張 龍,劉偉京,吳 偉,張雙圣,王曉青

(1.江蘇省環(huán)境科學研究院,南京210036;2.中國礦業(yè)大學環(huán)境與測繪學院,江蘇徐州 221116)

水解酸化工藝通過控制酸化過程,利用污泥中的厭氧微生物,可以將廢水中非溶態(tài)或難降解的大分子有機物轉化為溶態(tài)易降解的小分子有機物[1-2],顯著提高廢水的可生化性,因此越來越多地應用于各種難降解廢水的預處理中,并且具有剩余污泥產量少、能耗低、操作簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點。通過長期的實踐研究表明,影響水解酸化處理效率的主要因素是:進水布水的均勻性以及泥水混合的充分性[3-4]。廣大環(huán)保科技工作者基于這2點,優(yōu)化了水解酸化反應器的工藝結構,開發(fā)出了多種水解酸化反應器,并取得了較好的實際應用效果。依據水解酸化反應器中水體流動的形態(tài),各種反應器可以歸納為3類:升流式、折流式和推流式[5-9]。其中升流式水解酸化反應器脫胎于UASB反應器,依靠進水由下而上的升力,達到泥水混合、反應、分離的效果;折流式水解酸化反應器通過反應器內布置的折流板,實現(xiàn)廢水在反應器內上行-下行的運行,目前應用較多的是ABR反應器;而推流式水解酸化反應器依靠動力,使廢水和污泥實現(xiàn)攪拌混合,進行反應。各類反應器各具優(yōu)點又各有缺點,其中缺點集中在布水不均勻,泥水混合不完全,布水管容易堵塞等問題上。

針對現(xiàn)有厭氧水解反應器的不足,將3類反應器優(yōu)點進行集成,設計開發(fā)出一種新型厭氧水解反應器,集成升流式、折流式和推流式反應器的優(yōu)點。中試實際運行結果表明,該反應器對各類難降解廢水具有較好的處理效果,同時,模塊化的設計使之針對不同水質的廢水,可以調整運行方式,降低運行費用,具有較大的靈活性。

1 材料與方法

1.1 新型水解酸化反應器

新型水解酸化反應器結構示意圖如圖1所示,反應器為同心圓結構,其中穿孔布水管、回流布水管和上清液收集管均為環(huán)形穿孔布水管。在實際應用中,進水通過環(huán)形布水器進入預反應區(qū),與厭氧污泥進行初步混合反應,然后進行上流式反應,廢水上升流速大,并且可以通過上清液回流或攪拌器攪拌強化混合效果。之后廢水下行,通過折流板進行2次擾動達到泥水混合的目的,反應區(qū)體積大,污水上升流速小,并通過填料區(qū)水解酸化生物膜的反應,強化處理效果,有效提高廢水可生化性。反應區(qū)污泥自流回流至預反應區(qū),泥水分離效果較好,出水進入后續(xù)反應器進行后續(xù)處理。水解酸化反應器的容積為1.24m3,水力停留時間為12～32 h,攪拌速度為60～120 r/m,上清液回流比為50%～300%,使用填料為K3填料。反應器的主要創(chuàng)新點在于實現(xiàn)無動力的污泥內回流,以及實現(xiàn)上流式、推流式和折流式厭氧水解反應器的有機結合。

1.2 實驗水樣

使用2類不同廢水對新型水解酸化反應器性能進行實驗和評估,①類為某印染廠綜合廢水,經過格柵和調節(jié)池之后出水,水質分析平均值如下:COD為544.0mg/L,NH3-N為25.5mg/L,TN為32.3mg/L,TP為2.5mg/L,色度300倍,B/C=0.19。②類為某化工園區(qū)綜合廢水,為園區(qū)污水廠集水井出水,主要含有苯類物質、染料和生活污水,以印染廢水為主(占86.7%),水質分析平均值如下:COD為313.0mg/L,NH 3-N為30.3mg/L,TN為35.9mg/L,TP為4.4mg/L,色度280倍,B/C=0.30。

圖1 新型水解酸化反應器結構示意圖

1.3 分析方法

實驗分析指標,包括mLSS、COD、BOD5、NH 3-N、TN、TP以及色度均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》相關方法進行測試。生物相觀察使用40倍生物顯微鏡LED XSP-10C(上海光學儀器廠)。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量的測定選用蒸餾滴定法[10-11]。

2 結果與分析

2.1 水解酸化反應器的啟動

水解酸化反應器接種污泥選用周邊污水廠水解酸化池含水污泥,MLSS濃度為8 g/L左右,投加量為0.3m3,接種后進水,開動攪拌器和上清液回流泵,攪拌速度為90 r/m,上清液回流量為100%,水解酸化反應器水力停留時間為24 h。污泥接種后,每日投加好氧系統(tǒng)剩余污泥10 L,連續(xù)投加3周,反應器底部采樣結果如圖2所示。

圖2可知,通過3周的運行,水解酸化反應器底部污泥的MLSS超過9 g/L,并逐漸穩(wěn)定。同時,污泥具有較好的流動性,泥水分離界面距水面0.3m,表明整個反應器有較好泥水混合和分離效果。運行6個月以來,填料掛膜效果理想,且未進行排泥。

圖2 水解酸化反應器底部污泥MLSS變化

2.2 水解酸化反應器運行方式的篩選

水解酸化反應器的運行方式有4種:攪拌、回流、攪拌+回流以及無動力運行(無攪拌也無回流)。實際運行中,以2類廢水作為處理對象,攪拌和回流選擇以3水平因子進行對比,單因子表征的運行時間為2周,其主要的運行結果對比如表1。

表1 厭氧水解反應器不同運行方式下處理效果對比

總體比較來說,攪拌+回流的效果最好,無動力運行效果最差。在攪拌和回流運行條件的篩選中,總體而言,隨著攪拌強度和回流量的增大,效果要稍好一點,但提升幅度并不明顯。尤其是對COD濃度較低的②類廢水,提高攪拌強度或者回流量效果并不明顯。因此,從能耗和運行成本考慮,針對進水污染物濃度較高的廢水,推薦使用攪拌加回流運行方式,其中攪拌強度為90 r/m,回流比為100%。而針對進水污染物濃度較低的廢水,則推薦使用攪拌,而不使用回流,攪拌強度選為90 r/m。

2.3 水解酸化反應器處理效果

新型水解酸化反應器對2類廢水的實際運行效果如表2所示。

表2 針對不同廢水厭氧水解反應器處理效果對比

系統(tǒng)運行中,除表2數據以外,二者水力停留時間均為24 h,但二者系統(tǒng)中的污泥濃度略有不同,①類廢水處理系統(tǒng)污泥濃度MLSS在1 800～2 500mg/L之間,平均2 130mg/L,②類廢水處理系統(tǒng)污泥濃度MLSS在2 000～2 800mg/L之間,平均2 520mg/L。此外,由表2可知:水解酸化反應器對COD、色度的去除效果較為明顯,對B/C的提升效果也較為明顯。此外,經過水解酸化處理后,出水的氨氮、總氮和總磷都有提高,總磷的提高是由于微生物在厭氧環(huán)境下的釋磷作用,而氨氮和總氮的提高,是由于2類廢水中都含有大量印染廢水,水解酸化作用對印染廢水的處理,會導致含氮染料降解為胺類物質,從而導致總氮、氨氮濃度的上升[12-13]。

水解酸化反應器中的的生物相主要是兼性酸化菌、產甲烷菌和其他一些菌類,其組成為復雜的菌膠團,一般較難在低倍數的顯微鏡下觀測到生物相。但由表2可知,新型水解酸化反應器VFA的產量較大,因此判斷其所含酸化菌的活性很強。此外,經過長時間連續(xù)觀察,在水解酸化反應器污泥中也發(fā)現(xiàn)了少量原生動物,其生物相如圖3所示。

圖3 新型水解酸化反應器生物相

2.4 新型水解酸化反應器與其他反應器對比

除了實驗的新型水解酸化反應器之外,針對①類廢水的處理,與另外3種厭氧水解反應器進行了比對,4類反應器的具體構造對比如表3所示,對比結果如表4所示:

表3 4類水解水解酸化反應器結構和運行參數

表4 4類水解酸化反應器運行效果對比

由表可知:幾種反應器對廢水的處理效果都較好,其中新型厭氧水解反應器在COD的去除上有明顯的優(yōu)勢,提升幅度約為6個百分點左右,在B/C的提高以及對色度的去除上也有一定的優(yōu)勢。

3 結論

1)設計開發(fā)了一種同心圓新型水解酸化反應器,其集成上流式、折流式和推流式水解酸化反應器的優(yōu)點,結構簡單,可以有效處理不同水質的難降解廢水,針對實驗中兩類不同廢水,處理出水中VFA超過50mg/L乙酸當量。

2)針對不同的廢水,可以啟用不同的運行方式,處理高濃度廢水時,可以通過攪拌+回流的方式強化泥水混合效果,提高處理效率;在處理低濃度廢水時,可以不使用上清液回流設備,在取得較好去除效果的條件下降低運行成本,在實際應用中具有較好的靈活性。

3)和其他各種類型的厭氧反應器相比,新型水解酸化反應器可以提高6個百分點左右的COD去除效果。

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