UASB反應(yīng)器處理PTA廢水啟動及污泥特性分析

　　精對苯二甲酸(PTA)通常被用在薄膜、增塑劑和聚酯類材料等的生產(chǎn)中，是我國重要的有機原材料。隨著我國PTA產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，PTA廢水的排放量越來越多，由于PTA廢水主要污染物為芳香類化合物(對苯二甲酸(TA)、甲基苯甲酸(PT)和苯甲酸(BA)等)，一旦進入環(huán)境，將會造成嚴重污染。此外，如果該廢水得不到切實有效處理，必將成為各個企業(yè)的發(fā)展“瓶頸”。因此，關(guān)于PTA廢水的處理研究受到越來越多的關(guān)注。PTA廢水具有有機濃度高，水質(zhì)組成復(fù)雜、可生化性差、具有一定毒性等特點，這也是研究的難點。

　　由于厭氧生物技術(shù)具有承受高有機負荷、剩余污泥產(chǎn)量少、能源回收率高等優(yōu)點，是目前處理PTA廢水的研究熱點。目前主要的厭氧工藝包括上流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧生物濾池(AF)及厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)等。JOUNG等采用AF反應(yīng)器處理PTA廢水，實現(xiàn)了連續(xù)15個月的穩(wěn)定運行，COD去除率均達到85%以上。KLEEREBEZEM等在利用UASB降解PTA廢水實驗中也取得了良好的COD去除效果，并且發(fā)現(xiàn)，廢水中BA容易被厭氧菌降解掉，而TA、PT則難于降解，BA對TA、PT的降解存在抑制作用，而且與進水有機負荷有關(guān)。此外，也有研究人員將生物膜技術(shù)與IC反應(yīng)器結(jié)合起來降解PTA廢水，縮短反應(yīng)器啟動時間，經(jīng)過穩(wěn)定運行后，COD去除率可達到80%。然而，目前在PTA廢水生物處理的研究中主要集中于反應(yīng)器的運行效果和目標(biāo)污染物的降解機理，關(guān)于污泥形態(tài)和微生物群落結(jié)構(gòu)的報道[13]較少。而掌握這些內(nèi)容又可以在微生物水平上掌握反應(yīng)器的運行狀況。因此，全面掌握系統(tǒng)運行效能與污泥形態(tài)和微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)關(guān)系，對PTA廢水處理具有重要意義。本實驗采用UASB反應(yīng)器處理PTA廢水，培養(yǎng)厭氧顆粒污泥，研究廢水處理效果、顆粒污泥的形態(tài)及其產(chǎn)甲烷活性及群落結(jié)構(gòu)，為PTA廢水處理應(yīng)用提供參考。

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗裝置

　　實驗裝置見圖1，UASB反應(yīng)器材質(zhì)為有機玻璃，整體高度60 cm，其中反應(yīng)區(qū)高度35 cm，內(nèi)徑6 cm，有效容積約1 L。內(nèi)徑外側(cè)為可溫控水套，溫度控制為35 ℃。反應(yīng)器外壁自下而上設(shè)置6個取樣口，取樣口的內(nèi)徑是10 mm。反應(yīng)區(qū)上部設(shè)置回流管，回流液可經(jīng)過循環(huán)泵重新進入反應(yīng)器。進水由蠕動泵從反應(yīng)器底部進入。

　　圖1 實驗裝置示意圖

　　1.2 PTA廢水及接種污泥

　　實際PTA廢水成分主要為TA、PT、BA，和少量的鄰苯二甲酸和間苯二甲酸等，以及其他促進微生物生長代謝的微量元素，見表1。根據(jù)上述芳香類化合物在實際廢水中的比例，本實驗?zāi)�擬廢水以上述芳香類化合物為碳源，調(diào)節(jié)廢水COD為5 000 mg·L−1。PTA廢水進入反應(yīng)器之前通過調(diào)節(jié)NaOH和HCl將pH控制在7.5左右。模擬廢水成分見表1。接種污泥來自于哈爾濱市太平污水處理廠A2/O工藝中的厭氧段。取樣時厭氧段污泥為黑色絮狀厭氧污泥，混合液懸浮固體濃度(MLSS)為8 900 mg·L−1，混合液揮發(fā)性固體濃度(MLVSS)為6 500 mg·L−1，對應(yīng)的MLVSS/MLSS為0.73。接種污泥在進入反應(yīng)器前靜沉0.5 h，去除上清液。最終污泥接種量占反應(yīng)器有效容積的60%。

　　表1 廢水各組分濃度

 　　1.3 實驗方法

　　由于低負荷啟動可減少反應(yīng)器的污泥損失，降低抑制性物質(zhì)的積累，因此本實驗采用低負荷啟動。在反應(yīng)器啟動過程中，采用逐漸提高進水負荷和減少HRT的運行方法進行。為快速提高接種污泥活性，第1階段用葡萄糖代替模擬PTA廢水作為碳源。隨后往葡萄糖配水中逐漸加入PTA廢水提高配水COD值，直至成分完全為PTA廢水。啟動過程按照PTA廢水的比例分為6個階段，見表2。在反應(yīng)器進入下一個階段之前，出水各項指標(biāo)值達到穩(wěn)定。在啟動初期，通過內(nèi)回流將進水流速提高至0.5 m·h−1，增加進水和底部污泥充分接觸，去除系統(tǒng)中細小和老化污泥。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)氣量逐漸增多，可實現(xiàn)液體在反應(yīng)器內(nèi)部擾動，優(yōu)化混合效果，此時逐漸減小回流量。

　　表2 UASB反應(yīng)器運行參數(shù)

　　1.4 測試項目和方法

　　常規(guī)分析參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》，其中COD采用重鉻酸鉀法，堿度采用酸堿滴定法，VSS和SS采用重量法。pH用WTW Terminal 740測定儀測定。顆粒污泥沉降速率采用重量沉降法。厭氧顆粒污泥粒徑采用激光衍射粒度儀(Mastersizer 2000, Malvern instruments Ltd., UK)測定。厭氧顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性采用史氏發(fā)酵法。TA、PT和BA等 PTA廢水組分采用高效液相色譜法。揮發(fā)性脂肪酸(VFA)和甲烷含量采用氣象色譜法。厭氧顆粒污泥的形態(tài)采用電子掃描電鏡(SEM; JSM-5610LV, JEOL, Japan)觀察。顆粒污泥的群落結(jié)構(gòu)采用454高通量測序技術(shù)。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 UASB反應(yīng)器的啟動

　　2.1.1 污染物的去除

　　不同階段內(nèi)COD、容積負荷的變化見圖2。在第1階段前1周，反應(yīng)器污泥流失現(xiàn)象嚴重，此時出水的懸浮物較高，水質(zhì)變化也較大。原因是接種污泥中的老化污泥受到進水的沖刷，隨出水排出反應(yīng)系統(tǒng)。之后，隨著出水懸浮物的減少，出水COD濃度也隨之降低。在第19天，出水COD濃度降到了400 mg·L−1以下，去除率達到了80%以上，此時反應(yīng)系統(tǒng)對應(yīng)的容積負荷在0.8 kg·(m3·d)−1以上。反應(yīng)器在此后的運行中，出水COD濃度逐漸降低，最終穩(wěn)定在200 mg·L−1左右，對應(yīng)的COD去除率在89%左右。接著反應(yīng)器進入第2階段，通過向進水中加入PTA廢水，將進水中COD濃度提高至3 000 mg·L−1，并將HRT縮短至36 h，對應(yīng)進水負荷為2.0 kg·(m3·d)−1。此時出水COD濃度上升到1 200 mg·L−1左右，說明系統(tǒng)抗負荷能力較弱。出水COD在波動一小段時間后逐漸降低，最終穩(wěn)定在760 mg·L−1，此時對應(yīng)的容積負荷提高到1.5 kg·(m3·d)−1。在第3階段和第4階段，繼續(xù)增加進水PTA廢水含量和縮短HRT，此時進水COD濃度達到最大設(shè)計值5 000 mg·L−1。在這2個階段，盡管進水負荷逐漸提高，但是進水中含有容易微生物降解的底物(葡萄糖)，因此，出水水質(zhì)在10 d左右達到穩(wěn)定，最終對應(yīng)的容積負荷也達到4.0 kg·(m3·d)−1以上。在第5階段和第6階段，保持進水容積負荷不變，逐漸降低葡萄糖濃度，同時提高PTA廢水濃度。在第5階段初期，出水COD仍出現(xiàn)較大波動，而在第6階段初期，盡管進水全部為PTA廢水，但是出水COD并未出現(xiàn)較大波動，COD去除率均保持在80%以上，說明反應(yīng)器啟動成功，系統(tǒng)具有一定的抗負荷沖擊能力，此時系統(tǒng)的容積負荷仍然在4.0 kg·(m3·d)−1以上。經(jīng)過6個階段(201 d)的運行，系統(tǒng)內(nèi)黑色絮狀的厭氧污泥成功培養(yǎng)成黑色橢圓形球狀顆粒污泥，并具有明顯光澤(見圖3)。此時顆粒污泥的沉降速率和VSS/TSS分別為65.7 m·h−1 和0.75。

　　圖2 不同階段內(nèi)COD、容積負荷的變化

  　圖3 馴化后顆粒污泥形態(tài)

　　反應(yīng)器啟動完成后，廢水中的主要的污染物為TA和PT，不同階段內(nèi)目標(biāo)污染物的去除效果見圖4。經(jīng)過UASB反應(yīng)器處理后，兩者濃度均有大大降低，TA和PT出水濃度分別為55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1，去除率分別為97.2%和83.6%。其他3種污染物BA、鄰苯二甲苯和間苯二甲苯去除率均在95%以上。說明系統(tǒng)內(nèi)微生物經(jīng)過馴化后具有較強的降解苯類化合物的能力。LEE等采用兩段序批式膨脹顆粒污泥床處理PTA廢水，TA和PT的去除率分別為97.6%和75.2%，與本實驗的結(jié)果相似。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

圖4 不同階段內(nèi)目標(biāo)污染物的去除效果

　　2.1.2 出水VFA、pH和堿度

　　VFA是厭氧消化過程的重要中間產(chǎn)物之一，產(chǎn)甲烷菌以VFA為底物，在生長代謝過程中產(chǎn)生甲烷。pH和堿度也是重要的工程控制參數(shù)，影響微生物群落結(jié)構(gòu)與代謝活性。出水VFA、pH和堿度隨時間的變化見圖5。反應(yīng)器在啟動初期，出水VFA較高，最高濃度達到68.3 mg·L−1，之后逐漸降低。盡管進水負荷逐漸增加，但是出水VFA濃度在60 d之后并未出現(xiàn)較大變化，出水VFA濃度逐漸趨于穩(wěn)定，說明產(chǎn)甲烷菌數(shù)量增多或活性逐漸增強，反應(yīng)器未發(fā)生酸化現(xiàn)象。在啟動實驗結(jié)束后，對出水VFA組分進行了檢測，主要成分為乙酸，占90%以上，其余為丙酸和丁酸等。通過pH變化曲線，可以看出隨著進水負荷的增加，出水pH呈逐漸降低趨勢。但是出水pH一直處在6.7～7.5之間，并未發(fā)生太大波動，這是由于原水中堿度在1 500 mg·L−1左右，水質(zhì)本身具有較強的抗酸化能力。出水堿度在啟動初期低于進水，說明此時反應(yīng)器內(nèi)以酸化反應(yīng)為主。隨著培養(yǎng)的進行，產(chǎn)甲烷反應(yīng)開始出現(xiàn)，出水堿度增加，最后穩(wěn)定在2 000 mg L−1左右，屬于1 000～5 000 mg L−1的正常范圍以內(nèi)。

圖5 不同時間內(nèi)出水pH、VFA和堿度的變化

　　2.2 顆粒污泥的特征

　　2.2.1 粒徑

　　在第2階段末期，反應(yīng)器底部出現(xiàn)了少量的細小顆粒污泥。隨著培養(yǎng)的進行，沉降性能差的絮狀污泥逐漸被淘汰，而顆粒污泥的數(shù)量逐漸增多，粒徑也隨之增大。在第3階段末期，新生顆粒污泥逐漸增多，顆粒污泥的體積平均粒徑為113.48 μm。進入第4階段，通過提高進水負荷，顆粒污泥的體積平均粒徑快速增長到227.33 μm，此時反應(yīng)器內(nèi)污泥已基本顆�；�。在第5階段，顆粒污泥的體積平均粒徑繼續(xù)增長，在第5階段末期，體積平均粒徑增長到390.42 μm，說明顆粒污泥在第4階段和第5階段處在快速生長期。第6階段，進水全部采用PTA廢水，經(jīng)穩(wěn)定運行后COD去除率很快達到80 %以上。此時顆粒污泥的體積平均粒徑增長到416.53 μm。說明顆粒污泥進入了生長平穩(wěn)期，并趨于成熟，反應(yīng)器內(nèi)污泥實現(xiàn)顆�；�。不同階段顆粒污泥粒徑的具體參數(shù)見表3。

　表3 顆粒污泥的特征參數(shù)

　　2.2.2 污泥形態(tài)

　　經(jīng)過201 d的啟動實驗，反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥基本培養(yǎng)成熟。成熟的顆粒污泥為黑色，卵狀，具有清晰的表面邊界(圖3)。為了更清晰、直觀地了解顆粒污泥形態(tài)，對其進行了掃描電鏡觀察，見圖6。顆粒污泥表面存在豐富的菌膠團，桿菌和絲狀菌鑲嵌其中。菌膠團有助于微生物的聚集，加速污泥顆�；�過程。產(chǎn)氣微生物在代謝活動中產(chǎn)生的CO2、CH4等氣體在顆粒污泥內(nèi)部形成孔隙，這進一步促進微生物與基質(zhì)接觸、吸附和物質(zhì)交換，同時也加強了微生物間的協(xié)同作用。

　　圖6 顆粒污泥掃描電鏡

　　2.2.3 產(chǎn)甲烷活性

　　污泥的產(chǎn)甲烷活性是厭氧污泥的重要生理指標(biāo)，反映污泥的產(chǎn)甲烷潛力。在不同階段穩(wěn)定期內(nèi)，污泥比產(chǎn)甲烷活性見圖7。在第1階段，進水負荷較低，污泥處在馴化期，此時產(chǎn)甲烷活性也較低，只有14.4 mL·(g·d)−1。隨著污泥繼續(xù)馴化，進水負荷持續(xù)升高，產(chǎn)甲烷活性在第2階段達到了26.3 mL·(g·d)−1。隨著顆粒污泥的出現(xiàn)，在第3階段，產(chǎn)甲烷活性增加到41.8 mL·(g·d)−1。在第4階段和第5階段，顆粒污泥進入快速生長期，產(chǎn)甲烷活性也呈現(xiàn)對數(shù)增長。到了第5階段末期，產(chǎn)甲烷活性增加到113.7 mL·(g·d)−1。在第6階段末期，產(chǎn)甲烷活性最終穩(wěn)定在121.2 mL·(g·d)−1，相比上一階段，產(chǎn)甲烷活性變化幅度較小，說明顆粒污泥已經(jīng)進入生長的穩(wěn)定期，產(chǎn)甲烷活性已經(jīng)達到最大。

　圖7 污泥在不同階段的產(chǎn)甲烷活性

　　2.2.4 群落結(jié)構(gòu)

　　啟動實驗完成后，提取顆粒污泥樣品DNA，然后進行高通量測序，確定反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)的主要微生物類型和群落結(jié)構(gòu)。如表4所示，樣品獲得12 057條有效古菌序列以及13 896條有效細菌序列。在相似水平為97%時，樣品所含操作分類單元(OTU)數(shù)分別為47個古細菌以及251個細菌。顆粒污泥群落結(jié)構(gòu)見圖8。互營桿菌屬(Syntrophorhabdus)是苯類工業(yè)廢水生物處理系統(tǒng)中常見菌種，可以降解苯酚、BA、4-羥基苯甲酸和鄰苯二甲酸異構(gòu)體等芳香族化合物。本實驗中Syntrophorhabdus占細菌量的27.4%，這與之前研究的實驗結(jié)果相似，LI等采用上流式厭氧固定床處理模擬PTA廢水，反應(yīng)系統(tǒng)中Syntrophorhabdus占23.7%。厭氧繩菌(Anaerolinaceae)也是降解TA類化合物微生物，占細菌量7.8%，但是降解機理仍然不清楚。古細菌屬中與產(chǎn)甲烷有關(guān)的菌種主要為乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷鬢菌(Methanosaeta)和少量的氫營養(yǎng)型甲烷繩菌屬(Methanolinea)，數(shù)量分別占古細菌總量的67.3%和13.2%。而MA等在實驗中發(fā)現(xiàn)PTA廢水有助于氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌代謝生長，抑制乙酸型產(chǎn)甲烷菌。在本實驗的大部分時間內(nèi)(前5個階段)，PTA廢水含有葡萄糖，葡萄糖容易被微生物降解,生成乙酸，因此，減少了PTA廢水對乙酸型產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。

　　圖8 啟動完成后屬水平上顆粒污泥群落結(jié)構(gòu)

　　表4 樣品的測序信息及多樣性指數(shù)

　　3 結(jié)論

　　1)歷時近200 d的運行，完成了UASB反應(yīng)器在PTA廢水處理的啟動實驗。反應(yīng)器的容積負荷達到4.0 kg·(m3·d)−1以上，COD的平均去除率在80%以上。主要污染物TA和PT的出水濃度分別為55.6 mg·L−1和130.2 mg·L−1，去除率分別為97.2%和83.6%。

　　2)成熟的顆粒污泥體積平均粒徑為416.53 μm，產(chǎn)甲烷活性達到121.2 mL·(g·d)−1。顆粒污泥表面存在大量菌膠團，桿菌和絲狀菌鑲嵌其中。在顆粒污泥內(nèi)部存在孔隙促進微生物與基質(zhì)接觸、吸附和物質(zhì)交換，同時也加強了微生物間的協(xié)同作用。

　　3)在微生物類型和群落結(jié)構(gòu)的研究中，Syntrophorhabdus是降解PTA廢水中苯類污染物的重要微生物，占細菌量的27.4%，而Methanosaeta則是主要的產(chǎn)甲烷菌，占古細菌總量的67.3%。(來源：環(huán)境工程學(xué)報 作者：李俊生)