EGSB处理中药废水过程中厌氧颗粒污泥特性变化宿程远

2014年9月CIESCJournalSeptember2014第65卷第9期化工学报Vol.65No.9EGSB处理中药废水过程中厌氧颗粒污泥特性变化宿程远1,2，刘兴哲1，王恺尧1，李伟光1（1哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；2广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004）摘要：通过分析厌氧颗粒污泥粒径分布、机械强度、二价金属含量、胞外聚合物含量等，探讨了EGSB反应器处理中药废水过程中颗粒污泥特性变化。结果表明，在中药废水COD浓度为2000～5000mg·L−1、HRT为12h、T为30℃的条件下，颗粒污泥粒径分布在500～1000μm之间，完整系数（integritycoefficient，IC）小于20，颗粒污泥EPS总量、蛋白含量、多糖含量分别为85.59、63.67和21.92mg·(gVSS)−1，此时颗粒污泥絮凝性良好，机械强度高。当HRT减少为6h时，IC为30.03，蛋白与多糖的比值增大到6.86，但多糖含量仅为18.11mg·(gVSS)−1；而当T降低为20℃时，颗粒污泥粒径分布在250～750μm之间，IC增大到32.11，Ca2+、Mg2+、Mn2+含量减少为20.78、4.79和0.94mg·L−1，颗粒污泥EPS显著降低，其总量、蛋白含量、多糖含量仅为69.04、58.87和10.17mg·(gVSS)−1，在此运行条件下，出现了颗粒污泥的解体、流失，同时出水水质变差。关键词：废水；厌氧；EGSB反应器；颗粒污泥；粒径分布；胞外聚合物DOI：10.3969/j.issn.0438-1157.2014.09.046中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：0438—1157（2014）09—3647—07CharacteristicsofanaerobicgranularsludgeinEGSBreactortreatingtraditionalChinesemedicinewastewaterSUChengyuan1,2,LIUXingzhe1,WANGKaiyao1,LIWeiguang1（1SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,Heilongjiang,China;2SchoolofEnvironmentandResources,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,Guangxi,China）Abstract:ThecharacteristicsofgranularsludgeintheEGSBreactortreatingTCMwastewaterwereanalyzedintermsofparticlesizedistribution(PSD),integritycoefficient(IC),metalcontentandextracellularpolymericsubstances(EPS)ofgranularsludge.WhenCODconcentrationwas2000—5000mg·L−1,hydraulicresidencetime(HRT)was12h,temperaturewas30℃,thepeakofPSDwasintherangeof500—1000μm,ICvaluewaslessthan20,andthecontentsoftotalEPS,protein,polysaccharideingranularsludgewere85.59,63.67and21.92mg·(gVSS)−1,respectively.Atthisstage,flocculationofgranularsludgewasgood,anditsmechanicalstrengthwashigh.WhenHRTwasreducedto6h,ICvalueincreasedto30.03,andtheratioofproteinandpolysaccharideincreasedto6.86.However，theconcentrationofpolysaccharideingranularsludgedecreasedto18.11mg·(gVSS)−1.Whentemperaturedecreasedto20℃,thepeakofPSDwasintherangeof250—750μmandICvaluewas32.11.TheconcentrationsofCa2+,Mg2+andMn2+wereonly20.78,4.79and0.94mg·L−1,respectively.Atthesametime,thecontentsoftotalEPS,protein,polysaccharideingranularsludgewere69.04,58.87and10.172013-12-26收到初稿，2014-02-19收到修改稿。联系人：李伟光。第一作者：宿程远（1981—），男，博士研究生，讲师。基金项目：国家科技重大专项项目（2012ZX07205-002）；广西自然科学基金项目。Receiveddate:2013-12-26.Correspondingauthor:Prof.LIWeiguang,[e-mail]:supportedbytheNationalScienceandTechnologyMajorProjectofChina(2012ZX07205-002).化工学报第65卷·3648·mg·(gVSS)−1,respectively.Duringthisperiod,granularsludgewaswashedoutfromtheEGSBreactorandCODremovalefficiencydecreased.Keywords:wastewater;anaerobic;EGSBreactor;granularsludge;particlesizedistribution;extracellularpolymericsubstances引言中药废水属于浓度高、成分复杂且含有一定毒性物质的有机废水，其处理难度较大；而随着《中药类制药工业水污染物排放标准》（GB21906—2008）的颁布实施，对中药废水的排放提出了更为严格的要求。如何高效地处理中药废水，成为当前亟待解决的问题之一。EGSB反应器作为第三代厌氧生物反应器，由于反应器中的颗粒污泥床处于膨化状态，传质效果更佳，可处理较高浓度的有机废水[1]；更为重要的是，在处理含有毒物质有机废水时，EGSB反应器由于采用较大的出水循环比对原水中毒性物质有一定的稀释作用，因此具有其他厌氧反应器所不可比拟的优势[2-3]。而在实际的应用过程中，厌氧颗粒污泥的形态、强度与特性影响着厌氧反应器的处理效率、体系活性及系统稳定性[4-5]。大部分厌氧污泥在厌氧反应器内以颗粒污泥存在，颗粒污泥的形成可使反应器内保持较高的污泥浓度，而污泥的絮凝性越好，越有利于颗粒污泥的形成，并使其保持良好的机械强度[6]；同时，由于污泥表面一般带负电荷，二价阳离子在污泥絮凝中的作用尤为重要，因此有必要对二价阳离子在污泥絮体中的作用进行探讨。另外，胞外聚合物（EPS）对污泥絮凝性能影响很大，但迄今为止，对EPS的确切作用仍不十分清楚，特别是对于厌氧颗粒污泥而言[7]。因此本文从厌氧颗粒污泥粒径分布、机械强度、二价金属含量、胞外聚合物含量等角度入手，探讨了EGSB反应器处理中药废水过程中颗粒污泥特性的变化，以丰富对现有厌氧颗粒污泥絮凝机制的理解，对指导EGSB处理工艺的生产应用具有一定理论意义和实际价值。1材料与方法1.1试验用水与接种污泥试验用水取自哈尔滨某中药厂调节池，其水质情况见表1。由表1可知，该厂中药废水中有机物与悬浮物含量高，pH呈弱酸性，氮含量较高而磷较低，同时色度高。表1废水水质情况Table1QualityofwastewaterinexperimentParameterValueCOD/mg·L−14000—6000SS/mg·L−1550pH5.48NH3-N/mg·L−157.54TN/mg·L−188.78TP/mg·L−11.43chrominance/times200—300对该废水进行了傅里叶红外光谱与三维荧光光谱分析，如图1所示。由图1可知，3500～3300cm−1为NH吸收峰；在1200～1400cm−1出现小峰，900～1000cm−1出现中强峰，由此判定为羧酸二聚体；环内碳间伸缩振动在1600～1566cm−1出现特征吸收峰，1500～1400cm−1出现芳香族化合物所对应的吸收峰[8-9]。因此，该废水中含有羧酸及一些芳香族化合物，污染物种类较多，成分复杂。由三维荧光光谱可知，其主要的吸收峰有：峰Ⅰ（Ex/Em=220nm/300nm），与简单芳香蛋白有关；峰Ⅱ（Ex/Em=280/300nm），该处的峰为类蛋白类峰，可能为芳香族氨基酸及色氨酸[9]，表明该废水中含有大量的芳香蛋白与类蛋白物质。试验过程中在该废水中加入一定量的NaHCO3，将进水pH控制在7.0～7.5，为反应器提供一定的缓冲能力；并且加入适量的微量元素，以保障反应器内的微生物更好地生长。试验接种污泥取自本实验室EGSB反应器处理葡萄糖配水启动完成后的厌氧颗粒污泥，污泥浓度为35000mg·L−1左右，VSS/SS为0.77，沉降性能良好，污泥按反应器有效容积的1/2进行投加。1.2试验装置EGSB反应器由有机玻璃加工而成，总高度1020mm，其中反应区有效体积2.5L，内径70mm；反应器外部设有电热丝自动温控装置，实现反应器内部温度的控制；反应器产生的气体经三相分离器分离之后，由集气孔经NaOH溶液吸收之后流入到湿式气体流量计，进行产气量测定。第9期宿程远等：EGSB处理中药废水过程中厌氧颗粒污泥特性变化·3649·1.3分析方法COD采用快速消解法进行测定。颗粒污泥粒径分布采用马尔文激光粒度仪进行分析，型号为MalvernMS2000，检测范围为0.02～2000μm，数据用计算机软件处理。厌氧颗粒污泥的机械强度采用颗粒污泥在摇床中振荡之后的完整系数来表示[10]。颗粒污泥中的金属离子含量采用电感耦合等离子体发射光谱（ICPAES）进行测定，测定前需对污泥进行消解：取EGSB反应器中一定量泥样在105℃烘箱中烘干后，准确称取0.2g样品，置于预先清洗好的消解罐中，同时在另一消解罐中做空白样，各加入一定体积的浓硝酸、浓盐酸及高氯酸进行消解；消解完成后，静置，用中速定量滤纸过滤，收集滤液于50ml容量瓶中，用高纯水稀释至刻度线，而后测定其中Ca2+、Mg2+、Mn2+的含量[11]。厌氧颗粒污泥的EPS采用热提法进行提取[12]，其主要成分以多糖与蛋白质进行表征，多糖含量采用苯酚-硫酸比色法测定[13]，蛋白质含量采用福林-酚试剂法测定[14]。2结果与讨论2.1不同运行条件下EGSB对中药废水的处理效能考察了HRT为12h，T为30℃时，进水COD浓度对EGSB处理效果的影响，结果如图2所示。如图2所示，进水COD由2000mg·L−1逐渐提升到5000mg·L−1时，其出水COD多数仍可维持在300mg·L−1以内，平均去除率达94.2%。表明EGSB反应器处理中药废水时具有良好的抗冲击负荷能力。图2不同有机物浓度对COD去除的影响Fig.2VariationofCODremovalrateindifferentconcentrationoforganicmatter图3不同停留时间对COD去除的影响Fig.3VariationofCODremovalrateindifferentHRT在进水COD≈5000mg·L−1时，考察了HRT对反应器处理效能的影响。HRT先由12