摘要:采用上流式厭氧污泥床(UASB)處理垃圾滲濾液,通過試驗研究了UASB反應(yīng)器處理垃圾滲濾液的啟動時間、最大容積負(fù)荷、顆粒污泥的產(chǎn)生過程、對堿度的要求及微量元素對運行的影響。試驗結(jié)果表明:啟動80 d左右可在反應(yīng)器底部出現(xiàn)微小顆粒狀污泥,啟動階段共82 d;最大容積負(fù)荷控制在5 kgCOD/(m3.d)較為合理;垃圾滲濾液能保證厭氧過程的堿度需要,處理過程不必投加藥劑,但需投加微量元素Fe、Ni、Co以使對COD的去除率穩(wěn)步提高到50%。

關(guān)鍵詞:上流式厭氧污泥床,垃圾滲濾液,容積負(fù)荷

近年來,由垃圾滲濾液帶來的環(huán)境問題越來越受到人們的關(guān)注,運用物理化學(xué)法、生物法對其進行處理的研究時有報道。厭氧技術(shù)尤其是上流式厭氧污泥床(UASB)因具有容積負(fù)荷高、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點而在滲濾液處理中的研究和應(yīng)用越來越多。筆者采用上流式厭氧污泥床(UASB)對垃圾滲濾液進行處理,探索了UASB反應(yīng)器的各種工藝操作條件對滲濾液生物降解效率的影響,并通過對影響機理的初步探討為其工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1材料和方法

1·1試驗裝置試驗裝置

如圖1所示。圖1 UASB試驗裝置示意圖F ig.1 Sketch m ap ofUASB反應(yīng)器從上到下可分為三相分離區(qū)、污泥床區(qū)和進水區(qū)三個部分。反應(yīng)器內(nèi)徑為15.4 cm,總高度為105 cm,其中三相分離器部分高度為25 cm,懸高度為67 cm,反應(yīng)器有效容積為14.96 L。另外,沿高度方向在反應(yīng)器壁上等間隔設(shè)置8個采樣口。通過自制恒溫控制儀對進水加熱,使反應(yīng)器內(nèi)的溫度控制在(35±2)℃。

1·2滲濾液水質(zhì)

試驗用水為重慶市南岸區(qū)騎龍村城市垃圾衛(wèi)生填埋場的垃圾滲濾液。滲濾液水質(zhì)情況見表1。

該垃圾填埋場使用時間已超過10年。從表1中的數(shù)據(jù)可見, BOD5 /COD = 0. 28,滲濾液的可生化性較差�？紤]到工程應(yīng)用的要求,在試驗過程中除污泥馴化期外,未補充碳源或投加營養(yǎng)物。

1.3　試驗方法

通過改變反應(yīng)器進水濃度和進水流量,不斷提高反應(yīng)器容積負(fù)荷,考察對COD的去除效果、顆粒污泥的產(chǎn)生過程、UASB 反應(yīng)器對垃圾滲濾液水質(zhì)及水量變化的抗沖擊能力、對堿度的要求以及微量元素對運行的影響。水質(zhì)分析按照水質(zhì)監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)方法進行[ 1 ] 。

2　試驗過程

2.1　污泥接種及馴化階段

接種污泥為重慶市唐家橋城市污水處理廠消化池的脫水污泥(含水率為70%～80% ) ,污泥濃度為28 g/L,接種量為10 L。
取來的污泥先用由蔗糖、氮、磷等營養(yǎng)物配制的有機廢水進行培養(yǎng),使其恢復(fù)活性。1周后在培養(yǎng)液中加入垃圾滲濾液,使?jié)B濾液的量占進水量的20%～30%,馴化階段將進水COD濃度保持在500mg/L。經(jīng)馴化1周后,厭氧細(xì)菌逐漸適應(yīng)了垃圾滲濾液的水質(zhì)。

2.2　啟動運行階段

在啟動運行階段(共82 d) ,逐漸增加進水有機物濃度,不斷提高反應(yīng)器的容積負(fù)荷,直到處理效果穩(wěn)定并出現(xiàn)顆粒污泥為止。當(dāng)系統(tǒng)對COD的去除率達到50%時, 增加負(fù)荷且每次提高0. 2 ～0. 5kgCOD / (m3 •d) ,每次停留時間為10 d左右,以此來考察UASB反應(yīng)器對滲濾液的處理能力。

2.3　提高負(fù)荷階段

在提高負(fù)荷階段(共25 d) ,通過改變進水有機物濃度和流量,不斷提高容積負(fù)荷,從3. 04 kgCOD /(m3 •d)提高到5. 53 kgCOD / (m3 •d) 。每次提高的幅度較大,但沒有出現(xiàn)pH 值大幅下降的現(xiàn)象。在這一階段,處理效果未有明顯提高,并在后期由于微生物的處理能力達到飽和而出現(xiàn)了下降趨勢。

3　結(jié)果與分析

3.1　容積負(fù)荷

容積負(fù)荷直接反映了食物與微生物之間的平衡關(guān)系,它可影響反應(yīng)器對有機物的去除率,而容積負(fù)荷過大是造成反應(yīng)器酸化的直接原因。試驗過程中容積負(fù)荷與COD去除率的關(guān)系見圖2。

從圖2可以看出,容積負(fù)荷提高后,對COD的去除率下降,但幾天內(nèi)又會逐步提高并趨于穩(wěn)定。結(jié)果表明,增加容積負(fù)荷會使厭氧污泥的濃度和活性不斷增加,通過污泥生物吸附、絮凝、分解的有機物便會相應(yīng)增加。這一階段一直持續(xù)到COD容積負(fù)荷為2. 75 kg/ (m3 •d) 。進入負(fù)荷提高階段后,大幅度提高COD 容積負(fù)荷,每次提高幅度為1. 0kg/ (m3 •d)左右。由圖2可以看出,容積負(fù)荷的改變對反應(yīng)器去除率的影響不大,整個試驗過程系統(tǒng)對COD的去除率保持在45%左右。當(dāng)容積負(fù)荷增加到較高值時,污泥的生物吸附逐漸接近飽和,表現(xiàn)為對COD的去除率出現(xiàn)下降。在實際運行中,總是希望容積負(fù)荷盡量大,以減少反應(yīng)器體積,進而減少投資。但由試驗結(jié)果可知,容積負(fù)荷太高會使系統(tǒng)對COD的去除率下降。綜合考慮后,取COD容積負(fù)荷為5. 0 kg/ (m3 •d) [ 2 ] 。

3.2　堿度和pH值

根據(jù)厭氧消化機理可知,有機物在厭氧條件下的降解過程可分為酸性消化(酸性發(fā)酵)和堿性消化(堿性發(fā)酵)兩個階段,在連續(xù)消化過程中,二者是同時進行的,并且保持著某種動態(tài)平衡。這種動態(tài)平衡一旦被pH、溫度、容積負(fù)荷等外部因素所打破,則堿性消化(甲烷消化)往往會停止,其結(jié)果將導(dǎo)致低級脂肪酸的積累、酸化和厭氧消化進程的失常。水中堿度是中和酸能力的一個指標(biāo),其主要來源于弱酸鹽,它控制著pH值,同時也是水中存在其他酸時緩沖pH能力的一個指標(biāo)。McCany 建議總堿度應(yīng)維持在2 000～5 000 mg/L范圍內(nèi),如果反應(yīng)器總堿度< 1 000 mg/L就會導(dǎo)致pH值的下降[ 3 ] 。在試驗中,對出水的堿度和pH 值進行了間隔性檢測,二者與容積負(fù)荷的變化曲線分別見圖3、4。具體參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

由圖3、4可以看出,試驗中出水堿度的變化范圍為1 555. 46～2 185. 22 mg/L,平均值約為2 000mg/L,出水pH值的變化范圍為5. 21 ～8. 63,大部分時間為7～8。每次負(fù)荷提高后, pH值都會有所下降。在第62 天時,容積負(fù)荷增加較大,從1. 32kgCOD / (m3 •d)增加至2. 03 kgCOD / (m3 •d) ,使得反應(yīng)器出水pH值由7. 14降低到5. 21,出現(xiàn)揮發(fā)酸積累現(xiàn)象,對COD的去除率也下降較多,堿度相應(yīng)也有所下降。針對該情況,試驗從第63天開始停止進水,第66天重新進水,隨后pH值穩(wěn)步提高,酸化現(xiàn)象逐步得到控制。
在試驗中,負(fù)荷增加導(dǎo)致出水pH值下降是由于負(fù)荷增加后引入了大量的可生化降解有機物,在厭氧微生物的作用下, 被轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性有機酸(VFA) ,造成揮發(fā)性有機酸的積累,從而使pH值下降。隨著反應(yīng)的進行,積累的有機酸逐漸被產(chǎn)甲烷菌轉(zhuǎn)化為甲烷,有機酸積累的情況得到緩解后, pH值升高且趨于穩(wěn)定。整個運行期間出現(xiàn)過pH值波動較大的現(xiàn)象,但停止進水后,酸化現(xiàn)象逐漸得到控制。同時,負(fù)荷的增加對堿度的影響不大,能滿足厭氧過程的堿度需要,系統(tǒng)運行良好,不必投加藥劑。

3.3　微量元素

在厭氧處理過程中,由于微生物對微量元素的需要量非常少,因此在考慮到其對N、P等營養(yǎng)物需求的同時,卻容易忽視對S、Fe、Ni、Co、Mo、Mn等微量元素的需求。事實上,上述微量元素對調(diào)節(jié)厭氧微生物細(xì)胞的滲透壓、pH值、氧化還原電位等都起著至關(guān)重要的作用。有些元素如S、Fe、Ni還是厭氧發(fā)酵過程中甲烷桿菌(Methanobrevibacter arboriphi2lus) 、甲烷八疊球菌(Methanobreacteria microchip s)的必不可少的組成成分。對于垃圾滲濾液來說,N、P、S營養(yǎng)物的含量基本上可以滿足厭氧生物的需求,因此無需額外添加,但是Fe、Ni、Co等主要微量元素的含量已不能滿足反應(yīng)器高效運行的需要,因此必須適量添加。
從試驗運行過程來看,在試驗初期,由于忽視了微量元素在厭氧消化過程中的重要作用,導(dǎo)致微生物長期處于一種營養(yǎng)不良狀態(tài),活性保持在很低的水平,嚴(yán)重抑制了厭氧反應(yīng)的進行。反應(yīng)前10 d,對COD的去除率一直在10%～15% ,從第11 天開始,針對厭氧微生物尤其是甲烷菌的特點,向反應(yīng)器中投加了鐵、鎳、鈷等營養(yǎng)元素,其投加量根據(jù)廢水可生物降解的COD濃度和它的酸化率來估算,在實際應(yīng)用時應(yīng)將計算結(jié)果增大1 倍[ 4 ] ,試驗最后確定FeCl2、NiCl2、CoCl2 的投加量分別為1. 5、0. 4、0. 2mg/L。結(jié)果表明投加微量元素后,厭氧處理效果有較大的提高,對COD的去除率逐漸提高到了50%。

3.4　顆粒污泥的形成過程能否成功地培育顆粒污泥是保證UASB反應(yīng)器

高效和穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[ 5 ] 。在試驗中通過控制容積負(fù)荷在0. 31～5. 41 kgCOD / (m3 •d)、pH值在6. 5～8、啟動初期水力負(fù)荷為0. 6～1. 0 m3 / (m2 •h) ,正常運轉(zhuǎn)時保持在0. 5～0. 7 m3 / (m2 •h) ,使得污泥顆�；�進展順利,在運行大約80 d后,反應(yīng)器底部出現(xiàn)微小顆粒狀污泥(不規(guī)則球型、黑色、粒徑為1～3 mm) 。

4　結(jié)論

①　以UASB反應(yīng)器處理垃圾滲濾液,啟動負(fù)荷為0. 3 kgCOD / (m3 •d) ,進水流量為5. 5 mL /min,并采用出水回流的方式控制水力負(fù)荷,啟動效果較好。到第82天時,反應(yīng)器的容積負(fù)荷為2. 75 kgCOD /(m3 •d) ,反應(yīng)器中有顆粒污泥產(chǎn)生,對COD的去除率穩(wěn)定在45%左右,啟動結(jié)束。整個啟動階段耗時為82 d。

②　從第83天開始進入提高負(fù)荷階段,通過提高進水有機物濃度和流量大幅提高COD容積負(fù)荷。結(jié)果表明,UASB反應(yīng)器的緩沖能力較強,但因生物吸附的飽和性,當(dāng)容積負(fù)荷增加到較高值時,污泥的生物吸附接近飽和,對COD的去除率下降�？紤]到工程應(yīng)用,認(rèn)為取容積負(fù)荷為5 kgCOD / (m3 •d)是合理的。

③　在本處理工藝中滲濾液能保證厭氧過程的堿度需要,不必投加藥劑。整個試驗期間出水pH值并未出現(xiàn)大的波動。第62天時反應(yīng)器出現(xiàn)酸化,采用停止進水等措施后,酸化現(xiàn)象得到有效控制。

④　于試驗第11 天,向反應(yīng)器中投加微量元素, FeCl2、NiCl2、CoCl2 的投量分別為1. 5、0. 4、0. 2mg/L。厭氧處理效果大幅提高,對COD 的去除率由15%穩(wěn)步提高到50% ,充分證明微量元素在厭氧處理中發(fā)揮著重要的作用。（重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院）