消化池的污泥停留时间也是研究的关键问题之一.而目前关于这种集成系统的生产性试验未见报道.
关于UASB反应器不同高度的污泥特性研究已经在不同规模的反应器中有报道.Mahmoud等(2004)研究发现，UASB反应器(处理生活污水的中试规模)中总固体和挥发固体的浓度从底部到顶部逐渐降低，在40%高度处出现分层，而污泥的稳定性(VS/TS)从底部到顶部一致.An等(2009)的研究显示，总悬浮固体和挥发性悬浮固体浓度随UASB反应器(处理生活污水中试规模)高度的增加逐渐降低，而反应器顶部挥发性悬浮固体与悬浮固体的比值(有机质含量)降低是因为后续膜系统的应用使无机物在反应器顶部沉淀下来.Uemura和Harada(2000)的研究表明，UASB反应器处理生活污水过程中，溶解性COD随着反应器高度的增加逐渐降低，主要是进水中的悬浮物在反应器底部被污泥层截留并逐渐水解导致溶解性COD增加.另外，Mahadevaswamy等(2004)研究发现，处理造纸废水的UASB反应器中，pH沿着反应器的高度逐渐增加.以上研究说明UASB反应器存在污泥分层现象，目前国内外关于UASB反应器处理造纸废水不同高度处的污泥特性报道较少.因此，本文从污泥的形态、稳定性及其产甲烷活性来研究生产性UASB反应器处理造纸废水不同高度的污泥特性.以期为集成系统中UASB反应器污泥回流位置的选取提供参考.
2.材料与方法(Materialsandmethods)
2.1污泥样品
实验在荷兰代尔夫特理工大学水处理技术实验室完成，测试污泥来源于德国某造纸厂.该厂采用UASB和EGSB反应器两条独立的废水处理工艺处理造纸废水，工艺流程如图1所示，废水处理达标后排放至当地的生活污水处理厂进行最终处理.UASB反应器高7.2m，运行温度35～37℃，水力停留时间6h，进水流量为40m3.h-1.分别从UASB反应器的不同高度取样，取样口分别位于距离反应器底部1.20、1.95、2.20和3.45m处，具体如图2所示.样品带回实验室，0～4℃冷藏保存.

2.2分析方法
pH、总固体(TotalSolids，TS)、挥发固体(volatileSolids，VS)、悬浮固体(TotalSuspendedSolids，TSS)和挥发性悬浮固体(volatileSuspendedSolids，VSS)采用标准方法(APHA，2005)，3次平行测试.COD采用COD试剂(Merck，德国)消解，再用分光光度计测试，两次平行.测试溶解性COD之前，先将样品离心(3500r.min-1)(HeraeusLabofuge400，ThermoScientific，美国)5min，再用0.45μm醋酸纤维膜(Millipore，德国)过滤，收集滤液测试COD.pH由pH计测试(197-s，WTW，德国).污泥的图像分析采用扫描电镜(XL30-ESEM，Philips，荷兰)和荧光体视显微镜(LeicaM205FA，德国)检测.
产甲烷活性(SpecificMethanogenicActivity，SMA)测试系统(AMPTSⅠ，BioprocessControl，瑞典)如图3所示.测试时，640mL的反应器装填厌氧污泥和基质及营养液，工作体积为400mL.中温消化采用水浴锅加热和机械搅拌.产生的沼气经过碱液吸收系统去除其中的酸性气体(CO2、H2S)，余下的甲烷气体采用湿式气体流量计测体积，测试数据自动记录在储存系统.

产甲烷菌对环境相当敏感，因此，需要加入pH缓冲剂及所需的宏量元素与微量元素使其活性最大化并提高其稳定性(Angelidaki，2008；Angelidakietal.，2009；Tatianaetal.，2010；Leitaoetal.，2009).pH缓冲剂为K2HPO4.3H2O(0.2mol.L-1)和NaH2PO4.2H2O(0.2mol.L-1)，宏量元素为NH4Cl(170g.L-1)、CaCl2.2H2O(8g.L-1)和MgSO4.7H2O(9g.L-1)，微量元素为FeCl3.4H2O(2g.L-1)、CoCl2.6H2O(2g.L-1)、MnCl2.4H2O(0.5g.L-1)、CuCl2.2H2O(30mg.L-1)、ZnCl2(50mg.L-1)、HBO3(50mg.L-1)、(NH4)6Mo7O2.4H2O(90mg.L-1)、Na2SeO3.5H2O(100mg.L-1)、NiCl2.6H2O(50mg.L-1)、EDTA(1g.L-1).
胞外聚合物(ExtracellularPolymericSubstances，EPS)由可溶态(SolubleMicrobialProducts，SMP)和束缚态(BoundEPS，eEPS)组成(Satyawalietal.，2008).污泥样品先离心(12000g)(SorvallRC5BPluscentrifuge，英国)15min，然后用0.45μm膜过滤，收集滤液测试SMP(Gaoetal.，2010).滤渣用0.9%NaCl溶液冲洗并溶解，然后在100℃水浴锅中加热1h，离心过滤，收集滤液测试eEPS(Changetal.，1998；Satyawalietal.，2008；Zhangetal.，2010).
3.结果(Results)
3.1污泥稳定性
污泥固体浓度沿UASB反应器不同高度处的变化如图4所示.TS和VS浓度分别从1.20m处的136、75g.L-1逐渐降低到3.45m处的113、67g.L-1，在2.20m高度出现分层.TSS和VSS浓度随高度的变化与TS和VS浓度的变化一致.VS/TS和VSS/TSS的比值，即有机质含量沿不同高度几乎不变(1.20m处除外)，稳定在60%，而在反应器1.20m处为50%，可能是1.20m处污泥的活性较好，也可能是进水中的无机物质在1.20m处沉积导致底部的有机质含量降低.

污泥的pH稳定在7.00左右.溶解性COD从1.20m处的945mg.L-1逐渐降低到2.20m高度处的785mg.L-1，这种变化趋势与Uemura和Harada(2000)报道的一致.而在3.45m处为955mg.L-1，可能是富含有机物较多的小颗粒随着进水上升流和沼气上升流，在污泥层的顶部积累并水解.
3.2产甲烷活性
污泥在标准状况下(0℃，1atm)的甲烷累积产量(NL)在3d内就趋于稳定，累积产气量曲线的斜率即为产甲烷活性，结果如表1所示.污泥的产甲烷活性在1.20m处最高，为0.16g.g-1.d-1(以每gVSS中的COD计)，在其他位置的平均值为0.13g.g-1.d-1.可能是因为进水通过1.20m处时，大部分的营养物质(无机物)被截留，使得该部分的微生物长势较好，产甲烷活性较高.
3.3图像分析
UASB反应器1.20m处污泥外部和内部的扫描电镜(250倍)如图5所示.由图5可知，污泥颗粒呈椭球状，外部由类似链状物质包裹，这种链状物使颗粒污泥结构更加牢固，不易松散.而内部呈现蜂窝状，那些空洞可能是沼气通道.

反应器在1.20m处和3.45m处污泥的图像如图6所示.由图6可知，UASB反应器内污泥的颗粒化程度较高，最大为2mm，底部和顶部的颗粒大小及形状不一，其中，平均当量直径分别为220、308μm，圆度分别为6.7、2.3(圆形的圆度为1).污泥的颗粒大小及形状(圆度)可能与污泥的活性有关，1.20m处污泥的产甲烷活性最高，其颗粒最大，不规则程度也大.另外，1.20m和3.45m处污泥的EPS组成几乎一样，总量为90mg.g-1(以每gMLSS中VS计).

4.讨论(Discussion)
4.1不同高度的污泥浓度
污泥固体浓度随在反应器中所处高度的增加逐渐降低，与Mahmoud等(2004)和An等(2009)关于不同高度的污泥浓度的研究结果一致.Mahmoud等(2004)研究发现，UASB反应器中总固体和挥发固体的浓度从底部的37g.L-1、27g.L-1逐渐降低到顶部的15g.L-1、11g.L-1，在40%高度处出现分层，而污泥的稳定性(VS/TS)从底部到顶部恒定为73%.An等(2009)研究表明，UASB反应器中总悬浮固体和挥发悬浮固体的浓度从底部的30.62g.L-1、22.01g.L-1逐渐降低到顶部的11.99g.L-1、8.27g.L-1，而污泥的有机质(VS/TS)稳定在70%.UASB反应器不同高度的污泥浓度与UASB反应器污泥床的结构有关.UASB反应器自下而上分为3部分：污泥床(sludgebed)、污泥悬浮层(sludgeblanket)和三相分离器(沉淀池)(Bolleetal.，1986a).Bolle等(1986b)用示踪剂Li+研究了UASB反应器的流态特性，结果表明，污泥床和污泥层的流态属于混合流，同时也存在短流现象，而沉淀区域的流态属于推流.本研究从固体浓度的变化趋势可看出2.20m高度处是污泥床与污泥悬浮层的分界点.
4.2集成系统中UASB反应器污泥的回流位置
从减小集成系统(UASB反应器与消化池)的消化池体积考虑，回流高浓度的污泥较合适.污泥的固体浓度从1.20m高度处到3.45m高度处逐渐降低，并在2.20m高度处出现分层，此处的污泥虽然浓度不是最高的，但该处的污泥活性已经较低了，而1.20m处的活性最高，因此，认为回流污泥的最佳位置为反应器的2.20m高度处，从而提高该部分污泥的活性.Mahmoud等(2004)关于污泥回流的最佳位置为反应器的40%高度处，仅仅是从污泥浓度的角度来选取，因为污泥的固体浓度从底部到顶部逐渐降低，并在40%高度出现分层，而没有考虑污泥的活性.
4.3UASB反应器处理造纸废水的污泥外观形态及生物活性
造纸废水中除了有机物浓度较高，钙离子浓度也较高(Lettingaetal.，1991).厌氧甲烷化阶段产生甲烷的同时，释放CO2，CO2溶解形成的CO2-3与Ca2+形成CaCO3，CaCO3会沉降在颗粒污泥表面或进入颗粒污泥内部并逐渐沉降成为颗粒中心.Batstone等(2002)研究了UASB反应器(1805m3)处理造纸废水的颗粒污泥特性，结果表明，污泥颗粒的粒径为0.5～1.5mm，平均粒径为0.98mm，颗粒污泥是各种微生物以碳酸钙为核心逐渐聚集而成，因为造纸废水中钙离子浓度较高(400～700g.m-3).本研究从污泥颗粒的外观形态来看，可以认为污泥床与污泥悬浮层的污泥特性存在一定差异，Abreu等(2007)认为污泥的颗粒大小及形状与污泥的活性有关.顶部和底部的产甲烷活性有差异但并不大，可能与微生物在污泥颗粒内的分布有关.Batstone等(2002)指出在颗粒污泥外部0～200μm分别分布有产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌.尽管底部与顶部的颗粒污泥大小不一，但微生物分布相似，吸附并降解有机物的能力也近似，因此，其活性并无差异.Conrad等(2000)报道磷酸盐的浓度超过20mmol.L-1时，会抑制乙酸型产甲烷菌的活性.与厌氧颗粒污泥的产甲烷活性相比(Angelidakietal.，2009)，本研究的产甲烷活性值偏小，可能是污泥本身的活性低，也可能是活性测试时pH缓冲剂中的磷酸盐对产甲烷活性的影响，建议用碳酸盐溶液代替磷酸盐作为缓冲剂进行对比实验.
4.4UASB反应器处理其他废水的颗粒污泥形态
Batstone和Keller(2001)比较了生产性UASB反应器处理不同种类废水的污泥特性，结果表明，生产性UASB反应器处理罐头加工废水形成的颗粒污泥最理想(剪切力较大，沉淀性能较好，密度较大)，处理酿酒废水形成的颗粒污泥次之，而处理蛋白废水形成的颗粒污泥最差，研究结果进一步证实了颗粒污泥特性与处理废水种类有关，与反应器设计或反应器操作条件无关.和以上3种废水相比，处理造纸废水形成的颗粒污泥的剪切力最大(Batstoneetal.，2002).这种差异主要是与废水中的Ca2+浓度有关，造纸废水、罐头加工废水、酿酒废水和蛋白废水中Ca2+浓度分别为7%、1.1%、0.2%与0.7%，Ca2+浓度越高，形成的污泥颗粒越结实，沉降性能越好.
5.结论(Conclusions)
从污泥的颗粒形态、稳定性及其产甲烷活性研究了生产性UASB反应器(总高7.2m)处理造纸废水不同高度的污泥特性.结果表明：污泥的固体(TS，VS，TSS，VSS)浓度在1.20m高度处最高，随着高度的增加逐渐保持稳定；而VS/TS和VSS/TSS的比值在反应器1.20m高度处较低(50%)，即稳定性较好；溶解性COD随着高度的增加(3.45m高度处除外)逐渐减小；从固体浓度与稳定性可看出，2.20m高度处以下属于污泥床，2.20m与3.45m高度处之间属于污泥悬浮层，污泥床和污泥悬浮层的胞外聚合物含量无变化，而污泥床的污泥颗粒比悬浮层的污泥颗粒要大；反应器1.20m高度处的污泥颗粒呈椭球状，外部由类似链状物质包裹，而内部则是类似蜂窝状的沼气通道；污泥的产甲烷活性在1.20m处最大，为0.16g.g-1.d-1(以每gVSS中的COD计)，在其他高度处的平均值为0.13g.g-1.d-1；从污泥的颗粒形态与固体浓度来看，UASB反应器存在分层现象，但并不影响整个反应器的生物活性.