摘要:采用上流式厌氧污泥床(UASB)处理垃圾渗滤液,通过试验研究了UASB反应器处理垃圾渗滤液的启动时间、最大容积负荷、颗粒污泥的产生过程、对碱度的要求及微量元素对运行的影响。试验结果表明:启动80 d左右可在反应器底部出现微小颗粒状污泥,启动阶段共82 d;最大容积负荷控制在5 kgCOD/(m3.d)较为合理;垃圾渗滤液能保证厌氧过程的碱度需要,处理过程不必投加药剂,但需投加微量元素Fe、Ni、Co以使对COD的去除率稳步提高到50%。

关键词:上流式厌氧污泥床,垃圾渗滤液,容积负荷

近年来,由垃圾渗滤液带来的环境问题越来越受到人们的关注,运用物理化学法、生物法对其进行处理的研究时有报道。厌氧技术尤其是上流式厌氧污泥床(UASB)因具有容积负荷高、污泥产量少等优点而在渗滤液处理中的研究和应用越来越多。笔者采用上流式厌氧污泥床(UASB)对垃圾渗滤液进行处理,探索了UASB反应器的各种工艺操作条件对渗滤液生物降解效率的影响,并通过对影响机理的初步探讨为其工程应用提供参考依据。

1材料和方法

1·1试验装置试验装置

如图1所示。图1 UASB试验装置示意图F ig.1 Sketch m ap ofUASB反应器从上到下可分为三相分离区、污泥床区和进水区三个部分。反应器内径为15.4 cm,总高度为105 cm,其中三相分离器部分高度为25 cm,悬高度为67 cm,反应器有效容积为14.96 L。另外,沿高度方向在反应器壁上等间隔设置8个采样口。通过自制恒温控制仪对进水加热,使反应器内的温度控制在(35±2)℃。

1·2渗滤液水质

试验用水为重庆市南岸区骑龙村城市垃圾卫生填埋场的垃圾渗滤液。渗滤液水质情况见表1。

该垃圾填埋场使用时间已超过10年。从表1中的数据可见, BOD5 /COD = 0. 28,渗滤液的可生化性较差。考虑到工程应用的要求,在试验过程中除污泥驯化期外,未补充碳源或投加营养物。

1.3　试验方法

通过改变反应器进水浓度和进水流量,不断提高反应器容积负荷,考察对COD的去除效果、颗粒污泥的产生过程、UASB 反应器对垃圾渗滤液水质及水量变化的抗冲击能力、对碱度的要求以及微量元素对运行的影响。水质分析按照水质监测标准方法进行[ 1 ] 。

2　试验过程

2.1　污泥接种及驯化阶段

接种污泥为重庆市唐家桥城市污水处理厂消化池的脱水污泥(含水率为70%～80% ) ,污泥浓度为28 g/L,接种量为10 L。
取来的污泥先用由蔗糖、氮、磷等营养物配制的有机废水进行培养,使其恢复活性。1周后在培养液中加入垃圾渗滤液,使渗滤液的量占进水量的20%～30%,驯化阶段将进水COD浓度保持在500mg/L。经驯化1周后,厌氧细菌逐渐适应了垃圾渗滤液的水质。

2.2　启动运行阶段

在启动运行阶段(共82 d) ,逐渐增加进水有机物浓度,不断提高反应器的容积负荷,直到处理效果稳定并出现颗粒污泥为止。当系统对COD的去除率达到50%时, 增加负荷且每次提高0. 2 ～0. 5kgCOD / (m3 •d) ,每次停留时间为10 d左右,以此来考察UASB反应器对渗滤液的处理能力。

2.3　提高负荷阶段

在提高负荷阶段(共25 d) ,通过改变进水有机物浓度和流量,不断提高容积负荷,从3. 04 kgCOD /(m3 •d)提高到5. 53 kgCOD / (m3 •d) 。每次提高的幅度较大,但没有出现pH 值大幅下降的现象。在这一阶段,处理效果未有明显提高,并在后期由于微生物的处理能力达到饱和而出现了下降趋势。

3　结果与分析

3.1　容积负荷

容积负荷直接反映了食物与微生物之间的平衡关系,它可影响反应器对有机物的去除率,而容积负荷过大是造成反应器酸化的直接原因。试验过程中容积负荷与COD去除率的关系见图2。

从图2可以看出,容积负荷提高后,对COD的去除率下降,但几天内又会逐步提高并趋于稳定。结果表明,增加容积负荷会使厌氧污泥的浓度和活性不断增加,通过污泥生物吸附、絮凝、分解的有机物便会相应增加。这一阶段一直持续到COD容积负荷为2. 75 kg/ (m3 •d) 。进入负荷提高阶段后,大幅度提高COD 容积负荷,每次提高幅度为1. 0kg/ (m3 •d)左右。由图2可以看出,容积负荷的改变对反应器去除率的影响不大,整个试验过程系统对COD的去除率保持在45%左右。当容积负荷增加到较高值时,污泥的生物吸附逐渐接近饱和,表现为对COD的去除率出现下降。在实际运行中,总是希望容积负荷尽量大,以减少反应器体积,进而减少投资。但由试验结果可知,容积负荷太高会使系统对COD的去除率下降。综合考虑后,取COD容积负荷为5. 0 kg/ (m3 •d) [ 2 ] 。

3.2　碱度和pH值

根据厌氧消化机理可知,有机物在厌氧条件下的降解过程可分为酸性消化(酸性发酵)和碱性消化(碱性发酵)两个阶段,在连续消化过程中,二者是同时进行的,并且保持着某种动态平衡。这种动态平衡一旦被pH、温度、容积负荷等外部因素所打破,则碱性消化(甲烷消化)往往会停止,其结果将导致低级脂肪酸的积累、酸化和厌氧消化进程的失常。水中碱度是中和酸能力的一个指标,其主要来源于弱酸盐,它控制着pH值,同时也是水中存在其他酸时缓冲pH能力的一个指标。McCany 建议总碱度应维持在2 000～5 000 mg/L范围内,如果反应器总碱度< 1 000 mg/L就会导致pH值的下降[ 3 ] 。在试验中,对出水的碱度和pH 值进行了间隔性检测,二者与容积负荷的变化曲线分别见图3、4。。

由图3、4可以看出,试验中出水碱度的变化范围为1 555. 46～2 185. 22 mg/L,平均值约为2 000mg/L,出水pH值的变化范围为5. 21 ～8. 63,大部分时间为7～8。每次负荷提高后, pH值都会有所下降。在第62 天时,容积负荷增加较大,从1. 32kgCOD / (m3 •d)增加至2. 03 kgCOD / (m3 •d) ,使得反应器出水pH值由7. 14降低到5. 21,出现挥发酸积累现象,对COD的去除率也下降较多,碱度相应也有所下降。针对该情况,试验从第63天开始停止进水,第66天重新进水,随后pH值稳步提高,酸化现象逐步得到控制。
在试验中,负荷增加导致出水pH值下降是由于负荷增加后引入了大量的可生化降解有机物,在厌氧微生物的作用下, 被转化成挥发性有机酸(VFA) ,造成挥发性有机酸的积累,从而使pH值下降。随着反应的进行,积累的有机酸逐渐被产甲烷菌转化为甲烷,有机酸积累的情况得到缓解后, pH值升高且趋于稳定。整个运行期间出现过pH值波动较大的现象,但停止进水后,酸化现象逐渐得到控制。同时,负荷的增加对碱度的影响不大,能满足厌氧过程的碱度需要,系统运行良好,不必投加药剂。

3.3　微量元素

在厌氧处理过程中,由于微生物对微量元素的需要量非常少,因此在考虑到其对N、P等营养物需求的同时,却容易忽视对S、Fe、Ni、Co、Mo、Mn等微量元素的需求。事实上,上述微量元素对调节厌氧微生物细胞的渗透压、pH值、氧化还原电位等都起着至关重要的作用。有些元素如S、Fe、Ni还是厌氧发酵过程中甲烷杆菌(Methanobrevibacter arboriphi2lus) 、甲烷八叠球菌(Methanobreacteria microchip s)的必不可少的组成成分。对于垃圾渗滤液来说,N、P、S营养物的含量基本上可以满足厌氧生物的需求,因此无需额外添加,但是Fe、Ni、Co等主要微量元素的含量已不能满足反应器高效运行的需要,因此必须适量添加。
从试验运行过程来看,在试验初期,由于忽视了微量元素在厌氧消化过程中的重要作用,导致微生物长期处于一种营养不良状态,活性保持在很低的水平,严重抑制了厌氧反应的进行。反应前10 d,对COD的去除率一直在10%～15% ,从第11 天开始,针对厌氧微生物尤其是甲烷菌的特点,向反应器中投加了铁、镍、钴等营养元素,其投加量根据废水可生物降解的COD浓度和它的酸化率来估算,在实际应用时应将计算结果增大1 倍[ 4 ] ,试验最后确定FeCl2、NiCl2、CoCl2 的投加量分别为1. 5、0. 4、0. 2mg/L。结果表明投加微量元素后,厌氧处理效果有较大的提高,对COD的去除率逐渐提高到了50%。

3.4　颗粒污泥的形成过程能否成功地培育颗粒污泥是保证UASB反应器

高效和稳定运行的关键[ 5 ] 。在试验中通过控制容积负荷在0. 31～5. 41 kgCOD / (m3 •d)、pH值在6. 5～8、启动初期水力负荷为0. 6～1. 0 m3 / (m2 •h) ,正常运转时保持在0. 5～0. 7 m3 / (m2 •h) ,使得污泥颗粒化进展顺利,在运行大约80 d后,反应器底部出现微小颗粒状污泥(不规则球型、黑色、粒径为1～3 mm) 。

4　结论

①　以UASB反应器处理垃圾渗滤液,启动负荷为0. 3 kgCOD / (m3 •d) ,进水流量为5. 5 mL /min,并采用出水回流的方式控制水力负荷,启动效果较好。到第82天时,反应器的容积负荷为2. 75 kgCOD /(m3 •d) ,反应器中有颗粒污泥产生,对COD的去除率稳定在45%左右,启动结束。整个启动阶段耗时为82 d。

②　从第83天开始进入提高负荷阶段,通过提高进水有机物浓度和流量大幅提高COD容积负荷。结果表明,UASB反应器的缓冲能力较强,但因生物吸附的饱和性,当容积负荷增加到较高值时,污泥的生物吸附接近饱和,对COD的去除率下降。考虑到工程应用,认为取容积负荷为5 kgCOD / (m3 •d)是合理的。

③　在本处理工艺中渗滤液能保证厌氧过程的碱度需要,不必投加药剂。整个试验期间出水pH值并未出现大的波动。第62天时反应器出现酸化,采用停止进水等措施后,酸化现象得到有效控制。

④　于试验第11 天,向反应器中投加微量元素, FeCl2、NiCl2、CoCl2 的投量分别为1. 5、0. 4、0. 2mg/L。厌氧处理效果大幅提高,对COD 的去除率由15%稳步提高到50% ,充分证明微量元素在厌氧处理中发挥着重要的作用。（重庆大学资源及环境科学学院）