UASB反应器处理PTA废水的启动及污泥特性分析李俊生

第12卷第9期2018年9月环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringVol.12,No.9Sep.2018水污染防治DOI10.12030/j.cjee.201803073中图分类号X703文献标识码A李俊生,谭冲,夏至,等.UASB反应器处理PTA废水的启动及污泥特性分析[J].环境工程学报,2018,12(9):2512-2520.LIJunsheng,TANChong,XIAZhi,etal.Analysisonsludgecharacteristicsandstart-upofUASBtreatingPTAwastewater[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2018,12(9):2512-2520.UASB反应器处理PTA废水的启动及污泥特性分析李俊生1，谭冲2，夏至1，王雪微2，皮艳霞2，左金龙1,*，李相昆31.哈尔滨商业大学食品工程学院，哈尔滨1500762.哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心，哈尔滨1500763.哈尔滨工业大学环境学院，哈尔滨150090第一作者：李俊生（1973—），男，硕士，副教授，研究方向：水污染控制。E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]摘要采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，以精对苯二甲酸（PTA）废水为处理对象，研究了中温条件下反应器的启动、颗粒污泥的形态和产甲烷活性及微生物群落结构。实验结果表明：采用逐渐提高进水负荷和减少水力停留时间的运行方法，历时近200d，可实现UASB反应器的启动。此时，反应器对COD的去除率保持在80%以上，对应的容积负荷也达到4.0kg
（m3
d）-1以上。反应器内污泥实现颗粒化，颗粒污泥的体积平均粒径为416.53μm，产甲烷活性为121.2mL
（g
d）-1（以VSS计）。颗粒污泥表面存在大量菌胶团，杆菌和丝状菌镶嵌其中。菌胶团有助于微生物的聚集，加速污泥颗粒化过程。Syntrophorhabdus是降解PTA废水中苯类污染物的重要微生物，占细菌量的27.4%，而Methanosaeta则是主要的产甲烷菌，占古细菌总量的67.3%。该研究可为UASB处理PTA废水的启动提供依据。关键词精对苯二甲酸（PTA）废水；上流式厌氧污泥床（UASB）反应器；启动；污泥特性精对苯二甲酸（PTA）通常被用在薄膜、增塑剂和聚酯类材料等的生产中，是我国重要的有机原材料[1-2]。随着我国PTA产业规模不断扩大，PTA废水的排放量越来越多，由于PTA废水主要污染物为芳香类化合物（对苯二甲酸（TA）、甲基苯甲酸（PT）和苯甲酸（BA）等），一旦进入环境，将会造成严重污染。此外，如果该废水得不到切实有效处理，必将成为各个企业的发展“瓶颈”。因此，关于PTA废水的处理研究受到越来越多的关注。PTA废水具有有机浓度高，水质组成复杂、可生化性差、具有一定毒性等特点[3-4]，这也是研究的难点。由于厌氧生物技术具有承受高有机负荷、剩余污泥产量少、能源回收率高等优点，是目前处理PTA废水的研究热点[5-6]。目前主要的厌氧工艺包括上流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧生物滤池（AF）及厌氧内循环反应器（IC）等[7-9]。JOUNG等[10]采用AF反应器处理PTA废水，实现了连续15个月的稳定运行，COD去除率均达到85%以上。KLEEREBEZEM等[11]在利用UASB降解PTA废水实验中也取得了良好的COD去除效果，并且发现，废水中BA容易被厌氧菌降解掉，而TA、PT则难于降解，BA对TA、PT的降解存在抑制作用，而且与进水有机负荷有关。此外，也有研究人员将生物膜技术与IC反应器结合起来降解PTA废水，缩短反应器启动时间，经过稳定运行后，COD去除率可达到80%[12]。然而，目前在PTA废水生物处理的研究中主要集中于反应器的运行效果和目标污染物的收稿日期:2018-03-09；录用日期:2018-06-18基金项目:黑龙江省自然科学基金资助项目（C2017037）第9期李俊生等:UASB反应器处理PTA废水的启动及污泥特性分析2513降解机理[10-12]，关于污泥形态和微生物群落结构的报道[13]较少。而掌握这些内容又可以在微生物水平上掌握反应器的运行状况。因此，全面掌握系统运行效能与污泥形态和微生物群落结构的响应关系，对PTA废水处理具有重要意义。本实验采用UASB反应器处理PTA废水，培养厌氧颗粒污泥，研究废水处理效果、颗粒污泥的形态及其产甲烷活性及群落结构，为PTA废水处理应用提供参考。1实验部分1.1实验装置图1实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentaldevice实验装置见图1，UASB反应器材质为有机玻璃，整体高度60cm，其中反应区高度35cm，内径6cm，有效容积约1L。内径外侧为可温控水套，温度控制为35℃。反应器外壁自下而上设置6个取样口，取样口的内径是10mm。反应区上部设置回流管，回流液可经过循环泵重新进入反应器。进水由蠕动泵从反应器底部进入。1.2PTA废水及接种污泥实际PTA废水成分主要为TA、PT、BA，和少量的邻苯二甲酸和间苯二甲酸等[14]，以及其他促进微生物生长代谢的微量元素，见表1。根据上述芳香类化合物在实际废水中的比例，本实验模拟废水以上述芳香类化合物为碳源，调节废水COD为5000mg
L-1。PTA废水进入反应器之前通过调节NaOH和HCl将pH控制在7.5左右。模拟废水成分见表1。接种污泥来自于哈尔滨市太平污水处理厂A2/O工艺中的厌氧段。取样时厌氧段污泥为黑色絮状厌氧污泥，混合液悬浮固体浓度（MLSS）为8900mg
L-1，混合液挥发性固体浓度（MLVSS）为6500mg
L-1，对应的MLVSS/MLSS为0.73。接种污泥在进入反应器前静沉0.5h，去除上清液。最终污泥接种量占反应器有效容积的60%。表1废水各组分浓度Table1Concentrationofeachcomponentofwastewater成分浓度/（mg
L-1）成分浓度/（mg
L-1）TA2000CaCl2
2H2O50PT800EDTA5.0BA500FeSO4
7H2O5.0邻苯二甲酸200MnCl2
4H2O0.5间苯二甲酸180CoCl2
6H2O0.2尿素180H3BO41.0KH2PO474ZnCl21.0NaHCO31500CuSO4
5H2O0.1MgSO4200KI0.11.3实验方法由于低负荷启动可减少反应器的污泥损失，降低抑制性物质的积累，因此本实验采用低负荷启动。在反应器启动过程中，采用逐渐提高进水负荷和减少HRT的运行方法进行。为快速提高接种污泥活性，第1阶段用葡萄糖代替模拟PTA废水作为碳源[15]。随后往葡萄糖配水中逐渐加入PTA废水提高配水COD值，直至成分完全为PTA废水。启动过程按照PTA废水的比例分为6个阶段，见表2。在反应器进入下一个阶段之前，出水各项指标值达到稳定。在启动初期，通过内回流将进水流速提高至0.5m
h-1，增加进水和底部污泥充分接触，去除系统中细小和老化污泥[16]。当系统内产气量逐渐增多，可实现液体在反应器内部扰动，优化混合效果，此时逐渐减小回流量。2514环境工程学报第12卷表2UASB反应器运行参数Table2OperationalparametersofUASB运行阶段时间/HRT/进水COD/葡萄糖贡献PTA废水贡献进水负荷/dh（mg
L-1）COD/（mg
L-1）COD/（mg
L-1）（kg
（m3
d）-1）第1阶段1~36482000200001.0第2阶段37~66363000200010002.0第3阶段67~98364000200020002.7第4阶段99~132245000200030003.3第5阶段133~168245000100040005.0第6阶段169~201245000050005.01.4测试项目和方法常规分析参考《水和废水监测分析方法》，其中COD采用重铬酸钾法，碱度采用酸碱滴定法，VSS和SS采用重量法[17]。pH用WTWTerminal740测定仪测定。颗粒污泥沉降速率采用重量沉降法[18]。厌氧颗粒污泥粒径采用激光衍射粒度仪（Mastersizer2000,MalverninstrumentsLtd.,UK）测定。厌氧颗粒污泥的产甲烷活性采用史氏发酵法[19]。TA、PT和BA等PTA废水组分采用高效液相色谱法。挥发性脂肪酸（VFA）和甲烷含量采用气象色谱法。厌氧颗粒污泥的形态采用电子扫描电镜（SEM;JSM-5610LV,JEOL,Japan）观察。颗粒污泥的群落结构采用454高通量测序技术。2结果与讨论2.1UASB反应器的启动2.1.1污染物的去除图2不同阶段内COD、容积负荷的变化Fig.2VariationsofCODandvolumetricloadingratesindifferentperiods不同阶段内COD、容积负荷的变化见图2。在第1阶段前1周，反应器污泥流失现象严重，此时出水的悬浮物较高，水质变化也较大。原因是接种污泥中的老化污泥受到进水的冲刷，随出水排出反应系统。之后，随着出水悬浮物的减少，出水COD浓度也随之降低。在第19天，出水COD浓度降到了400mg
L-1以下，去除率达到了80%以上，此时反应系统对应的容积负荷在0.8kg
（m3
d）-1以上。反应器在此后的运行中，出水COD浓度逐渐降低，最终稳定在200mg
L-1左右，对应的COD去除率在89%左右。接着反应器进入第2阶段，通过向进水中加入PTA废水，将进水中COD浓度提高至3000mg
L-1，并将HRT缩短至36h，对应进水负荷为2.0kg
（m3
d）-1。此时出水COD浓度上升到1200mg
L-1左右，说明系统抗负荷能力较弱。出水COD在波动一小段时间后逐渐降低，最终稳定在760mg
L-1，此时对应的容积负荷提高到1.5kg
（m3
d）-1。在第3阶段和第4阶段，继续增加进水PTA废水含量和缩短HRT，此时进水COD浓度达到最大设计值5000mg
L-1。在这2个阶段，尽管进水负荷逐渐提高，但是进水中含有容易微生物降解的底物（葡萄糖），因此，出水水质在10d左右达到稳定，最终对应的容积负荷也达到4.0kg
（m3
d）-1以上。在第5阶段和第6阶段，保持进水容积负荷不变，逐渐降低葡萄糖浓度，同时提高PTA废水浓度。在第5阶段初期，出水COD仍出现较大波动，而在第6阶段初期，尽管进水全部为PTA废水，但是出水COD并未出现较大波动，COD去除率均保持在80%以上，说明反应器启动成功，系统具有一定的抗负荷冲击能力，此时系统的容积负荷仍然在4.0kg
（m3
d）-1以上。经过6个阶段（201d）的运行，系统内黑色絮状的厌第9期李俊生等:UASB反应器处理PTA废水的启动及污泥特性分析2515氧污泥成功培养成黑色椭圆形球状颗粒污泥，并具有明显光泽（见图3）。此时颗粒污泥的沉降速率和VSS/TSS分别为65.7m
h-1和0.75。图3驯化后颗粒污泥形态Fig.3Microbialmorphologyingranularsludgeafteracclimation图4不同阶段内目标污染物的去除效果Fig.4Removalefficienciesofpollutantsindifferentperiods图5不同时间内出水pH、VFA和碱度的变化Fig.5pH,VFAandalkalinitychangesofeffluentatdifferenttime反应器启动完成后，废水中的主要的污染物为TA和PT，不同阶段内目标污染物的去除效果见图4。经过UASB反应器处理后，两者浓度均有大大降低，TA和PT出水浓度分别为55.6mg
L-1和130.2mg
L-1，去除率分别为97.2%和83