相容性溶质对UASB反应器处理高盐废水效果影响研究

邹小玲，陈李胜，张本凯，余江涛

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330000；2.山东鲁兴环保科技有限公司，山东 济南 250000)

厌氧微生物细胞积累相容性溶质(CS)，可以抵抗外界高渗透压[7-9]，且不影响胞内酶和DNA等生物大分子活性。但目前报道多集中于几种单一CS的效果[10-12]，少有研究多种CS的复合效果。本研究主要探索甜菜碱、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化钾5种相容性溶质共同作用下对厌氧颗粒污泥处理高盐废水的效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

葡萄糖、磷酸二氢钾、氯化铵、氯化钙、硫酸镁、硫酸亚铁、钼酸铵、乙二酸四乙酸钠、硫酸锌、氯化铜、碘化钾、硫酸钴、氯化锰、硝酸镍、甜菜碱、谷氨酸、甘氨酸、海藻糖、氯化钾、浓硫酸、重铬酸钾、氢氧化钠、硫酸亚铁铵、1，10-菲咯啉、氯化钠均为分析纯；厌氧颗粒污泥，取自污水监测站UASB反应器内。

MF-2.5-10A马弗炉；JC-101W微波消解仪；pHS-3E pH计；UASB反应器(有机玻璃)，自制；FA2004电子分析天平；DHG-9070A鼓风干燥箱；CR-10BT+超纯水机。

1.2 实验准备

1.2.1 模拟污水配制 实验废水以COD∶N∶P=200∶5∶1进行配制。COD为10 000 mg/L，NH4Cl为112.5 mg/L，KH2PO4为78.46 mg/L，CaCl2为 10 mg/L，MgSO4为20 mg/L，FeSO4为 3.9 g/L，(NH4)6Mo2O24为0.16 g/L，乙二酸四乙酸钠为 1.8 g/L，ZnSO4·7H2O为 0.43 g/L，CuCl2为 0.03 g/L，KI为0.18 g/L，CoSO4·7H2O为0.2 g/L，MnCl2为0.6 g/L，Ni(NO3)2·6H2O为0.05 g/L，HBO3为0.06 g/L。

1.2.2 污泥驯化 由于所寄出的桶装泥含反应器中的灰分和杂质，故先将泥置于1 mm筛子，用清水清洗3遍，使灰分杂质含量降低，随后颗粒污泥分别置于UASB反应器，通过5 g/L每升盐度梯度的驯化，从盐度为0升高到20 g/L盐度。

1.2.3 CS配制 相容性溶质甜菜碱、谷氨酸、甘氨酸、海藻糖和氯化钾。单独投加的三组投加量均设为0.5 mmol/L[13-14]。A#1、A#2、A#3代表甜菜碱、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和KCl质量比按(80～120)∶(10～30)∶100∶100∶1(A#1)、(80～120)∶(10～30)∶50∶50∶1(A#2)和(80～120)∶(10～30)∶10∶10∶1(A#3)[15]。以上述质量比添加1%的复配相容性溶质(即1 000 g废水加入10 g)，1周后开始测定出水各项指标。

1.3 实验方法

实验装置见图1。

图1 实验装置图Fig.1 Test device diagram1.水泵；2.加水装置；3.发热电阻；4.温度计；5.三相分离器；6.UASB反应器；7.废水收集瓶；8.集气瓶；9.气体流量计

UASB反应器(Φ14.0 cm×16.5 cm，有机玻璃)的有效容积约为2.5 L，通过水泵进行泵送废水，控制进水有机负荷COD在5 000 mg/(L·d)左右，由于所投加的CS量远小于葡萄糖投加量，故认为各组分CS对废水COD值的影响极小，可忽略不计。复配CS以粉末状混合入模拟的高盐废水中，进出水量均为1 L，通过加水装置进入UASB反应器内，HRT为1 d。通过发热电阻进行水温的控制，以温度计指示温度为准，UASB反应器中设三相分离器，进行泥、水、气三项分离，通过集气瓶收集气体，集气瓶中装有5%NaOH溶液，产气量以气体流量计为准，每日排出废水通过废水收集瓶收集，并进行后续相关指标的测定。

1.4 分析方法

COD采用重铬酸钾法测定；pH采用玻璃电极法测定；产气量通过气体流量计测定。

2 结果与讨论

2.1 CS对COD去除率和产气量的影响

2.1.1 CS对COD去除率的影响 CS对反应器处理20 g/L盐度废水COD去除率的影响见图2。

图2 CS对反应器处理20 g/L盐度废水COD去除率的影响Fig.2 Effect of CS on the COD removal rate of 20 g/Lsalinity wastewater treated by reactor

由图2可知，在处理进水COD浓度为 2 016 mg/L 的20 g/L盐度废水时，4天内的出水COD各组均维持在700 mg/L左右，此时各反应器处理效果均受到高盐浓度的抑制，且CS还未对反应器性能起到提升效果。而当4天后，相比对照组，各组分出水COD均降低至400 mg/L以下，表明处于高盐环境下的微生物细胞已经吸收环境中的CS，而微生物细胞对环境CS存在适应期，当适应期结束后，CS开始在细胞中逐渐积累，发挥抵抗环境高盐渗透压的作用。当在第8天停止投加CS后，出水在第16天开始恶化，表明CS对反应器存在8天左右持续保护效果。

比较三种单一CS可知，投加甜菜碱后的效果最佳，这与陈立伟等的研究结果一致[11]。杨红薇等认为[16]，甜菜碱的存在能够减缓钠盐对厌氧生物反应器的毒性，而Sudmalis等认为[17]，谷氨酸能够提高颗粒污泥的比产甲烷活性，甘氨酸存在于耐盐菌的细胞运输过程中，可以作为氨基酸类CS维持耐盐菌细胞渗透压[18]，海藻糖具有抗旱保水的效果[19-20]。

当受到渗透胁迫或盐度冲击时，多数微生物能够积累多种CS，但往往选择其中最有效的一种或数种。相比单一CS，实验组A#1～A#3的出水COD降低至200 mg/L左右，去除率最高达到93.4%，比对照组COD去除率提高38.8%，并且都低于单一CS作用下的出水COD，这是由于复配CS更加符合耐盐菌的耐盐机理，因为对于耐盐菌而言，当环境中无机盐浓度过高，会在胞内积累多种CS抵抗胞外渗透压，而对于大多数细菌更偏向于从环境中获取CS，以达到平衡胞内外渗透压的目的[21-22]。

2.1.2 CS对产气量的影响 CS对反应器处理 20 g/L 盐度废水产气量的影响见图3。

图3 CS对反应器处理20 g/L盐度废水产气量的影响Fig.3 Effect of CS on the gas production of 20 g/Lsalinity wastewater treated by reactor

由图3可知，6个实验组前4天UASB反应器的产气量与对照组相差不多，均维持在1～1.2 L/d。而在第4天，在CS的作用下，各实验组的产气量开始逐渐增大，其中A#2组产气量增加得最为显著，日产气量最高达到1.63 L，比对照组增加48%。而当在第8天停止投加CS后，除空白组外，各组分的产气量在第16天逐渐降低，这是由于废水中的COD转化为甲烷的过程再次受到环境抑制所导致。

2.2 多因素实验分析

UASB反应器经过长期的废水处理，在确定前期最佳配合比范围后，出水COD与产气量稳定，且COD去除率稳定在90%以上，在此基础上进行正交实验。以CS配合比(A)、有机负荷(B)、进水pH(C)和温度(D)4个因素建立正交实验，以COD去除率为评价指标，因素水平见表1。任一条件下实验重复3次，取平均值，实验结果见表2，利用SPSS软件对实验数据进行线性回归分析及显著性检验，见表3。

表1 因素水平Table 1 Factor and level

表2 正交实验设计与数据处理表Table 2 Orthogonal experimental design anddata processing table

表3 正交方差分析表Table 3 Orthogonal analysis of variance table

由表2可知，影响COD去除率的因素主次顺序为B(有机负荷)>C(进水pH)>D(温度)>A(配合比)。最佳实验条件为A1B1C1D1，即配合比90∶(10～30)∶25∶20∶1，有机负荷为5 000 mg/(L·d)，pH为8，温度为35 ℃。

2.3 单因素实验

2.3.1 有机负荷(OLR)对反应器COD去除率的影响 OLR对反应器COD去除率的影响见图4。

图4 有机负荷对反应器COD去除率的影响Fig.4 The influence of organic load rate change on theCOD removal rate of the reactor

由图4可知，有机物的增加，促进了厌氧生物系统的处理效果，有机负荷4 800 mg/(L·d)时，COD去除率达到最高91.5%。有机负荷超过 4 800 mg/(L·d)后，反应器的COD去除率逐渐降低。表明适当的有机负荷，可以促进厌氧生物反应器菌群的生长与增殖，有机物分解过程中能够合成厌氧微生物的细胞组成物质，菌种得以大量繁殖，有利于系统对COD的去除。当高浓度有机物长期积累，将会造成其他微生物占主导地位，与厌氧微生物产生竞争，以产甲烷菌为代表的厌氧微生物不再占据优势菌种的地位，导致COD去除率的降低。李亚峰等也得出相似结论[23]，其认为当厌氧反应器葡萄糖等碳源浓度过大时，能够造成反硝化微生物生长，并逐渐替代厌氧氨氧化细菌占据主导地位。

2.3.2 CS配合比对反应器COD去除率的影响 配合比对反应器COD去除率的影响见图5。图中的5个比值105∶20～125∶20分别代表甜菜碱、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化钾质量比为105∶20∶25∶25∶1～125∶20∶25∶25∶1。

图5 CS配合比对反应器COD去除率的影响Fig.5 Effect of CS mixing ratio on reactorCOD removal rate

由图5可知，以甜菜碱为主要成分的复配CS，在甜菜碱、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化钾质量比为120∶20∶25∶25∶1时，COD去除率最高，达到93.7%。

2.3.3 温度对反应器COD去除率的影响 温度对COD去除率的影响见图6。

图6 温度变化对反应器COD去除率的影响Fig.6 Influence of temperature change on theremoval rate of COD in reactor

由图6可知，温度对COD去除率的影响较为明显，COD去除率随着温度的升高而升高，35 ℃时COD去除率到达顶点，此后随着温度的升高，COD去除率开始降低。Artsupho等[24]处理制糖废水，研究发现，温度在34～39 ℃时产甲烷量最佳，当温度为40～42 ℃时，产甲烷量便开始降低，且认为温度与产甲烷量存在二次线性关系，而COD去除率也得出类似结论。厌氧生物处理存在最佳温度范围，于晓章等认为[25]，厌氧嗜热菌群最佳生存温度30～ 60 ℃，而嗜冷菌在25 ℃以下，嗜中温厌氧菌在 35 ℃ 左右，因此温度可以改变环境中产甲烷菌群的分布，这与吴美蓉等的结论一致[26]，其研究表明，低温条件下，以利用乙酸产甲烷为主，高温或超高温下，以利用CO2产甲烷为主，而前者产甲烷量理论上为后者的2倍。

2.3.4 进水pH对反应器COD去除率的影响 进水pH对反应器COD去除率的影响见图7。

图7 进水pH对反应器COD去除率的影响Fig.7 The influence of influent pH on reactorCOD removal rate

由图7可知，合适的pH可以促进厌氧生物反应器菌群对COD的去除率。产甲烷阶段作为厌氧生物法重要的阶段，不仅将前期的分解产物转化为甲烷、CO2和H2O，随着酸的不断积累，产甲烷量与pH存在着动态平衡，而产甲烷菌生存最适pH范围为6.8～7.2，对pH变化较产酸菌敏感，当环境pH变化较大时，产甲烷菌相较产酸菌受影响程度大，酸不断积累，产甲烷量逐渐减少。出水酸化能够反映出产甲烷速率和产甲烷菌活性的降低。pH的变化能改变微生物表面电位，影响酶活性和对营养物质的吸收。厌氧生物反应器出水酸化是很普遍的问题，当pH降低时，降低有机负荷，并适当调节进水pH，或向反应器中接种颗粒污泥，是抵制酸化导致反应器性能降低较为有效的手段。

3 结论

采用复配相容性溶质对UASB反应器厌氧颗粒污泥处理进水COD浓度为2 016 mg/L的20 g/L盐度废水的最佳反应条件为：相容性溶质为甜菜碱、谷氨酸、脯氨酸、海藻糖和氯化钾，1 000 g废水加入 10 g 复配相容性溶质，甜菜碱、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化钾质量比为120∶20∶25∶25∶1，有机负荷为4 800 mg/(L·d)，温度为35 ℃，进水pH为8.6。COD去除率达 93.4%，产气量为1.63 L/d。