張 龍,劉偉京,吳 偉,張雙圣,王曉青

(1.江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院,南京210036;2.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)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(jī)物轉(zhuǎn)化為溶態(tài)易降解的小分子有機(jī)物[1-2],顯著提高廢水的可生化性,因此越來越多地應(yīng)用于各種難降解廢水的預(yù)處理中,并且具有剩余污泥產(chǎn)量少、能耗低、操作簡單、效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。通過長期的實(shí)踐研究表明,影響水解酸化處理效率的主要因素是:進(jìn)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(diǎn),優(yōu)化了水解酸化反應(yīng)器的工藝結(jié)構(gòu),開發(fā)出了多種水解酸化反應(yīng)器,并取得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。依據(jù)水解酸化反應(yīng)器中水體流動(dòng)的形態(tài),各種反應(yīng)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(yīng)器脫胎于UASB反應(yīng)器,依靠進(jìn)水由下而上的升力,達(dá)到泥水混合、反應(yīng)、分離的效果;折流式水解酸化反應(yīng)器通過反應(yīng)器內(nèi)布置的折流板,實(shí)現(xiàn)廢水在反應(yīng)器內(nèi)上行-下行的運(yùn)行,目前應(yīng)用較多的是ABR反應(yīng)器;而推流式水解酸化反應(yīng)器依靠動(dòng)力,使廢水和污泥實(shí)現(xiàn)攪拌混合,進(jìn)行反應(yīng)。各類反應(yīng)器各具優(yōu)點(diǎn)又各有缺點(diǎn),其中缺點(diǎn)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(yīng)器的不足,將3類反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行集成,設(shè)計(jì)開發(fā)出一種新型厭氧水解反應(yīng)器,集成升流式、折流式和推流式反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)。中試實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該反應(yīng)器對各類難降解廢水具有較好的處理效果,同時(shí),模塊化的設(shè)計(jì)使之針對不同水質(zhì)的廢水,可以調(diào)整運(yùn)行方式,降低運(yùn)行費(fèi)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(yīng)器

新型水解酸化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,反應(yīng)器為同心圓結(jié)構(gòu),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(shí)際應(yīng)用中,進(jìn)水通過環(huán)形布水器進(jìn)入預(yù)反應(yīng)區(qū),與厭氧污泥進(jìn)行初步混合反應(yīng),然后進(jìn)行上流式反應(yīng),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(qiáng)化混合效果。之后廢水下行,通過折流板進(jìn)行2次擾動(dòng)達(dá)到泥水混合的目的,反應(yīng)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(yīng),強(qiáng)化處理效果,有效提高廢水可生化性。反應(yīng)區(qū)污泥自流回流至預(yù)反應(yīng)區(qū),泥水分離效果較好,出水進(jìn)入后續(xù)反應(yīng)器進(jìn)行后續(xù)處理。水解酸化反應(yīng)器的容積為1.24m3,水力停留時(shí)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(yīng)器的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力的污泥內(nèi)回流,以及實(shí)現(xiàn)上流式、推流式和折流式厭氧水解反應(yīng)器的有機(jī)結(jié)合。

1.2 實(shí)驗(yàn)水樣

使用2類不同廢水對新型水解酸化反應(yīng)器性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和評估,①類為某印染廠綜合廢水,經(jīng)過格柵和調(diào)節(jié)池之后出水,水質(zhì)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(zhì)、染料和生活污水,以印染廢水為主(占86.7%),水質(zhì)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(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 分析方法

實(shí)驗(yàn)分析指標(biāo),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(guān)方法進(jìn)行測試。生物相觀察使用40倍生物顯微鏡LED XSP-10C(上海光學(xué)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(jié)果與分析

2.1 水解酸化反應(yīng)器的啟動(dòng)

水解酸化反應(yīng)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(jìn)水,開動(dòng)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(yīng)器水力停留時(shí)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(yīng)器底部采樣結(jié)果如圖2所示。

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

圖2 水解酸化反應(yīng)器底部污泥MLSS變化

2.2 水解酸化反應(yīng)器運(yùn)行方式的篩選

水解酸化反應(yīng)器的運(yùn)行方式有4種:攪拌、回流、攪拌+回流以及無動(dòng)力運(yùn)行(無攪拌也無回流)。實(shí)際運(yùn)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(jìn)行對比,單因子表征的運(yùn)行時(shí)間為2周,其主要的運(yùn)行結(jié)果對比如表1。

表1 厭氧水解反應(yīng)器不同運(yùn)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(dòng)力運(yùn)行效果最差。在攪拌和回流運(yùn)行條件的篩選中,總體而言,隨著攪拌強(qiáng)度和回流量的增大,效果要稍好一點(diǎn),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(qiáng)度或者回流量效果并不明顯。因此,從能耗和運(yùn)行成本考慮,針對進(jìn)水污染物濃度較高的廢水,推薦使用攪拌加回流運(yùn)行方式,其中攪拌強(qiáng)度為90 r/m,回流比為100%。而針對進(jìn)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(qiáng)度選為90 r/m。

2.3 水解酸化反應(yīng)器處理效果

新型水解酸化反應(yīng)器對2類廢水的實(shí)際運(yùn)行效果如表2所示。

表2 針對不同廢水厭氧水解反應(yīng)器處理效果對比

系統(tǒng)運(yùn)行中,除表2數(shù)據(jù)以外,二者水力停留時(shí)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(yīng)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(jīng)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(huì)導(dǎo)致含氮染料降解為胺類物質(zhì),從而導(dǎo)致總氮、氨氮濃度的上升[12-13]。

水解酸化反應(yīng)器中的的生物相主要是兼性酸化菌、產(chǎn)甲烷菌和其他一些菌類,其組成為復(fù)雜的菌膠團(tuán),一般較難在低倍數(shù)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(yīng)器VFA的產(chǎn)量較大,因此判斷其所含酸化菌的活性很強(qiáng)。此外,經(jīng)過長時(shí)間連續(xù)觀察,在水解酸化反應(yīng)器污泥中也發(fā)現(xiàn)了少量原生動(dòng)物,其生物相如圖3所示。

圖3 新型水解酸化反應(yīng)器生物相

2.4 新型水解酸化反應(yīng)器與其他反應(yīng)器對比

除了實(shí)驗(yàn)的新型水解酸化反應(yīng)器之外,針對①類廢水的處理,與另外3種厭氧水解反應(yīng)器進(jìn)行了比對,4類反應(yīng)器的具體構(gòu)造對比如表3所示,對比結(jié)果如表4所示:

表3 4類水解水解酸化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)

表4 4類水解酸化反應(yīng)器運(yùn)行效果對比

由表可知:幾種反應(yīng)器對廢水的處理效果都較好,其中新型厭氧水解反應(yīng)器在COD的去除上有明顯的優(yōu)勢,提升幅度約為6個(gè)百分點(diǎn)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(jié)論

1)設(shè)計(jì)開發(fā)了一種同心圓新型水解酸化反應(yīng)器,其集成上流式、折流式和推流式水解酸化反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡單,可以有效處理不同水質(zhì)的難降解廢水,針對實(shí)驗(yàn)中兩類不同廢水,處理出水中VFA超過50mg/L乙酸當(dāng)量。

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

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

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