温下IC反应器处理造纸废水的颗粒污泥生物学特性

Posted 2023-01-12 反应器

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采用IC反应器处理OCC造纸废水，研究了常温、不同HRT下的厌氧颗粒污泥特性。结果表明，当HRT为8.3h时，OCC造纸废水比例按10%、30%、50%、80%、100%递增，经过20d的运行，造纸废水完全取代了人工配制废水，且出水COD值保持在500mg/L以下，颗粒污泥驯化完成。用造纸废水驯化后的污泥，其沉降速度在25.02～98.96m/h之间，污泥浓度SS为66.5g/L、VSS为44.69g/L，VSS/SS值为67.2%。随着HRT的缩短，颗粒污泥的平均粒径先增大后减小，SS和VSS都呈先上升后下降的趋势。当HRT为5.5h时，SS和VSS均达到最大，分别为75.2和55.42g/L，VSS/SS值为73.7%。在胞外多聚物中，蛋白质的含量较高，蛋白质与多糖的比值在1.33～2.78之间。随着HRT的逐渐缩短，颗粒污泥的产甲烷活性先是大大降低而后逐渐稳定，辅酶F420含量与产甲烷活性的变化趋势相同。
内循环厌氧反应器(IC)是由荷兰PAQUES公司于20世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功的第三代高效厌氧反应器，它具有占地面积小、高径比大、有机负荷高、出水稳定和耐冲击负荷能力强等特点，适合于处理多种有机废水[2～4]。近年来由于造纸原料的缺乏，以废纸为原料的再生纸行业迅速发展。与直接利用原生植物纤维原料制浆造纸相比，废纸造纸废水的污染负荷虽然相对较低，但COD、SS值仍然较高，远远超过废水的排放标准，若不加处理就直接排放，将给环境带来污染和危害。有研究表明废纸制浆造纸废水适于厌氧生物处理，并且已应用于实际工程中。但目前关于IC反应器用于废纸造纸废水的处理研究多见于反应器处理效能和工艺特性的探讨，而对厌氧颗粒污泥特征、微生物的活性等机理研究却一直进展缓慢。笔者采用IC反应器处理OCC造纸废水，在常温下对不同水力停留时间下厌氧颗粒污泥的生物学特性进行了研究，旨在为提高该技术处理OCC造纸废水的效果提供一定的理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验装置
试验装置为自制圆柱形有机玻璃IC反应器。反应器内径为200mm，有效容积为25.1L，总高度为1272mm，沿柱高(350、550、750、1020mm)设4个取样口。
1.2 试验用水
水样为实验室自制OCC制浆造纸废水，其pH值呈中性或弱碱性、COD为1500～2500mg/L、SS为140～280mg/L。
1.3 接种污泥
所用接种污泥取自本实验室IC反应器处理葡萄糖废水启动运行完成后的厌氧颗粒污泥。污泥呈黄色和米黄色，沉降速度达到34.05～109.75m/h，其SS为64.5g/L，VSS为48.2g/L，VSS/SS值为72.8%。
1.4 试验方法
试验过程分为污泥驯化阶段和稳定运行阶段。本试验不设保温加热装置，整个运行过程是在不控制反应器温度的条件下进行的，反应器进水温度为12.5～24.5℃。驯化阶段，保持HRT为8.3h不变，采用逐渐提高造纸废水比例(10%、30%、50%、80%、100%)的方式进水。驯化完成后，以逐步提高进水流量即缩短水力停留时间的方式提高容积负荷。在改变造纸废水比例或者缩短水力停留时间后，需等IC反应器稳定运行后再测定反应器内的颗粒污泥浓度、胞外多聚物含量、产甲烷活性以及辅酶F420含量。
1.5 分析项目及方法
COD：消解法；SS和VSS：重量法；颗粒污泥粒径分布：湿式筛法；颗粒污泥沉降速度：重力沉降法；比产甲烷活性：排水法；胞外多聚物：稀硫酸法；多糖：苯酚—硫酸法；蛋白质：考马斯亮蓝法；辅酶F420：紫外分光光度法。
2.结果及讨论
2.1 厌氧颗粒污泥的驯化过程及结果
在OCC造纸废水比例由10%、30%、50%、80%、100%递增的过程中，IC反应器均在3d内稳定，且出水COD值在500mg/L以下。经过20d的运行，造纸废水完全代替了人工配制废水，且对COD的去除率在70%～90%之间，产气量也明显提高，此时认为污泥驯化完成。在反应器运行初期，有较多大颗粒污泥随出水排出反应器，而随着反应器的运行，不再有污泥被洗出。收集被洗出的大颗粒污泥进行显微镜观察，发现这些颗粒多为内部中空结构，这是由于基质改变过程中大颗粒抗外部环境改变性能较弱，不能适应环境而随出水排出。用造纸废水驯化后的污泥，其沉降速度比接种污泥稍有下降，在25.02～98.96m/h之间，SS为66.5g/L，VSS为44.69g/L，VSS/SS值为67.2%。
2.2 稳定运行阶段
2.2.1 污泥浓度
反应器内的污泥浓度主要与进水水质、反应器内紊动状态等因素有关，因此研究反应器内的污泥浓度对反应器的运行有指导作用。挥发性悬浮固体即VSS包含了挥发性的有机物和细胞体，因此通过测定这个参数可大致反映出反应液中的厌氧微生物量，而且这个参数的测定原理和方法都很简单，故这个参数可以用来判断微生物的活性。试验对不同水力停留时间下的污泥浓度进行了测定，发现随着HRT的缩短，SS和VSS都呈先上升后下降的趋势。当HRT=5.5h时，SS和VSS均达到最大，分别为75.2和55.42g/L，VSS/SS值为73.7%。但VSS不能区分死菌和活菌，故不能真正反映厌氧微生物的活性，所以还需要测定其他参数来准确判断微生物的活性。
2.2.2 厌氧颗粒污泥胞外多聚物
胞外多聚物(EPS)是紧密附着在细胞壁上不溶于水的高分子聚合物，其组成极易受各种工艺参数的影响从而影响到污泥表面电荷、生物絮凝、沉降和脱水等。因此，EPS的含量和组成与颗粒污泥的形成和稳定性有密切关系。本研究以多糖和蛋白质含量来表征颗粒污泥的EPS。对IC反应器中不同HRT下颗粒污泥的EPS进行测定，结果见图1。可以看出，颗粒污泥的EPS含量随HRT的缩短而增加，其中蛋白质的含量增加较多，多糖含量无明显变化。在胞外多聚物中，蛋白质的含量较高，多糖的含量较低，蛋白质含量与多糖含量的比值在1.33～2.78之间，且在不同HRT下差异也较大。当HRT=8.3h时，蛋白质与多糖的比值最小，为1.33；当HRT=5.5h时比值达到最大，为2.78；但随着HRT缩短到5h时，蛋白质与多糖比值急剧下降，而此时颗粒污泥的平均粒径有变小的趋势，这说明蛋白质与多糖的比值越大则颗粒污泥的平均粒径越大，颗粒污泥越稳定。

2.2.3 厌氧颗粒污泥的产甲烷活性和辅酶F420
从稳定运行的IC反应器内取出颗粒污泥，测定污泥的产甲烷活性和辅酶F420的含量，其结果如图2所示。由图2可以看出，IC反应器内的颗粒污泥通过逐步增加造纸废水比例完成驯化后，逐步缩短HRT则污泥的产甲烷活性和辅酶F420含量都有所降低。虽然厌氧颗粒污泥经过驯化后对造纸废水有一定的适应性，但由于造纸废水成分比较复杂，较人工配制葡萄糖废水难降解，厌氧污泥不能很快适应水力停留时间的突然改变，使得污泥的产甲烷活性大大降低，且随着HRT的缩短，污泥活性逐渐稳定，但当HRT进一步缩短到5h时，污泥活性急剧下降。从图2还可以看出，随着HRT的变化，辅酶F420含量的变化规律与污泥产甲烷活性的变化规律一致，这表明在同一反应器内，当颗粒污泥中甲烷菌群相似时，辅酶F420的含量可以作为厌氧颗粒污泥中甲烷菌数量或产甲烷活性的指标。

3.结论
①以逐渐增加造纸废水比例的方式启动IC反应器，在HRT为8.3h的条件下，20d内污泥驯化完成。经造纸废水驯化后，污泥沉降速度在25.02～98.96m/h之间，其SS为66.5g/L、VSS为44.69g/L，VSS/SS值为67.2%。
②随着HRT的缩短，SS和VSS都呈先上升后下降的趋势。当HRT=5.5h时，SS和VSS均达到最大值，分别为75.2和55.42g/L，VSS/SS值达到73.7%。
③随着HRT的缩短，颗粒污泥的产甲烷活性和辅酶F420含量先是大大降低而后逐渐稳定。当HRT=8.3h时，产甲烷活性为0.69gCODCH4/(gVSS.d)，辅酶F420为0.35μmol/gVSS，表明此污泥具有较高的活性。
④在胞外多聚物中，蛋白质的含量较高，多糖含量较低，蛋白质与多糖的比值在1.33～2.31之间。