UASB反应器对印染废水中碳氮硫的协同去除研究

第３６卷第１０期２０１６年１０月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３６，Ｎｏ．１０Ｏｃｔ．，２０１６基金项目：江苏省环保科研课题项目（Ｎｏ．２０１３０１６）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．２０１３０１６）作者简介：王学华（１９６３—），男，副教授，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者）Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷＡＮＧＸｕｅｈｕａ（１９６３—），ｍａｌｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒＤＯＩ：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１６．００５９王学华，刘峰，赵军，等．２０１６．ＵＡＳＢ反应器对印染废水中碳、氮、硫的协同去除研究［Ｊ］．环境科学学报，３６（１０）：３７３６⁃３７４４ＷａｎｇＸＨ，ＬｉｕＦ，ＺｈａｏＪ，ｅｔａｌ．２０１６．Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒｉｎｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３６（１０）：３７３６⁃３７４４ＵＡＳＢ反应器对印染废水中碳、氮、硫的协同去除研究王学华１，∗，刘峰１，赵军１，李蕾２，王浩２１．苏州科技学院环境科学与工程学院，苏州２１５００９２．苏州科大环保工程有限公司，苏州２１５０１１收稿日期：２０１５⁃１２⁃０８　　　修回日期：２０１６⁃０２⁃０９　　　录用日期：２０１６⁃０２⁃０９摘要：采用“ＵＡＳＢ⁃缺氧好氧⁃混凝沉淀”组合工艺对印染废水进行中试处理研究．结果发现，ＵＡＳＢ反应器不仅可以解决印染废水可生化性低、色度高的问题，还对废水中的碳、氮、硫具有协同去除作用，优化条件下ＵＡＳＢ可将废水Ｂ／Ｃ从０．１８～０．２６提高至０．４以上，对色度、ＣＯＤ、ＴＮ、ＳＯ２－４、Ｓ２－平均去除率分别为７７．０％、３６．４％、３８．５％、７７．５％、６０．１％．同时，为了探究碳、氮、硫协同去除机理，对优化条件下的运行数据进行了分析并采用４５４高通量测序技术进行菌种鉴定．结果表明，ＵＡＳＢ反应器内存在硫酸盐还原、厌氧氨化、同步脱硫反硝化和硝化反硝化４种作用，从而造成了碳、氮、硫的同步去除．菌种鉴定未发现产甲烷菌，说明产甲烷菌受到了抑制，ＵＡＳＢ反应器很好地停留在了水解酸化阶段．进一步结合小试研究得出，硫酸盐还原是促使硝化反硝化、脱硫反硝化产生的原因，同时也促进了有机物去除．总体而言，硫酸盐还原促进了碳、氮、硫的协同去除．关键词：ＵＡＳＢ反应器；碳、氮、硫协同去除；４５４高通量测序；硫酸盐还原文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１６）１０⁃３７３６⁃０９　　　中图分类号：Ｘ７０３．１　　　文献标识码：ＡＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒｉｎｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒｂｙＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒＷＡＮＧＸｕｅｈｕａ１，∗，ＬＩＵＦｅｎｇ１，ＺＨＡＯＪｕｎ１，ＬＩＬｅｉ２，ＷＡＮＧＨａｏ２１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｕｚｈｏｕ２１５００９２．ＳｕｚｈｏｕＫｅＤａＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｕｚｈｏｕ２１５０１１Ｒｅｃｅｉｖｅｄ８Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ９Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１６；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ９Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１６Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｔｈａｓｂｅｅｎｏｂｓｅｒｖｅｄｔｈａｔＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｎｏｔｏｎｌｙｃｏｕｌｄｉｍｐｒｏｖｅｂｉｏｄｅｇｒａｄａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｍｏｖｅｃｏｌｏｒｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｂｕｔａｌｓｏｈａｄａｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒｗｈｅｎａｐｉｌｏｔｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｂｉｎｉｎｇＵＡＳＢ，ａｎｏｘｉｃ⁃ａｅｒｏｂｉｃａｎｄｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ⁃ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｔｒｅａｔｄｙｅｉｎｇｗａｓｔｅｗａｔｅｒ．ＴｈｅｉｎｄｉｃｅｏｆＢ／Ｃｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｃｏｕｌｄｂｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｆｒｏｍ０．１８～０．２６ｔｏａｂｏｖｅ０．４ａｎｄａｖｅｒａｇｅｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓｏｆｃｏｌｏｒ，ＣＯＤ，ＴＮ，ＳＯ２－４ａｎｄＳ２－ｃｏｕｌｄｒｅａｃｈｔｏ７７．０％，３６．４％，３８．５％，７７．５％ａｎｄ６０．１％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｂｙＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｕｎｄｅｒｏｐｔｉｍａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒｉｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒ，ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｂａｃｔｅｒｉａｗｅｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇ４５４ｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｗｅｒｅｆｏｕｒｒｅａｃｔｉｏｎｓｉｎＵＡＳＢ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｕｌｆａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ａｎａｅｒｏｂｉｃａｍｍｏｎｉａｔｉｏｎ，ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ＆ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ＆ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｌｅｄｔｏｔｈｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒ．Ｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｓｗｅｒｅｎｏｔｆｏｕｎｄｂｙｓｐｅｃｉｅｓｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｍｅａｎｔｔｈａｔｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｓｗａｓｉｎｈｉｂｉｔｅｄａｎｄＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒｓｔａｙｅｄｉｎｔｈｅｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓａｃｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｔａｇｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ＆ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ＆ｄｅｎｉｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｗａｓｄｕｅｔｏｓｕｌｆａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈａｌｓｏａｃｃｅｌｅｔａｔｅｄｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｏｒｇａｎｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｂｒｉｅｆｌｙ，ｓｕｌｆａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｓｙｎｅｒｇｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ；ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｒｅｍｏｖａｌｏｆｃａｒｂｏｎ，ｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｓｕｌｆｕｒ；４５４ｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ；ｓｕｌｆａｔｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）印染废水的主要污染特征为可生化性差、有机物含量高、色度深，是工业废水处理研究中被关注的重点（王振东等，２００１；吴海锁等，２０１０）．随着含氮含硫染料和化学助剂的使用，印染废水也伴随着１０期王学华等：ＵＡＳＢ反应器对印染废水中碳、氮、硫的协同去除研究氮、硫的污染，已有学者开始重视氮的去除研究（李永霞，２０１１；李超等，２０１４），而硫的去除常被忽视．印染废水中的硫主要以硫酸盐和硫化物两种形态存在，《纺织染整工业水污染物排放标准》（ＧＢ４２８７—２０１２）对硫化物的排放提出了要求，硫酸盐本身对环境没有危害，但其在一定条件下能够转化为硫化物，进而危害环境（匡欣等，１９９３；任南琪等，２００３；李丛丛，２０１４）．针对印染废水特点及其治理研究的现状，本课题前期采用了“ＵＡＳＢ（ＵｐｆｌｏｗＡｎａｅｒｏｂｉｃＳｌｕｄｇｅＢｌａｎｋｅｔ）⁃缺氧好氧⁃混凝沉淀”组合工艺，以苏州一家印染企业排放的综合性印染废水为处理对象进行中试研究，最终实现了有机物、色度、氮、硫的同步去除，并且在对调试成功的数据分析的基础上初步研究了各个反应器内的氮、硫转化去除机理．ＵＡＳＢ作为该组合工艺中的核心反应器，对实现同步去除ＣＯＤ、脱氮、除硫起到了关键作用．因此，本文在前期研究基础上，从对最佳工况条件下运行数据分析、微生物学菌种鉴定和小试３个方面，重点对ＵＡＳＢ反应器内碳、氮、硫的协同去除机理进行研究，以期为后续研究提供理论参考．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　中试概况中试在苏州某印染厂进行，该厂以印染纯棉纤维、涤纶、腈纶和棉混纺织物为主，排放的是综合性印染废水．废水ｐＨ为７．０～１０．０，水温为３０～４０℃，其它主要指标为ＣＯＤＣｒ４５２～７７５ｍｇ·Ｌ－１、ＢＯＤ５９８～１８５ｍｇ·Ｌ－１、色度４００～６００倍、ＮＨ＋４⁃Ｎ２２．５～４０．６ｍｇ·Ｌ－１、ＴＮ７０．３～１０２．３ｍｇ·Ｌ－１、ＮＯ－３⁃Ｎ１．２～１．８ｍｇ·Ｌ－１、ＴＰ０．３～０．５ｍｇ·Ｌ－１、ＳＯ２－４４４．７～８０．３ｍｇ·Ｌ－１、Ｓ２－３２．５～４１．８ｍｇ·Ｌ－１、ＳＳ２２５～４００ｍｇ·Ｌ－１，未检测出ＮＯ－２⁃Ｎ和单质硫（Ｓ０）．中试装置于２０１４年３月启动成功，然后进行参数优化得出：控制ＵＡＳＢ水力负荷０．４ｍ３·ｍ－２·ｈ－１（冬季反应器温度低于１５℃时降至０．３ｍ３·ｍ－２·ｈ－１），活性污泥Ａ反应器ＤＯ＝０．５～０．８ｍｇ·Ｌ－１，Ｂ反应器ＤＯ＝０．２ｍｇ·Ｌ－１，接触氧化反应器采用渐减曝气且气水比为１２∶１，混凝剂ＰＡＣ（１０％）和ＰＡＭ（０．１％）投加量分别为１．２ｍＬ·Ｌ－１和０．９ｍＬ·Ｌ－１，絮凝３０ｍｉｎ，实现了Ｃ、Ｎ、Ｓ的同步去除，出水指标达到并优于《纺织染整工业水污染物排放标准》（ＧＢ４２８７—２０１２）的直接排放标准，且连续半年运行表明，工艺稳定．具体工艺流程如图１所示．图１　中试系统工艺流程图Ｆｉｇ．１　Ｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｉｌｏｔ⁃ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ图２　ＵＡＳＢ反应器示意图（ａ．剖视图，ｂ．顶视图，ｃ．底视图；１．进水，２．污泥层，３．悬浮层，４．三相分离器，５．沉淀区，６．出水，７．气体）Ｆｉｇ．２　ＴｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆＵＡＳＢｒｅａｃｔｏｒ２．２　ＵＡＳＢ反应器２．２．１　中试装置　ＵＡＳＢ为目前应用广泛的高效厌氧反应器之一，优于普通水解酸化池（王学华等，２０１４）．反应器由污泥反应区、气液固三相分离器、沉淀区和气室组成，具体如图２所示．反应器规格为２ｍ×２ｍ×５ｍ（长×宽×高），均分为４个单元，有效容积１８ｍ３，三相分离器（共４个）高０．８ｍ，集气罩斜面坡度６０°，沉淀区斜面高度０．４ｍ、坡度５５°，布水区高０．８ｍ，超高０．４ｍ，设计进水流量１ｍ３，即水力负荷０．２５ｍ３·ｍ－２·ｈ－１．由提升泵抽取，从底部分两道进水，并采用环形均匀布水方式，具体如图２中底视图所示．接种污泥取自苏州某污水厂二沉池含水率８２％的剩余污泥，接种量１５ｇ·Ｌ－１．反应器先采用７３７３环　　境　　科　　学　　学　　报３６卷低负荷启动，原水经自来水稀释至ＣＯＤＣｒ为２００ｍｇ·Ｌ－１，用硫酸调节ｐＨ为７．０～８．０，以０．６ｍ３·ｈ－１连续进水，５ｄ后逐步减少自来水用量，提高进水ＣＯＤ，经过１５ｄ驯化，松散污泥转变为絮状污泥．再以原水作为进水，以正常负荷启动，并逐步提高水力负荷至设计值０．２５ｍ３·ｍ－２·ｈ－１，经过４０ｄ培养，形成了颗粒污泥，粒径为０．９～３．５ｍｍ，沉降性良好，ＭＬＶＳＳ约４８ｇ·Ｌ－１，ＶＳＳ／ＳＳ为０．５１，ＣＯＤＣｒ去除率为３５％～４１％，即反应器启动成功．