多孔高分子载体固定化微生物厌氧流化床处理低浓度废水的研究

1、多孔高分子载体固定化微生物厌氧流化床处理低浓度废水的研究杨云霞方治华杨平刘峰潘永亮(四川联合大学环境生物技术研究室成都610065摘要:本文报道用厌氧流化床反应器处理低浓度有机废水的可行性研究结果。采用多孔高分子载体固定厌氧微生物和流态化技术强化传质过程,可克服低浓度有机废水甲烷化能力低的障碍。实验表明,在35±1条件下,处理COD 浓度为1600m g L 的人工葡萄糖废水,床层最优膨胀率为50%,容积有机负荷率为1912gCOD (L d ,COD 去除率达70%;处理COD 浓度为220250m g L 的城市污水,容积有机负荷率为214216gCOD (L d ,COD 去除

2、率为54%56%。关键词:固定化微生物,厌氧流化床,膨胀率,低浓度废水1引言 高浓度有机废水因对水体污染带来严重后果,其治理问题受到人们的极大关注。然而,在污水排放总量中,低浓度有机废水却占很大的比重。大量低浓度有机工业废水的COD 浓度在2000m g L 以下,如食品、发酵工业的洗涤废水,造纸工业的纸浆漂洗废水等;大城市生活污水COD 浓度为500m g L 左右,中小城镇生活污水COD 浓度约8001000m g L 。由于低浓度有机废水的甲烷化能力低,采用常规的厌氧消化处理技术难于奏效,通常采用各种好氧生物处理技术治理。由于好氧生物处理方法消耗可贵的商品能源(曝气所需的电能去毁解有机废

3、水中潜在的生物能源,使废水处理成本昂贵。这是我国污水处理规模难以迅速扩大的主要障碍之一。基于微生物固定化技术和流态化传质技术的厌氧流化床反应器是现代高效厌氧消化技术的一个重要发展方向,本研究室研制成功了人工合成多孔高分子载体,创立了包络法微生物固定化技术,形成的生物粒子具有活性生物量大、菌群结构稳定、膨胀能耗小等一系列优点1,可以使厌氧流化床(A FB 实现充分的流态化反应。本文介绍用多孔高分子载体固定化微生物的厌氧流化床反应器处理低浓度有机废水的启动和运行性能的实验研究情况,为进一步的工程应用技术提供可行性依据。2实验设计211实验装置及流程A FB 反应器为玻璃材质,分为反应区和沉降区两部

4、分。反应区内径4c m ,高160c m ,容积2L ;沉降区内径7c m ,高30c m ,容积112L 。反应区设8个取样口,底部为锥形布水器。实验装置及流程如图1所示,置于35±1恒温室内,实现中温消化。212载体及生物颗粒A FB 反应器内用于微生物固定化的载国家自然科学基金资助项目,编号:29676027体是聚丙烯酸酯类多孔高分子载体,筛选出性能优良的载体编号为W A R 88,其物性参数及结构参数见文献2。本实验直接采用一年前以W A R 88载体和混合接种物用较高浓度人工葡萄糖废水在A FB 反应器中驯化和培养形成的固定化微生物颗粒装入A FB 反应器,静态堆积高度53

5、c m 。该生物颗粒已停止使用半年时间 。图1实验装置及流程示意图HW 水箱IP 进料泵R P 回流泵GL 分离器G 沼气SP 取样器EX 放空管E 出水GC 水封瓶G M 气体流量计气体流向液体流向213实验用废水实验分为两个阶段,分别采用不同的废水。第一阶段处理人工葡萄糖废水。废水成分按常规配方1,反应器进料浓度不同时,各种成分按比列变化。第二阶段处理城市生活污水。生活污水来源为成都市污水处理厂初沉池出水,COD 浓度400m g L 500m g L ,氨态氮10m g L 20m g L ,SS 值20m g L 30m g L 。3实验结果与讨论311A FB 反应器的次级启动为了减

6、少试验时间,本实验利用已停止运行半年的A FB 固定化微生物进行次级启动。为此,采用与A FB 停运前相同的操作条件,以迅速恢复生物颗粒的活性3即:人工葡萄糖废水浓度4000m gCOD L ;进料流量10m l m in ,HR T =3133h (按有效反应区容积计算;回流流量60m l m in ,回流比=61。运行10天,反应器COD 去除率稳定在80%以上,沼气产气率系数达0125L gCOD ,表明生物颗粒活性已完全恢复,A FB 完成次级启动。次级启动期中COD 去除率和沼气产率系数变化曲线见图2 。(a COD 去除率(b 沼气产率系数图2次级启动期A FB 运行特性312A

7、FB 对低浓度废水的适应性A FB 反应器处理低浓度有机废水的有效性,首先取决于在较高浓度有机基质中形成的生物颗粒对低浓度有机基质的适应性。为了避免基质浓度突然降低影响生物颗粒的活性、甚至破坏固定化微生物的菌群结构,本实验采用逐步降低有机基质浓度的方法来保持生物颗粒对低浓度废水的适应性。经过16天运行,进水COD 浓度由4000m g L 以上降至1559m g L ,COD 去除率仍保持在近60%,表明A FB 反应器对基质浓度的大范围变化具有很强的适应性。在浓度降低期间,反应器性能变化数据见表1。表1基质浓度降低期间反应器的运行性能天数COD 浓度(m g L 进水出水去除率(%HR T(

8、h 容积负荷率gCOD (L d 容积产气率(L L d 沼气产率(L gCOD 出水pH 值1419383880225116912601466177103350010507011552711817014661771053017120460312107312601456177106299211566131819143214701436177276590567313391962180142617926158046931289157217101416177101022128046431856189119014361413175961965414441751117013861714168870458

9、41154188111601416171516086875744182112101446171615596365944168111014617313床层膨胀率对A FB 性能的影响A FB 反应器的高效性,除了因微生物固定化使反应器内保持很高的活性生物量浓度外,更重要的是流态化有利于克服液相基质与固相微生物之间的液膜传质阻力。因此,以床层膨胀率来表征的流态化程度,对A FB 反应器效率有很大影响。关于使A FB 反应器COD 去除率最高的最优膨胀率,国内外各种文献报道的数据各不相同,这与基质的种类、浓度、载体比重、生物颗粒活性等因素有关。本实验在A FB 处理人工葡萄糖废水基质浓度降至1600

10、m gCOD L 稳定运行以后,将HR T 固定在2小时,通过调节回流量使膨胀率由30%逐步增加至60%,考察A FB 的COD 去除率和容积产气率的变化规律,如图3所示。图3(b 中膨胀率60%时容积产气率的反常上升,属仪表记录误差引起的野值,可予剔除。 (a COD 去除率(b 容积产气率图3A FB 性能与床层膨胀率的关系图3表明,在本实验条件下,A FB的床层最优膨胀率为50%。这一结果与利用多孔高分子载体的A FB反应器数学模型进行参数优化所得的结论4相同。图3曲线还显示,当床层膨胀率由30%增加至50%时,A FB效率提高的趋势比较平缓;而膨胀率由50%进一步增加55%时, A F

11、B效率迅速下降。这是由于在基质浓度相当低时,A FB反应器中生物颗内部基质浓度梯度很小,生物相传质作用也很小,液相主体流中的体相传质过程起主要作用5。体相传质的推动力包括浓度差产生的扩散作用和湍流产生的剪切作用。当膨胀率增加时,湍流的剪切作用增强,有利于克服液固相间的液膜阻力,强化传质过程;当膨胀率大到湍流已完全克服液膜阻力时,再增加膨胀率就是无效的。相反,膨胀率过大,表明回流比大,回流的稀释作用将过分降低主体流基质浓度,削弱浓差扩散作用,从而使传质能力下降。上述分析表明,当基质浓度较高时,浓差扩散作用较强,床层最优膨胀率将低于50%,从而与其它文献得出的结论一致。314A FB处理城市生活污

12、水的效果为了能够利用已有的固定化微生物颗粒来处理城市生活污水,设置了一个以城市生活污水逐步取代人工葡萄糖废水的20天过渡阶段。考虑到城市生活污水中带有水解发酵菌,在存放过程中有机基质会出现自然降解和因挥发性脂肪酸积累使pH值降低的现象。为了排除这种自然降解的影响,确认A FB处理城市生活污水的真实效果,本实验将从污水处理厂取来的初沉池出水存放5天,其COD浓度由450m g L降至250m g L 左右,再加碱将pH值由6125调至7后作为A FB的进料。实验运行数据列于表2。表2A FB处理城市生活污水运行数据天数COD浓度(m g L进水出水去除率(%HR T(h容积负荷率gCOD (Ld

13、出水pH值12220250140154363851106112612 34220250106117525341531611331166614 672202508897606131621811661188614 8122202501001105456215210214216613 13162202501201304548211821933100612表2数据表明,A FB处理城市生活污水达到稳定运行时,HR T为2215h,容积负荷率为214gCOD (Ld216gCOD (L d,COD去除率可保持54%56%,出水基本接近排放标准。如果再减少HR T,提高容积负荷率,COD去除率则降至50%

14、以下,出水超标较多。4结论(1多孔高分子载体包络法固定化微生物,其微生物种群结构稳定性好,A FB反应器停运后能迅速完成次级启动;采用逐步降低基质浓度的操作方法,也能较快适应低浓度废水而保持A FB反应器的高效性。(2A FB反应器处理低浓度有机废水时,液相主体流中的体相传质是决定反应器效率的主要因素,可以采用较高的床层膨胀率以强化体相传质。当人工葡萄糖废水COD 浓度为1600m g L左右时,多孔高分子载体固定化微生物颗粒的最优膨胀率为50%, COD去除率可达70%。(3当处理COD浓度仅为220m g L250m g L 的城市生活污水时,只要HR T 在2小时以上,COD 去除率可达

15、55%,出水基本上能接近排放标准,而A FB 的容积负荷率却远远高于活性污泥法曝气池的容积负荷率。 (4本实验表明,采用固定化微生物和流态化技术,可强化传质过程,克服低浓度有机废水甲烷化能力低的问题,使低浓度有机工业废水和城市生活污水采用厌氧生物处理方法成为可能。但是,本实验尚处于中温研究阶段,还需进一步试验在常温条件下A FB 反应器的处理效果,确定相应的操作条件,使之满足工程应用的要求。5参考文献1方治华,柯益华,杨平,潘永亮1厌氧流化床反应器微生物固定化载体筛选的研究1环境科学学报,1995;15(4:3994062郑邦乾等1固定化微生物用聚合物多孔载体的研究1高分子材料科学与工程,19

16、95;11(3:1121173顾夏声,李献文,俞敏馨1水处理微生物学基础1北京:建筑工业出版社,19924柯益华,曾贵生,方治华1厌氧流化床反应器数学模型与参数优化的研究1第三届海峡两岸环境保护学术研讨会论文集,北京:中国环境科学出版社,1995;1641705Zh ihua Fang ,Yong H uang ,Zhe Sun ,et al .Effect of M asstransfer in B i oparticle on Efficiency of A naerobic F luidized Bed .P roceedings of T he 1996A sian Pacific C

17、hem ical R eacti on Engineering Fo rum ,V o l.1,June 2628,1996Stud ies on L ow Concen tra tion W a stewa ter Trea t m en t i nan Anaerob ic Flu id ized Bed w ith I mm ob il iza tion ofM icrobes on the Porous Poly m er SupportYang Yunx ia ,Fang Zh ihua ,Yang P ing ,L iu Feng ,Pan Yongliang(E nv ironm

18、 en ta l B iotechnology S ection ,S ichuan U n ion U n iversity ,Cheng d u 610065Abstract :T he ach ievab ility research resu lt of treatm en t of low concen trati on o rgan ic w astew ater w ith an anaerob ic flu idized bed is repo rted .U sing i m m ob ilizati on m icrobes on the po rou s po lym er suppo rt and in ten sified p rocess of m ass tran sfer by flu idizati on techno lo 2gy ,the ob structes of the low m ethane p roducti on at low concen trati on o rgan ic w astew ater in the conven ti onal m ethod w ere su r m oun ted .T he experi m en t resu lts show ed that ,u