周莉莉,季 民 (天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072)

IC反應(yīng)器處理制藥廢水的顆粒污泥馴化和快速啟動

周莉莉,季 民*(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300072)

試驗研究了厭氧內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器處理化工合成制藥廢水時,顆粒污泥的馴化培養(yǎng)啟動過程.IC反應(yīng)器控制在中溫條件運行,接種顆粒污泥取自處理味精廢水的厭氧上升流式污泥床反應(yīng)器,馴化開始采用葡萄糖基質(zhì)與制藥廢水混合廢水,然后很快轉(zhuǎn)化為全部是生物難降解的合成制藥廢水.結(jié)果表明,采用高負(fù)荷、高進(jìn)水濃度的啟動控制條件,經(jīng)歷23d的啟動運行,IC反應(yīng)器的容積負(fù)荷達(dá)到5 kgCOD/(m3·d), COD去除率達(dá)到70%～80%.在容積負(fù)荷達(dá)到7.4kgCOD/(m3·d)時,COD的去除率仍可穩(wěn)定在70%左右.IC反應(yīng)器中的成熟顆粒污泥形狀規(guī)則、密實、粒徑大.掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),顆粒污泥中古細(xì)菌產(chǎn)甲烷鬢毛菌(Methanosaetaceae)占優(yōu)勢. IC反應(yīng)器處理難降解廢水在高負(fù)荷、高進(jìn)水濃度條件下可實現(xiàn)快速培養(yǎng)馴化和啟動.

制藥廢水；IC反應(yīng)器；顆粒污泥馴化

厭氧顆粒污泥以其較高的微生物濃度,較好的沉降性能和抗沖擊負(fù)荷能力,被認(rèn)為是高效厭氧反應(yīng)器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[1-5].如何在短期內(nèi)完成顆粒污泥馴化,實現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動是高效厭氧工藝的關(guān)鍵.國內(nèi)外學(xué)者對如何實現(xiàn)厭氧反應(yīng)器快速啟動做了大量的研究[6-9].厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)已在啤酒生產(chǎn)[10-11]、食品加工[12-13]、造紙廢水[13]、檸檬酸廢水[14]、大豆蛋白[15]等高濃度工業(yè)廢水處理中得到應(yīng)用.合成制藥廢水中含有多種化學(xué)溶劑、助劑、藥物中間體,合成藥物母液等.有機物濃度高、難生物降解.將IC反應(yīng)器應(yīng)用于高濃度難降解合成制藥廢水處理還鮮有報道.本試驗以處理味精廢水的UASB反應(yīng)器中顆粒污泥作為IC反應(yīng)器的接種污泥,處理高濃度合成制藥廢水,并以高負(fù)荷、高進(jìn)水濃度方式培養(yǎng)馴化顆粒污泥, 探討IC反應(yīng)器如何在短時間內(nèi)完成啟動過程,同時考察啟動過程中顆粒污泥性質(zhì)的變化情況.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

IC反應(yīng)器(圖 1)由塑料圓管制成,有效體積52.75 L,直徑200mm,高度為1681mm.2個三相分離器分別在反應(yīng)器的中部和上部,把反應(yīng)器分為粗處理區(qū)和精處理區(qū).頂部氣水分離區(qū):直徑300mm,高度 269mm,斷面面積0.07m2,有效容積10.5 L.IC反應(yīng)器由蠕動泵進(jìn)水,出水經(jīng)過一個水封后重力出流.反應(yīng)器外部包裹保溫材料,由可編程控制器控制反應(yīng)器維持在中溫條件運行.

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Experimental apparatus

1.2 進(jìn)水水質(zhì)及接種污泥

試驗啟動初期采用人工配水和實際制藥廢水混合進(jìn)水,其體積比為 1:1.人工配水以葡萄糖作為有機碳源, C:N:P = 200:5:1,同時投加Fe2+、Co2+、Mo2+、Ni2+、Mn2+等微生物生長所必須的微量元素.用NaHCO3調(diào)pH值,使反應(yīng)器內(nèi)的pH值維持在中性范圍.

制藥廢水為天津市某制藥廠化工合成制藥廢水,該廠主要產(chǎn)品為頭孢類藥物中間體 GCLE,同時含有大量二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、二甲苯等有機溶劑,廢水中同時含有大量藥物中間體,如檸檬烯、苯锍氟、苯并噻銼等,這些有機物對微生物有較強的毒性和抑制作用.試驗用制藥廢水的主要水質(zhì)指標(biāo)如下: COD 3000～22000mg/L, pH5.0～8.0,SS 200～600mg/L,氨氮20～110mg/L,總氮316～1360mg/L,色度100～600倍.

接種污泥取自某味精廠UASB反應(yīng)器中厭氧顆粒污泥,污泥沉降性能良好,SVI為 20～40mL/g.污泥濃度為 35000mg/L左右,污泥的VSS/SS為 0.77.顆粒污泥呈黑褐色細(xì)砂狀,粒徑為 0.4～1.5mm.顯微鏡下觀察污泥呈球形或橢球形,結(jié)構(gòu)密實且輪廓清晰.接種污泥共 9L,占反應(yīng)器總體積的1/6.

1.3 分析項目與方法

COD、SS、BOD5、MLSS和SVI的測定采用標(biāo)準(zhǔn)方法[16];色度采用稀釋倍數(shù)法;pH值的測定采用 PHS-3c酸度計;揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的測定采用滴定法;堿度的測定采用溴甲酚綠-甲基紅指示劑滴定法[17];顆粒污泥粒徑分布采用激光粒度儀(Malvern Mastersizer S Long Bed)測定;顆粒污泥表面結(jié)構(gòu)觀察采用HITACHI S-4700掃描電鏡.

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動過程容積負(fù)荷的控制與COD去除

反應(yīng)器啟動第 I 階段,由于接種的顆粒污泥是在冰箱中存放1年的厭氧顆粒污泥,在實驗運行的初期,反應(yīng)器的進(jìn)水采用為人工配水和制藥廢水比例 1:1的混合廢水,以恢復(fù)厭氧顆粒污泥的活性.傳統(tǒng)的厭氧反應(yīng)器的啟動方式為低進(jìn)水流量、低進(jìn)水濃度,容積負(fù)荷一般都小于2kgCOD/ (m3·d)[18].為縮短IC反應(yīng)器的啟動時間,采用高進(jìn)水濃度,高有機負(fù)荷的方式.COD為5000mg/L,負(fù)荷為3.2～4.9kgCOD/(m3·d)對污泥進(jìn)行培養(yǎng)馴化.這一階段運行的10d,IC反應(yīng)器的COD去除率在15%～32%,去除率較低(圖1).

第II階段,把IC反應(yīng)器的進(jìn)水流量由1.5L/h提高到 2.5L/h,相應(yīng)的上升流速由 0.05m/h提高到 0.08m/h,此時 IC反應(yīng)器的容積負(fù)荷達(dá)到5kgCOD/(m3·d)左右.這一階段COD去除率逐漸升高,第13d去除率達(dá)到52%.13d后進(jìn)水全部為100%的合成制藥廢水,第15d反應(yīng)器的去除率達(dá)到65%.之后雖然反應(yīng)器的 COD去除率稍有波動,但是都高于60%.第23d反應(yīng)器的去除率高達(dá)82%.此階段較高的上升流速對反應(yīng)器內(nèi)比重較大的顆粒污泥和分散的絮狀污泥進(jìn)行選擇,大多數(shù)絮狀污泥被洗出,而留在反應(yīng)器內(nèi)的顆粒狀污泥保持穩(wěn)定.這時污泥對廢水馴化培養(yǎng)階段基本完成.反應(yīng)器歷時23d完成啟動過程.

第 III階段,反應(yīng)器的負(fù)荷穩(wěn)定在 5kgCOD/ (m3·d)左右,COD去除率也穩(wěn)定在 70%～80%.為啟動完成后穩(wěn)定期.

第 IV階段,控制反應(yīng)器的負(fù)荷大于7kgCOD/(m3·d),第 40d隨著容積負(fù)荷的升高,反應(yīng)器的去除率下降,第44d的去除率降為63%.

在試驗過程中,隨著運行時間的延長,反應(yīng)器內(nèi)絮狀污泥逐漸減少,顆粒污泥形成,直到反應(yīng)器內(nèi)沒有絮狀污泥.

圖2 啟動階段COD容積負(fù)荷控制與去除率變化Fig.2 COD volumetric loading control and removal rate variation in startup

2.2 啟動過程中進(jìn)出水SS的變化

由圖 3可見,啟動馴化階段進(jìn)水 SS濃度為500mg/L左右,出水 SS濃度變化較大,由最初的2000mg/L下降到 348mg/L.反應(yīng)器運行最初階段,接種污泥中的非常細(xì)小的分散污泥被洗出,出水SS濃度較高.隨著啟動馴化進(jìn)行,初期水力條件對反應(yīng)器內(nèi)的污泥進(jìn)行選擇,大多數(shù)的絮狀污泥被洗出,出水SS濃度都高于進(jìn)水.隨著反應(yīng)器的有機物去除率的升高,第23d馴化基本完成,厭氧反應(yīng)器開始產(chǎn)生的大量沼氣,進(jìn)一步洗出反應(yīng)器內(nèi)的分散的絮狀污泥和解體的顆粒污泥.使得出水 SS濃度高達(dá) 2200mg/L.隨著反應(yīng)器的穩(wěn)定運行,細(xì)小的絮狀污泥完全被洗出,出水SS逐漸下降到348mg/L.反應(yīng)器內(nèi)部污泥濃度趨于穩(wěn)定.進(jìn)出水 SS的變化也表征了系統(tǒng)啟動馴化過程的完成.

圖3 啟動階段進(jìn)出水SS變化Fig.3 SS variation of effluent and influent during startup stage

2.3 顆粒污泥粒徑分布變化

圖4 顆粒污泥粒徑分布Fig.4 Variation of particle size distribution

由圖4可見,在接種的顆粒污泥中,顆粒污泥的平均粒徑較小,為0.6mm,小顆粒所占的比例很大,粒徑＜0.4mm的顆粒占 49%,在反應(yīng)器培養(yǎng)馴化過程中,隨著液體上升流速逐步提高和產(chǎn)氣量的增大,一方面粒徑較小的顆粒隨出水流出反應(yīng)器;另一方面顆粒污泥實現(xiàn)自身增殖,顆粒更加規(guī)則、密實、穩(wěn)定,粒徑更大.成熟顆粒污泥的粒徑主要集中在中間粒徑范圍,平均粒徑為0.9mm,粒徑＜0.2mm的顆粒僅為10%,粒徑分布均勻,中間粒徑0.6～1.4mm內(nèi)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)54.3%,較接種前的28.21%有顯著的提高.

2.4 反應(yīng)器完成啟動后顆粒污泥的外觀形態(tài)

圖5是運行第40d時顆粒污泥樣品照片,通過對顆粒污泥的表面進(jìn)行掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),其表面存在孔隙,這些空隙是底物和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)出顆粒污泥,供給微生物利用和代謝廢棄物排出的通道,同時也是顆粒內(nèi)部微生物代謝產(chǎn)氣的釋放渠道.研究發(fā)現(xiàn),72%的甲烷是通過乙酸轉(zhuǎn)化的,顆粒污泥已發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)甲烷菌中[19],甲烷鬢毛菌和甲烷八疊球菌是僅有的 2種能代謝乙酸的產(chǎn)甲烷菌.通常情況下觀察到的甲烷鬢毛菌有2種形態(tài):一種是多個桿狀細(xì)菌組成的絲狀細(xì)菌,另一種是4、5個細(xì)胞組成的桿狀菌[20].從圖5C和5D觀察到顆粒污泥生物相為多個桿狀細(xì)菌組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).初步判斷IC反應(yīng)器顆粒污泥中產(chǎn)甲烷鬢毛菌(Methanosaetaceae)占優(yōu)勢.

圖5 IC反應(yīng)器內(nèi)部顆粒污泥形態(tài)以及掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 Morphology and observation by SEM of granular sludge in IC reactor

3 結(jié)論

3.1 以較高負(fù)荷、高進(jìn)水濃度的啟動控制方式,能夠快速啟動IC反應(yīng)器.經(jīng)過23d的啟動運行,處理難降解合成制藥廢水的IC反應(yīng)器容積負(fù)荷達(dá)到 5kgCOD/(m3·d), COD去除率達(dá)到 70%～80%.在容積負(fù)荷增加到 7.4kgCOD/(m3·d)時, COD的去除率仍可穩(wěn)定在70%左右.

3.2 試驗IC反應(yīng)器中的成熟顆粒污泥形狀規(guī)則、密實、粒徑大,接種污泥的平均粒徑為0.6mm,啟動結(jié)束后反應(yīng)器中顆粒污泥平均粒徑增大到 0.9mm.掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),顆粒污泥中古細(xì)菌產(chǎn)甲烷鬢毛菌(Methanosaetaceae)占優(yōu)勢.

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Granular sludge acclimation and quick startup of pharmaceutical wastewater with an IC reactor.

ZHOU Li-li, JI Min*(School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China). China Environmental Science, 2010,30(6)：758～762

Granular sludge acclimation and quick startup of a lab-scale internal circulation anaerobic (IC) reactor, treating a chemical synthesis-based pharmaceutical wastewater were evaluated. The reactor was operated under mesophilic conditions. The seeding granular sludge originated from an up-flow anaerobic sludge blanket reactor treating monosodium glutamate (MSG) wastewater. The acclimation period lasted 23 d with high strength influent and high organic loading rates (OLR). In this period, glucose substrate was mixed with pharmaceutical wastewater and the mixture gradually changed into refractory full-pharmaceutical wastewater rapidly. Granular sludge acclimation was achieved with COD removal efficiency of 70%～80% and organic loading rates of 5 kgCOD/(m3·d). The COD removal efficiency was stabilized at about 70% when the OLR increased to 7.4 kgCOD/(m3·d). Mature granular sludge was dense, regular and with large size. The dominant archaea in the mature granular samples was Methanosaetaceae using scanning electron microscope. Quick acclimation and startup of the IC reactor which was used to treat refractory wastewater were achieved using high strength influent and high organic loading rates.

pharmaceutical wastewater；IC reactor；granular sludge acclimation

2009-11-12

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2008ZX07314-001)

* 責(zé)任作者, 教授, jimin@tju.edu.cn

X703

A

1000-6923(2010)06-0758-05

周莉莉(1981-),女,河南平頂山人,天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生,主要研究方向為污水生物處理原理及應(yīng)用.發(fā)表論文7篇.