基于竹浆制浆废水的EGSB反应器启动及颗粒污泥特性研究

刘 春 管秀琼 张 岚 何俊辰 张永康 王 刚 周斯妤

(四川理工学院造纸科学与技术研究所,四川自贡,643000)



·竹浆制浆废水处理·

基于竹浆制浆废水的EGSB反应器启动及颗粒污泥特性研究

刘 春 管秀琼 张 岚 何俊辰 张永康 王 刚 周斯妤

(四川理工学院造纸科学与技术研究所,四川自贡,643000)

分析了厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器处理竹浆制浆废水有机物的降解过程和启动规律,并对启动过程中厌氧颗粒污泥的基础性质、形态特征和微生物相进行了探讨和表征。结果表明,在废水水质逐渐变化和废水浓度逐渐提升的过程中,EGSB反应器对竹浆制浆废水COD有良好的去除效果,启动完成后期,CODCr去除率保持在68.5%以上,出水pH值为7.8～8.0,稍高于进水,反应器容积负荷为13.50 kg CODCr/(m3·d),且处理后竹浆制浆废水获得了更佳的可生物降解性,其BOD/COD值较原水提高了46.9%；较接种污泥,启动后期颗粒污泥总量呈减少趋势,且沿反应器高度自下而上逐渐减少,而VS/TS值,中部污泥82.4%，顶部污泥73.5%，底部污泥56.7%，接种污泥44.6%,颗粒污泥活性较大程度改善；同时,启动后期颗粒污泥Ca含量的大幅度减少,Mg、Fe、Zn等含量的增加,也对改善反应器内污泥外观、尺寸、沉降性、强度及微生物群落的构建起到一定作用。

EGSB反应器；竹浆制浆废水；启动；颗粒污泥

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

竹材是优良的制浆造纸原料,就以纤维素含量为代表的相关化学成分指标及以纤维长度等为代表的纤维形态指标来说,竹纤维仅次于木材纤维,而优于一般的草类纤维。在我国目前木材原料短缺及竹纤维本身具有的优良性质的背景下,发展竹材制浆造纸对我国造纸行业合理利用非木纤维、缓解木材紧缺具有积极的意义[1]。而作为副产物的竹浆制浆废水污染物的治理也成为人们必然要考虑的问题。竹浆制浆废水通常采用以好氧生物法为主体的处理工艺,但常规生化法投资、运行费用相对偏高,经济性制约了可行性,因此,近年来更为经济的高效厌氧反应器成为了首选，其通常作为好氧法的前处理工艺,可以获得更好的经济性和处理效果。

厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器作为第三代高效厌氧反应器的典型代表,其较大的出水循环比对原水有一定的稀释作用,在处理高浓度有机废水和含有毒、难降解物质的有机废水时具有不可比拟的优势[2]。此外,EGSB反应器独特的大高径比结合循环水量赋予反应器较高的水力上升流速,从而保证废水和反应器内颗粒污泥良好的接触传质效果。同时,在实际工程中,厌氧颗粒污泥良好的物理、生化性能也是反应器成功启动并高效运行的关键[3]。

本课题研究了竹浆制浆废水背景下的EGSB反应器的启动及其过程中厌氧颗粒污泥特性的变化,为采用EGSB反应器处理竹浆制浆废水提供理论依据。

1 实 验

1.1 实验装置

EGSB反应器采用有机玻璃制作,反应器总高度1800 mm,反应区高度1500 mm,有效体积11.8 L,高径比15∶1。沿反应器高度方向等距设置9个取样口。并在反应器出水口设置三通阀,用来控制出水和回流水量。废水经蠕动泵由反应器底部进入,从顶部出水口溢出。产生的气体采用体积置换法计量。反应区外部设有保温区,采用循环热水浴控温。实验装置现场实物及示意图分别见图1和图2。

图1 现场实物图

图2 实验装置示意图

1.2 接种污泥

接种污泥为取自成都某纸厂IC反应器的颗粒污泥,该颗粒污泥有一定程度的钙化现象,部分呈灰白,外层干瘪；且含有较多废纸制浆过程中带来的杂质,如塑料、胶质、海绵、砂石等。选取颗粒污泥中相对黝黑的部分,经人工挑选、除去大部分杂质后作为接种污泥。接种污泥VS/TS值为44.6%，接种量为反应器反应区体积的1/3,反应器内污泥浓度为31.3 g VSS/L。

1.3 实验用水

实验用水取自乐山某硫酸盐竹浆制浆厂。废水呈深褐色,CODCr浓度4500 mg/L左右,BOD5浓度1450 mg/L左右,SS浓度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浓度为600 mg/L配制葡萄糖水。两者中均采用尿素、磷酸氢二钾按照m(COD)∶m(N)∶m(P)=200∶5∶1的比例补充N、P。

1.4 实验方法

整个启动过程均保持连续进水,新鲜进水量35.4 L/d,HRT=8 h,反应区温度35℃左右,回流水量根据反应区污泥床膨胀程度控制。整个过程包括厌氧颗粒污泥的活性恢复和培养驯化的一次启动以及有机负荷的提高和反应器的启动完成稳定的二次启动,其中一次启动分为葡萄糖配水对接种污泥自然选择、活性恢复(1～20天)、葡萄糖配水到竹浆制浆废水的水质转换过程(21～65天),二次启动分为竹浆制浆废水污染物浓度提升(容积负荷的提高)(66～147天)、启动完成过程(147～151天)。考察每个阶段反应器的运行情况,同时检测进出水CODCr浓度、pH值,观察反应器内污泥床膨胀情况,并进行反应器内颗粒污泥的TS、VS、金属含量及微生物相的测定和观察。

1.5 检测项目及方法

CODCr采用5B-1型和5B-3(C)型COD联用快速测定仪测定；BOD5采用ET99724A-6 BOD测定仪测定；pH值采用PHS-3C酸度计测定；VS和TS均采用质量法测定[4]；颗粒污泥形貌及微生物相采用VEGA-3SBU型扫描电子显微镜观察；金属含量采用Optima 8000电感耦合等离子发射光谱仪测定。

2 结果与讨论

2.1 一次启动阶段运行情况

一次启动过程中固定进水CODCr浓度为1000 mg/L左右,梯度实现葡萄糖配水到竹浆制浆废水的转换,葡萄糖比例依次为100%、80%、60%、40%、20%、0。此阶段反应器对CODCr的去除效果如图3所示。

图3 一次启动过程中进出水CODCr浓度及去除率的变化

启动初期采用葡萄糖配水运行反应器,由于接种颗粒污泥中仍含有较多轻质小杂质,活性差,且存在一定程度的污泥钙化现象,初始CODCr去除率较低,仅为21.0%；随着启动的进行,CODCr去除率持续上升。这是由于进水中的葡萄糖分子能够较容易被颗粒污泥利用,且借助反应器大的高径比提供的较强水力作用洗出大部分轻杂质、钙化污泥、细小絮状污泥。运行至19天左右,CODCr去除率保持在75.3%～79.4%,颗粒污泥颜色由灰白转黑,且伴随连续细密的气泡产生,此时,认为颗粒污泥的活性得到恢复。另外,颗粒污泥活性恢复期间,发生污泥床分层现象,通过调整回流水量来进一步提升反应器水力负荷,加强泥水混合、传质作用,保证污染物的去除效果。

培养驯化期实际上是颗粒污泥对竹浆制浆废水的逐渐适应、并逐步构建合适微生物菌群的过程。由图3可见,在逐级提高配水中废水比例的过程中,CODCr去除率均呈先下降后上升的趋势,这是因为竹浆制浆废水比例的提高会对污泥活性产生明显的抑制作用,但随颗粒污泥微生物逐渐适应该类废水,CODCr去除率均可恢复至68.5%以上；至第64天左右,CODCr去除率基本稳定在71.7%左右。

2.2 二次启动阶段运行情况

2.2.1 CODCr去除率和BOD/COD值的变化

二次启动过程中仍固定新鲜进水量,逐步提高竹浆制浆废水中污染物浓度,直至以全竹浆制浆废水运行反应器,废水CODCr浓度依次为1500、2000、2500、3000、4000、4500 mg/L。此阶段CODCr去除效果见图4。

图4 二次启动过程中进出水CODCr浓度及去除率的变化

由图4可以看出,在每次进水CODCr浓度提高的过程中,CODCr去除率均呈先下降后上升的趋势,且在进水CODCr浓度从4000 mg/L提升至4500 mg/L阶段后期,CODCr去除率的下降幅度较之前明显改善,CODCr去除率最低可保持在62.4%,说明二次启动后期,颗粒污泥已形成较为丰富的厌氧微生物菌群和完整的生态结构,当以全竹浆制浆废水(CODCr浓度4500 mg/L)运行反应器时,CODCr去除率稳定在68.5%以上,此时反应器的容积负荷为13.50 kg CODCr/(m3·d)。据研究,EGSB反应器处理半化学草浆制浆废水启动完成时的容积负荷为19.78 kg CODCr/(m3·d)[5]；EGSB-射流曝气-气浮工艺处理木浆造纸废水的工程实例中,EGSB反应器的容积负荷为18.60 kg CODCr/(m3·d)[6]；而在以IC+改良式氧化沟+浅层气浮为主体工艺处理废纸造纸废水的改造项目中,IC反应器具有良好的CODCr去除效果,相应容积负荷设计值为14.10 kg CODCr/(m3·d)[7]。比较可知,自制EGSB反应器具有稍低或接近的容积负荷,且考虑到本课题的研究阶段,自制反应器具有获得最大容积负荷的潜力。

由图4还可以看出,在第58～61天CODCr去除率有一个较大的回落点范围,为44.1%～49.2%,结合反应器顶部污泥外观组成,推测此阶段进水中悬浮物过高,且主要为薄壁细胞,这些薄壁细胞附着在颗粒污泥表面,尤其是反应区上层的絮小颗粒污泥表面,可能会对微生物和有机物的接触效果造成影响,从而影响有机物的去除效果,调整水质后,CODCr去除率很快恢复,说明反应器已具备一定的抗冲击能力。

一般用BOD/COD值来表示废水的可生化性,即废水可生物处理的程度。研究发现,启动后期,竹浆制浆废水处理后的BOD/COD值由处理前的0.32提高到了0.47,说明经EGSB反应器处理后的竹浆制浆废水水质更有利于后续的生物法处理效果。

2.2.2 pH值的变化

二次启动期的进出水pH值变化见图5。由于启动初期产酸菌的活性比产甲烷菌活性高,容易造成酸的累积,且产酸菌对pH值的适应范围较广,故启动初期利用碳酸氢钠调节进水pH值在8.3左右。第29天开始,出水pH值升高,由之前的7.6左右提高至7.7～8.0之间,说明产甲烷菌群落丰富、活性增加,系统形成酸碱缓冲体系,反应器未出现酸化现象；第36～65天,出水pH值变化幅度减小,这可能是由较强的缓冲体系贡献的；启动后期,进水pH值趋于原水,为7.5左右,而出水pH值高于进水pH值,为7.9～8.0,当高pH值的出水回流被重新利用时,有利于系统的良性稳定运行。

图5 二次启动过程中进出水pH值的变化

2.2.3 颗粒污泥灰分、TS、VS、VS/TS值的变化

图6 启动后期反应器沿程颗粒污泥特性变化

反应器内污泥浓度主要与进水水量、回流量、反应器内产气引起的搅动状态以及颗粒污泥微生物的生长速度等因素有关。启动过程中颗粒污泥性质变化见图6。相比接种污泥17.9%的浓度,启动后期反应器沿程污泥浓度有所下降,其中底部、中部、顶部污泥TS分别为13.1%、6.7%和3.0%。这是因为启动初期,一方面由于部分微生物不能适应反应器环境被淘汰,随出水流失,另一方面由于水力上升流速和逐渐产生的沼气洗出一定数量的细小絮状污泥。同时发现,启动后期的颗粒污泥总固体中的有机成分含量，即VS/TS值比启动前增加较多,其中反应器中部污泥VS/TS值82.4%,顶部污泥VS/TS值73.5%,底部污泥VS/TS值56.7%,接种污泥VS/TS值44.6%,VS/TS值越大,颗粒污泥中能参与厌氧反应的细菌数越多,污泥活性越好；VS/TS值越小,颗粒污泥中的惰性物质偏多,相对活性也差一些。

2.2.4 颗粒污泥形态特征及微生物相的变化

接种污泥和启动后期反应器沿程颗粒污泥外观及微生物相如图7所示。由于取回的接种颗粒污泥质量较差,含有较多杂质，且出现一定程度的污泥钙化,污泥颜色灰白,外部干瘪,内含物较少,污泥粒径虽大，但强度及沉降性能较差，故需经过挑选、除杂才进行检测及装入反应器。由图7可以看出,接种污泥表面出现皴裂、破损现象,污泥表面主要为短杆菌,而接种污泥内部则是由长/短杆菌、丝状菌相互缠绕形成的良好网络结构。启动完成后期,颗粒污泥粒径稍小,但污泥更加紧致,强度和沉降性能有较大程度的提升；反应器底部污泥表面平滑,镜检发现底部污泥表面被大量短杆、长杆菌及较多数量的长丝菌覆盖,而底部污泥内部主要为长杆菌组成的富有规律的网络结构,强度提高较多,其间嵌有很多凹凸不平、形状各异的孔穴,这些孔穴是底物和营养物质的通道,同时也是颗粒内部菌体产生气体的逸出通道。由图7可以看出，这些孔穴主要是由丝菌构成。顶部污泥粒径较小,表面较粗糙,主要有短杆菌、丝菌组成,且发现顶部污泥表面黏附着较多竹浆制浆废水中的悬浮物质,主要为薄壁细胞,还含有一些细小纤维,这些薄壁细胞可能会对废水污染物向污泥微生物通道进入的效果产生影响,从而影响处理效果。

2.2.5 颗粒污泥金属离子含量的变化

接种污泥和启动后期反应器沿程颗粒污泥金属含量的变化如表1所示。如前所述,接种污泥一定程度上钙化,活性较差,经检测,其Ca含量远高于启动后期污泥,过高的Ca含量会形成过量的CaCO3,CaCO3附着在颗粒污泥上不利于废水和污泥的有效接触及物质与能量的交换,从而影响其活性[8]。经过一段时间的培养驯化后,反应器颗粒污泥Ca含量大幅度下降,相比接种污泥,底部和顶部污泥Ca含量分别降低了65.1%和91.4%,钙化现象改善,颗粒污泥变得黝黑、紧致、强度提高。这是由于Ca含量适当降低后,颗粒污泥中适当的Ca含量可以增加颗粒污泥的密度,改善污泥的沉降性能和强度,且Ca含量对颗粒污泥的稳定性也有重要作用[3,8]。由表1可见,启动后期,底部和顶部颗粒污泥Fe含量有大幅度提高,相比接种污泥,底部和顶部污泥Fe含量分别增加了32.4%和33.6%。研究发现,Fe元素不仅是微生物生长所必需的营养元素,并可作为酶蛋白构架,其形成的某些沉淀还可能有助于稳定厌氧颗粒污泥的菌团,对颗粒污泥的稳定性做出贡献[9-10]。而Mg元素对颗粒污泥的贡献不仅在于参与甲烷菌能量代谢过程,加速产甲烷菌的产甲烷过程,还在于影响污泥中的优势菌群[5],较接种污泥,启动后期底部颗粒污泥Mg含量增加了66.5%。除此之外,二价金属离子还具有一些共性[9,11],可以通过电中和作用压缩絮体污泥之间双电层,增加絮体间范德华力,促进絮体凝聚；二价金属离子还可与微生物生长过程中分泌的胞外多聚物产生吸附桥接作用,促进颗粒形成、增大。因此,相较于接种污泥,启动后期污泥Ca含量一定程度的减少,Mg、Fe、Zn等含量的增加,均为启动后期厌氧颗粒污泥良好的物理、生化性能提供依据。

图7 启动后期EGSB反应器沿程颗粒污泥外观及微生物相

污泥NaMgAlKCaCrMnFeCuZnBaPb接种污泥7521289272250225749145349094312181688底部污泥1983214642611221898834382120443652158334顶部污泥3204145148841310221146113121496266968575

另外,反应器沿程污泥其金属含量也不相同,这可能是随着水力作用到达反应器不同高度的废水成分不同,相应位置颗粒污泥富集起来的金属含量也不同。

3 结 论

采用厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器处理竹浆制浆废水，研究了EGSB反应器启动及其过程中厌氧颗粒污泥特性的变化。

(1)采用废纸制浆造纸厂IC 反应器颗粒污泥接种,151天内完成了EGSB反应器的启动。启动完成时,采用竹浆制浆废水能够稳定运行反应器,CODCr去除率保持在68.5%以上,出水pH值为7.8～8.0,稍高于进水,反应器容积负荷为13.50 kg CODCr/(m3·d)。

(2)启动完成时,经EGSB反应器处理后的竹浆制浆废水BOD/COD值为0.47,比原水提高了46.9%,处理后的竹浆制浆废水水质更容易采用生物法处理。

(3)与接种污泥相比,启动后期颗粒污泥总量呈减少趋势,且沿反应器高度自下而上逐渐减少；而VS/TS值,中部污泥82.4%>顶部污泥73.5%>底部污泥56.7%>接种污泥44.6%。

(4)启动后期颗粒污泥外观规则圆润,颜色黝亮,粒径增大,致密,强度提高,微生物群落也发生较大变化。启动后期底部颗粒污泥表面为大量短杆、长杆菌及较多数量的长丝菌覆盖,而内部主要为长杆菌组成的富有规律的网络结构；而顶部污泥主要由短杆菌、丝菌组成,且极易黏附竹浆制浆废水中的悬浮物质,主要为薄壁细胞。

(5)与接种污泥相比,启动后期颗粒污泥Ca含量一定程度减少,Mg、Fe、Zn等含量增加,且反应器沿程污泥其金属含量也不同。

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(责任编辑：刘振华)

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)

四川省教育厅项目14ZB0215；四川理工学院人才引进项目2010XJKRL004。

刘 春女士,在读博士研究生,讲师；主要研究方向：制浆造纸污染控制。

X793

A

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