陳國冬李猛羅海玲周子倩張鴻郭羅定貴陳永亨

（1．廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省放射性核素污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　廣州510006；2．綠之源環(huán)保技術(shù)有限公司　廣東佛山528000）

?

上流式厭氧污泥床再啟動及除鉈研究*

陳國冬1，2李猛1羅海玲1周子倩1張鴻郭1羅定貴1陳永亨1

（1．廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，珠江三角洲水質(zhì)安全與保護(hù)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省放射性核素污染控制與資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣州510006；2．綠之源環(huán)保技術(shù)有限公司廣東佛山528000）

摘要采用模擬廢水再次啟動因長期停止進(jìn)水而生物活性被抑制的上流式厭氧污泥床生物反應(yīng)器，探討反應(yīng)器再啟動特征及其處理含鉈酸性廢水的效果。研究結(jié)果表明，反應(yīng)器再啟動效果很好，從硫酸鹽去除率和堿度等指標(biāo)可認(rèn)為反應(yīng)器在第47天完成了再啟動過程。啟動后的反應(yīng)器對硫酸鹽去除效果好，平均去除率達(dá)到94．76%；抗pH沖擊性能強(qiáng)，反應(yīng)過程可產(chǎn)生大量堿度，同時消耗較少的COD，可有效適應(yīng)酸性廢水中COD和堿度匱乏的特征；反應(yīng)器對廢水中鉈的去除效果較好，最高去除率達(dá)到99．11%，平均去除率達(dá)到94．2%。再啟動時間短及其對酸性廢水具有較好的適應(yīng)性表明該反應(yīng)器及其已培育菌群能較好地轉(zhuǎn)場并應(yīng)用于含鉈酸性廢水的處理。

關(guān)鍵詞UASB再啟動模擬廢水除鉈

Research on Restart－up of UASB and Thallium Removal

CHEN Guodong1，2LI Meng1LUO Hailing1ZHOU Ziqian1ZHANG Hongguo1LUO Dinggui1CHEN Yongheng1
（1．School of Environmental Science and Engineering，Guangzhou University；Key Laboratory for Water Quality
Security and Protection in Pearl River Delta，Ministry of Education and Guangdong Province，Guangdong Provincial Key Laboratory of Radionuclides Pollution Control and Resources Guangzhou 510006）

Abstract Feasibility of restart－up of up－flow Anaerobic Sludge Bed（UASB）and its effects of thallium removal have been discussed after the bacterial activity is inhibited by means of stopping influent nutrient solution．The result shows that the restart－up of UASB can be successfully completed within 47 days．During the steady stage，the average removal effi-ciencies of sulfate can reach 94．76%．The system has strong pH shock resistance，lots of alkaline is produced and mean-while lesser COD is consumed，effectively suitable for lack of COD and alkalinity in acid waste water．More than 90%of thallium can be removed in the process and the highest removal efficiency can reach 99．11%，with 94．2%of the average removal efficiency．The restart system has shown a stable and efficient removal of contaminants．

Key Words UASB restart－up artifical wastewater thallium removel

0　引言

工業(yè)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的大量含重金屬廢水進(jìn)入受納環(huán)境后可通過食物鏈富集，引起人體慢性中毒［1－5］，其中分散性毒害元素鉈對人體危害極大［6－7］。

目前處理含鉈廢水的方法主要有活性氧化鋁吸附法、離子交換法和沉淀法，這些方法處理成本高，容易引起二次污染［8－9］。采用選擇性好、濃度適用范圍廣、處理成本較低的微生物技術(shù)處理含鉈廢水已得到越來越廣泛的關(guān)注，但也存在吸附容量低、易受環(huán)境因素和有害重金屬影響、微生物活性較低等不足。采用上流式厭氧污泥床（UASB）馴養(yǎng)硫酸鹽還原菌（SRB），利用其將硫酸鹽還原成硫化物的特性，將鉈離子轉(zhuǎn)化成不溶性硫化鉈，降低痕量毒害金屬元素鉈的可遷移性，同時也為回收廢水中的鉈奠定基礎(chǔ)［6，10－11］。

反應(yīng)器初次啟動歷時較長，極大地限制了該方法的應(yīng)用，利用原反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥作為種泥縮，短UASB厭氧反應(yīng)器的啟動過程具有重要的意義［12］。本實(shí)驗(yàn)擬再啟動已停止進(jìn)水近一年的反應(yīng)器，探討反應(yīng)器再啟動時間、影響因子和啟動后反應(yīng)器對模擬酸性廢水中鉈的處理效果。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用UASB，如圖1所示。反應(yīng)器采用透明有機(jī)玻璃制成，有效容積36 L，從反應(yīng)器底部均勻布水，實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)在室內(nèi)遮光放置，利用空調(diào)進(jìn)行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。

圖1 UASB反應(yīng)器裝置

1．2實(shí)驗(yàn)進(jìn)水

實(shí)驗(yàn)廢水取自廣東某礦山酸性廢水，稀釋至適宜濃度作為反應(yīng)器進(jìn)水，外加一定的營養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1進(jìn)水水質(zhì)特征

1．3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過程中常規(guī)指標(biāo)SO2－

4，COD，pH值和堿度的檢測采用水和廢水監(jiān)測分析方法［13］，Tl的檢測采用電感耦合－等離子體質(zhì)譜法（ICP－MS，PE E-lan6000型），儀器工作條件見表2。啟動前分別取閑置狀態(tài)反應(yīng)器的上部、中部和底部污泥混合均勻后測定污泥中MLSS和MLVSS，結(jié)果顯示混合污泥MLVSS／MLSS為58．86%。

表2 PE Elan6000型ICP－MS工作參數(shù)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1進(jìn)出水硫酸鹽的變化

圖2進(jìn)出水硫酸鹽變化

反應(yīng)器污泥MLVSS／MLSS較低，表明活性污泥的活性較反應(yīng)器正常運(yùn)行時低，反應(yīng)器部分污泥已失去活性。反應(yīng)器恢復(fù)進(jìn)水后，初期出水中有細(xì)小深黑色污泥且出水色度偏深，表明反應(yīng)器內(nèi)存在部分失去活性的污泥。持續(xù)進(jìn)水后，出水中細(xì)小黑色顆粒逐漸減少，出水色度逐步降低，顯示反應(yīng)器內(nèi)污泥活性在逐步恢復(fù)。

如圖2所示，進(jìn)水硫酸鹽濃度在212．4～353．8 mg／L之間波動，在前16天，硫酸鹽去除率維持在低且波動較大的狀態(tài)，最低去除率僅有3．49%，這是由于反應(yīng)器中硫酸鹽還原菌還處于適應(yīng)階段，活性有限，同時又存在菌體的解體現(xiàn)象。從第19天開始，硫酸鹽的去除率呈現(xiàn)加速升高的趨勢。從第47天開始硫酸鹽去除率達(dá)到了68．24%，且去除率維持在穩(wěn)定并相對高的狀態(tài)，可認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)硫酸鹽還原菌已占據(jù)主導(dǎo)地位，反應(yīng)器已初步完成啟動過程。從第74天開始，硫酸鹽去除率基本上超過90%，最高達(dá)到99．81%，反應(yīng)器對硫酸鹽已有較好的穩(wěn)定處理效果。

2．2進(jìn)出水COD的變化

在反應(yīng)器啟動初期，由于反應(yīng)器內(nèi)活性污泥活性較低，同時存在菌體解體的現(xiàn)象，COD同樣存在去除率低且相對波動較大的特征，最低去除率僅有9．71%。

如圖3所示，從第13天開始，反應(yīng)器對COD的去除率有所提高但維持在一個較低的水平，除反應(yīng)器出現(xiàn)異常的第38天、第41天和第44天外，該階段COD平均去除率維持在20%左右。從第47天開始，COD去除率有所升高，但最高COD去除率也僅有35．39%。

2．3進(jìn)出水pH值的變化

圖3進(jìn)出水COD變化

國內(nèi)外研究表明，適合SRB生長的pH值范圍較寬，一般在5．5～9．0之間［14－16］。

圖4進(jìn)出水pH值

啟動初期，反應(yīng)器內(nèi)硫酸鹽還原菌活性較低，厭氧消化菌表現(xiàn)相對活躍，有機(jī)物水解發(fā)酵，導(dǎo)致出水pH值急劇下降，最低值為4．47。到第20天，硫酸鹽還原菌活性逐漸提高，同時由于硫酸鹽還原過程會產(chǎn)生堿度，使出水pH值平穩(wěn)上升（圖4）。在第80～110天，進(jìn)水pH值出現(xiàn)波動，但出水pH值波動不大，表明系統(tǒng)對進(jìn)水pH值變化具有一定的抗沖擊能力。

2．4進(jìn)出水堿度變化

在整個反應(yīng)器啟動過程中，進(jìn)水堿度維持在300～500 mg／L，平均值為370 mg／L（圖5）。

圖5進(jìn)出水堿度變化

再啟動初期，反應(yīng)器內(nèi)硫酸鹽還原菌活性不足，反應(yīng)過程產(chǎn)生的堿度有限，由于厭氧水解反應(yīng)較強(qiáng)，導(dǎo)致出水堿度低于進(jìn)水堿度。隨著硫酸鹽還原菌活性不斷增強(qiáng)，厭氧水解反應(yīng)受基質(zhì)競爭影響而變?nèi)?，反?yīng)器出水堿度迅速增加，從200 mg／L提升到1 100 mg／L，表明隨著pH值的變化，堿度在反應(yīng)器中起到了維持體系的緩沖作用。47天后，出水堿度維持在900～1 200 mg／L，平均值為1 050 mg／L。有研究表明，UASB反應(yīng)器出水堿度在1 000 mg／L以上能成功地培養(yǎng)出顆粒污泥［17－18］。伴隨著硫酸鹽還原過程中產(chǎn)生的堿度，反應(yīng)器已處于一種高效穩(wěn)定的狀態(tài)。

2．5進(jìn)出水鉈濃度的變化

反應(yīng)器再啟動完成后，隨機(jī)選取幾組進(jìn)出水樣品進(jìn)行ICP－MS檢測。

圖6進(jìn)出水鉈質(zhì)量濃度變化

如圖6所示，進(jìn)水鉈離子質(zhì)量濃度維持在2．7 ～4．0μg／L，平均值為3．46μg／L，出水鉈離子質(zhì)量濃度較低，平均值為0．19μg／L。反應(yīng)器對鉈離子的去除率平均值超過94．2%，最高去除率為99．11%，相應(yīng)的出水鉈離子質(zhì)量濃度為0．036 5μg／L。

3　結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)在常溫條件下，利用酸性廢水對UASB反應(yīng)器進(jìn)行再啟動研究，從第47天開始，反應(yīng)器內(nèi)硫酸鹽還原菌已占據(jù)主導(dǎo)地位，反應(yīng)器初步完成再啟動過程。

反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后硫酸根的平均去除率達(dá)到94．76%；COD的去除效果欠佳，平均去除率僅為28．41%；反應(yīng)器出水pH值低于進(jìn)水pH值，反應(yīng)器抗pH值沖擊能力較強(qiáng)；出水堿度遠(yuǎn)大于進(jìn)水堿度。反應(yīng)器對鉈的去除效果保持在一個較高的水平，平均去除率達(dá)到94．2%?？傮w來說，各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了原反應(yīng)器的水平。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用反應(yīng)器內(nèi)原有顆粒污泥作為種泥進(jìn)行再啟動，啟動時間短，啟動后的反應(yīng)器對污染物的去除具有穩(wěn)定高效的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］方迪，王方，單紅仙，等．硫酸鹽還原菌對酸性廢水中重金屬的生物沉淀作用研究［J］．生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2010，19（3）：562－565．

［2］馬春花，胡寒橋．硫酸鹽還原菌處理含重金屬廢水的實(shí)驗(yàn)研究［J］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2010（20）：5－6．

［3］吳文菲，劉波，李紅軍，等．pH、鹽度對微生物還原硫酸鹽的影響研究［J］．環(huán)境工程學(xué)報，2011，5（11）：2527－2531．

［4］李琛，王星波，安文輝．硫酸鹽還原菌在含鉻廢水處理中的應(yīng)用［J］．西部皮革，2012，34（2）：28－31．

［5］Kieu H T Q，Muller E，Horn H．Heavy metal removal in anaerobic semi－continuous stirred tank reactors by a consor-tium of sulfate－reducing bacteria［J］．Water Research，2011，45（13）：3863－3870．

［6］張鴻郭，羅定貴，陳永亨，等．含鉈酸性廢水啟動硫酸鹽還原生物反應(yīng)器研究［J］．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（12）：207－210．

［7］彭景權(quán)，肖唐付，李航，等．黔西南濫木廠鉈礦化區(qū)河流沉積物中重金屬污染及其潛在生態(tài)危害［J］．地球與環(huán)境，2007，35（3）：247－254．

［8］張平，陳永亨．含鉈廢水處理處理方法［P］．中國專利．200510034811．4．2006－01－04．

［9］梁保勝，馬啟明，呂索秀，等．含鉈廢水處理處理方法［P］．中國專利．92105763．6．1992－12－23．

［10］Jalal Shayegana，F(xiàn)arideh Ghavipanjehb，Parisa Mirjafari．The effect of influent COD and upward flow velocity on the be-haviour of sulphate－reducing bacteria［J］．Process Biochem-istry，2004，40（7）：2305－2310．

［11］Hina Rizvi a，Nasir Ahmad b，F(xiàn)arhat Abbas，et al．Start－up of UASB reactors treating municipal wastewaterand effect of temperature／sludge age and hydraulic retention time（HRT）on its performance［J］．Arabian Journal of Chemistry，2014，1 （26）：1－7．

［12］孫振世，陳英旭，楊曄．UASB的啟動及其影響因素［J］．中國沼氣，2000，18（2）：17－19，31．

［13］國家環(huán)保局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會編．水和廢水監(jiān)測分析方法［M］．第4版．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

［14］陳濤．硫酸鹽還原菌的分離純化和篩選及其去除重金屬鉻的研究［D］．成都：四川大學(xué)，2006：1－79．

［15］萬由令，李龍海，甘欣欣．厭氧處理廢水過程中硫酸鹽還原菌的生態(tài)特性［J］．農(nóng)機(jī)化研究，2004（5）：106－109，112．

［16］王輝，戴友芝，劉川，等．混合硫酸鹽還原菌代謝過程的影響因素［J］．環(huán)境工程學(xué)報，2012，6（6）：1795－1800．

［17］李萌，程麗華，畢學(xué)軍．UASB啟動和運(yùn)行過程中各影響因素分析［J］．青島理工大學(xué)學(xué)報，2011，32（6）：70－75．

［18］于興，付金祥，孫文章．UASB啟動的試驗(yàn)研究［J］．遼寧化工，2006，35（1）：18－19，36．

收稿日期：（2014－12－18）

通訊作者張鴻郭，副教授，碩士生導(dǎo)師，gzuzhang＠126．com。

作者簡介陳國冬，1990年生，碩士研究生，主要從事含鉈酸性硫酸鹽廢水生物處理的研究。

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51208122），廣東省科技項(xiàng)目（2010B030900008），廣州市珠江科技新星項(xiàng)目和“工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目。