UASB接种普通厌氧颗粒污泥作为兼养反硝化脱硫工艺

2017-03-15 09:59:55 2

  现代工业生产中发酵、制革厂、化工、制药、食品加工及采矿等行业排放的废水都含有高浓度的硫酸盐及氨氮[1, 2, 3],在对这些废水的生物处理中,含氮化合物可被转化为硝酸盐或亚硝酸盐,含硫化合物则可被转化为硫化物,面对这两种进入环境有严重危害的二次污染物[4, 5],有学者提出了自养菌-异养菌协同反硝化脱硫工艺[6]。

  自养菌-异养菌协同反硝化脱硫工艺是在一个反应系统内,通过自养反硝化微生物和异养反硝化微生物的协同作用,即自养微生物以硫化物为电子供体,以硝酸盐为电子受体,通过自身的呼吸代谢过程将硫化物氧化为单质硫的同时将硝酸盐主要转化为亚硝酸盐。异养微生物则以有机物作为电子供体,硝酸盐或自养微生物产生的亚硝酸盐为电子受体,最终将有机物和硝酸盐或亚硝酸盐转化为二氧化碳和氮气,从而实现在一个反应器同步去除硫、氮、碳的目的。我国含硫含氮有机废水的年排放量已经超过 60 亿t,含有机物(按COD 计)超过 300 万t,占水体受纳污染物总量的 10%以上。为推动兼养反硝化脱硫工艺在实际废水处理过程中的应用,首先需要解决废水生物处理工艺启动周期长的问题。为此,本研究结合自养反硝化微生物与异养反硝化微生物拥有共同电子受体硝酸盐,硝酸盐含量较低时将会制约兼养反硝化脱硫过程,拟以过量的硝酸盐来启动兼养反硝化脱硫反应器,缩短启动周期,为兼养反硝化脱硫工艺的实际应用提供参考。

  1 材料与方法

  1.1 试验装置

  启动试验采用兼养反硝化脱硫UASB反应器,见图1。

 图1 UASB反应器

  UASB反应器由有机玻璃制成,有效容积11.3 L,整个UASB反应器高110 cm,反应区高80 cm,内径13 cm,反应器置于30 ℃恒温水浴缸中运行,进水由蠕动泵从反应器底部进入,流经污泥床由上部出水口流出,产生的气体从顶部的导气管收集。

  1.2 试验进水

  试验进水为人工配水,Na2S·9H2O提供S2-,硝酸钾提供NO3-,碳酸氢钠为无机碳源,质量浓度为 1 500 mg/L,磷酸二氢钾提供磷元素,质量浓度为110 mg/L,另外加入微生物所必需的Ca、Fe、Mn、Zn、Co、Mo、Cu等微量元素,1 L进水加入1 mL微量元素溶液。微量元素组成:EDTA 50 g/L,MnCl2·2H2O 2.5 g/L,(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.5 g/L,NaOH 11 g/L,CaCl2·2H2O 7.34 g/L,ZnCl2 1.06 g/L,FeCl2·4H2O 3.58 g/L,CoCl2·6H2O 0.5 g/L,CuCl2·6H2O 0.14 g/L。

  1.3 接种污泥

  接种污泥取自某造纸厂UASB中厌氧颗粒污泥,反复淘洗去除杂质和无机大颗粒后,接种1 kg颗粒污泥于试验反应器中。

  1.4 分析方法

  所有样品经过滤后检测,每2 d测定1次。COD、TOC、NO3--N、NO2--N、S2--S、SO42--S均采用国家标准方法分析[7]。单质硫的测定[8]:由于反应器的终产物单质硫是由生物反应生成,粒径通常都在微米级以下且蛋白质等胞外多聚物(EPS)包裹在单质硫微粒的表面,因而生物反应生成的单质硫粒亲水性极强,同时,反应器内产生的单质硫大部分会被吸附在污泥或者反应器表面,还有一部分会随着反应器的出水直接流走,因此很难对反应器出水生成的单质硫进行定量检测。根据单质硫易溶于CS2而不溶于强酸碱,在溶于二硫化碳后可与六氢吡啶(C5H11N)生成红色络合物的原理,可以用来定性鉴定出水中有单质硫的存在。硫化氢的离解pH约在6.8~7.0,与试验反应器运行的pH(7.5)接近。随着pH的升高H2S将会大量解离为HS-,pH范围在6.0~8.0时随pH升高,游离H2S占总硫化物的比例逐渐降低,pH每升高0.3,液相中硫氢根与硫化氢的比值随之就会变为原来的2倍。因此可以不用考虑气相中的H2S对于反应器体系内硫平衡的影响,而且碱性条件下S2O42-、S3O62-、S2O82-等硫化物并不稳定,与用来生物合成的有机硫这部分都可以在硫平衡推算中忽略不计。因此本研究采用硫平衡推算来计算理论硫单质产率(η),计算方法见式(1)。

  η=(C1+C2-C3-C4)/(C2+C2)×100% (1)

  式中:C1——进水硫化物质量浓度,mg/L;

  C2——进水硫酸盐质量浓度,mg/L;

  C3——出水硫化物质量浓度,mg/L;

  C4——出水硫酸盐质量浓度,mg/L。

  1.5 反应器快速启动过程的运行参数

  根据王爱杰等[9]所确定的兼养反硝化最佳碳氮硫比为1∶1∶1,因此将整个启动过程分3个阶段。第Ⅰ阶段控制n(C)∶n(N)∶n(S)=1∶1.5∶1,进水硫化物(以S计)质量浓度为200 mg/L,乙酸盐(以C计)质量浓度为75 mg/L,作为自养菌与异养菌共同的电子受体硝酸盐,在启动初期控制较高的硝酸盐(以N计)质量浓度(132 mg/L),水力停留时间(HRT)为24 h,控制进水pH在7.5左右,进水硫化物负荷(SLR)、硝酸盐负荷(NLR)和乙酸盐负荷(ALR)分别为0.2、0.132、0.075 kg/(m3·d);第Ⅱ阶段,保持硝酸盐质量浓度132 mg/L不变和HRT=24 h不变,控制n(C)∶n(N)∶n(S)=1∶1∶1,相应地分别提高硫化物、乙酸盐质量浓度到300、113 mg/L,控制进水pH在7.5左右,进水硫化物负荷、硝酸盐负荷和乙酸盐负荷分别为0.3、0.132、0.113 kg/(m3·d);第Ⅲ阶段,保持Ⅱ阶段各污染物进水浓度不变,将HRT降低为12 h,进水pH为7.5左右,进水硫化物负荷、硝酸盐负荷、乙酸盐负荷分别为0.6、0.264、0.226 kg/(m3·d)。运行条件如表1所示。

  2 结果与讨论

  2.1 S2--S的去除效果及转化规律

  定期检测进出水S2--S和SO42--S的浓度变化,结果见图2。

 图2 启动期间S2-的去除率及转化规律的变化

  Ⅰ阶段初期由于接种污泥异养菌占有优势,自养反硝化不占主导地位,硫化物的去除率较低。但由于进水中自养反硝化菌的电子受体NO3-充足,反应器经过10 d的运行后,硫化物的去除率可达到92%。进水中SO42--S平均质量浓度为16.3 mg/L,这是由于人工自配水时Na2S·9H2O容易发生化学氧化,而在硫化物去除效果稳定时,出水SO42--S净增量平均为25.5 mg/L,这是因为Ⅰ阶段过量的硝酸盐可以将自养菌反硝化生成的硫单质氧化生成SO42-,导致硫单质的产率平均为65%。Ⅱ和Ⅲ阶段提高了硫化物和乙酸盐的量,硫化物的去除效果稳定在89%和91%左右,较Ⅰ阶段有所降低,这是由于自养反硝化菌和异养反硝化菌的电子受体NO3-不再过量,但硫化物的去除率依然保持在较高的水平。由于进水没有过量的硝酸盐将自养反硝化生成的单质硫过氧化为硫酸盐,出水硫酸盐的净增量大大降低,分别为2.7、3.1 mg/L,单质硫产率较Ⅰ阶段也有所增加,稳定时平均分别为80%、83%,说明在硝酸盐不过量的时候对于单质硫的产生是极为有利的;相对于Ⅱ阶段,Ⅲ阶段在保持进水浓度不变的情况下,通过降低HRT增加了进水负荷,但是对污染物的去除效果影响不大,表明在HRT方面兼养反硝化脱硫UASB工艺还具有一定的负荷潜力。Ⅲ阶段稳定末期时,硫化物去除负荷为0.550 2 kg/(m3·d),高于文献报道的0.042~0.294 kg/(m3·d)的容积硫化物去除率[10]。

  2.2 NO3--N的去除效果及转化规律

  反应器中硝酸盐的去除效果是异养反硝化微生物和自养反硝化微生物共同作用的结果,自养微生物以硫化物为电子供体,而异养微生物以乙酸盐为电子供体,但两者电子受体都为硝酸盐。启动期间NO3-的去除率及转化规律的变化如图3所示。

 图3 启动期间NO3-的去除率及转化规律的变化

  由图3可知,3个阶段硝酸盐的量不变,而Ⅰ阶段由于NO3-过量,自养反硝化微生物的电子供体硫化物和异养反硝化微生物的电子供体乙酸盐不足,导致初始硝酸盐的去除率不高,同时硝酸盐可以将自养反硝化生成的单质硫氧化成SO42-,平均去除率只有63%,稳定后去除率为71%。Ⅱ和Ⅲ阶段进水提高了乙酸盐跟硫化物的浓度,硝酸盐去除率达到了89%。在Ⅰ阶段,出水中发现平均质量浓度为19.8 mg/L的NO2-,这是因为自养反硝化生成的亚硝酸盐没有足够的电子供体乙酸盐进行反硝化所导致,而在Ⅱ和Ⅲ阶段,提高了进水乙酸盐的量,出水中并未发现亚硝酸盐累积的现象。启动稳定末期,硝酸盐去除负荷为0.236 kg/(m3·d),达到文献报道的反硝化工艺的0.175~0.594 kg/(m3·d)的容积硝态氮去除负荷[10]。

  2.3 乙酸盐的去除效果及pH的变化

  乙酸盐的去除效果主要是由于异养反硝化菌的作用,因此乙酸盐的去除率可以代表异养反硝化的发生力度。启动期间乙酸盐的去除率及pH的变化如图4所示。

 图4 启动期间乙酸盐的去除率及pH的变化

  由图4可知,除了前6 d的适应期外,三个阶段乙酸盐都得到了较好的去除,去除率稳定在80%以上,这可能与异养反硝化微生物的生长速率以及其对电子受体的竞争能力有关,相较于自养反硝化微生物,异养微生物的生长速率较快,时代短,因此争夺共同电子受体硝酸盐的能力相对较强,使乙酸盐的去除率一直保持在80%以上。在第Ⅱ阶段开始时,乙酸盐的去除略有下降,这可能是因为在保持HRT不变的基础上提高了乙酸盐进水浓度所产生的冲击负荷所导致,随后恢复稳定,在Ⅱ和Ⅲ两个阶段乙酸盐的去除率没有太大的波动,表明乙酸盐的去除率随着HRT变化的幅度较小。

  三个阶段的进水pH都控制在7.5左右,而Ⅰ阶段出水pH在7.8左右,Ⅱ和Ⅲ阶段出水pH分别在8.1和8.0左右,根据两类微生物代谢硝酸盐的化学计量式:

  S2-+0.4NO3-+2.4H+→S0+0.2N2+1.2H2O(自养反硝化微生物)

  0.63CH3COOH+NO3-+0.37CO2→1.63HCO3-+0.5N2+0.13H2O(异养反硝化微生物)

  可以看出由于自养反硝化发生要消耗氢离子,而且异养反硝化也是一个pH升高的过程,因此出水的pH都是高于进水pH的。而Ⅱ和Ⅲ阶段出水pH高于Ⅰ阶段,这可能是因为Ⅱ和Ⅲ阶段提高了进水硫化物和乙酸盐的浓度,被还原的NO3-增多所导致。

  理论上异养反硝化时的C/N比为2.86,Ⅲ阶段乙酸盐的平均去除率为87.3%,亦即去除了98.6(113×87.3%) mg/L,那么异养去除的硝酸盐为34.5(98.6/2.86) mg/L,占整个硝酸盐去除比例为30%(34.5/132·89.4%),自养反硝化所占比例为70%。

  同样,刘春爽等[3]曾引入开关函数表示二者的竞争关系,开关函数能够很好地表示自养反硝化菌与异养反硝化菌之间的竞争关系。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  3 结论

  (1)厌氧颗粒污泥为接种污泥,启动初期添加过量硝酸盐有利于UASB反硝化脱硫工艺的较快成功启动,10 d时各污染物去除率均能达到较高的水平。

  (2)控制进水碳氮硫比为1∶1∶1,硫化物质量浓度为300 mg/L,HRT为12 h,53 d时,硫化物去除负荷为0.550 2 kg/(m3·d),硝酸盐去除负荷为0.236 kg/(m3·d),表明工艺启动成功。

  (3)控制n(C)∶n(N)∶n(S)为1∶1∶1有利于兼养反硝化工艺单质硫的产生及使产物停留在单质硫阶段,单质硫产率达到83%左右。

  (4)兼养反硝化脱硫UASB工艺启动末期,自养反硝化占主导地位,发生力度为70%。

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