范駿洋,張善林,鄒海晴,陳廣元,樸 哲
(1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州225127;2.揚(yáng)州綠源水處理工程有限公司,江蘇揚(yáng)州225127)
乳品廢水處理通常采用厭氧好氧相結(jié)合的工藝〔1〕。乳制品廢水由于富含蛋白質(zhì)、脂肪、油類等密度較低的有機(jī)物〔2〕,存在厭氧處理效果不穩(wěn)定、容易跑泥等問題。顆粒污泥具有良好的沉降性,能保持反應(yīng)器內(nèi)較高的微生物濃度〔3〕,提高反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力〔4〕??焖倥嘤w粒污泥對乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
為了快速啟動(dòng)乳品廢水厭氧反應(yīng)器及培育顆粒污泥,本研究通過采取厭氧反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)內(nèi)循環(huán)裝置、接種污泥進(jìn)行前處理等措施,研究了乳品廢水厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)特性、顆粒污泥的形成,以及反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的條件。
實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成,總高度為198 cm,有效高度為169 cm,直徑為24 cm,有效容積為62 L,沿柱高設(shè)置取樣口。污水由蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部泵入,處理后從上部排水口流出,生成的沼氣通過三項(xiàng)分離器后排出。
為了提高泥水剪切力和傳質(zhì),本研究在厭氧反應(yīng)器中增設(shè)倒扣漏斗狀內(nèi)循環(huán)裝置,利用該裝置收集沼氣,并以密度差為動(dòng)力提升泥水(如IC原理),當(dāng)提升泥水流量大于進(jìn)水流量時(shí),在反應(yīng)器局部環(huán)境形成泥水內(nèi)循環(huán)。
實(shí)驗(yàn)用水是以奶粉為原料配制的人工模擬乳品廢水,經(jīng)測定奶粉的COD當(dāng)量值為1.18(1 g奶粉溶于1 L水中對應(yīng)的COD為1 180 mg/L),蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.3%,脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.6%。用奶粉、尿素、磷酸氫二鉀按照m(COD)∶m(N)∶m(P)=300∶5∶1配制實(shí)驗(yàn)用水。同時(shí)加入Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、B3+等微量元素,并根據(jù)運(yùn)行條件加入適量NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH。
接種污泥取自揚(yáng)州市某城市污水廠壓濾污泥,加水稀釋后污泥的TSS和VSS分別為134 g/L和44 g/L,接種量為14 L。
COD采用消解法;顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法;產(chǎn)氣量采用排水集氣法;顆粒污泥粒徑采用濕式篩選法;堿度(ALK)采用滴定法;TSS采用標(biāo)準(zhǔn)法;揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用蒸餾法;pH和ORP采用杭州聯(lián)測SIN-PH160pH/ORP在線分析儀。
(1)為了快速啟動(dòng)反應(yīng)器,啟動(dòng)初期用COD為6 000 mg/L的高濃度乳品廢水,靜態(tài)條件下刺激活化接種污泥,當(dāng)COD去除率達(dá)到50%以上時(shí),認(rèn)為污泥活化結(jié)束,開始連續(xù)進(jìn)水。
(2)連續(xù)進(jìn)水初始COD控制在1 500 mg/L,水力停留時(shí)間為8.6 h,容積負(fù)荷控制在5 kgCOD/(m3·d),啟動(dòng)初期早、晚各開2 h時(shí)外循環(huán)泵,上升流速控制在0.5 m/h,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)氣后停止外循環(huán)。
(3)每隔5 d左右為負(fù)荷提升考察期,當(dāng)COD去除率達(dá)到70%以上,各項(xiàng)指標(biāo)(如pH、VFA、ALK等)穩(wěn)定時(shí),前期通過縮短水力停留時(shí)間提升負(fù)荷,每次提升幅度為30%,最短水力停留時(shí)間控制在6.45 h,之后通過提高進(jìn)水濃度的方法提升負(fù)荷,每次提升幅度為500 mg/L,最大質(zhì)量濃度控制在3 000 mg/L(結(jié)合工程實(shí)際),設(shè)計(jì)負(fù)荷控制在11.2 kgCOD/(m3·d)。
(4)為了快速培育顆粒污泥,種泥事先和適量PAM、草木灰、氯化鈣、膨潤土等藥劑均勻混合,放置一段時(shí)間后,投加到反應(yīng)器內(nèi)。
根據(jù)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行情況提升容積負(fù)荷,歷經(jīng)30 d將負(fù)荷由5 kgCOD/(m3·d)逐步提升到11.2 kgCOD/(m3·d),共提升4次達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷,此過程中COD去除率與產(chǎn)氣量的變化如圖2所示。
圖2 負(fù)荷提升階段COD去除率與產(chǎn)氣量變化
由圖2可以看出,COD去除率由初始時(shí)的44%上升到80%以上,出水ALK大于進(jìn)水,且出水ALK在2 500 mg/L以上,VFA基本呈下降趨勢,最終保持在300 mg/L以下,ORP保持在-350 mV以下,出水pH穩(wěn)定在6.8~7.2。隨著負(fù)荷提升,反應(yīng)器產(chǎn)氣量呈上升趨勢,按產(chǎn)氣率=產(chǎn)氣量/(容積負(fù)荷×COD去除率)計(jì)算可知,最高產(chǎn)氣率為0.41 m3/(kgCOD·d)。以上各項(xiàng)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化表明〔1-3〕,完成反應(yīng)器啟動(dòng)。
本研究能快速啟動(dòng)乳品廢水厭氧反應(yīng)器的原因包括:反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水之前,采用較高濃度的乳品廢水(COD為6 000 mg/L)刺激活化接種微生物,使菌種快速得到活化,本研究中活化第4天時(shí)COD去除率超過50%以上;反應(yīng)器啟動(dòng)初期,由于產(chǎn)氣量少不能自動(dòng)形成內(nèi)循環(huán)時(shí),強(qiáng)制進(jìn)行外循環(huán),提高傳質(zhì)及產(chǎn)甲烷菌活性;在反應(yīng)器中加入內(nèi)循環(huán)漏斗,在反應(yīng)器逐漸產(chǎn)氣后,在內(nèi)循環(huán)漏斗的作用下提高了反應(yīng)器的傳質(zhì)等。
反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行階段,定期采樣觀察顆粒污泥形成情況。發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)器運(yùn)行第10天時(shí)顆粒污泥占比達(dá)到23.1%,并且隨著時(shí)間進(jìn)程顆粒污泥快速生長。歷經(jīng)30 d,粒徑0.9~2 mm的污泥由1.81%增長到13.6%,增長7.5倍,粒徑0.71~0.9 mm的污泥由4.1%增長到11%,增長2.7倍,粒徑0.58~0.71 mm的污泥由3.78%增長到9.2%,增長2.4倍,粒徑0.2~0.58 mm的污泥由14.19%增長到24.8%,增長1.7倍,粒徑大于0.2 mm的顆粒污泥占比達(dá)到59%。通常顆粒污泥占比達(dá)到55%時(shí),認(rèn)為顆粒污泥培養(yǎng)成功〔5〕。
隨著污泥顆粒化的進(jìn)程,其沉降速度進(jìn)一步得到優(yōu)化。如顆粒污泥最快沉降速度由顆粒污泥開始形成時(shí)的68 m/h(第10天),增加到96 m/h(第30天),污泥平均沉降速度由36 m/h增加到64 m/h,污泥最慢沉降速度由20 m/h增加到33 m/h。研究表明,厭氧顆粒污泥的沉降速度一般在18~100 m/h〔6〕。本研究中,培養(yǎng)30 d的顆粒污泥沉降速度在33~96 m/h。
顆粒污泥顏色呈灰褐色,多為球形或橢球形,密實(shí)性較好。在顯微鏡下觀察顆粒污泥,絲狀微生物較少,表面凹凸不平。顆粒污泥表面凹凸不平可能的原因是:凹陷處是顆粒污泥為內(nèi)部微生物輸送營養(yǎng)物質(zhì)和排氣的通道〔7〕。
本研究中事先對接種污泥進(jìn)行前處理,如投加反應(yīng)器之前,接種污泥和PAM、草木灰、氯化鈣、膨潤土、牛糞等藥劑混合均勻,靜態(tài)條件下放置一段時(shí)間,為顆粒污泥的快速形成及生長提供良好條件(如提供晶核等)。同時(shí)通過反應(yīng)器中增設(shè)內(nèi)/外循環(huán)、提供適宜的負(fù)荷等,為微生物的生長提供良好的生長條件,加速顆粒污泥的形成。
為探明乳品廢水厭氧反應(yīng)器的臨界負(fù)荷,在設(shè)計(jì)負(fù)荷11.2 kgCOD/(m3·d)下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后,通過縮短水力停留時(shí)間提高負(fù)荷,每次提高幅度為25%左右,觀察反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化,結(jié)果見圖3、圖4。
圖3 不同容積負(fù)荷COD去除率與產(chǎn)氣量
圖4 不同容積負(fù)荷下ALK與VFA變化
當(dāng)反應(yīng)器容積負(fù)荷由14 kgCOD/(m3·d)提高到17 kgCOD/(m3·d)時(shí),反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)開始出現(xiàn)異常,如COD去除率由提高前的80%下降到38%,產(chǎn)氣量由5 355 L/(m3·d)下降到2 451 L/(m3·d),出水ALK小于進(jìn)水ALK,VFA上升到605 mg/L,遠(yuǎn)高于穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的300 mg/L。顯然17 kgCOD/(m3·d)的容積負(fù)荷超出了該反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的界限。當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷重新調(diào)回到14 kgCOD/(m3·d)時(shí),經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行,反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)又恢復(fù)到高效穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。說明乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的臨界負(fù)荷為14 kgCOD/(m3·d)。
當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷超過臨界值時(shí),由于營養(yǎng)過剩,微生物難以降解多余的蛋白質(zhì)、油脂等有機(jī)物。同時(shí)過高的容積負(fù)荷條件下,水解產(chǎn)酸菌大量繁殖,產(chǎn)生大量低分子質(zhì)量的有機(jī)酸類代謝產(chǎn)物,抑制產(chǎn)甲烷菌活 性〔8-10〕,導(dǎo) 致 反 應(yīng) 器 各 項(xiàng) 指 標(biāo) 惡 化,COD去 除 率下降。
在設(shè)計(jì)負(fù)荷11.2 kgCOD/(m3·d)的條件下,探討了泥量對反應(yīng)器運(yùn)行的影響,結(jié)果見圖5、圖6。
可以看出,運(yùn)行前15 d泥量呈增加趨勢,而當(dāng)泥量超過26.7 g/L(約為反應(yīng)器體積的1/2)時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)開始變異常,當(dāng)泥量達(dá)到29.4 g/L時(shí),COD去除率由反應(yīng)器正常運(yùn)行時(shí)的80%下降到28%,產(chǎn)氣量由4 451 L/(m3·d)下降到1 382 L/(m3·d),出水ALK小于進(jìn)水ALK,VFA開始積累并上升到673 mg/L,反應(yīng)器運(yùn)行異常。此時(shí)大量顆粒污泥開始上浮跑泥。觀察上浮顆粒污泥特征,發(fā)現(xiàn)上浮顆粒污泥表面包裹著大量乳白色物質(zhì),并長滿絲狀微生物。分析認(rèn)為,由于運(yùn)行過程中泥量逐漸增長,當(dāng)泥量達(dá)到26.7 g/L(約為反應(yīng)器體積的1/2)時(shí)未進(jìn)行排泥,導(dǎo)致系統(tǒng)污泥齡過大,微生物分解代謝變差,去除率降低,
圖5 不同泥量下COD去除率與產(chǎn)氣量的變化
圖6 不同泥量下ALK與VFA的變化
營養(yǎng)過剩致使絲狀微生物大量繁殖,同時(shí)未能分解的蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物附著于絲狀菌表面,降低了顆粒污泥的沉降性,最終導(dǎo)致顆粒污泥上浮跑泥。通過排泥將泥量下調(diào)到19.4 g/L(約為反應(yīng)器體積的1/3),再經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行,隨著泥量增加,反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)開始逐漸恢復(fù),當(dāng)泥量增加到20.4 g/L時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這說明乳品廢水厭氧消化過程中,反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行適宜的泥量約在20.4~26.7 g/L,當(dāng)泥量超過26.7 g/L時(shí),反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)逐漸惡化,去除效率下降。研究表明,乳品廢水厭氧反應(yīng)器的臨界泥量為26.7 g/L,約占反應(yīng)器體積的1/2。
(1)通過反應(yīng)器內(nèi)安裝自主研發(fā)的內(nèi)循環(huán)裝置,對接種污泥進(jìn)行前處理等措施,歷經(jīng)30 d快速啟動(dòng)乳品廢水厭氧反應(yīng)器,在容積負(fù)荷11.2 kgCOD/(m3·d)條件下,COD去除率穩(wěn)定在85%左右,最高產(chǎn)氣率為0.41 m3/(kgCOD·d)。
(2)乳品廢水厭氧反應(yīng)器在歷經(jīng)30多d的啟動(dòng)及運(yùn)行過程中,快速培養(yǎng)出大量優(yōu)質(zhì)顆粒污泥,如粒徑0.2~2 mm的顆粒污泥占比達(dá)到59%,顆粒污泥最快沉降速度96 m/h,平均沉降速度64 m/h,沉降性能良好。
(3)乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的臨界負(fù)荷為14 kgCOD/(m3·d),臨界泥量為26.7 g/L,約為反應(yīng)器體積的1/2。當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷和泥量超過臨界值時(shí),反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)逐漸惡化,系統(tǒng)難以正常運(yùn)行直至崩潰。