DASB反應器對脫墨廢水降解的影響

隨著城市的擴張和工業(yè)的快速發(fā)展，有機廢水的數(shù)量急劇增加，已成為水污染的重要來源。為了滿足中國環(huán)境規(guī)劃和發(fā)展的需要，有必要不斷開發(fā)和利用新型高效反應堆。

就目前的研究和應用而言，還存在一些問題，如內(nèi)循環(huán)(IC)反應器和厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)，其應用領域還比較狹窄，需要在其他領域發(fā)展。升流式厭氧流化床(UBF)和ic反應器與升流式厭氧污泥床(UASB)相比，結(jié)構也更復雜，要求更高，施工安裝難度更大。目前，國內(nèi)對UBF、IC反應器和厭氧折流板反應器(ABR)的研究主要集中在運行性能方面，對工藝設計和運行控制的研究不多。因此，如何改進反應器結(jié)構使其更好地運行，如何控制反應器的運行過程將是今后研究的重點問題。

下流式厭氧污泥床(DASB)反應器作為一種新型厭氧處理工藝，結(jié)合了第二代反應器的優(yōu)點，克服了厭氧濾池所需濾料成本高、UASB要求配水系統(tǒng)和三相分離器復雜等缺點。DASB的優(yōu)點是工藝簡單，成本低。此外，DASB還具有生物攔截能力強、生物污泥與進水基質(zhì)接觸混合效果好、運行管理方便、性能可靠等優(yōu)點，作為好氧法的替代或預處理工藝可能更為合理。然而，DASB反應器仍處于實驗研究階段，其處理有機廢水的研究尚未見報道。作為一種新型反應器，DASB反應器在實際運行過程中仍有許多問題需要解決，如:啟動過程中的具體條件、酸化后的自恢復能力、處理造紙脫墨廢水的條件和能力以及相應工藝設計參數(shù)的確定等。

因此，針對上述問題，本文擬對DASB反應器處理造紙脫墨廢水時化學需氧量(COD)的質(zhì)量濃度、COD去除率、pH值、混合液懸浮固體(MLSS)的質(zhì)量濃度以及厭氧污泥的特性進行研究，以了解DASB反應器在常溫下的啟動過程，更好地控制反應器的運行。

1.材料和方法

1.1原水的選擇

實驗所用原水為湖南岳陽某造紙廠原處理工藝中調(diào)節(jié)池的脫墨廢水。脫墨廢水來源于廢紙制漿過程，包括廢紙碎解、篩選、凈化、脫墨、洗滌、濃縮和熱熔處理過程，尤其是碎解、凈化和脫墨過程。廢水中含有大量的油墨、脫墨劑、短纖維、礦物油或植物油、松香、膠料、顏料、表面活性劑等化學添加劑等難降解物質(zhì)，可生化性不理想。COD、BOD5、ss的質(zhì)量濃度分別為1900 ~ 2100 mg/L、960 ~ 1080 mg/L，色度≤250倍，pH值為7 ~ 10。

由于脫墨廢水中氮充足而磷不足，為了將COD、N、P的比例調(diào)節(jié)到200∶5∶1左右，需要加入磷即磷酸鈉，用量為10mg/L，微量元素鐵、鎳、鈷即FeCl2、NiCl2、CoCl2，用量分別為0.41。另外，為了維持反應器內(nèi)的pH值，避免酸化，根據(jù)試驗出水的pH值，向進水中加入適量的碳酸氫鈉。

1.2接種污泥的選擇

接種污泥取自湖南岳陽某造紙廠改性UASB的厭氧活性污泥和農(nóng)村沼氣池的厭氧活性污泥。污泥具有良好的性質(zhì)。為了去除污泥中大的雜質(zhì)和有毒成分，用3mm孔徑的篩子過濾掉大的無機物，靜置沉淀去除上清液，然后均勻加入到四個隔室中。改良UASB中接種污泥的MLSS質(zhì)量濃度為52g/L，容積為400L；農(nóng)村沼氣池接種污泥的MLSS質(zhì)量濃度為36g/L，容積為200L?；旌虾?，接種污泥的平均質(zhì)量濃度約為46.7 g/L

1.3測試布局和設備選擇

試驗裝置由四個碳鋼制成的圓形容器串聯(lián)而成，裝置的內(nèi)外表面均經(jīng)過防腐處理。上部為圓柱形，直徑50厘米，高250厘米；；底部呈錐形，高18cm。單個集裝箱容積約550L，有效容積約475L。DASB反應器的橫截面圖如圖1所示。計量泵采用MiltonRoy)G系列M型，污泥循環(huán)泵采用韓邦LW型。

在結(jié)構上，DASB反應器通過導流管將幾個獨立的反應器串聯(lián)起來，每個反應室是一個相對獨立的下流式污泥床厭氧反應器，其中污泥可以以顆粒形式或絮狀形式存在。運行時，廢水自上而下通過反應室內(nèi)的污泥床，在水流和產(chǎn)氣的攪拌作用下，進水基質(zhì)與生物污泥充分混合接觸，然后在導流管的引導下，廢水在后續(xù)反應室中繼續(xù)與生物污泥混合，從而降解水中的有機物。第四反應室中的污泥按照一定的污泥回流比回流至第一反應室。污泥回流可以保證反應器中有足夠的、穩(wěn)定的生物污泥，同時污泥回流有利于保證每個反應室內(nèi)的污泥處于懸浮狀態(tài)。保持這種懸浮狀態(tài)的關鍵是整個反應器內(nèi)生物的不斷遷移。

從工藝上看，在單個反應室中，水力特性接近全混式；整體來說，類似于塞流。這種活塞流的變化使得優(yōu)勢微生物種群生長繁殖良好，廢水中的污染物在不同的反應室中得到降解，因此系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和處理效果。

1.4測試內(nèi)容和方法

根據(jù)試驗的要求和目的，試驗的主要分析項目、頻率、方法和儀器見表1。其中ρCOD為COD的質(zhì)量濃度；ρMLSS是MLSS的質(zhì)量濃度。

2.結(jié)果和討論

2.1 DASB處理后脫墨廢水中COD的去除規(guī)律

在啟動過程中，以造紙脫墨廢水為進水基質(zhì)。向進水中加入適量的磷酸鈉、FeCl2、NiCl2和CoCl2，進水COD濃度約為2000mg/L，進水流量為30L/h，初始容積負荷約為0.76kg/(m3 & # 8226；d)通過控制進水COD的質(zhì)量濃度和逐漸縮短水力停留時間(HRT)來逐漸增加容積負荷，直至運行結(jié)束。整個過程歷時90天，包括兩個階段:啟動期和負荷運行期。

本實驗將COD的去除作為重要考察對象，也是判斷水質(zhì)達標排放的較重要依據(jù)之一。圖2是整個實驗階段進出水COD質(zhì)量濃度和COD去除率的變化規(guī)律。圖3是試驗過程中容積負荷和COD去除率的曲線。

啟動期

在試驗的初始階段，應嚴格控制反應器的操作，這對順利啟動至關重要。啟動期的主要目的是將菌種從休眠狀態(tài)恢復到營養(yǎng)細胞狀態(tài)，將接種的污泥逐步培養(yǎng)馴化成高活性的厭氧污泥以適應待處理的水質(zhì)，使反應器進入“工作”狀態(tài)。

在試驗的初始階段，反應器被控制在低負荷。在前25天，COD容積負荷為0.76kg/(m3 & # 8226；d)、進水質(zhì)量濃度控制在2000mg/L左右，進水體積為30l/h，當COD去除率能穩(wěn)定運行一段時間后，反應器的容積負荷會增加。啟動第一天，COD去除率較低，僅為32%。原因如下:一方面，污泥活性尚未完全恢復，有機物未進入正常轉(zhuǎn)化路徑；另一方面，由于污泥的流失，出水懸浮物濃度高。第6天，出水COD質(zhì)量濃度高達1464mg/L，COD去除率僅為24%。隨著運行的繼續(xù)，污泥的活性開始上升，DASB反應器對COD的去除率逐漸增加。在運行的第20天，DASB反應堆首次達到穩(wěn)定運行狀態(tài)。在第20 ~ 25天的穩(wěn)定運行期間，COD的去除率分別為42%、42%、40%、42%、43%和42%。

在第26天，反應器的容積負荷增加到1.01kg/(m3 & # 8226；d)出水COD質(zhì)量濃度不穩(wěn)定，COD去除率在42% ~ 31%之間波動。隨著系統(tǒng)的連續(xù)運行，COD去除率迅速上升，第30天達到45%。第35天，系統(tǒng)達到第二穩(wěn)定運行狀態(tài)，第30 ~ 40天，COD平均去除率為50%。

第41天，容積負荷增加到1.65kg/(m3 & # 8226；d)，增幅為39%，COD去除率變化較大。在接下來的3天內(nèi)，反應器對COD的去除率從50%下降到35%左右，出水中COD的質(zhì)量濃度高達1300mg/L，但隨著向?qū)嶒炦M水中加入NaHCO3，經(jīng)過幾天的運行后，COD的質(zhì)量濃度逐漸提高。系統(tǒng)在第51天達到第三個穩(wěn)定狀態(tài)。第51天至第59天穩(wěn)定運行期間，出水COD質(zhì)量濃度為733 ~ 763 mg/L，COD去除率在62% ~ 63%之間波動。在這個容積負荷階段，較大的COD去除率為65%，出現(xiàn)在第53天。

系統(tǒng)運行59天后，進水質(zhì)量濃度約為2000mg/L，進水體積為65L/h，水力停留時間為29.2h，容積負荷為1.65kg/(m3 & # 8226；d)、COD去除率穩(wěn)定在62%左右，啟動成功。

2.1.2負荷運行期

在負荷運行期間，為了使反應器盡快達到較高的負荷并正常運行，需要仔細控制反應器的運行狀態(tài)，考察其處理效率。

反應器成功啟動后，從第60天開始，反應器進入增加負荷的運行階段，通過調(diào)節(jié)進水來實現(xiàn)，COD容積負荷增加到2.15kg/(m3 & # 8226；d)在隨后的3天內(nèi)，DASB反應器對COD的去除率有所下降。64 ~ 76天，出水COD質(zhì)量濃度基本保持在737 ~ 805mg/L之間，COD去除率穩(wěn)定在61% ~ 63%之間。

為了進一步增加反應器負荷，考察DASB反應器的運行效果，在第77天，進水增加到100L/h，容積負荷增加到2.53kg/(m3 & # 8226；d)，再運行14天后，COD去除率穩(wěn)定在56%。停止測試。

2.2 the值的變化規(guī)律

PH值是影響厭氧消化過程的重要因素。許多研究結(jié)果和實際運行經(jīng)驗表明，厭氧消化需要一個相對穩(wěn)定的pH范圍。通常，對于以產(chǎn)甲烷菌為主要目的的厭氧生物處理，pH值范圍為6.5至7.5，優(yōu)選6.8至7.2。因此，在厭氧生物處理中，合理控制pH值是非常重要的。圖4和圖5顯示了測試入口和出口水以及每個隔室的pH值的變化規(guī)律。

從圖3和圖4可以看出，實驗中使用的脫墨廢水的pH值在6.86-7.42之間。實驗初期，反應器運行正常，反應器內(nèi)pH值穩(wěn)定在6.76-7.45之間。在運行的第26天，反應器各隔室和出水的pH值從第25天的7.24、7.10、7.15、7.30和7.30下降到7.05、6.98、7.02、6.95和6.91，系統(tǒng)的pH值呈下降趨勢，但在系統(tǒng)本身緩沖系統(tǒng)的調(diào)解下，很快又恢復到原來的水平。

在實驗的第41天，各隔室和出水的pH值下降到6.70、6.64、6.61、6.52和6.55，反應器處于酸化狀態(tài)。為了消除酸化，通過向進料水中加入碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)反應器中的pH值。經(jīng)過7天的調(diào)整，反應器很快穩(wěn)定下來，各隔室和出水的pH值分別為7.31、7.24、7.15、7.35和7.41。當實驗進行到第60天時，體系的pH值也呈下降趨勢，仍然采用向試驗水中加入NaHCO3的方式，增強消化液的緩沖能力，以維持體系的酸堿平衡。

經(jīng)過分析，pH值下降的原因大致有兩個:第一個原因是容積負荷過高，導致產(chǎn)酸菌占優(yōu)勢生長，產(chǎn)甲烷菌被抑制，有機脂肪酸不能及時轉(zhuǎn)化，導致有機酸積累，pH值下降；第二個原因是傳質(zhì)效果不好。顆粒污泥本身是厭氧環(huán)境中存在的一個小型厭氧系統(tǒng)。以顆粒狀態(tài)生長的產(chǎn)甲烷菌多集中在深部，顆粒內(nèi)部存在濃度梯度。如果厭氧過程的中間產(chǎn)物不能很好地擴散到顆粒中被產(chǎn)甲烷菌利用，底物就會轉(zhuǎn)化為更多的有機酸，破壞系統(tǒng)的酸堿平衡，降低pH值?？梢?，pH的變化實際上反映了傳質(zhì)效果的好壞。因此，保持系統(tǒng)良好的酸堿環(huán)境是反應器運行的必要條件。

2.3 mlss的變化規(guī)律

圖6顯示了DASB反應器運行過程中各室ρMLSS的變化規(guī)律。

污泥濃度對反應器的處理能力有很大影響。一般來說，污泥濃度越高，即單位有效容積中微生物越多，反應器的有機物轉(zhuǎn)化率和處理負荷率越高。

從圖5可以看出，隨著運行時間的推移，各隔室的污泥濃度經(jīng)歷了先降低后升高的過程。在啟動初期，反應器內(nèi)污泥濃度先逐漸下降，各隔室的ρMLSS從啟動時的19.8、19.2、18.8和18.5g/L分別下降到第13天的14.3、15.0、14.6和13.1g/L，這是由于接種污泥中部分不能滿足本實驗反應控制條件的微生物被消除所致。之后，在一段時間的運行中，各隔室的污泥濃度緩慢上升。到第73天，各隔室的生物量分別為24.6、22.5、23.2和21.6克/升。這可能是因為污泥有一個適應過程。隨著負荷的增加，細污泥隨出水流出反應器，污泥洗滌量增加，污泥濃度降低。經(jīng)過一段時間的適應，污泥濃度增加。在接下來的17天內(nèi)，污泥濃度趨于穩(wěn)定，沒有增加的趨勢。

在試運行過程中可以發(fā)現(xiàn)，每個階段都可以觀察到污泥流失的現(xiàn)象，只是具體情況有所不同。在啟動階段，反應器低負荷運行，污泥流失主要是污泥本身沉降性能差造成的，是棄渣的自然流失。流失的污泥大部分是細污泥，但也有大顆粒污泥，估計是大顆粒污泥形成的空腔使污泥上浮造成的。較大的顆粒污泥由于其內(nèi)部氣體無法釋放，容易上浮，導致密度降低，浮力增大。

留在反應器中的污泥逐漸改變其形狀和性質(zhì)。在負荷運行期間，反應器負荷增加，反應器中的氣體產(chǎn)量增加。由于水流的剪切力和氣體載體的浮力，部分污泥上浮流失。這些漂浮污泥具有相對較好的沉降性能，漂浮損失與沉降性能較差的污泥損失是有區(qū)別的。

2.4厭氧顆粒污泥的特性

表2對實驗前后DASB反應器中活性污泥的生態(tài)特性進行了簡單的對比分析。其中，sludgevolumeindex (SVI)，其物理意義是曝氣池出口混合液經(jīng)30min靜態(tài)沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的體積，單位為毫升(mL)。一般在顆粒污泥厭氧反應器中，當活性污泥的SVI為15 ~ 20 ml/g時，可以認為污泥具有良好的沉降性能。

無論是在實驗前期還是后期，用顯微鏡觀察顆粒污泥都發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面有很多孔洞。這些孔是底物和營養(yǎng)物質(zhì)進入顆粒的通道，顆粒內(nèi)部細菌產(chǎn)生的氣體也從這個通道逸出。不同類型的細菌以微小群落的形式隨機分布在顆粒污泥中。顆粒污泥內(nèi)部疏松，以絲狀菌為主，在顆粒污泥形成過程中起到包埋和纏繞細菌的作用。粒徑較大的顆粒污泥中往往存在空隙。這是因為在廢水處理過程中，基質(zhì)轉(zhuǎn)化首先在顆粒污泥外層進行，內(nèi)部擴散有限。顆粒中的底物低得多，濃度低到一定程度。由于細胞自溶，顆粒中的微生物生物量減少，形成較大的空腔。大而空的顆粒污泥容易破碎，其碎片可成為新污泥的核心。

3.結(jié)論

采用DASB反應器處理廢紙脫墨廢水。試驗中添加了適量的磷酸鈉、FeCl2、NiCl2和CoCl2營養(yǎng)物質(zhì)。通過控制進水COD質(zhì)量濃度和逐漸縮短HRT啟動時間，容積負荷逐漸增加。啟動效果良好，COD去除率穩(wěn)定至實驗結(jié)束。

通過增加進水流量來提高COD容積負荷。DASB反應器具有很強的緩沖能力，但當容積負荷過高時，污泥的生物吸附接近飽和，COD去除率下降。

當反應器處于酸化狀態(tài)時，通過向進水中加入碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)反應器中的pH值。經(jīng)過一段時間的調(diào)整，酸化現(xiàn)象得到有效控制。

DASB反應器運行過程中，各隔室污泥質(zhì)量濃度經(jīng)歷了先降低、后升高、再穩(wěn)定的過程。(來源:上海理工大學環(huán)境與建筑學院)

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