近年來,由垃圾滲濾液帶來的環境問題越來越受到人們的關注,運用物理化學法、生物法對其進行處理的研究時有報道。厭氧技術尤其是上流式厭氧污泥床(UASB)因具有容積負荷高、污泥產量少等優點而在滲濾液處理中的研究和應用越來越多。筆者采用上流式厭氧污泥床(UASB)對垃圾滲濾液進行處理,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、污泥床區和進水區三個部分。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個采樣口。通過自制恒溫控制儀對進水加熱,使反應器內的溫度控制在(35±2)℃。
1·2滲濾液水質
試驗用水為重慶市南岸區騎龍村城市垃圾衛生填埋場的垃圾滲濾液。滲濾液水質情況見表1。
該垃圾填埋場使用時間已超過10年。從表1中的數據可見, BOD5 /COD = 0. 28,滲濾液的可生化性較差。考慮到工程應用的要求,在試驗過程中除污泥馴化期外,未補充碳源或投加營養物。
1.3 試驗方法
通過改變反應器進水濃度和進水流量,不斷提高反應器容積負荷,考察對COD的去除效果、顆粒污泥的產生過程、UASB 反應器對垃圾滲濾液水質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。水質分析按照水質監測標準方法進行[ 1 ] 。
2 試驗過程
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。
取來的污泥先用由蔗糖、氮、磷等營養物配制的有機廢水進行培養,使其恢復活性。1周后在培養液中加入垃圾滲濾液,使滲濾液的量占進水量的20%～30%,馴化階段將進水COD濃度保持在500mg/L。經馴化1周后,厭氧細菌逐漸適應了垃圾滲濾液的水質。
2.2 啟動運行階段
在啟動運行階段(共82 d) ,逐漸增加進水有機物濃度,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, 增加負荷且每次提高0. 2 ～0. 5kgCOD / (m3 •d) ,每次停留時間為10 d左右,以此來考察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) ,通過改變進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系,它可影響反應器對有機物的去除率,而容積負荷過大是造成反應器酸化的直接原因。試驗過程中容積負荷與COD去除率的關系見圖2。
從圖2可以看出,容積負荷提高后,對COD的去除率下降,但幾天內又會逐步提高并趨于穩定。結果表明,增加容積負荷會使厭氧污泥的濃度和活性不斷增加,通過污泥生物吸附、絮凝、分解的有機物便會相應增加。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,整個試驗過程系統對COD的去除率保持在45%左右。當容積負荷增加到較高值時,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。在實際運行中,總是希望容積負荷盡量大,以減少反應器體積,進而減少投資。但由試驗結果可知,容積負荷太高會使系統對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程可分為酸性消化(酸性發酵)和堿性消化(堿性發酵)兩個階段,在連續消化過程中,二者是同時進行的,并且保持著某種動態平衡。這種動態平衡一旦被pH、溫度、容積負荷等外部因素所打破,則堿性消化(甲烷消化)往往會停止,其結果將導致低級脂肪酸的積累、酸化和厭氧消化進程的失常。水中堿度是中和酸能力的一個指標,其主要來源于弱酸鹽,它控制著pH值,同時也是水中存在其他酸時緩沖pH能力的一個指標。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就會導致pH值的下降[ 3 ] 。在試驗中,對出水的堿度和pH 值進行了間隔性檢測,二者與容積負荷的變化曲線分別見圖3、4。
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,大部分時間為7～8。每次負荷提高后, pH值都會有所下降。在第62 天時,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天開始停止進水,第66天重新進水,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, 被轉化成揮發性有機酸(VFA) ,造成揮發性有機酸的積累,從而使pH值下降。隨著反應的進行,積累的有機酸逐漸被產甲烷菌轉化為甲烷,有機酸積累的情況得到緩解后, pH值升高且趨于穩定。整個運行期間出現過pH值波動較大的現象,但停止進水后,酸化現象逐漸得到控制。同時,負荷的增加對堿度的影響不大,能滿足厭氧過程的堿度需要,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等營養物需求的同時,卻容易忽視對S、Fe、Ni、Co、Mo、Mn等微量元素的需求。事實上,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至關重要的作用。有些元素如S、Fe、Ni還是厭氧發酵過程中甲烷桿菌(Methanobrevibacter arboriphi2lus) 、甲烷八疊球菌(Methanobreacteria microchip s)的必不可少的組成成分。對于垃圾滲濾液來說,N、P、S營養物的含量基本上可以滿足厭氧生物的需求,因此無需額外添加,但是Fe、Ni、Co等主要微量元素的含量已不能滿足反應器高效運行的需要,因此必須適量添加。
從試驗運行過程來看,在試驗初期,由于忽視了微量元素在厭氧消化過程中的重要作用,導致微生物長期處于一種營養不良狀態,活性保持在很低的水平,嚴重抑制了厭氧反應的進行。反應前10 d,對COD的去除率一直在10%～15% ,從第11 天開始,針對厭氧微生物尤其是甲烷菌的特點,向反應器中投加了鐵、鎳、鈷等營養元素,其投加量根據廢水可生物降解的COD濃度和它的酸化率來估算,在實際應用時應將計算結果增大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鍵[ 5 ] 。在試驗中通過控制容積負荷在0. 31～5. 41 kgCOD / (m3 •d)、pH值在6. 5～8、啟動初期水力負荷為0. 6～1. 0 m3 / (m2 •h) ,正常運轉時保持在0. 5～0. 7 m3 / (m2 •h) ,使得污泥顆粒化進展順利,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,啟動負荷為0. 3 kgCOD / (m3 •d) ,進水流量為5. 5 mL /min,并采用出水回流的方式控制水力負荷,啟動效果較好。到第82天時,反應器的容積負荷為2. 75 kgCOD /(m3 •d) ,反應器中有顆粒污泥產生,對COD的去除率穩定在45%左右,啟動結束。整個啟動階段耗時為82 d。
② 從第83天開始進入提高負荷階段,通過提高進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,污泥的生物吸附接近飽和,對COD的去除率下降。考慮到工程應用,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程的堿度需要,不必投加藥劑。整個試驗期間出水pH值并未出現大的波動。第62天時反應器出現酸化,采用停止進水等措施后,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揮著重要的作用。
(審核編輯: Doris)
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