中低温度条件对UASB反应器中污水处理的影响

中低温度条件对UASB反应器中污水处理的影响摘要:上流式厌氧污泥反应器（UASB）处理污水的可行性是通过对实际污水进行长达六个月的研究后得出的。在研究期间，控制固定的水利停留时间（HRT）为4.7小时，温度范围为25±13°C。研究结果表明，平均总COD去除率和固体COD去除率分别达到了70%和80%。总COD去除率取决于进水的强度，特别是固体COD浓度而不是操作温度。进水中的有机物微粒通过污泥床的截留作用被有效的去除了。温度对截留有机物的水解有明显的影响，即58%被截留的有机物微粒在25°C时液化，当温度降到13°C时液化率降为33%。滞留污泥中的微生物的含量与含有碳水化合物污水的原污泥相比下降了4-10%。通过用显微镜观察污泥形态发现尽管污泥以颗粒的形式组成一个整体，但这些颗粒往往会部分被破坏而处于自溶的状态。关键词：1.简介在过去的二十年间，厌氧处理技术对于那些含有可溶并易降解有机物的高浓度特殊工业废水的处理具有显著成效。在厌氧废水处理技术的发展中取得的伟大成果归功于引进了新型的生物反应器，例如，厌氧固定床，厌氧流化床和UASB反应器。尽管目前看来厌氧技术在一定类型的工业废水处理中已经成熟，但这种技术在含有高浓度有机物微粒（脂质、蛋白质），有抑制作用的有机/无机物的废水中的应用仍是受限制的。厌氧技术的下一个挑战是在较低强度废水中应用的扩展，例如污水和生活废水。运用厌氧技术直接处理污水无疑是一种非常有吸引力的正确选择，尤其是在发展中国家，这是由于它操作时需要的能量低，初期投资也低，同时它的污泥生产量少并比传统有氧技术更容易维护。在许多水污染问题日益严重的发展中国家，由于在温暖的气候下这种方法更高效，使得这项新技术更令人满意，前景大好。在此基础上，为了测评UASB反应器处理污水的可行性，使用实际污水进行了长期的研究。这项研究的主要目的是：（1）在相对温和的温度条件下研究温度对这种方法的影响，（2）在不同温度下评估COD的总量平衡，（3）根据产甲烷活性，ATP含量，辅酶F420含量来定量滞留的污泥中的微生物活性。2.方法2.1UASB反应器实验装置示意图如图1所示。反应器由一个直径为10.0cm高2.0m的聚丙烯酰胺柱状物组成，顶部安装着一个气体、液体、固体三相分离器（GSS）。总体积为24.5L（15.7L柱状物，5.8L分离器）。为了促进上升的污泥在进入分离器之前完全气化，在圆柱的上部安装了三个倒转的锥形体，在锥形体表面超过16%的区域有6mm大小的穿孔。用一个每15分钟循环30次的气体泵打破浮渣。此外，在分离机内部设置浮渣粉碎机，时速达到120转/分，15分钟循环30次。图1.实验装置图：（1）基质储液器；（2）搅拌器；（3）给水泵；（4）进流；（5）抽样口；（6）多孔的颗粒；（7）浮渣破碎机；（8）污水；（9）三相分离器；（10）气体循环管线；（11）气泵；（12）浮渣收集器;（13）气体收集器；（14）湿试法气量计2.2废水本实验选择大学生活污水作为水源。该水主要来源于餐厅，实验室和宿舍，不含实验室中禁止排放的物质。为了使浓度波动降到最低，需要每天收集污水。污水是在确定的时间当COD含量达到峰值时在市政污水节点前的污水管中收集的。原始污水通过一个60格的筛篮过滤，去除其中较大体积的悬浮物固体。2.3接种污泥污泥颗粒作为接种污泥。将一份重390克，内含91%挥发性悬浮固体混合液（MLVSS）的悬浮固体混合液（MLSS）的污泥接种到反应器中。这种培养液是从我们实验室中一个实验室规模（210L体积）的反应器中获得的。污泥在一个由淀粉和蔗糖混合而成的承重率达11kgCODm-3d-1的培养基上培养三个月，直到建立一个完整的污泥床。2.4实验步骤通过向UASB反应器内注入六个月的污水使其运转。整个实验的水利停留时间固定为4.7h，将反应器放置在一个温度可控的房间内。这个连续的实验在不同的温度中进行，从25°变化到13°，间隔为3°C。开始的57天反应器中的反应在25C下进行，接下来的36天控制为22°C，然后的31天为19°C，29天16°C，最后25天为13°C。在持续的六个月中，温度从25°C下降到13°C可能不足以使厌氧微生物适应低温环境。然而，研究的其中一个目的就是评估UASB反应器在相对温和的温度条件下的反应效果。因此，为了模拟气候温和的国家的温度减少量，我们决定采用上述实验时间。2.5分析方法挥发性脂肪酸和气体组分由前人的描述方法测定。COD、硫酸盐、悬浮固体混合液（MLSS）、挥发性悬浮固体混合液（MLVSS）和污泥体积指数（SVI）的测量通过污水处理的日本标准方法完成。样品COD根据先前报道中的方法进行测定。污泥池ATP根据Petterson等人（1970）的方法测定。厌氧的分散污泥在一个含有游离的氧气和氮气的环境中悬浮在0.025M的三羟甲基氨基甲烷缓冲液中，（PH

为7.5），并保持在100°C的环境中萃取10分钟。使用ATP光度计通过荧光检测的方法对提取物进行分析。辅酶F420的提取是通过Dolfing和Mulder描述的方法（1985）来完成。扫描电子显微镜的观察报告依照我们先前的报告完成。污泥的产甲烷活性通过serum-vial测试决定，也是先前报道过的方法（Harada等，1994）。污泥样品的C/N比通过C/N分析仪测定。3.结果3.1反应器的性能COD在进水和出水中的时间进程见图2。进水浓度波动很大，总COD（平均：312mgH,标准：73.2）在115±595mgl-i范围内。可溶性COD介于63至245mgl-i（平均：114mgH，标准：30.4）。因此，COD组成颗粒近似为总COD的60%。测定体积的COD得承载率为1.6kgm-3d-1（平均0.7±3.0）。出水中COD总量在49±174mgl-1范围内（平均：89mg1-1，标准：25.8）。出水中可溶性COD含量在35±104mg1-1范围内（平均：50mg1-1，标准：11.8）。出水水质从整个试验中总COD含量和可溶性COD含量的角度来看是相对稳定的，似乎并没有被操作温度明显影响。基于进水总量和出水总量，COD去除率为69.4%，在平均（60±85%）范围内；基于进水总量和可溶性出水总量，COD去除率为84%，平均范围为66±92%（图2）。应该指出的是整个实验过程中（数据未显示）挥发性脂肪酸很难在出水中检测到（检测下限是百万分之一）。出水中固体COD的变化量为7.5-82mg1-1（平均：38mg1-1）。进水和出水的PH值分别为6.86（6.2-7.4）和6.98（6.22-7.5），几乎分别维持了沼气发酵工艺的最佳水平。? %OO000000n987? %OO000000n987oooooo54-tp*图2出水COD时间进程，出水COD和出水COD去除效率。符号：（口）基于进水COD总量和出水可溶性COD量的COD去除效率；（。）出水COD总量；（•）出水可溶性COD量；（△）出水COD总量；（▼）出水固体COD量。3.2甲烷产量图3代表甲烷总产量和沼气回收量的的时间历程。今后，甲烷净产量是指甲烷日产总量，也可以说甲烷总收集量和被分解随出水排出的部分之和。被分解的甲烷量用Henry定律测量。相当大的一部分甲烷气体被分解后随出水排出了。图4表明在整个温度变化范围内，COD去除总量和固体COD去除量之间的联系。尽管每个温度下的平面图在横坐标和纵坐标上分布很分散，但固体COD的去除量和COD去除总量是线性相关的。这个结果表明出水中固体COD的含量对COD总量有显著影响而非温度变化的影响。表1表明，在试验温度下COD去除率与甲烷产生率之间的关系。各个温度下甲烷总量和COD去除率之间的比率由表中给出的线性回归分析决定。表中，COD去除总量是进水和出水COD量的总和。甲烷产生率通过收集到的甲烷总量和随出水排出的甲烷量计算。收集到的甲烷的量预计少于整个实验中0.23NL1COD去除量。即使考虑到甲烷总量的分解排放方式，它与COD去除量的比率仍在0.16-0.27NL-1COD去除量范围内。考虑到理论比率为0.35NL-1COD去除量，这表明出水中有一部分固体COD仍留在了反应器中没被溶解。

图3.甲烷产量时间进程。符号：（。）沼气收集量；（•）收集和分解的甲烷量之和。图4.COD去除总量和固体COD去除量之间的关系。COD去除总量=进水COD总量-出水COD总量。固体COD去除量=进水固体COD去除量-出水固体COD去除量。符号：（。）25°C；（^）22°C;（□）19°C;（X）16°C；（・）13C.表1.各个温度下甲烷产率和COD去除率的比值温度2522191613甲烷产率/COD去除率0.260.270.180.160.163.3COD余量表2表明在13°C和25°C时温度对固体COD去除量、可溶性COD去除量、COD总去除量、反应器中积累的固体COD、甲烷收集量和污泥停留时间（SRT）的影响。表中，输入量（固体COD+可溶性COD）和排出量（固体COD+可溶性COD+作为甲烷被收集的COD+作为甲烷随出水排出的COD+作为硫酸盐减少的COD）之差可以看作是反应器中积累的固体COD的总量（称COD的积累量）。溶解的部分可以用（1-COD的积累量/（进水固体COD-出水固体COD））计算。当操作温度为19C时，进水固体COD浓度对这些COD参数减少的影响掩盖了温度对它们的影响。总的来说，尽管温度的降低对固体COD去除量和COD去除总量的影响甚微，但溶解的部分随温度的降低而明显减少。可溶性COD去除量和温度最终证明是无关的。因此在整个实验中，出水可溶性COD的含量几乎是常数。这些结果表明固体COD主要被污泥床截留而去除。甲烷恢复率可以定义为沼气收集量与甲烷总生成量的比。图3中，正如预期的那样，甲烷恢复率的减小与温度降低的趋势相当（本例35-60%）。温度对COD减少的影响25C22C19C16C13C固体COD减少（%）8381847773可溶性COD减少（%）5051526145COD总减少（%）7070727164积累COD(gCODm-3)586712078102溶解部分a（%）6856374633甲烷回收（%）6059524935污泥停留时间（天）117---110a1-COD积累量/（进水固体COD-出水固体COD）3.4基质去除模式图5表明基质去除过程类似于当操作温度为25r和13r时最后几天反应器中的各高度处的反应过程。出水中可溶性COD含量在25r和13r时分别为120和70mg1-1。反应器底部高度10-20cm处，由于污泥床中截留的固体有机物的分解，可溶性COD含量增加到250-265mg1-1（25°C时）,270-208mg1-1（13°C时）。然后，由于甲烷化的进一步发生该量随反应器高度而减少。相似的，在反应器高度为10-20cm处积累的脂肪酸总量达到25-30mgCOD1-（25C时），100-150mgCOD1-1（13C时），然后迅速转化成甲烷并从排气孔排出。在污泥床里，各个温度下只有醋酸盐和丙酸盐并没有很高的脂肪酸的积累。可溶性COD高聚物的存在有利于反应器较低部分积累的固体有机物的分解。图5。基质去除量随反应器高度变化图。脂肪酸总量（A）；和可溶性COD（B）。符号：（•）25^；（O）13°C3.5污泥滞留图6代表污泥停留时间（根据悬浮固体值MLSS和挥发性固体值MLVSS）、MLVSS和MLSS的比（污泥沉降比）和污泥容积比（SVI）随反应器高度变化图。实验开始阶段，污泥床内污泥浓度为40000-45000mgMLSSL-i，经过两个月25C的操作后，污泥床底部污泥浓度（图6（D））减少至23000mgMLSSL-1，并保持不变知道13C下的操作结束。污泥床中间部分（20-110cm床高）污泥浓度在两种温度下均保持为30000-38000mgMLSSL-1。在污泥床更高的部分（130-150cm）处可以观察到污泥滞留量的减少。SVI作为检测污泥沉降能力的指标（图6（A））在污泥床底部和上部被证实数值相对高为40mlg-1MLSS,同时在这些部位由于进水存在微粒的原因污泥滞留量数值较低。另一方面，在污泥床的中部由于污泥颗粒的滞留， SVI的值在20-30mlg-1MLSS。这个结果与MLSS和MLVSS分布图的趋势相一致。考虑到培养基中污泥颗粒的SVI值为19mlg-1，污泥沉降能力退化可能是由负荷低浓度有机物运行延时引起的。因此，这导致污泥滞留量减少。oooooOoooooO0ooooooooooO642O9874321432-1(fms—吏。费ai多建京)彳定0 20406080100120140160反应器高度（cm）图6.SVI分布图（A）；VS比（B）；MLVSS（C）和MLSS（D）。符号：（•）25°C；（。）13°C.3.6污泥特性图7表明在13C时（开始后的第178天），C/N比、含N量、辅酶F420含量和ATP含量随反应器高度变化的分布图。开始时接种污泥的参数值分别为0.155mgATPg-1MLVSS,0.132mgF420g-1MLVSS,4.61gcC/N（gC/gN）和106mgNg-1MLVSS.从图7（A）中明显可以看出污泥C/N比随污泥床高度而增大，而N含量减少。剩余污泥中的辅酶F420含量减少至总量的1/4-1/7（图7（B））。辅酶F420时氢营养型甲烷菌的特定酶，它可以看作是甲烷菌的一个参数，因为它的活性来源于氢含量。通过比较污泥床底部和上部辅酶的含量发现氢营养型的甲烷菌的活动仍然存在，某种程度上存在于污泥的中层。在距离污泥床底部10cm处的ATP含量（图7（C））减少到接种污泥的1/2,而污泥床高度为20-130cm时减少为1/4.10cm处的数值是大于这个高度的两倍。出现这种结果可能是由于进水中含有微生物细胞液可能是氢营养型甲烷菌对反应器底部积累的固体有机物的分解能力增强了。这种作为培养基的污泥颗粒最初是从消化污泥发展而来的，它可以从市政污水处理设备中获得。消化污泥的参数值分别为 0.041mgATPg-1MLVSS,0.015mgF420g-1MLVSS,6.4gC/N,和68.7mgNg-1MLVSS，在测定甲烷菌活性实验中也能观察到类似的趋势。在第178天从10cm处取得的甲烷菌活动数据分别为:用蔗糖作底物的实验，0.03KgCH-CODKg-1挥发性悬浮固体（VSS）d-1；用醋酸盐作底物的4实验，0.08KgCH-CODKg-1VSSd-1。反应器内污泥颗粒培养基中的甲烷菌活动数4据分别为：用蔗糖作底物的实验，0.75KgCH-CODKg-1挥发性悬浮固体（VSS）d-1；4用醋酸盐作底物的实验，0.77KgCH-CODKg-1VSSd-1。另一方面，污泥消化量，4污泥颗粒的来源的数据为：用蔗糖作底物的实验，0.07KgCH-CODKg-1挥发性悬浮4固体（VSS）d-1；用醋酸盐作底物的实验，0.09KgCH-CODKg-1VSSd-1。综上所述，4滞留污泥中甲烷菌的活性在六个月的低负荷运行后分别为开始时污泥颗粒培养基的4%（用蔗糖）和10%（用醋酸盐）。因此，反应器内污泥颗粒培养基中的微生物活性转变为同消化污泥中相同的程度。在实验的最后通过扫描式电子显微镜（SEM）对滞留污泥的观察，从整体上看，仍然是颗粒的形式，但大多数颗粒

均有明显的深裂纹，看起来像一个张开的嘴。接种颗粒的内部结构表现出甲烷类细菌在丝状生长的优势。相反，以污水为能源的污泥颗粒内部显示出局部自身分解的趋势，并由于长期处于饥饿条件下细胞密度也有所降低。尤其是长丝状的甲烷类细菌分解为由几个细胞组成的段碎片。O8.,0.0q.O.OQ。d.08O8.,0.0q.O.OQ。d.087,&5.4r4r3,z.1Lo..oo3身枳N.O富SATW毕EflEro一X(SSA以52MBZOoooooO198765,!:..!■C/,!:..!■C/，—'，。。;■:■■|..|.-一._:'7量（B）；］3.RT实验终止时・.F420的含量（C）o（A）中的符号：（•）N含量；（O）C/N比。4.讨论用UASB反应器处理污水的可行性研究是在固定的水利停留时间4.7小时，温度在25°C-13°C变化时进行的。研究结果很令人满意，在整个试验中，进水和出水相比平均总COD去除率达到了69.4%.最近由Seghezzo等人进行的对UASB系统的污水处理效率的评估报告由显著变化，在2-202.5小时的水利停留时间和7-23C温