膨胀颗粒污泥床厌氧反应器处理化学制药废水研究

2020-11-25杨丽英刘伟东王红梅边喜龙

工业水处理 2020年11期

杨丽英，刘伟东，王红梅，边喜龙，刘芳

（黑龙江建筑职业技术学院，黑龙江哈尔滨150025）

制药废水是制药企业的主要排放污染物，废水因生产药剂的种类不同而性质差别很大〔1〕。厌氧生物技术是处理高浓度有机废水最有效、经济的方法〔2〕。制药废水主要特点是有机物浓度高、可生化性低。上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是处理制药废水的一种常用技术，已经被广泛研究。例如，黎新荣〔3〕曾构建UASB系统处理制药废水，实现COD去除率为99%。较UASB技术，膨胀颗粒污泥床厌氧反应器（EGSB）具有容积负荷高、产气率高及处理效果好等优点〔4-5〕。EGSB在处理有机废水中的应用逐渐备受人们关注。但到目前为止，有关EGSB技术处理制药废水的研究相对较少。本研究旨在采用EGSB处理化学制药废水，考察其在不同运行条件下的处理效果及运行性能，并对微生物群落结构进行分析，以期为化学制药废水的厌氧处理提供一定的技术支持。

1 材料与方法

1.1 接种污泥

本研究接种污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂污泥中温厌氧消化池，污泥收集后未经任何预处理直接接种至反应器内。经检测，接种时的污泥特性如下：SS（33.3±0.5）g/L，VSS（28.7±0.4）g/L，pH 7.0±0.1。

1.2 废水来源

实验所用化学制药废水取自哈尔滨市某制药厂废水处理站调节池。该制药厂主要生产制霉菌素、西索米星、罗红霉素、阿奇霉素等，废水为生产综合废水。收集后的废水贮存在PE筒内待用。化学制药废水的水质：COD（23 200±87）mg/L、SS（328±18）mg/L、NH4+-N（10.5±1.1）mg/L、TP（3.5±0.2）mg/L、碱度（205±17）mg/L、pH 6.8±0.2、硫酸根（1 560±102）mg/L、总盐分（4 030±125）mg/L。可知该制药废水中有机物含量很高，而氮磷含量低，故在进水中添加一定量的氯化铵和磷酸二氢钾来调节进水营养平衡。

1.3 试验装置

图1为EGSB结构示意图。反应器内径0.15 m，总高1.0 m，总容积为20 L，有效容积为15 L。反应器由不锈钢SS316材质制成，外部缠绕电阻丝进行电加热，并配置温控仪自动维持运行温度在（35±1）℃。反应器底部进水，顶部出水，顶部安装三相分离器以进行泥水分离，外部设出水循环至进水，维持反应器上升流速为1.0 m/h。反应器内部安装在线pH探头以实时监测系统内部的pH变化。

图1 EGSB结构

1.4 试验设计

EGSB进水由蠕动泵提供，蠕动泵转速可调。整个试验过程分为9个阶段，具体如表1所示。在阶段Ⅰ—阶段Ⅵ，控制反应器水力停留时间在48~240 h，从而实现容积负荷为2.3~15.5 kgCOD/（m3·d）。确定最佳容积负荷后，通过在进水中添加硫酸钠的方式控制碳硫比分别为8.0、5.0、3.0（阶段Ⅶ—阶段Ⅸ），以考察EGSB的运行性能。

表1 试验过程设计

1.5 分析方法

根据文献〔6〕对COD、SS、VSS、NH4+-N、TP、pH及碱度等指标进行分析。生物气量采用山东桑泽仪器仪表有限公司生产的LMH-1型湿式气体流量计进行测定。甲烷和硫化氢含量采用日本岛津公司生产的7890B型气相色谱测定。挥发性有机酸采用日本岛津公司生产的Fy-II1010型液相色谱测定。微生物群落分析方法参考文献〔7〕。

2 结果与讨论

2.1 不同容积负荷下EGSB运行性能

图2为EGSB在不同容积负荷下的运行性能。

图2 EGSB在不同容积负荷下的运行性能

反应器运行碳硫比固定在8.0，由图2（a）可知，EGSB经过50 d的运行后启动成功。当系统容积负荷由2.3 kgCOD/（m3·d）（阶段Ⅰ）提高至11.6 kgCOD/（m3·d）（阶段Ⅳ）时，稳定运行后的平均COD去除率均保持在90%左右，平均出水COD稳定在2 400 mg/L左右。由图2（a）可知，在容积负荷2.3~11.6 kgCOD/（m3·d）的范围内，系统平均甲烷产率由0.61 L/（L·d）升高至4.09 L/（L·d），这表明容积负荷的提高促进了产甲烷菌群的代谢活性。当容积负荷进一步提高至15.5 kgCOD/（m3·d）（阶段Ⅴ）时，平均COD去除率下降至80.2%，从而出水COD升高至3 630 mg/L，这与过高的容积负荷对产甲烷菌群产生的抑制作用有关。同样的，平均甲烷产率也下降至3.18 L/（L·d）。将容积负荷调回至11.6 kgCOD/（m3·d）（阶段Ⅵ），系统经过48 d的运行后恢复原运行性能，稳定运行后的平均COD去除率和甲烷产率分别为90.5%和4.12 L/（L·d）。在整个运行过程，生物气中的甲烷体积分数在60%~70%之间变化（未在图中显示）。综合考虑系统COD去除率和甲烷产率，容积负荷11.6 kgCOD/（m3·d）为EGSB系统最佳运行条件。本研究得到的最高COD去除率和甲烷产率与G.Luo等〔8〕研究一致，他们研究了EGSB在不同容积负荷下对啤酒废水的处理性能，结果表明在容积负荷12.2 kgCOD/（m3·d）下，COD去除率和甲烷产率最高，分别为91.4%和4.26 L/（L·d）。

图2（b）为运行过程中EGSB出水挥发性有机酸浓度的变化情况。出水中检测到的挥发性有机酸主要包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。在反应器启动前期，由于有机物的快速水解导致总有机酸质量浓度快速升高，高达3 750 mg/L，随着产甲烷菌群的逐渐驯化，有机酸逐渐被降解且浓度逐渐降低，在容积负荷2.3~11.6 kgCOD/（m3·d）的范围内，稳定运行后的总有机酸质量浓度均在350 mg/L以下，对应的系统pH保持在6.8~7.5（未在图中显示）。当容积负荷提高至15.5 kgCOD/（m3·d）时，由于产甲烷菌群受到抑制，有机酸未得到有效降解而发生累积现象，稳定运行后的总有机酸质量浓度升高至655 mg/L，从而导致系统pH下降至6.3~6.5之间，超出产甲烷菌群的最适代谢pH范围（6.8~8.0）。当容积负荷降至11.6 kgCOD/（m3·d）后，总有机酸质量浓度恢复到原水平（350 mg/L以下）。

2.2 不同碳硫比下EGSB运行性能

废水中的硫酸根在厌氧条件下会被硫酸根还原菌还原为硫化氢，硫化氢的存在会在一定程度上抑制产甲烷的代谢活性，从而降低厌氧反应器的运行性能〔9〕。因此，碳硫比是厌氧反应器运行时的重要参数。确定合适的容积负荷后，EGSB在容积负荷11.6 kgCOD/（m3·d）下运行，通过在进水中投加硫酸钠的方式调节碳硫比，以考察不同碳硫比对系统运行的影响。图3为EGSB在不同碳硫比下的运行性能。

图3 EGSB在不同碳硫比下的运行性能

由图3（a）、（b）可知，当进水碳硫比下降至5.0（阶段Ⅶ）时，稳定运行后的COD去除率和甲烷产率较阶段Ⅵ有所降低，但降低幅度不大，同时出水COD小幅度升高。COD去除率和甲烷产率分别由90.5%和4.12 L/（L·d）下降至88.6%和3.89 L/（L·d），同时出水COD由2 183 mg/L升高至2 645 mg/L。当进水碳硫比进一步下降至3.0（阶段Ⅷ）时，EGSB的运行性能会明显下降。具体表现为COD去除率下降至74.5%，同时出水COD升高至5 050 mg/L，甲烷产率下降至3.42 L/（L·d）。硫化氢的含量大幅度升高（未在图中显示），过高的硫化氢含量对产甲烷菌群产生较强的抑制作用。为防止EGSB运行瘫痪，回调碳硫比至8.0（阶段Ⅸ），系统运行性能迅速恢复。稳定运行后的COD去除率和甲烷产率分别为90.5%和4.12 L/（L·d），这与阶段Ⅵ的运行性能基本相同。W.Li等〔9〕曾构建UASB系统处理含高硫酸根的高浓度有机废水，同样确定最适的碳硫比为8.0。

图3（d）为运行过程中EGSB出水挥发性有机酸浓度变化情况。当进水碳硫比为5.0时，挥发性有机酸含量与阶段Ⅵ变化不大。但当碳硫比下降至3.0时，挥发性有机酸质量浓度升高至560 mg/L左右，这是因为产甲烷菌群代谢活性受到抑制，从而发生了有机酸的累积。一旦碳硫比回调至8.0，挥发性有机酸质量浓度迅速下降，并稳定在320 mg/L以下。

2.3 微生物群落结构分析

为研究EGSB运行性能与微生物群落结构之间的内在关系，对运行阶段Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ的稳定运行期进行污泥取样并分析微生物群落结构，结果表明，Firmicutes、Thermotogae、Bacteroidetes和Proteobacteria是主要的产酸菌群，它们主要负责将水中的有机物转化为挥发性有机酸〔8〕。产甲烷菌群主要包含Methanobacterium、Methanocorpusculum、Methanobrevibacter、Methanmassillicoccus、Methanothrix、Methanosarcina、Methanosaeta和Methanomethylovorans，它们主要负责将产酸菌群代谢产生的挥发性有机酸进一步转化为甲烷和二氧化碳〔7，10〕。在阶段Ⅴ，即容积负荷11.6 kgCOD/（m3·d），碳硫比8.0，产酸菌群的相对丰度为21.1%，产甲烷菌群的相对丰度为78.4%。当系统运行至阶段Ⅵ，即容积负荷15.5 kgCOD/（m3·d），碳硫比8.0时，产酸菌群的相对丰度升高至30.6%，而产甲烷菌群的相对丰度下降至68.6%，这是因为过高的容积负荷对产甲烷菌群产生一定的抑制作用。尽管各菌群的相对丰度有所变化，但菌群多样性并未改变。需要注意的是，在此阶段Methanocorpusculum菌群的相对丰度由阶段Ⅴ的17.4%升高至阶段Ⅵ的26.3%，这是因为该产甲烷菌群能够耐受广泛的pH范围，这与以前的同类研究发现一致〔11〕。当系统运行至阶段Ⅷ，即容积负荷11.6 kgCOD/（m3·d），碳硫比3.0时，菌群的相对丰度和多样性均发生明显变化。由于过高的硫酸根产生的硫化氢对产甲烷菌群具有毒性作用，Methanothrix和Methanomethylovorans菌群消减至检测不到，其他产甲烷菌群的相对丰度下降至48.9%，而产酸菌群的相对丰度升高至50.8%且多样性未发生变化。阶段Ⅵ和Ⅷ的现象表明，产酸菌群较产甲烷菌群具有更强的耐负荷冲击和毒性能力。一旦系统恢复至原运行条件（阶段Ⅸ），产酸菌群的相对丰度下降至24.0%，产甲烷菌群的相对丰度升高至75.5%，这与阶段Ⅴ的菌群分布基本相同，且菌群多样性恢复，这也是EGSB系统运行性能迅速恢复的主要原因。