上流式厭氧污泥床處理垃圾滲濾液技術(shù)

摘要:采用上流式厭氧污泥床(UASB)處理垃圾滲濾液,通過(guò)試驗研究了UASB反應器處理垃圾滲濾液的啟動(dòng)時(shí)間、最大容積負荷、顆粒污泥的產(chǎn)生過(guò)程、對堿度的要求及微量元素對運行的影響。試驗結果表明:啟動(dòng)80 d左右可在反應器底部出現微小顆粒狀污泥,啟動(dòng)階段共82 d;最大容積負荷控制在5 kgCOD/(m3.d)較為合理;垃圾滲濾液能保證厭氧過(guò)程的堿度需要,處理過(guò)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,容積負荷

近年來(lái),由垃圾滲濾液帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注,運用物理化學(xué)法、生物法對其進(jìn)行處理的研究時(shí)有報道。厭氧技術(shù)尤其是上流式厭氧污泥床(UASB)因具有容積負荷高、污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)而在滲濾液處理中的研究和應用越來(lái)越多。筆者采用上流式厭氧污泥床(UASB)對垃圾滲濾液進(jìn)行處理,探索了UASB反應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(guò)對影響機理的初步探討為其工程應用提供參考依據。

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反應器從上到下可分為三相分離區、污泥床區和進(jìn)水區三個(gè)部分。反應器內徑為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,反應器有效容積為14.96 L。另外,沿高度方向在反應器壁上等間隔設置8個(gè)采樣口。通過(guò)自制恒溫控制儀對進(jìn)水加熱,使反應器內的溫度控制在(35±2)℃。

1·2滲濾液水質(zhì)

試驗用水為重慶市南岸區騎龍村城市垃圾衛生填埋場(chǎng)的垃圾滲濾液。滲濾液水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

該垃圾填埋場(chǎng)使用時(shí)間已超過(guò)10年。從表1中的數據可見(jiàn), BOD5 /COD = 0. 28,滲濾液的可生化性較差�？紤]到工程應用的要求,在試驗過(guò)程中除污泥馴化期外,未補充碳源或投加營(yíng)養物。

1.3　試驗方法

通過(guò)改變反應器進(jìn)水濃度和進(jìn)水流量,不斷提高反應器容積負荷,考察對COD的去除效果、顆粒污泥的產(chǎn)生過(guò)程、UASB 反應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)監測標準方法進(jìn)行[ 1 ] 。

2　試驗過(guò)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(chǎng)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(lái)的污泥先用由蔗糖、氮、磷等營(yíng)養物配制的有機廢水進(jìn)行培養,使其恢復活性。1周后在培養液中加入垃圾滲濾液,使滲濾液的量占進(jìn)水量的20%～30%,馴化階段將進(jìn)水COD濃度保持在500mg/L。經(jīng)馴化1周后,厭氧細菌逐漸適應了垃圾滲濾液的水質(zhì)。

2.2　啟動(dòng)運行階段

在啟動(dòng)運行階段(共82 d) ,逐漸增加進(jìn)水有機物濃度,不斷提高反應器的容積負荷,直到處理效果穩定并出現顆粒污泥為止。當系統對COD的去除率達到50%時(shí), 增加負荷且每次提高0. 2 ～0. 5kgCOD / (m3 •d) ,每次停留時(shí)間為10 d左右,以此來(lái)考察UASB反應器對滲濾液的處理能力。

2.3　提高負荷階段

在提高負荷階段(共25 d) ,通過(guò)改變進(jìn)水有機物濃度和流量,不斷提高容積負荷,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(méi)有出現pH 值大幅下降的現象。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了下降趨勢。

3　結果與分析

3.1　容積負荷

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

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

3.2　堿度和pH值

根據厭氧消化機理可知,有機物在厭氧條件下的降解過(guò)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(gè)階段,在連續消化過(guò)程中,二者是同時(shí)進(jìn)行的,并且保持著(zhù)某種動(dòng)態(tài)平衡。這種動(dòng)態(tài)平衡一旦被pH、溫度、容積負荷等外部因素所打破,則堿性消化(甲烷消化)往往會(huì )停止,其結果將導致低級脂肪酸的積累、酸化和厭氧消化進(jìn)程的失常。水中堿度是中和酸能力的一個(gè)指標,其主要來(lái)源于弱酸鹽,它控制著(zhù)pH值,同時(shí)也是水中存在其他酸時(shí)緩沖pH能力的一個(gè)指標。McCany 建議總堿度應維持在2 000～5 000 mg/L范圍內,如果反應器總堿度< 1 000 mg/L就會(huì )導致pH值的下降[ 3 ] 。在試驗中,對出水的堿度和pH 值進(jìn)行了間隔性檢測,二者與容積負荷的變化曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖3、4。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.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(shí)間為7～8。每次負荷提高后, pH值都會(huì )有所下降。在第62 天時(shí),容積負荷增加較大,從1. 32kgCOD / (m3 •d)增加至2. 03 kgCOD / (m3 •d) ,使得反應器出水pH值由7. 14降低到5. 21,出現揮發(fā)酸積累現象,對COD的去除率也下降較多,堿度相應也有所下降。針對該情況,試驗從第63天開(kāi)始停止進(jìn)水,第66天重新進(jìn)水,隨后pH值穩步提高,酸化現象逐步得到控制。
在試驗中,負荷增加導致出水pH值下降是由于負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(zhù)反應的進(jìn)行,積累的有機酸逐漸被產(chǎn)甲烷菌轉化為甲烷,有機酸積累的情況得到緩解后, pH值升高且趨于穩定。整個(gè)運行期間出現過(guò)pH值波動(dòng)較大的現象,但停止進(jìn)水后,酸化現象逐漸得到控制。同時(shí),負荷的增加對堿度的影響不大,能滿(mǎn)足厭氧過(guò)程的堿度需要,系統運行良好,不必投加藥劑。

3.3　微量元素

在厭氧處理過(guò)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(yíng)養物需求的同時(shí),卻容易忽視對S、Fe、Ni、Co、Mo、Mn等微量元素的需求。事實(shí)上,上述微量元素對調節厭氧微生物細胞的滲透壓、pH值、氧化還原電位等都起著(zhù)至關(guān)重要的作用。有些元素如S、Fe、Ni還是厭氧發(fā)酵過(guò)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(lái)說(shuō),N、P、S營(yíng)養物的含量基本上可以滿(mǎn)足厭氧生物的需求,因此無(wú)需額外添加,但是Fe、Ni、Co等主要微量元素的含量已不能滿(mǎn)足反應器高效運行的需要,因此必須適量添加。
從試驗運行過(guò)程來(lái)看,在試驗初期,由于忽視了微量元素在厭氧消化過(guò)程中的重要作用,導致微生物長(cháng)期處于一種營(yíng)養不良狀態(tài),活性保持在很低的水平,嚴重抑制了厭氧反應的進(jìn)行。反應前10 d,對COD的去除率一直在10%～15% ,從第11 天開(kāi)始,針對厭氧微生物尤其是甲烷菌的特點(diǎn),向反應器中投加了鐵、鎳、鈷等營(yíng)養元素,其投加量根據廢水可生物降解的COD濃度和它的酸化率來(lái)估算,在實(shí)際應用時(shí)應將計算結果增大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(guò)程能否成功地培育顆粒污泥是保證UASB反應器

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

4　結論

①　以UASB反應器處理垃圾滲濾液,啟動(dòng)負荷為0. 3 kgCOD / (m3 •d) ,進(jìn)水流量為5. 5 mL /min,并采用出水回流的方式控制水力負荷,啟動(dòng)效果較好。到第82天時(shí),反應器的容積負荷為2. 75 kgCOD /(m3 •d) ,反應器中有顆粒污泥產(chǎn)生,對COD的去除率穩定在45%左右,啟動(dòng)結束。整個(gè)啟動(dòng)階段耗時(shí)為82 d。

②　從第83天開(kāi)始進(jìn)入提高負荷階段,通過(guò)提高進(jìn)水有機物濃度和流量大幅提高COD容積負荷。結果表明,UASB反應器的緩沖能力較強,但因生物吸附的飽和性,當容積負荷增加到較高值時(shí),污泥的生物吸附接近飽和,對COD的去除率下降�？紤]到工程應用,認為取容積負荷為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(guò)程的堿度需要,不必投加藥劑。整個(gè)試驗期間出水pH值并未出現大的波動(dòng)。第62天時(shí)反應器出現酸化,采用停止進(jìn)水等措施后,酸化現象得到有效控制。

④　于試驗第11 天,向反應器中投加微量元素, 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%穩步提高到50% ,充分證明微量元素在厭氧處理中發(fā)揮著(zhù)重要的作用。（重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院）