固定化细胞处理有机废水研究郑耀通

第8卷Vol.8第3期NO.3污染防治技术PollutionControlTeehnoloyg9195年9月SePt9915固定化细胞处理有机废水研究郑耀通(福建农业大学地理系,福州350002)摘要研究了以康价材料PVA为主要原朴的混合载体法固定污泥处理有机废水的关健性包理技术条件,解决了姑碍固定化细胞在皮水处理领域推广应用所面临的制备成球难、活性丧失大、发胀钻连和上浮等问题,并以l升UASB反应落启动试脸证明了污泥经包理后可防止流失,使厌瓦消化器快速启动,提高产气率、甲烷含蚤,运行过程工艺参数的稳定性。关键词聚白烯醉(PVA)UABS启动固定化条件废水生物处理在能源短缺昂贵,土地价格猛增,剩余污泥处理费用越来越高的今天,废水厌氧生物处理因其能将污染有机物转变成使用方便的沼气能,工艺能耗低,污泥生成量少等突出优点而受到关注。但因产甲烷菌增殖慢而使消化器启动时间长,运行过程欠稳定,有时因污泥流失而无法在反应器内持留高浓度的生物量而影响废水处理效果。解决污泥流失及启动时间长的有效方法是将污泥固定化川,固定化细胞处理废水更因其生物量高,处理效率高,占地面积少,产污泥量少及运行过程稳定的优点而成为当今废水处理新工艺,然而由于厌氧消化的特殊性,此工艺目前还存在着包埋颗粒易破碎,发胀、粘连上浮,活性丧失大等妨碍固定化细胞在废水处理领域大规模应用的缺陷。因此寻找优良包埋剂,确定最优化包埋条件,解决上述间题是使固定化细胞技术早日在废水处理领域得到广泛应用的基础.本文进行了PVA添加其他添加剂的混合载体包埋污泥处理高浓度有机废水研究。材料与方法污泥本校内养鱼塘污泥经人工废水培养驯化后作为包埋用污泥。废水以蔗糖为碳源配制,COD30000mg/l,pH7.0左右,根据需要稀释。固定化方法将混合载体组分溶化后拌入离心污泥,压入饱和硼酸中,室温凝固2h4。试验方法批量试验在60ml血清瓶中加入2g包埋颗粒和25ml废水(COD为20000mg/L),铝盖加封,连续运行试验在小型UASB中进行。理化指标测定COD、SS按污染源统一监测方法测定,vFA、TA分别按经典比色法、滴定法测定。气体成分用loZG气相色谱热导池测定,N:为载气,CxDl04担体,外标法定量。(收稿日期1995一04一27)郑熠通讲师硕士在国内多篇论文发表一132一郑耀通固定化细胞处理有机废水研究2结果与分析通透性和固定化细胞活性,还可同510:形成CaO、510:胶进一步提高颗粒在运行过程中的稳定性L`]。在添加海藻酸钠、5102的基础上添加CaCO3试验结果以添加0.5%CaCO:对产CH`作用最好,同时颗粒物理性能也提高。载体中的CaCO:还可作为pH缓冲剂防止在有机物降解过程中因酸积累导致pH下降并使产甲烷菌增殖受到抑制。pH上升,包埋颗粒的扩散系数也提高,有利于基质的通透川。.0.0..0.00.0ǎ娜眯加\10已已),忿O汇麟彩.21PVA包埋基本条件确定PvA因其无毒、抗微生物分解、强度高价格低等优点而广泛用作微生物包埋剂川.影响PvA包埋的因素主要有浓度、污泥含量和凝固时间。试验发现PVA在?.5%~10%时较易制备,5%、9%~10%PVA包埋后产CH;低而6肠~8%产CH.活性高,包埋强度随PvA增加而提高。以制备难易、包埋强度和活性综合考虑取PVAS%为宜.对污泥量而言,20%包埋后产CH。最高,但考虑到成本及连续运行细胞会增殖,且污泥浓度过高制备困难易破碎等原因。另外Tarmpealr]报导,细胞浓度提高颗粒的含水量就降低,营养基质及气体扩散效率就会变差。因此取污泥量巧肠为宜。凝固时间主要影响强度,以省时和强度考虑,凝固时间24小时为好。.22PvA混合载体组成确定2.2.1改善成球性能与防止颗粒间相互粘连球状颗粒具有与废水底物接触面积大,承受内外压力大及不易因碰撞而破碎等优点。然而PVA凝胶存在着难以制成球状颗粒或成球难以控制的缺点.据报导PvA中加入多糖可改善成球性能[’l。试验发现加入少量海藻酸钠(这时凝固液硼酸中加入2%caCI:)不仅使成球容易和减少粘连,而且也提高活性,但过高海藻酸钠加入对产CH.有影响。.2.22提高包埋颗粒机械强度和传质性能.2.2.21添加510:粉末有机污染物厌氧降解要产生大量的CH;、CO:等气体,这首先要求包埋颗粒要有足够的强度以承受气体产生的压力。硅胶因具高表面积和多孔性而广泛用作微生物包埋剂及添加剂151。添加510:粉末结果表明加入4肠510:可使比重由对照的1.029/em3升到1.0529/cm:,同时也使强度、活性提高,添加510:对产CH;作用见图1,由图可知随510:量的增加其活性增加不出现正相关性,而且制备也变得困难。加入6%510:已不易制备,颗粒表面易裂开而使部分污泥泄漏,因此一般控制510:,添加量少于6%。2·.22,2添加CaCO,PVA加入CaCO:可提高时间(d)图1添加510:粉末对产CH。作用1一添加2%510:2一添加4%510:3一添加6%510:4一空白对照2.2.3提高包埋颗粒的比重包埋颗粒致密的网格结构及污泥密实的特点都影响其内哉产生的CH;、CO:等气体快速有效地逸出,颗粒会因此而发胀和带气上浮,从而导致颗粒间相互挤压,减少固定化颗粒同废水接触的表面积,床层空隙率及颗粒比表面积,进而影响废水处理效果,甚至使消化器运动失败。对此主要通过改善包埋颗粒的通透性和比重来解决。Fe是一种比重较大而对厌氧消化污泥基本无毒性的物质,预先添加废Fe粉来提高包埋颗粒的比重。在添加5102、CaCO:等基础上添加2%Fe粉结果可使颗粒比重从对照1.0959/em,升高到1.219/em,。添加Fe粉包埋后对产CH`的影响见图2,由图可知适量的Fe粉加入在增加颖粒比重的同时也使活性提高,但随Fe含量的提高,产CH;并不提高而且强度降低,制备变得困难,一般控制Fe粉添加量少于3肠.一133一郑摧通固定化细胞处理有机废水研究2.3混合载体组分最佳配比关系以上试验由于因素较多,为便于研究,是以前者为条件来确定后者的最适添加量,为更科学地了解答添加剂间相互作用效果,得出最佳配比关系,进行正交试验,因子水平如表l。:饱和硼酸pH4.。对厌氧细菌有毒性作用,而且pH也影响凝胶,为减少活性丧失尽可能在中性pH固定化〔.]。分别用Na0H、Na:C03、K:CO:调节硼酸pH,观察到pH升高后凝胶强度提高,其中以NaOH调节pH到6.7效果最好.包埋后产CH;明显提高,这除了中性pH对细胞较适宜外,也由于pH升高后所形成凝胶通透性提高之故。2.4.2包埋颗粒粒径大小以粒径分别为2.0、3.0、4.0、5.0mm颗粒比较试验见图4,由此可见,粒径大小对颗粒产CH;影响很大,也影响颗粒的物理性能,这是因为粒径直接影响颗粒通透性、含水量和传质阻力。Changa[]认为基质及气体在颗粒中扩散是有限度的,约为50~200产m,粒径越大含水性也越差,扩散系数也就越低,内部产生的沼气越无法有效地逸出。因此在制备条件允许的情况下,粒径越小越好,也越有利于防止颗粒发胀、上浮等缺陷。2.魂!0gn爪ù7幽bl勺4.0L.0.0..00.0ǎ侧睡.\10`任à呼口O忙彩喊图2添加Fe粉后包埋对产CH;的影响1一添加2%FeZ一添加4写Fe3一添加6%住4一不加Fe粉对照表1添加剂正交试验因子水平82596L3LL在..00ǎ翻麟.\i昌日)啼沈O化碟膝因子PVA510:eF粉CaCO:海藻酸钠水平(%)(%)(%)(%)(%)0。20.31040。100。150.20412540.70.252345678910时间(d)图4粒径大小对产cH。影响根据正交试验表,共有16个处理,得到正交试验结果(图3)。/,/、、\f价几.fl),日以`,珍长E匕因r京甲图3正交试验结果根据正交试验结果,参考其他因素得到PvA包埋最优化条件(表2)。.24其他因素对包埋效果的影响2.4.1凝胶液饱和硼酸pH一134一1.粒径2xZKZmm2.拉径3x3x3mm3.4X4只4mm4.SXSX5mm2.5最佳条件下固定的颗粒特性试验结果表明污泥经包埋后明显增加了对进水浓度、有机负荷、pH的抗冲击能力,对氧气、nzSO`、苯酚等毒性抗性也大大提高,而且显示出在高浓度高负荷下固定化污泥具更大的优越性,这给固定化反应器在高浓度、高负荷下启动创造了条件。2.`连续运行启动试验在两个1升UASB反应器中分别装入2509包埋颗粒和游离污泥,预适应3天后改为连续进出水,根据启动特点将整个启动期分为三个阶段,0505甲州,ó毛.二、1ó教艺妙10已`)云ót形肠郑耀通固定化细胞处理有机废水研究表2PvA混合载体法最佳包埋条件(%)以产cH。考虑制备难易综合考虑832050.151043量量~VV适适6项目PVA5102FeCaCO3海藻酸钠强度指标越高越好3~4越少越好0。5~0.70.15~0.2.0.02.6.1厌氧微生物活化增殖期固定化微生物经14天的动态增殖期,进水COD在20000mg/L左右,HRT一4sh,有关参数如图5所示。降解速率及稳定性,防止颗粒的磨损都大有好处.图6是游离污泥经23天活化增殖参数变化图,进水在8575~一o851mg/L间波动,出水COD在1481~4519mg/L间波动,其TA/VFA少于固定化污泥反应器,系统缓冲能力较差,出水悬浮物较多,已有污泥流失。工dē次à铃菠报已U01`JO认.7.6.670908060,沁40啊叫.叫训州!叫叫州ō耐叫`明ǎ闷\.`)口V卜产V洛二二8一广6ùJ州当800柳600000800400200ǎ、一、“`)V丢卜.斌卜25000200001500U10000进水浓度à爷纷一勺勺0日0,`暇.扮1去除率5。。。匕出水浓度ǎ、一、比已)二产)切(、一\灿日)00口20222426竺H30日期(d)图5固定化污泥反应器在增殖期间有关参数变化图从图中可以看出,在近半月的固定化微生物增殖期间,进水COD在17450~2169mg/1间波动,出水COD从10821mg/L降到2936mg/L,COD去除率从38.6%上升到86.5纬,在进水过程中控制pH6.8~7.0,出水pH则从6.0升到7.1,挥发酸(VFA)从1185.gmg/L降到423.8mg压,总碱度(TA)从lio7.smgL/升到2956一mg/L,说明产酸菌降解有机物所积累的有机酸很快被产氢、产乙酸及产甲烷菌所利用,微生物本身得到增殖,反应床内已形成了酸化、甲烷化良好的协调系统。在活性增殖后期,取固定化微生物进行镜检,发现颖粒表面生长了一层灰色的生物膜,厚度大约在10~15拌m,并且在荧光显微镜下见到众多的发荧光的产甲烷菌,说明混合载体包埋法在较短的时间内就可使产甲烷菌得到增殖并在高负荷下运转。生物膜的形成,无疑对提高单位载体生物量,基质111316图6游离污泥反应器在活化期有关参数变化图1.出水TA2.出水pH3.进水pH4.出水VFA5.COD去除率6.进水COD浓度7.出水COD浓度2.`.2进水浓度变化期固定化反应器,进水c0D控制在12000~21700mg/L,进水量大约为ILd/,水力负荷为1.0m3/m3·d。而游离污泥反应器,进水COD控制在6950一150。。mg/L,HRT同固定化细胞反应器,测定出水VFA、TA及去除率如图7、图8。图7说明了进水COD浓度的变化,引起VFA在344.2~632.4mg/L间波动,TA在2653~2314mg/L间波动.尽管进水浓度变化较大,控制HRT24h,其COD去除率均超过83%,这是因为床内厌氧细菌得到进一步增殖,有效地控制了生物体之流失,从颗粒表面到内部具有数量大种群全且一135一郑耀通固定化细胞处理有机废水研究适应性强的反应系统,从其微生物组成看有球菌、杆菌,同时还发展有大量产甲烷丝菌交织在一起,借助于荧光显微镜,420nm呈现较强的荧光,说明产甲烷菌得到进一步的增殖。整个微生物体系对水质的变化具有高度的稳定性,这在批量试验中已观察到,占据载体网