兩段式生物法降低工業(yè)廢水中高硫酸鹽的試驗(yàn)研究

龍寶玉，繆幸福，黃 華，王少波

(上海環(huán)保工程成套有限公司，上海 200070)

硫酸鹽有機(jī)廢水主要來(lái)自食品、醫(yī)藥、精細(xì)化工、電鍍以及部分石化行業(yè)，部分企業(yè)出于節(jié)能減排的目的，使用偏堿性吸收液/好氧出水，采用濕法噴淋煙道氣中的廢氣，在實(shí)現(xiàn)煙道廢氣滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，產(chǎn)生了大量待處理的高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水[1-2]。高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水對(duì)生態(tài)環(huán)境以及周邊生物均會(huì)產(chǎn)生極大的不利影響[3-5]，故近年來(lái)關(guān)于高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水處理技術(shù)的研究也越來(lái)越多[6-8]。常用的硫酸鹽工業(yè)廢水處理方法主要有化學(xué)沉淀法、物理吸附法、膜分離法和生物法[9]。其中，生物法由于具有硫酸鹽去除率高、二次污染少、投資成本低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，備受關(guān)注并具有廣闊的應(yīng)用前景。但是生物法的中間產(chǎn)物硫化氫(H2S)氣體對(duì)生物生長(zhǎng)具有抑制作用[10]，因此有學(xué)者考慮通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)控制H2S的毒性程度，同時(shí)亦可平衡硫酸鹽還原菌(SRB)與產(chǎn)甲烷菌(MPB)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[11-13]。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)工藝流程

本試驗(yàn)裝置如圖1所示，其工藝流程為：厭氧、兼氧兩個(gè)反應(yīng)器均制作成夾套型，夾套內(nèi)由恒溫水確保反應(yīng)器的溫度，溫度恒定在(35±1)℃；廢水經(jīng)厭氧供料泵(軟管泵)由底部進(jìn)入U(xiǎn)ASB厭氧反應(yīng)器，UASB厭氧反應(yīng)器有效容積為15 L，自上到下分別為三相分離器、懸浮區(qū)和污泥床區(qū)；經(jīng)UASB厭氧反應(yīng)器處理后，在反應(yīng)器頂部溢流出水流入沉淀槽內(nèi)，產(chǎn)氣經(jīng)水封瓶脫硫后排空，UASB厭氧反應(yīng)器內(nèi)液體自懸浮區(qū)，由厭氧循環(huán)泵泵入反應(yīng)器底部，從而形成UASB厭氧反應(yīng)器的外循環(huán)；兼氧供料泵將厭氧出水泵入自制的兼氧反應(yīng)器，自制的兼氧反應(yīng)器有效容積為20 L，具有反應(yīng)區(qū)和氣液分離區(qū)，其工作機(jī)理為在兼氧生化反應(yīng)的同時(shí)，具備氣液分離的功能，即可實(shí)現(xiàn)生化反應(yīng)的液體和空氣分離的目的；分離后的液體用于兼氧反應(yīng)器的液體回流、測(cè)量柜內(nèi)的液體取樣以及出水槽的液體外排，測(cè)量柜內(nèi)安裝有氧化還原電位和pH值的檢測(cè)儀表，兼氧循環(huán)泵的出水可流入出水槽，以便固液分離設(shè)備進(jìn)一步脫水。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of the experiment device1.原料槽;2.厭氧供料泵;3.UASB厭氧反應(yīng)器;4.水封瓶;5.厭氧循環(huán)泵;6.沉淀槽;7.兼氧供料泵;8.空壓機(jī);9.自制兼氧反應(yīng)器;10.脫氣區(qū);11.兼氧循環(huán)泵;12.測(cè)量柜;13.出水槽

1. 2 接種污泥及處理廢水

本試驗(yàn)厭氧接種污泥取自山東省某大型造紙廠運(yùn)行的IC厭氧反應(yīng)器的顆粒污泥，接種污泥濃度為10.8 g/L，MLVSS/MLSS為0.70。兼氧接種菌種則取自該廠兼氧反應(yīng)器中部懸浮液體，液體中固含量為10 g/L，pH值為8.3，堿度為0.6 mol/L。接種菌種均在常溫條件下保存。

1. 3 分析項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與分析

2. 1 進(jìn)水參數(shù)的確定

2.2 UASB厭氧反應(yīng)器對(duì)廢水中COD和S的去除率

圖2 UASB厭氧反應(yīng)器對(duì)廢水中COD和S的去除率Fig.2 Removal efficiency of COD and S during the UASB operation

2. 3 UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷

UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷可通過(guò)控制厭氧供料泵的供料量以及測(cè)量UASB厭氧反應(yīng)器出水中VFA的含量來(lái)進(jìn)行判斷[16]。當(dāng)UASB厭氧反應(yīng)器出水中VFA的含量高于5 meq/L時(shí)，可通過(guò)降低厭氧供料泵的供料量，從而降低UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷；當(dāng)UASB厭氧反應(yīng)器出水中VFA的含量低于5 meq/L時(shí)，可通過(guò)提高厭氧供料泵的供料量，從而提高UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷。圖3為UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷與VFA含量之間的關(guān)系。

圖3 UASB厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷與VFA含量之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between VLR loading and VFA during the UASB operation

由圖3可見(jiàn)，對(duì)于處理此類廢水，UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷可達(dá)9.5 kgCOD/(m3·d)。當(dāng)UASB厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷為9.5 kgCOD/(m3·d)時(shí)，通過(guò)稱重法測(cè)定，此時(shí)該反應(yīng)器內(nèi)污泥TSS含量為6 767.86 mg/L，VSS含量為4 362.5 mg/L，故污泥負(fù)荷為1.404 kgCOD/(kgTSS·d)，或達(dá)到2.178 kgCOD/(kgVSS·d)。

2.4 兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位(ORP)與硫氫化物和硫酸根之間的關(guān)系

(1)

(2)

(3)

故兼氧反應(yīng)器內(nèi)O2供應(yīng)量需根據(jù)硫氫化物的濃度進(jìn)行嚴(yán)格控制，可通過(guò)測(cè)定兼氧反應(yīng)器內(nèi)(ORP)來(lái)控制空壓機(jī)的風(fēng)量，從而確保硫氫化物轉(zhuǎn)化成單質(zhì)硫磺，而非氧化成硫酸根或其他硫氧化物。

2.5 兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位(OPR)與硫氫化物轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

通過(guò)調(diào)節(jié)酸、堿的投加量，確保進(jìn)入自制的兼氧反應(yīng)器內(nèi)液體的pH值在8.3±0.3區(qū)間內(nèi)并進(jìn)行ORP的調(diào)節(jié)。ORP數(shù)值越大，說(shuō)明兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化性越高，空壓機(jī)提供的空氣量(氧氣量)則越多，厭氧產(chǎn)生的硫氫化物則更容易被完全氧化。 圖4為兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位與硫氫化物轉(zhuǎn)化率的關(guān)系曲線。

圖4 兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位與硫氫化物轉(zhuǎn)化率的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between ORP and removal efficiency of sulfide in the facultative reactor

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)兼氧反應(yīng)器內(nèi)ORP高于-300 mV時(shí)，兼氧反應(yīng)器內(nèi)的硫氫化物轉(zhuǎn)化率接近100%；隨著兼氧反應(yīng)器內(nèi)ORP的降低，兼氧反應(yīng)器內(nèi)硫氫化物的轉(zhuǎn)化率也下降，當(dāng)ORP低于-400 mV時(shí)，兼氧反應(yīng)器內(nèi)硫氫化物的轉(zhuǎn)化率急速下降，其主要原因是兼氧系統(tǒng)中的硫氫化物存在以下平衡：

H2S(氣)H2S(液)HS-+H+

(4)

兼氧反應(yīng)器內(nèi)O2的供應(yīng)量越少，則ORP越低，硫氫化物則無(wú)法被完全氧化成單質(zhì)硫磺或硫氧化物，導(dǎo)致兼氧反應(yīng)器內(nèi)游離態(tài)的硫化氫分子數(shù)量增加，從而對(duì)微生物產(chǎn)生毒性，抑制了硫氫化物的轉(zhuǎn)化。

2. 6 兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位與硫磺濃度的關(guān)系

本試驗(yàn)配置20 g/L硫氫化鈉和0.1 g/mL碳酸氫鈉的混合溶液，投入兼氧反應(yīng)器內(nèi)并反應(yīng)10 h，測(cè)定兼氧反應(yīng)器內(nèi)不同ORP與硫磺濃度的關(guān)系，其結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 兼氧反應(yīng)器內(nèi)氧化還原電位與硫磺濃度的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between ORP and sulfur concen-tration in the facultative reactor

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)采用厭氧+兼氧的兩段式生物處理系統(tǒng)，論證了降低高濃度硫酸鹽工業(yè)廢水中硫酸鹽的可行性，并得到以下結(jié)論：

(2) 兩段式生物處理系統(tǒng)可確保廢水中COD的去除率約為50%，硫酸鹽的去除率約為80%，處理后的廢水可進(jìn)入傳統(tǒng)的厭氧處理工藝或好氧處理工藝，最終實(shí)現(xiàn)降低COD的目的。