相容性溶質(zhì)對UASB反應(yīng)器處理高鹽廢水效果影響研究

鄒小玲，陳李勝，張本凱，余江濤

(1.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330000；2.山東魯興環(huán)保科技有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

厭氧微生物細(xì)胞積累相容性溶質(zhì)(CS)，可以抵抗外界高滲透壓[7-9]，且不影響胞內(nèi)酶和DNA等生物大分子活性。但目前報(bào)道多集中于幾種單一CS的效果[10-12]，少有研究多種CS的復(fù)合效果。本研究主要探索甜菜堿、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化鉀5種相容性溶質(zhì)共同作用下對厭氧顆粒污泥處理高鹽廢水的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

葡萄糖、磷酸二氫鉀、氯化銨、氯化鈣、硫酸鎂、硫酸亞鐵、鉬酸銨、乙二酸四乙酸鈉、硫酸鋅、氯化銅、碘化鉀、硫酸鈷、氯化錳、硝酸鎳、甜菜堿、谷氨酸、甘氨酸、海藻糖、氯化鉀、濃硫酸、重鉻酸鉀、氫氧化鈉、硫酸亞鐵銨、1，10-菲咯啉、氯化鈉均為分析純；厭氧顆粒污泥，取自污水監(jiān)測站UASB反應(yīng)器內(nèi)。

MF-2.5-10A馬弗爐；JC-101W微波消解儀；pHS-3E pH計(jì)；UASB反應(yīng)器(有機(jī)玻璃)，自制；FA2004電子分析天平；DHG-9070A鼓風(fēng)干燥箱；CR-10BT+超純水機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 模擬污水配制 實(shí)驗(yàn)廢水以COD∶N∶P=200∶5∶1進(jìn)行配制。COD為10 000 mg/L，NH4Cl為112.5 mg/L，KH2PO4為78.46 mg/L，CaCl2為 10 mg/L，MgSO4為20 mg/L，F(xiàn)eSO4為 3.9 g/L，(NH4)6Mo2O24為0.16 g/L，乙二酸四乙酸鈉為 1.8 g/L，ZnSO4·7H2O為 0.43 g/L，CuCl2為 0.03 g/L，KI為0.18 g/L，CoSO4·7H2O為0.2 g/L，MnCl2為0.6 g/L，Ni(NO3)2·6H2O為0.05 g/L，HBO3為0.06 g/L。

1.2.2 污泥馴化 由于所寄出的桶裝泥含反應(yīng)器中的灰分和雜質(zhì)，故先將泥置于1 mm篩子，用清水清洗3遍，使灰分雜質(zhì)含量降低，隨后顆粒污泥分別置于UASB反應(yīng)器，通過5 g/L每升鹽度梯度的馴化，從鹽度為0升高到20 g/L鹽度。

1.2.3 CS配制 相容性溶質(zhì)甜菜堿、谷氨酸、甘氨酸、海藻糖和氯化鉀。單獨(dú)投加的三組投加量均設(shè)為0.5 mmol/L[13-14]。A#1、A#2、A#3代表甜菜堿、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和KCl質(zhì)量比按(80～120)∶(10～30)∶100∶100∶1(A#1)、(80～120)∶(10～30)∶50∶50∶1(A#2)和(80～120)∶(10～30)∶10∶10∶1(A#3)[15]。以上述質(zhì)量比添加1%的復(fù)配相容性溶質(zhì)(即1 000 g廢水加入10 g)，1周后開始測定出水各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram1.水泵；2.加水裝置；3.發(fā)熱電阻；4.溫度計(jì)；5.三相分離器；6.UASB反應(yīng)器；7.廢水收集瓶；8.集氣瓶；9.氣體流量計(jì)

UASB反應(yīng)器(Φ14.0 cm×16.5 cm，有機(jī)玻璃)的有效容積約為2.5 L，通過水泵進(jìn)行泵送廢水，控制進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷COD在5 000 mg/(L·d)左右，由于所投加的CS量遠(yuǎn)小于葡萄糖投加量，故認(rèn)為各組分CS對廢水COD值的影響極小，可忽略不計(jì)。復(fù)配CS以粉末狀混合入模擬的高鹽廢水中，進(jìn)出水量均為1 L，通過加水裝置進(jìn)入U(xiǎn)ASB反應(yīng)器內(nèi)，HRT為1 d。通過發(fā)熱電阻進(jìn)行水溫的控制，以溫度計(jì)指示溫度為準(zhǔn)，UASB反應(yīng)器中設(shè)三相分離器，進(jìn)行泥、水、氣三項(xiàng)分離，通過集氣瓶收集氣體，集氣瓶中裝有5%NaOH溶液，產(chǎn)氣量以氣體流量計(jì)為準(zhǔn)，每日排出廢水通過廢水收集瓶收集，并進(jìn)行后續(xù)相關(guān)指標(biāo)的測定。

1.4 分析方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；pH采用玻璃電極法測定；產(chǎn)氣量通過氣體流量計(jì)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CS對COD去除率和產(chǎn)氣量的影響

2.1.1 CS對COD去除率的影響 CS對反應(yīng)器處理20 g/L鹽度廢水COD去除率的影響見圖2。

圖2 CS對反應(yīng)器處理20 g/L鹽度廢水COD去除率的影響Fig.2 Effect of CS on the COD removal rate of 20 g/Lsalinity wastewater treated by reactor

由圖2可知，在處理進(jìn)水COD濃度為 2 016 mg/L 的20 g/L鹽度廢水時(shí)，4天內(nèi)的出水COD各組均維持在700 mg/L左右，此時(shí)各反應(yīng)器處理效果均受到高鹽濃度的抑制，且CS還未對反應(yīng)器性能起到提升效果。而當(dāng)4天后，相比對照組，各組分出水COD均降低至400 mg/L以下，表明處于高鹽環(huán)境下的微生物細(xì)胞已經(jīng)吸收環(huán)境中的CS，而微生物細(xì)胞對環(huán)境CS存在適應(yīng)期，當(dāng)適應(yīng)期結(jié)束后，CS開始在細(xì)胞中逐漸積累，發(fā)揮抵抗環(huán)境高鹽滲透壓的作用。當(dāng)在第8天停止投加CS后，出水在第16天開始惡化，表明CS對反應(yīng)器存在8天左右持續(xù)保護(hù)效果。

比較三種單一CS可知，投加甜菜堿后的效果最佳，這與陳立偉等的研究結(jié)果一致[11]。楊紅薇等認(rèn)為[16]，甜菜堿的存在能夠減緩鈉鹽對厭氧生物反應(yīng)器的毒性，而Sudmalis等認(rèn)為[17]，谷氨酸能夠提高顆粒污泥的比產(chǎn)甲烷活性，甘氨酸存在于耐鹽菌的細(xì)胞運(yùn)輸過程中，可以作為氨基酸類CS維持耐鹽菌細(xì)胞滲透壓[18]，海藻糖具有抗旱保水的效果[19-20]。

當(dāng)受到滲透脅迫或鹽度沖擊時(shí)，多數(shù)微生物能夠積累多種CS，但往往選擇其中最有效的一種或數(shù)種。相比單一CS，實(shí)驗(yàn)組A#1～A#3的出水COD降低至200 mg/L左右，去除率最高達(dá)到93.4%，比對照組COD去除率提高38.8%，并且都低于單一CS作用下的出水COD，這是由于復(fù)配CS更加符合耐鹽菌的耐鹽機(jī)理，因?yàn)閷τ谀望}菌而言，當(dāng)環(huán)境中無機(jī)鹽濃度過高，會(huì)在胞內(nèi)積累多種CS抵抗胞外滲透壓，而對于大多數(shù)細(xì)菌更偏向于從環(huán)境中獲取CS，以達(dá)到平衡胞內(nèi)外滲透壓的目的[21-22]。

2.1.2 CS對產(chǎn)氣量的影響 CS對反應(yīng)器處理 20 g/L 鹽度廢水產(chǎn)氣量的影響見圖3。

圖3 CS對反應(yīng)器處理20 g/L鹽度廢水產(chǎn)氣量的影響Fig.3 Effect of CS on the gas production of 20 g/Lsalinity wastewater treated by reactor

由圖3可知，6個(gè)實(shí)驗(yàn)組前4天UASB反應(yīng)器的產(chǎn)氣量與對照組相差不多，均維持在1～1.2 L/d。而在第4天，在CS的作用下，各實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣量開始逐漸增大，其中A#2組產(chǎn)氣量增加得最為顯著，日產(chǎn)氣量最高達(dá)到1.63 L，比對照組增加48%。而當(dāng)在第8天停止投加CS后，除空白組外，各組分的產(chǎn)氣量在第16天逐漸降低，這是由于廢水中的COD轉(zhuǎn)化為甲烷的過程再次受到環(huán)境抑制所導(dǎo)致。

2.2 多因素實(shí)驗(yàn)分析

UASB反應(yīng)器經(jīng)過長期的廢水處理，在確定前期最佳配合比范圍后，出水COD與產(chǎn)氣量穩(wěn)定，且COD去除率穩(wěn)定在90%以上，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。以CS配合比(A)、有機(jī)負(fù)荷(B)、進(jìn)水pH(C)和溫度(D)4個(gè)因素建立正交實(shí)驗(yàn)，以COD去除率為評價(jià)指標(biāo)，因素水平見表1。任一條件下實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2，利用SPSS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析及顯著性檢驗(yàn)，見表3。

表1 因素水平Table 1 Factor and level

表2 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理表Table 2 Orthogonal experimental design anddata processing table

表3 正交方差分析表Table 3 Orthogonal analysis of variance table

由表2可知，影響COD去除率的因素主次順序?yàn)锽(有機(jī)負(fù)荷)>C(進(jìn)水pH)>D(溫度)>A(配合比)。最佳實(shí)驗(yàn)條件為A1B1C1D1，即配合比90∶(10～30)∶25∶20∶1，有機(jī)負(fù)荷為5 000 mg/(L·d)，pH為8，溫度為35 ℃。

2.3 單因素實(shí)驗(yàn)

2.3.1 有機(jī)負(fù)荷(OLR)對反應(yīng)器COD去除率的影響 OLR對反應(yīng)器COD去除率的影響見圖4。

圖4 有機(jī)負(fù)荷對反應(yīng)器COD去除率的影響Fig.4 The influence of organic load rate change on theCOD removal rate of the reactor

由圖4可知，有機(jī)物的增加，促進(jìn)了厭氧生物系統(tǒng)的處理效果，有機(jī)負(fù)荷4 800 mg/(L·d)時(shí)，COD去除率達(dá)到最高91.5%。有機(jī)負(fù)荷超過 4 800 mg/(L·d)后，反應(yīng)器的COD去除率逐漸降低。表明適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)負(fù)荷，可以促進(jìn)厭氧生物反應(yīng)器菌群的生長與增殖，有機(jī)物分解過程中能夠合成厭氧微生物的細(xì)胞組成物質(zhì)，菌種得以大量繁殖，有利于系統(tǒng)對COD的去除。當(dāng)高濃度有機(jī)物長期積累，將會(huì)造成其他微生物占主導(dǎo)地位，與厭氧微生物產(chǎn)生競爭，以產(chǎn)甲烷菌為代表的厭氧微生物不再占據(jù)優(yōu)勢菌種的地位，導(dǎo)致COD去除率的降低。李亞峰等也得出相似結(jié)論[23]，其認(rèn)為當(dāng)厭氧反應(yīng)器葡萄糖等碳源濃度過大時(shí)，能夠造成反硝化微生物生長，并逐漸替代厭氧氨氧化細(xì)菌占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.3.2 CS配合比對反應(yīng)器COD去除率的影響 配合比對反應(yīng)器COD去除率的影響見圖5。圖中的5個(gè)比值105∶20～125∶20分別代表甜菜堿、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化鉀質(zhì)量比為105∶20∶25∶25∶1～125∶20∶25∶25∶1。

圖5 CS配合比對反應(yīng)器COD去除率的影響Fig.5 Effect of CS mixing ratio on reactorCOD removal rate

由圖5可知，以甜菜堿為主要成分的復(fù)配CS，在甜菜堿、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化鉀質(zhì)量比為120∶20∶25∶25∶1時(shí)，COD去除率最高，達(dá)到93.7%。

2.3.3 溫度對反應(yīng)器COD去除率的影響 溫度對COD去除率的影響見圖6。

圖6 溫度變化對反應(yīng)器COD去除率的影響Fig.6 Influence of temperature change on theremoval rate of COD in reactor

由圖6可知，溫度對COD去除率的影響較為明顯，COD去除率隨著溫度的升高而升高，35 ℃時(shí)COD去除率到達(dá)頂點(diǎn)，此后隨著溫度的升高，COD去除率開始降低。Artsupho等[24]處理制糖廢水，研究發(fā)現(xiàn)，溫度在34～39 ℃時(shí)產(chǎn)甲烷量最佳，當(dāng)溫度為40～42 ℃時(shí)，產(chǎn)甲烷量便開始降低，且認(rèn)為溫度與產(chǎn)甲烷量存在二次線性關(guān)系，而COD去除率也得出類似結(jié)論。厭氧生物處理存在最佳溫度范圍，于曉章等認(rèn)為[25]，厭氧嗜熱菌群最佳生存溫度30～ 60 ℃，而嗜冷菌在25 ℃以下，嗜中溫厭氧菌在 35 ℃ 左右，因此溫度可以改變環(huán)境中產(chǎn)甲烷菌群的分布，這與吳美蓉等的結(jié)論一致[26]，其研究表明，低溫條件下，以利用乙酸產(chǎn)甲烷為主，高溫或超高溫下，以利用CO2產(chǎn)甲烷為主，而前者產(chǎn)甲烷量理論上為后者的2倍。

2.3.4 進(jìn)水pH對反應(yīng)器COD去除率的影響 進(jìn)水pH對反應(yīng)器COD去除率的影響見圖7。

圖7 進(jìn)水pH對反應(yīng)器COD去除率的影響Fig.7 The influence of influent pH on reactorCOD removal rate

由圖7可知，合適的pH可以促進(jìn)厭氧生物反應(yīng)器菌群對COD的去除率。產(chǎn)甲烷階段作為厭氧生物法重要的階段，不僅將前期的分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷、CO2和H2O，隨著酸的不斷積累，產(chǎn)甲烷量與pH存在著動(dòng)態(tài)平衡，而產(chǎn)甲烷菌生存最適pH范圍為6.8～7.2，對pH變化較產(chǎn)酸菌敏感，當(dāng)環(huán)境pH變化較大時(shí)，產(chǎn)甲烷菌相較產(chǎn)酸菌受影響程度大，酸不斷積累，產(chǎn)甲烷量逐漸減少。出水酸化能夠反映出產(chǎn)甲烷速率和產(chǎn)甲烷菌活性的降低。pH的變化能改變微生物表面電位，影響酶活性和對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。厭氧生物反應(yīng)器出水酸化是很普遍的問題，當(dāng)pH降低時(shí)，降低有機(jī)負(fù)荷，并適當(dāng)調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，或向反應(yīng)器中接種顆粒污泥，是抵制酸化導(dǎo)致反應(yīng)器性能降低較為有效的手段。

3 結(jié)論

采用復(fù)配相容性溶質(zhì)對UASB反應(yīng)器厭氧顆粒污泥處理進(jìn)水COD濃度為2 016 mg/L的20 g/L鹽度廢水的最佳反應(yīng)條件為：相容性溶質(zhì)為甜菜堿、谷氨酸、脯氨酸、海藻糖和氯化鉀，1 000 g廢水加入 10 g 復(fù)配相容性溶質(zhì)，甜菜堿、海藻糖、谷氨酸、脯氨酸和氯化鉀質(zhì)量比為120∶20∶25∶25∶1，有機(jī)負(fù)荷為4 800 mg/(L·d)，溫度為35 ℃，進(jìn)水pH為8.6。COD去除率達(dá) 93.4%，產(chǎn)氣量為1.63 L/d。