上流式污泥床过滤器处理生物质气化发电焦油废水

摘　要:处理生物质气化发电焦油废水的上流式污泥床过滤器(UBF)内厌氧污泥在环境温度(16～36℃)条件下完成驯化并实现颗粒化,其间焦油废水的COD比例是主要影响因素。UBF反应器稳定运行时,在HRT为66 9H,OLR为0 65～0 75kgCOD·m-3d-1的条件下,焦油废水COD平均去除率达到26%。

关键词:生物质气化;焦油废水;UBF反应器;驯化;颗粒化　

引言　　

1984年,加拿大Guiot[1]开发的上流式污泥床—过滤器(UpfLow Banket FiLter,简称UBF)复合式厌氧反应器,是由上流式污泥床(UASB)和厌氧滤器(AF)复合而成,反应器下部是高浓度颗粒污泥组成的污泥床,上部是填料和其表面附着的生物膜组成的滤料层。UBF装置极大地延长了ＳＲＴ,反应器内污泥的浓度高,增强了反应器对不良因素(例如有毒物质)的适应性,能够高效、稳定地处理高浓度难处理有机废水。

焦油废水是生物质气化发电燃气水洗净化过程中产生的洗涤废水,其COD浓度一般在2000mg·L-1左右,氨氮浓度在400mg·L-1左右,含有大量复杂的多环芳烃类物质,另外,根据笔者研究,焦油废水对厌氧菌有毒性,属于生物难降解有机废水。因此,在处理焦油废水的UBF反应器中完成污泥驯化和颗粒化有一定的难度,本文在这一方面作了一些探索。

1　材料和方法

1.1　试验设备与工艺流程

试验中的UBF反应器采用直径300mm铸铁管制成,高2450mm,总容积173L。整个反应器由两张多孔板分割成3段:即污泥床,竹子填料滤层和颗粒活性炭(GAC)填料滤层。GAC上部是集水区和气室,反应器底部有穿孔管配水装置。反应器的几何尺寸示于表1。试验流程示于图1。

表1 UBF复合式厌氧反应器几何尺寸

1.2　试验方法

试验中以蔗糖作为共基质对厌氧污泥进行同步驯化(污泥培养和驯化同时进行),并逐渐增加反应器人工合成进水中焦油废水COD比例。蔗糖为生物易降解物质,为微生物的生长提供基质和能量,并偶发代谢焦油废水中难降解物质。

1.3　进水成分及微量元素投加量

试验采用人工合成废水加不同比例的焦油废水,配制的人工合成废水成分见表1。

表2 进水成分

(a 该值由试验测定;b COD∶N∶P=200∶5∶1;c 小苏打的投加量满足进水COD∶碱度>3∶1;d 焦油废水的量根据实测值确定。)

为了确保系统不因缺乏其它无机营养元素而受到抑制,试验中直接向反应器投加一定量的常量元素(mg,cａ,Ｆｅ)和微量元素(co,Ni,mN,ZN)。

2　结果和讨论

2 .1　驯化

整个驯化过程历时274天,其中进水中焦油废水COD比例为1/40历时57d,1/30历时23d,1/20历时56d,1/10历时6d,1/5历时12d,1/4历时26d,1/3历时39d,1/2历时20d,3/4历时18d,1/1历时18d。实验温度为室外自然温度(16～36℃),试验期间焦油废水比例、进、出水COD浓度、COD去除率、有机负荷变化曲线示于图2,3,4。

2 1 1　COD去除率

图3表明同一焦油废水比例阶段,COD去除率先下降后回升,最后稳定(废水比例为1/3,1/2,3/时比较明显)。这说明,人工合成废水中焦油废水比例增加,微生物活性受到抑制,COD去除率降低。经过一段时间后,微生物体内形成适应新环境的酶系其转化有机物能力有所恢复,COD去除率呈上升趋势。整个驯化阶段随着进水中焦油废水比例增加COD去除率呈下降趋势。

2 1 2　有机负荷

图4表明在整个驯化阶段有机负荷(OLR)由最小值增加至最大值,然后再逐渐减少。整个驯化期可分为低负荷运行期(第1～12d)、负荷逐步提高期(第13～57d)、高负荷运行期(第58～73d)、负荷稳定运行期(第74～132d)、负荷逐步降低期(第133～274d)5个时期。

有机负荷直接反映了基质与微生物之间的平衡关系,对既定反应器,微生物在不同运行时期、不同生活环境中对有机物的降解能力存在着差异。试验中焦油废水比例增至1/10以上后,厌氧微生物受到的毒害作用增加,为防止微生物活性的完全丧失,主要通过降低进水浓度来降低有机负荷,有效防止了驯化的失败。

2 2　污泥颗粒化

试验中颗粒污泥初次形成期在运行的第35～133d:反应器运行的第35d反应器底部1号取样口出现颗粒污泥,第125d竹子填料段底部的3号取样口出现颗粒污泥,到第133d颗粒污泥充满整个反应器的悬浮相。第133d以后,尤其是第142d以后颗粒污泥受到废水比例变化的影响,颗粒污泥解体和颗粒化两种变化趋势交替出现,到试验结束时,颗粒污泥最终充满整个反应器。

试验中培养的颗粒污泥为似球形粒状物,粒径为1～3mm,质地松软,有韧性和粘性。颗粒污泥表面呈黑色、灰黑色、黄色三种颜色。有的颗粒污泥一半呈灰黑色,一半呈黄色。

2 2 1　焦油废水比例变化对污泥颗粒化的影响

污泥颗粒化主要发生在废水比例为1/40,1/30,1/20,1/10时,该时期内焦油废水浓度较低,废水比例增加对颗粒污泥的影响不大。废水比例经历1/5,1/4,1/3,1/2,3/4,1/1变化时,颗粒污泥形态不稳定,而且焦油废水比例变化对反应器底部污泥影响比对填料段污泥影响大。废水进入反应器首先和底部的污泥接触,污泥表面可以吸附降解废水中部分有机物,另外,人工合成废水在反应器底部经水力混合得到稀释,进入反应器填料段的焦油废水浓度降低,相应的焦油废水毒性物质浓度降低,所以填料段污泥受到焦油废水比例变化的影响较小。

焦油废水比例增加,受焦油废水成分的影响颗粒污泥解体,其表面细菌脱落,经过一段时间后,微生物又出现团聚、颗粒化的趋势。这与驯化过程中COD去除率随焦油废水比例增加的变化情况相近,都是先恶化然后逐渐恢复好转。另外,值得一提的是,在每个焦油废水比例阶段,污泥重新团聚出现颗粒化趋势恰好是COD去除率开始回升的起点,这并非是巧合,因为颗粒污泥本身的活性就很高,污泥能够发生团聚,说明其活性有所恢复,COD去除率有所恢复。

2 2 2　有机负荷对污泥颗粒化的影响

运行35d时,反应器底部出现颗粒污泥,第36～57d,有机负荷变化频繁,颗粒污泥的状态极不稳定。

高负荷运行期,有机负荷在19kgCOD·m-3d-1左右,维持了较高的水平。在此阶段,污泥产气旺盛,高达1172L/d,污泥过度洗出,污泥颗粒化延迟。

负荷稳定运行期,反应器的有机负荷维持在9～10kgCOD·m-3d-1范围内,保持相对稳定。颗粒污泥在此期间发展、成熟起来,并充满整个反应器。

负荷逐步降低期,焦油废水比例增加,反应器的处理效果开始恶化,有机负荷被迫逐步减低,但终因废水水质特性未缓解反应器处理效果的恶化。在此阶段,影响颗粒污泥的主要因素是废水本身性质,有机负荷已经不再是主导因素。

综上所述,OLR对颗粒污泥的形成有很大影响。频繁变化进水浓度和HRT逐步提高OLR对颗粒污泥的形成产生不利影响;超高负荷时,污泥产气旺盛,但不利于污泥沉降形成颗粒污泥。维持进水基质浓度与进水流量的相对稳定,即使OLR稳定在一定范围内有利于颗粒污泥的形成。

2 3UBF处理全焦油废水效果

进水完全是焦油废水(2000mgCOD·L-1左右)时,在OLR为0 65～0 75kgCOD·m-3d-1,HRT为66 9H条件下,COD平均去除率为26%。UBF反应器内厌氧污泥虽然经过驯化,但反应器对焦油废水的处理能力仍然较低,分析其原因有:1 焦油废水对厌氧微生物有毒害作用;2 焦油废水成份复杂,多为酚类、多环芳烃类物质,其中很多都是生物难降解物质;3 焦油废水的氨氮浓度高,其氨氮浓度为362～492mg·L-1,废水PH在8 8左右,略显碱性,游离NH3多,对厌氧微生物有抑制作用,4 出水的PH值在8 0左右,略高于甲烷菌的最适生长PH范围6 8～7 2[2]。

3　结论

对UBF反应器污泥驯化和污泥颗粒化研究可以得出以下结论:

(1)处理焦油废水的UBF反应器完成污泥驯化的技术条件有:1 以易生物降解的蔗糖为共基质,为微生物的生长提供碳和能量的来源,避免驯化失败;2 保持恰当的有机负荷。进水中焦油废水COD比例增加时,可通过减小进水的COD浓度降低反应器的有机负荷,从而减缓进入反应器焦油废水绝对量的增加,避免驯化失败。

(2)在处理焦油废水的UBF反应器中形成颗粒污泥的技术条件是要保持恰当的有机负荷。颗粒污泥出现以后,进水基质浓度,水力停留时间频繁改变,颗粒污泥的形态不稳定;超高负荷时,微生物产气旺盛,污泥过分洗出,不利于污泥颗粒化;有机负荷在9～10kgCOD·m-3d-1范围内利于颗粒污泥形成、成熟。

(3)UBF反应器处理焦油废水达到稳定运行状态时,COD平均去除率为26%,虽然处理效率较低,但是厌氧生物处理可以作为焦油废水好氧生物处理的预处理手段。