基于竹漿制漿廢水的EGSB反應器啟動及顆粒污泥特性研究

劉 春 管秀瓊 張 嵐 何俊辰 張永康 王 剛 周斯妤

(四川理工學院造紙科學與技術研究所,四川自貢,643000)

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·竹漿制漿廢水處理·

基于竹漿制漿廢水的EGSB反應器啟動及顆粒污泥特性研究

劉 春 管秀瓊 張 嵐 何俊辰 張永康 王 剛 周斯妤

(四川理工學院造紙科學與技術研究所,四川自貢,643000)

分析了厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器處理竹漿制漿廢水有機物的降解過程和啟動規律,并對啟動過程中厭氧顆粒污泥的基礎性質、形態特征和微生物相進行了探討和表征。結果表明,在廢水水質逐漸變化和廢水濃度逐漸提升的過程中,EGSB反應器對竹漿制漿廢水COD有良好的去除效果,啟動完成后期,CODCr去除率保持在68.5%以上,出水pH值為7.8～8.0,稍高于進水,反應器容積負荷為13.50 kg CODCr/(m3·d),且處理后竹漿制漿廢水獲得了更佳的可生物降解性,其BOD/COD值較原水提高了46.9%；較接種污泥,啟動后期顆粒污泥總量呈減少趨勢,且沿反應器高度自下而上逐漸減少,而VS/TS值,中部污泥82.4%，頂部污泥73.5%，底部污泥56.7%，接種污泥44.6%,顆粒污泥活性較大程度改善；同時,啟動后期顆粒污泥Ca含量的大幅度減少,Mg、Fe、Zn等含量的增加,也對改善反應器內污泥外觀、尺寸、沉降性、強度及微生物群落的構建起到一定作用。

EGSB反應器；竹漿制漿廢水；啟動；顆粒污泥

(*E-mail: liuchun163@126.com)

竹材是優良的制漿造紙原料,就以纖維素含量為代表的相關化學成分指標及以纖維長度等為代表的纖維形態指標來說,竹纖維僅次于木材纖維,而優于一般的草類纖維。在我國目前木材原料短缺及竹纖維本身具有的優良性質的背景下,發展竹材制漿造紙對我國造紙行業合理利用非木纖維、緩解木材緊缺具有積極的意義[1]。而作為副產物的竹漿制漿廢水污染物的治理也成為人們必然要考慮的問題。竹漿制漿廢水通常采用以好氧生物法為主體的處理工藝,但常規生化法投資、運行費用相對偏高,經濟性制約了可行性,因此,近年來更為經濟的高效厭氧反應器成為了首選，其通常作為好氧法的前處理工藝,可以獲得更好的經濟性和處理效果。

厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器作為第三代高效厭氧反應器的典型代表,其較大的出水循環比對原水有一定的稀釋作用,在處理高濃度有機廢水和含有毒、難降解物質的有機廢水時具有不可比擬的優勢[2]。此外,EGSB反應器獨特的大高徑比結合循環水量賦予反應器較高的水力上升流速,從而保證廢水和反應器內顆粒污泥良好的接觸傳質效果。同時,在實際工程中,厭氧顆粒污泥良好的物理、生化性能也是反應器成功啟動并高效運行的關鍵[3]。

本課題研究了竹漿制漿廢水背景下的EGSB反應器的啟動及其過程中厭氧顆粒污泥特性的變化,為采用EGSB反應器處理竹漿制漿廢水提供理論依據。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

EGSB反應器采用有機玻璃制作,反應器總高度1800 mm,反應區高度1500 mm,有效體積11.8 L,高徑比15∶1。沿反應器高度方向等距設置9個取樣口。并在反應器出水口設置三通閥,用來控制出水和回流水量。廢水經蠕動泵由反應器底部進入,從頂部出水口溢出。產生的氣體采用體積置換法計量。反應區外部設有保溫區,采用循環熱水浴控溫。實驗裝置現場實物及示意圖分別見圖1和圖2。

圖1 現場實物圖

圖2 實驗裝置示意圖

1.2 接種污泥

接種污泥為取自成都某紙廠IC反應器的顆粒污泥,該顆粒污泥有一定程度的鈣化現象,部分呈灰白,外層干癟；且含有較多廢紙制漿過程中帶來的雜質,如塑料、膠質、海綿、砂石等。選取顆粒污泥中相對黝黑的部分,經人工挑選、除去大部分雜質后作為接種污泥。接種污泥VS/TS值為44.6%，接種量為反應器反應區體積的1/3,反應器內污泥濃度為31.3 g VSS/L。

1.3 實驗用水

實驗用水取自樂山某硫酸鹽竹漿制漿廠。廢水呈深褐色,CODCr濃度4500 mg/L左右,BOD5濃度1450 mg/L左右,SS濃度300 mg/L左右,pH值7.5～8.5。另按照1 g葡萄糖加入到1 L水中得到的溶液CODCr濃度為600 mg/L配制葡萄糖水。兩者中均采用尿素、磷酸氫二鉀按照m(COD)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1的比例補充N、P。

1.4 實驗方法

整個啟動過程均保持連續進水,新鮮進水量35.4 L/d,HRT=8 h,反應區溫度35℃左右,回流水量根據反應區污泥床膨脹程度控制。整個過程包括厭氧顆粒污泥的活性恢復和培養馴化的一次啟動以及有機負荷的提高和反應器的啟動完成穩定的二次啟動,其中一次啟動分為葡萄糖配水對接種污泥自然選擇、活性恢復(1～20天)、葡萄糖配水到竹漿制漿廢水的水質轉換過程(21～65天),二次啟動分為竹漿制漿廢水污染物濃度提升(容積負荷的提高)(66～147天)、啟動完成過程(147～151天)。考察每個階段反應器的運行情況,同時檢測進出水CODCr濃度、pH值,觀察反應器內污泥床膨脹情況,并進行反應器內顆粒污泥的TS、VS、金屬含量及微生物相的測定和觀察。

1.5 檢測項目及方法

CODCr采用5B-1型和5B-3(C)型COD聯用快速測定儀測定；BOD5采用ET99724A-6 BOD測定儀測定；pH值采用PHS-3C酸度計測定；VS和TS均采用質量法測定[4]；顆粒污泥形貌及微生物相采用VEGA-3SBU型掃描電子顯微鏡觀察；金屬含量采用Optima 8000電感耦合等離子發射光譜儀測定。

2 結果與討論

2.1 一次啟動階段運行情況

一次啟動過程中固定進水CODCr濃度為1000 mg/L左右,梯度實現葡萄糖配水到竹漿制漿廢水的轉換,葡萄糖比例依次為100%、80%、60%、40%、20%、0。此階段反應器對CODCr的去除效果如圖3所示。

圖3 一次啟動過程中進出水CODCr濃度及去除率的變化

啟動初期采用葡萄糖配水運行反應器,由于接種顆粒污泥中仍含有較多輕質小雜質,活性差,且存在一定程度的污泥鈣化現象,初始CODCr去除率較低,僅為21.0%；隨著啟動的進行,CODCr去除率持續上升。這是由于進水中的葡萄糖分子能夠較容易被顆粒污泥利用,且借助反應器大的高徑比提供的較強水力作用洗出大部分輕雜質、鈣化污泥、細小絮狀污泥。運行至19天左右,CODCr去除率保持在75.3%～79.4%,顆粒污泥顏色由灰白轉黑,且伴隨連續細密的氣泡產生,此時,認為顆粒污泥的活性得到恢復。另外,顆粒污泥活性恢復期間,發生污泥床分層現象,通過調整回流水量來進一步提升反應器水力負荷,加強泥水混合、傳質作用,保證污染物的去除效果。

培養馴化期實際上是顆粒污泥對竹漿制漿廢水的逐漸適應、并逐步構建合適微生物菌群的過程。由圖3可見,在逐級提高配水中廢水比例的過程中,CODCr去除率均呈先下降后上升的趨勢,這是因為竹漿制漿廢水比例的提高會對污泥活性產生明顯的抑制作用,但隨顆粒污泥微生物逐漸適應該類廢水,CODCr去除率均可恢復至68.5%以上；至第64天左右,CODCr去除率基本穩定在71.7%左右。

2.2 二次啟動階段運行情況

2.2.1 CODCr去除率和BOD/COD值的變化

二次啟動過程中仍固定新鮮進水量,逐步提高竹漿制漿廢水中污染物濃度,直至以全竹漿制漿廢水運行反應器,廢水CODCr濃度依次為1500、2000、2500、3000、4000、4500 mg/L。此階段CODCr去除效果見圖4。

圖4 二次啟動過程中進出水CODCr濃度及去除率的變化

由圖4可以看出,在每次進水CODCr濃度提高的過程中,CODCr去除率均呈先下降后上升的趨勢,且在進水CODCr濃度從4000 mg/L提升至4500 mg/L階段后期,CODCr去除率的下降幅度較之前明顯改善,CODCr去除率最低可保持在62.4%,說明二次啟動后期,顆粒污泥已形成較為豐富的厭氧微生物菌群和完整的生態結構,當以全竹漿制漿廢水(CODCr濃度4500 mg/L)運行反應器時,CODCr去除率穩定在68.5%以上,此時反應器的容積負荷為13.50 kg CODCr/(m3·d)。據研究,EGSB反應器處理半化學草漿制漿廢水啟動完成時的容積負荷為19.78 kg CODCr/(m3·d)[5]；EGSB-射流曝氣-氣浮工藝處理木漿造紙廢水的工程實例中,EGSB反應器的容積負荷為18.60 kg CODCr/(m3·d)[6]；而在以IC+改良式氧化溝+淺層氣浮為主體工藝處理廢紙造紙廢水的改造項目中,IC反應器具有良好的CODCr去除效果,相應容積負荷設計值為14.10 kg CODCr/(m3·d)[7]。比較可知,自制EGSB反應器具有稍低或接近的容積負荷,且考慮到本課題的研究階段,自制反應器具有獲得最大容積負荷的潛力。

由圖4還可以看出,在第58～61天CODCr去除率有一個較大的回落點范圍,為44.1%～49.2%,結合反應器頂部污泥外觀組成,推測此階段進水中懸浮物過高,且主要為薄壁細胞,這些薄壁細胞附著在顆粒污泥表面,尤其是反應區上層的絮小顆粒污泥表面,可能會對微生物和有機物的接觸效果造成影響,從而影響有機物的去除效果,調整水質后,CODCr去除率很快恢復,說明反應器已具備一定的抗沖擊能力。

一般用BOD/COD值來表示廢水的可生化性,即廢水可生物處理的程度。研究發現,啟動后期,竹漿制漿廢水處理后的BOD/COD值由處理前的0.32提高到了0.47,說明經EGSB反應器處理后的竹漿制漿廢水水質更有利于后續的生物法處理效果。

2.2.2 pH值的變化

二次啟動期的進出水pH值變化見圖5。由于啟動初期產酸菌的活性比產甲烷菌活性高,容易造成酸的累積,且產酸菌對pH值的適應范圍較廣,故啟動初期利用碳酸氫鈉調節進水pH值在8.3左右。第29天開始,出水pH值升高,由之前的7.6左右提高至7.7～8.0之間,說明產甲烷菌群落豐富、活性增加,系統形成酸堿緩沖體系,反應器未出現酸化現象；第36～65天,出水pH值變化幅度減小,這可能是由較強的緩沖體系貢獻的；啟動后期,進水pH值趨于原水,為7.5左右,而出水pH值高于進水pH值,為7.9～8.0,當高pH值的出水回流被重新利用時,有利于系統的良性穩定運行。

圖5 二次啟動過程中進出水pH值的變化

2.2.3 顆粒污泥灰分、TS、VS、VS/TS值的變化

圖6 啟動后期反應器沿程顆粒污泥特性變化

反應器內污泥濃度主要與進水水量、回流量、反應器內產氣引起的攪動狀態以及顆粒污泥微生物的生長速度等因素有關。啟動過程中顆粒污泥性質變化見圖6。相比接種污泥17.9%的濃度,啟動后期反應器沿程污泥濃度有所下降,其中底部、中部、頂部污泥TS分別為13.1%、6.7%和3.0%。這是因為啟動初期,一方面由于部分微生物不能適應反應器環境被淘汰,隨出水流失,另一方面由于水力上升流速和逐漸產生的沼氣洗出一定數量的細小絮狀污泥。同時發現,啟動后期的顆粒污泥總固體中的有機成分含量，即VS/TS值比啟動前增加較多,其中反應器中部污泥VS/TS值82.4%,頂部污泥VS/TS值73.5%,底部污泥VS/TS值56.7%,接種污泥VS/TS值44.6%,VS/TS值越大,顆粒污泥中能參與厭氧反應的細菌數越多,污泥活性越好；VS/TS值越小,顆粒污泥中的惰性物質偏多,相對活性也差一些。

2.2.4 顆粒污泥形態特征及微生物相的變化

接種污泥和啟動后期反應器沿程顆粒污泥外觀及微生物相如圖7所示。由于取回的接種顆粒污泥質量較差,含有較多雜質，且出現一定程度的污泥鈣化,污泥顏色灰白,外部干癟,內含物較少,污泥粒徑雖大，但強度及沉降性能較差，故需經過挑選、除雜才進行檢測及裝入反應器。由圖7可以看出,接種污泥表面出現皴裂、破損現象,污泥表面主要為短桿菌,而接種污泥內部則是由長/短桿菌、絲狀菌相互纏繞形成的良好網絡結構。啟動完成后期,顆粒污泥粒徑稍小,但污泥更加緊致,強度和沉降性能有較大程度的提升；反應器底部污泥表面平滑,鏡檢發現底部污泥表面被大量短桿、長桿菌及較多數量的長絲菌覆蓋,而底部污泥內部主要為長桿菌組成的富有規律的網絡結構,強度提高較多,其間嵌有很多凹凸不平、形狀各異的孔穴,這些孔穴是底物和營養物質的通道,同時也是顆粒內部菌體產生氣體的逸出通道。由圖7可以看出，這些孔穴主要是由絲菌構成。頂部污泥粒徑較小,表面較粗糙,主要有短桿菌、絲菌組成,且發現頂部污泥表面黏附著較多竹漿制漿廢水中的懸浮物質,主要為薄壁細胞,還含有一些細小纖維,這些薄壁細胞可能會對廢水污染物向污泥微生物通道進入的效果產生影響,從而影響處理效果。

2.2.5 顆粒污泥金屬離子含量的變化

接種污泥和啟動后期反應器沿程顆粒污泥金屬含量的變化如表1所示。如前所述,接種污泥一定程度上鈣化,活性較差,經檢測,其Ca含量遠高于啟動后期污泥,過高的Ca含量會形成過量的CaCO3,CaCO3附著在顆粒污泥上不利于廢水和污泥的有效接觸及物質與能量的交換,從而影響其活性[8]。經過一段時間的培養馴化后,反應器顆粒污泥Ca含量大幅度下降,相比接種污泥,底部和頂部污泥Ca含量分別降低了65.1%和91.4%,鈣化現象改善,顆粒污泥變得黝黑、緊致、強度提高。這是由于Ca含量適當降低后,顆粒污泥中適當的Ca含量可以增加顆粒污泥的密度,改善污泥的沉降性能和強度,且Ca含量對顆粒污泥的穩定性也有重要作用[3,8]。由表1可見,啟動后期,底部和頂部顆粒污泥Fe含量有大幅度提高,相比接種污泥,底部和頂部污泥Fe含量分別增加了32.4%和33.6%。研究發現,Fe元素不僅是微生物生長所必需的營養元素,并可作為酶蛋白構架,其形成的某些沉淀還可能有助于穩定厭氧顆粒污泥的菌團,對顆粒污泥的穩定性做出貢獻[9-10]。而Mg元素對顆粒污泥的貢獻不僅在于參與甲烷菌能量代謝過程,加速產甲烷菌的產甲烷過程,還在于影響污泥中的優勢菌群[5],較接種污泥,啟動后期底部顆粒污泥Mg含量增加了66.5%。除此之外,二價金屬離子還具有一些共性[9,11],可以通過電中和作用壓縮絮體污泥之間雙電層,增加絮體間范德華力,促進絮體凝聚；二價金屬離子還可與微生物生長過程中分泌的胞外多聚物產生吸附橋接作用,促進顆粒形成、增大。因此,相較于接種污泥,啟動后期污泥Ca含量一定程度的減少,Mg、Fe、Zn等含量的增加,均為啟動后期厭氧顆粒污泥良好的物理、生化性能提供依據。

圖7 啟動后期EGSB反應器沿程顆粒污泥外觀及微生物相

污泥NaMgAlKCaCrMnFeCuZnBaPb接種污泥7521289272250225749145349094312181688底部污泥1983214642611221898834382120443652158334頂部污泥3204145148841310221146113121496266968575

另外,反應器沿程污泥其金屬含量也不相同,這可能是隨著水力作用到達反應器不同高度的廢水成分不同,相應位置顆粒污泥富集起來的金屬含量也不同。

3 結 論

采用厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器處理竹漿制漿廢水，研究了EGSB反應器啟動及其過程中厭氧顆粒污泥特性的變化。

(1)采用廢紙制漿造紙廠IC 反應器顆粒污泥接種,151天內完成了EGSB反應器的啟動。啟動完成時,采用竹漿制漿廢水能夠穩定運行反應器,CODCr去除率保持在68.5%以上,出水pH值為7.8～8.0,稍高于進水,反應器容積負荷為13.50 kg CODCr/(m3·d)。

(2)啟動完成時,經EGSB反應器處理后的竹漿制漿廢水BOD/COD值為0.47,比原水提高了46.9%,處理后的竹漿制漿廢水水質更容易采用生物法處理。

(3)與接種污泥相比,啟動后期顆粒污泥總量呈減少趨勢,且沿反應器高度自下而上逐漸減少；而VS/TS值,中部污泥82.4%>頂部污泥73.5%>底部污泥56.7%>接種污泥44.6%。

(4)啟動后期顆粒污泥外觀規則圓潤,顏色黝亮,粒徑增大,致密,強度提高,微生物群落也發生較大變化。啟動后期底部顆粒污泥表面為大量短桿、長桿菌及較多數量的長絲菌覆蓋,而內部主要為長桿菌組成的富有規律的網絡結構；而頂部污泥主要由短桿菌、絲菌組成,且極易黏附竹漿制漿廢水中的懸浮物質,主要為薄壁細胞。

(5)與接種污泥相比,啟動后期顆粒污泥Ca含量一定程度減少,Mg、Fe、Zn等含量增加,且反應器沿程污泥其金屬含量也不同。

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(責任編輯：劉振華)

Study on the Start-up of EGSB Reactor and the Characteristics of Granular Sludge in the Treatment of Bamboo Pulp Wastewater

LIU Chun*GUAN Xiu-qiong ZHANG Lan HE Jun-chen ZHANG Yong-kang WANG Gang ZHOU Si-yu

(InstituteofPaperScienceandTechnology,SichuanUniversityofScienceandEngineering,Zigong,SichuangProvince, 643000)

The organics degradation process and start-up law of an anaerobic expanded granular sludge bed (EGSB) reactor for treating bamboo pulping wastewater were analyzed. Meanwhile, the characteristics of anaerobic granular sludge during the reactor’s start-up period were also investigated. The results showed that EGSB reactor had good effect on the organic pollutant removal of bamboo pulping wastewater during wastewater property changed and concentration increased gradually. At the later stage of start-up, the removal rate of CODCrwas above 68.5%, the pH value of effluent was 7.8～8.0 slightly higher than influent, and the volume load of reactor was 13.50 kg COD/(m3·d). In addition, bamboo pulping wastewater also had the better biodegradability after treatment by EGSB reactor due to its higher B/C ratio, which increased by 46.9% compared to raw water. Compared with inoculated sludge at the later stage of start-up, the total solid content of granular sludge in reactor showed a decreasing trend and reduced gradually along the height of reactor. While sludge activity improved largely, regarding to the VS/TS ratio of sludge, 82.4% of central zone>73.5% of the top>56.7% of the bottom>44.6% of inoculated sludge. At the same time, the greatly reduction of calcium content and increase of magnesium, iron, zinc contents all played a positive role in perfecting the sludge characteristics in the reactor and construction of its microbial communities．

expanded granular sludge blanket(EGSB) reactor; bamboo pulp wastewater; start-up; granular sludge

2017- 02- 14(修改稿)

四川省教育廳項目14ZB0215；四川理工學院人才引進項目2010XJKRL004。

劉 春女士,在讀博士研究生,講師；主要研究方向：制漿造紙污染控制。

X793

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.06.006