水中硫酸鹽對一體式A/O反應器啟動的影響

姜丹妮，吳憶寧

1.遼寧大學環(huán)境學院，遼寧 沈陽 110036

2.哈爾濱工業(yè)大學，城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090

3.萍鄉(xiāng)高等?？茖W校材料與化工系，江西 萍鄉(xiāng) 337055

一體式A(厭氧)/O(好氧)反應器是將厭氧段和好氧段組成一個整體的污水處理裝置［1］，它是在傳統(tǒng)A/O工藝基礎上發(fā)展起來的新型技術(shù)，因具有投資少、占地小，抗沖擊負荷能力強，除碳脫臭效果好等優(yōu)點而備受關(guān)注。目前國內(nèi)外學者已經(jīng)對一體式A/O反應器展開了廣泛的研究，并將該反應器廣泛用于處理染料廢水、果汁廢水、含酚廢水、發(fā)酵廢水、煉油廢水、糖蜜廢水、醬油廢水、養(yǎng)殖廢水和啤酒廢水等領(lǐng)域［2-13］。

現(xiàn)有一體式A/O反應器多運用于處理中低濃度廢污水，且耐受負荷能力普遍偏低［14］。這主要是因為一體式A/O反應器結(jié)構(gòu)較復雜，要想使A段和O段具有很好的協(xié)同作用，還需要在機理和設計方面進行更深一步的研究。

哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境生物技術(shù)中心課題組自主研發(fā)了一種新型一體式A/O反應器，筆者研究了該反應器在處理含硫酸鹽的淀粉廢水時，硫酸鹽對反應器啟動的影響。

1 材料和方法

1.1 試驗用水

試驗采用人工配制的廢水，C元素由淀粉提供，N元素由 CO(NH2)2提供，P元素由 K2HPO4和KH2PO4提供，保持廢水中 C∶N∶P 為 200∶5∶1，向廢水中投加適量的小蘇打調(diào)節(jié)進水堿度，廢水pH為7.34±0.27，總堿度為(1200±140)mg/L(以CaCO3計)。同時向上述廢水中投加適量Na2SO4，配制碳硫濃度比為5∶1的溶液。

1.2 接種污泥

A段接種污泥取自哈爾濱工業(yè)大學環(huán)境生物技術(shù)中心課題組啟動成功的一體式A/O反應器中的顆粒污泥，污泥平均粒徑為0.5～1.0 mm，MLVSS/MLSS為80%。O段接種污泥取自哈爾濱某污水處理廠二沉池剩余污泥，MLVSS/MLSS為45%，SV為45%，SVI為67.3 mg/L。A段和O段的接種污泥量均為各自有效體積的3/5。

1.3 試驗裝置

試驗裝置材質(zhì)為有機玻璃，其下部為 A段(UASB，upflow anaerobic sludge blanket)，總?cè)莘e為1.8 L，有效容積為1.0 L，溫度控制在(34±1)℃，HRT為10 h;上部為O段(好氧接觸氧化)，其底部為與外界曝氣泵相連的曝氣頭，內(nèi)置彈性立體填料至O段3/5高度處，總?cè)莘e為1.0 L，有效容積0.7 L，無溫度控制裝置，HRT為8 h。裝置如圖1所示。

1.4 分析項目與方法

重鉻酸鉀法測CODCr，中和滴定法測堿度，PHS-25型酸度計+ORP探頭測ORP(氧化還原電位)，重量法測MLSS和MLVSS，PHS-25型酸度計測pH，LML-1濕式氣體流量計測產(chǎn)氣量，GC9790氣相色譜儀測氣相組分。

圖1 一體化A/O反應器裝置Fig.1 The integration A/O reactor device

2 結(jié)果與討論

采用對比方法研究硫酸鹽對一體式A/O反應器啟動的影響，第一組反應器保持進水CODCr逐步提高(從2000 mg/L開始，每5 d提高1000 mg/L，直至4000 mg/L)，第二組反應器在上述進水中投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)。

兩組反應器的啟動均為分段啟動，厭氧啟動期15 d，串聯(lián)期為8 d，共歷時23 d。串聯(lián)期是指厭氧區(qū)出水經(jīng)三相分離器進入好氧區(qū)，用作好氧區(qū)進水，同時進行掛膜。

2.1 硫酸鹽對厭氧段CODCr去除率的影響

水中硫酸鹽對厭氧段CODCr去除率的影響如圖2所示。由圖2可知，未投加硫酸鹽時，前3天系統(tǒng)CODCr去除率較低，只有70%;第8天，CODCr去除率達到90%;第16天開始串聯(lián)運行后，CODCr去除率發(fā)生了一定程度的波動，但很快得到恢復，最終系統(tǒng)CODCr去除率保持在93%以上，運行穩(wěn)定。投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，前5天，CODCr去除率為67%;第8天CODCr去除率增至76%，較未投加硫酸鹽時增長緩慢;第16天開始串聯(lián)運行后，CODCr去除率也出現(xiàn)了波動，最終系統(tǒng)CODCr去除率保持在90%左右。

由圖2可見，投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)對CODCr去除率影響較大。未投加硫酸鹽時，CODCr去除率由72%上升到93.7%;投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)CODCr去除率由69.9%上升到90%，后者較前者降低了3.7%。這是因為:1)硫酸鹽的增加對于厭氧段降解有機物產(chǎn)生不利影響，硫酸鹽還原過程中的硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌共同競爭底物;2)硫酸鹽還原過程產(chǎn)生H2S等物質(zhì)，抑制產(chǎn)甲烷活性［15］，導致厭氧段CODCr去除率下降。

圖2 厭氧段CODCr去除率變化Fig.2 The change of CODCrremoval rate in anaerobic section

2.2 硫酸鹽對好氧段CODCr去除率的影響

硫酸鹽對好氧段CODCr去除率的影響見圖3。

圖3 好氧段CODCr去除率變化Fig.3 The change of CODCrremoval rate in aerobic section

由圖3可知，未投加硫酸鹽時，CODCr去除率從最初的48%增至90%，穩(wěn)步提高。投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，CODCr去除率從最初的47%上升至80%，較前者下降了10%。這是因為在較低的進水濃度下(厭氧段出水CODCr控制在600 mg/L以下)，好氧段抗沖擊負荷能力較強。而投加硫酸鹽后經(jīng)過厭氧段產(chǎn)生的H2S和水中硫化物進入好氧段［16］，對好氧段微生物產(chǎn)生抑制作用，使其降解有機物能力減弱，所以CODCr去除率有所下降。

2.3 硫酸鹽對pH的影響

硫酸鹽對厭氧段pH的影響如圖4所示。由圖4可知，兩組反應器進水pH為7.2～7.4，A段出水pH為8.0～8.5，出水pH略高于進水。原因在于:1)厭氧第一階段產(chǎn)物包括長鏈有機酸在內(nèi)的揮發(fā)酸被后續(xù)的產(chǎn)甲烷菌消耗掉，轉(zhuǎn)化成CH4和CO2或被硫酸鹽還原菌轉(zhuǎn)化為CO2，使pH上升;2)反應產(chǎn)生大量堿性物質(zhì)，包括、HS-和 S2-、、等，導致pH上升。

圖4 厭氧段pH變化Fig.4 The change of pH in anaerobic section

投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)較未投加硫酸鹽pH有所降低且波動較大。一方面，廢水中的硫酸鹽產(chǎn)生了大量的SRB(硫酸鹽還原菌)，SRB與MPB(產(chǎn)甲烷菌)存在競爭，不與產(chǎn)酸發(fā)酵菌競爭，抑制了產(chǎn)甲烷菌對產(chǎn)物的利用，導致酸性物質(zhì)的積累，出現(xiàn)pH下降。這與王愛杰等［17］的研究結(jié)果相一致。另一方面，硫酸鹽的投加使得SRB和MPB產(chǎn)生競爭，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。同時厭氧段的部分老化顆粒污泥進入好氧段，導致部分處于上層的含產(chǎn)甲烷菌較多的顆粒污泥流失［18］，體系中對酸的利用發(fā)生了波動。一段時間后，系統(tǒng)的pH趨于穩(wěn)定，這是由于微生物經(jīng)過一段時間的適應，生物群落發(fā)生變化，形成了穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)。

2.4 硫酸鹽對堿度的影響

堿度能反映出在厭氧處理過程中系統(tǒng)所具有的緩沖能力。試驗進水總堿度保持在(1200±140)mg/L(以CaCO3計)，水中硫酸鹽對系統(tǒng)堿度的影響如圖5所示。由圖5可知，未投加硫酸鹽時，出水堿度約為1300～1350 mg/L，且在第10天～第15天出現(xiàn)了一次波動，這是因為厭氧區(qū)顆粒污泥的部分流失。投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，出水堿度增至1700～1750 mg/L。硫酸鹽投加前后，堿度發(fā)生較大變化，這是由于厭氧段發(fā)生的硫酸鹽還原反應是一個堿度增加的過程，且每消耗1 mol硫酸鹽會相應產(chǎn)生 2 mol堿度［19］。

圖5 厭氧段堿度變化Fig.5 The change of alkalinity in anaerobic section

2.5 硫酸鹽對ORP的影響

水中硫酸鹽對系統(tǒng)厭氧段ORP的影響見圖6。

圖6 厭氧段ORP的變化Fig.6 The change of ORP in anaerobic section

由圖6可知，未投加硫酸鹽和投加硫酸鹽時(碳硫濃度比為5∶1)，系統(tǒng) ORP差別不大，ORP平均值分別為-458和-445 mV。原因在于硫酸鹽的加入導致反應器產(chǎn)生較多的H2S和HS-，對產(chǎn)酸發(fā)酵菌以及產(chǎn)甲烷菌有抑制作用，甚至是毒害作用［20］，進而導致該體系中H+/H2氧化還原電偶升高，使系統(tǒng)ORP出現(xiàn)了上升的趨勢［21］。

2.6 硫酸鹽對氣相組分的影響

水中硫酸鹽對厭氧段氣相組分的影響如圖7所示。由圖7(a)可知，兩組反應器CH4濃度平均值分別為30.7%和27.9%，這與系統(tǒng)的CODCr去除率相一致。由圖7(b)可知，CO2濃度平均值分別為49.2%和52.5%。投加硫酸鹽時，CH4濃度有所下降，這是由于硫酸鹽的加入有利于SRB的生長，SRB產(chǎn)生的硫化氫會對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生抑制作用。CO2濃度有所增加是因為，SRB雖然抑制產(chǎn)甲烷活性，但是卻參與呼吸作用［23］，導致 CO2濃度有所增加。

圖7 兩組反應器氣相組分的變化Fig.7 The change of gas phase compositionin anaerobic section

2.7 硫酸鹽對產(chǎn)氣量的影響

水中硫酸鹽對厭氧段產(chǎn)氣量的影響如圖8所示。由圖8可知，兩組反應器厭氧段產(chǎn)氣量變化明顯。未投加硫酸鹽時，系統(tǒng)每日產(chǎn)氣量隨進水CODCr增加而增加，由初始的1.2 L/d增至3.2 L/d。表明隨著反應的進行，厭氧段產(chǎn)甲烷菌經(jīng)過馴化后逐漸適應低硫酸鹽環(huán)境。投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，產(chǎn)氣量由1.0 L/d增至2.8 L/d，較未硫酸鹽時低0.3～0.5 L，最后穩(wěn)定在2.8 L/d。這是因為SRB對產(chǎn)甲烷菌活性產(chǎn)生抑制，產(chǎn)甲烷過程減弱，產(chǎn)氣量下降。另外，硫酸鹽還原反應產(chǎn)生的H2S會對大部分微生物產(chǎn)生毒害作用，影響其呼吸作用。系統(tǒng)產(chǎn)氣量維持在2.8 L/d，表明反應器達到穩(wěn)定。

圖8 厭氧段產(chǎn)氣量的變化Fig.8 The change of gas production rate in anaerobic section

兩組反應器厭氧段污泥SEM照片如圖9所示。

圖9 兩組反應器厭氧顆粒污泥的SEM照片F(xiàn)ig.9 Anaerobic granular sludge SEM photo in different reactors

由圖9可知，未投加硫酸鹽時，污泥表面生長著的大量微生物，有鏈球菌、桿菌、球菌、絲狀菌、弧菌等;投加硫酸鹽后，污泥以桿菌和鏈球菌等菌類為主［22］，且微生物量較未投加硫酸鹽時有所減少。

3 結(jié)論

(1)水中有無硫酸鹽，一體式A/O反應器均能實現(xiàn)快速啟動，且厭氧段和好氧段均能夠保持較高的CODCr去除率。未投加硫酸鹽時，厭氧段CODCr去除率為93%，好氧段CODCr去除率為90%。投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，厭氧段CODCr去除率降為90%，好氧段CODCr去除率降為80%。

(2)投加硫酸鹽(碳硫濃度比為5∶1)時，反應器pH、堿度、ORP、產(chǎn)氣量、氣相組分等參數(shù)較未投加硫酸鹽時發(fā)生相應變化。最終反應器的pH穩(wěn)定在8.0～8.5，堿度穩(wěn)定在 1700 mg/L，ORP穩(wěn)定在-445 mV，產(chǎn)氣量穩(wěn)定在2.8 L/d，氣相組分中CH4濃度穩(wěn)定在27.9%，CO2濃度穩(wěn)定在52.5%，表明該反應器在處理硫酸鹽廢水時具有良好的穩(wěn)定性。

志謝:感謝任南琪院士對論文寫作的悉心指導。

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