IC反应器处理制药废水的颗粒污泥驯化和快速启动

中国环境科学2010,30(6)：758~762ChinaEnvironmentalScienceIC反应器处理制药废水的颗粒污泥驯化和快速启动周莉莉,季民*(天津大学环境科学与工程学院,天津300072)摘要：试验研究了厌氧内循环(IC)反应器处理化工合成制药废水时,颗粒污泥的驯化培养启动过程.IC反应器控制在中温条件运行,接种颗粒污泥取自处理味精废水的厌氧上升流式污泥床反应器,驯化开始采用葡萄糖基质与制药废水混合废水,然后很快转化为全部是生物难降解的合成制药废水.结果表明,采用高负荷、高进水浓度的启动控制条件,经历23d的启动运行,IC反应器的容积负荷达到5kgCOD/(m3·d),COD去除率达到70%~80%.在容积负荷达到7.4kgCOD/(m3·d)时,COD的去除率仍可稳定在70%左右.IC反应器中的成熟颗粒污泥形状规则、密实、粒径大.扫描电镜观察发现,颗粒污泥中古细菌产甲烷鬓毛菌(Methanosaetaceae)占优势.IC反应器处理难降解废水在高负荷、高进水浓度条件下可实现快速培养驯化和启动.关键词：制药废水；IC反应器；颗粒污泥驯化中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)06-0758-05GranularsludgeacclimationandquickstartupofpharmaceuticalwastewaterwithanICreactor.ZHOULi-li,JIMin*(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(6)：758~762Abstract：Granularsludgeacclimationandquickstartupofalab-scaleinternalcirculationanaerobic(IC)reactor,treatingachemicalsynthesis-basedpharmaceuticalwastewaterwereevaluated.Thereactorwasoperatedundermesophilicconditions.Theseedinggranularsludgeoriginatedfromanup-flowanaerobicsludgeblanketreactortreatingmonosodiumglutamate(MSG)wastewater.Theacclimationperiodlasted23dwithhighstrengthinfluentandhighorganicloadingrates(OLR).Inthisperiod,glucosesubstratewasmixedwithpharmaceuticalwastewaterandthemixturegraduallychangedintorefractoryfull-pharmaceuticalwastewaterrapidly.GranularsludgeacclimationwasachievedwithCODremovalefficiencyof70%~80%andorganicloadingratesof5kgCOD/(m3·d).TheCODremovalefficiencywasstabilizedatabout70%whentheOLRincreasedto7.4kgCOD/(m3·d).Maturegranularsludgewasdense,regularandwithlargesize.ThedominantarchaeainthematuregranularsampleswasMethanosaetaceaeusingscanningelectronmicroscope.QuickacclimationandstartupoftheICreactorwhichwasusedtotreatrefractorywastewaterwereachievedusinghighstrengthinfluentandhighorganicloadingrates.Keywords：pharmaceuticalwastewater；ICreactor；granularsludgeacclimation厌氧颗粒污泥以其较高的微生物浓度,较好的沉降性能和抗冲击负荷能力,被认为是高效厌氧反应器稳定运行的关键[1-5].如何在短期内完成颗粒污泥驯化,实现反应器快速启动是高效厌氧工艺的关键.国内外学者对如何实现厌氧反应器快速启动做了大量的研究[6-9].厌氧内循环反应器(IC)已在啤酒生产[10-11]、食品加工[12-13]、造纸废水[13]、柠檬酸废水[14]、大豆蛋白[15]等高浓度工业废水处理中得到应用.合成制药废水中含有多种化学溶剂、助剂、药物中间体,合成药物母液等.有机物浓度高、难生物降解.将IC反应器应用于高浓度难降解合成制药废水处理还鲜有报道.本试验以处理味精废水的UASB反应器中颗粒污泥作为IC反应器的接种污泥,处理高浓度合成制药废水,并以高负荷、高进水浓度方式培养驯化颗粒污泥,探讨IC反应器如何在短时间内完成启动过程,同时考察启动过程中颗粒污泥性质的变化情况.收稿日期：2009-11-12基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07314-001)*责任作者,教授,[e-mail]6期周莉莉等IC反应器处理制药废水的颗粒污泥驯化和快速启动7591材料与方法1.1试验装置IC反应器(图1)由塑料圆管制成,有效体积52.75L,直径200mm,高度为1681mm.2个三相分离器分别在反应器的中部和上部,把反应器分为粗处理区和精处理区.顶部气水分离区:直径300mm,高度269mm,断面面积0.07m2,有效容积10.5L.IC反应器由蠕动泵进水,出水经过一个水封后重力出流.反应器外部包裹保温材料,由可编程控制器控制反应器维持在中温条件运行.一级三相分离器出水出气管气升管下降管湿式气体流量计二级三相分离器水封IC反应器进水泵水箱图1试验装置示意Fig.1Experimentalapparatus1.2进水水质及接种污泥试验启动初期采用人工配水和实际制药废水混合进水,其体积比为1:1.人工配水以葡萄糖作为有机碳源,C:N:P=200:5:1,同时投加Fe2+、Co2+、Mo2+、Ni2+、Mn2+等微生物生长所必须的微量元素.用NaHCO3调pH值,使反应器内的pH值维持在中性范围.制药废水为天津市某制药厂化工合成制药废水,该厂主要产品为头孢类药物中间体GCLE,同时含有大量二甲基甲酰胺(DMF)、甲苯、二甲苯等有机溶剂,废水中同时含有大量药物中间体,如柠檬烯、苯锍氟、苯并噻锉等,这些有机物对微生物有较强的毒性和抑制作用.试验用制药废水的主要水质指标如下:COD3000~22000mg/L,pH5.0~8.0,SS200~600mg/L,氨氮20~110mg/L,总氮316~1360mg/L,色度100~600倍.接种污泥取自某味精厂UASB反应器中厌氧颗粒污泥,污泥沉降性能良好,SVI为20~40mL/g.污泥浓度为35000mg/L左右,污泥的VSS/SS为0.77.颗粒污泥呈黑褐色细砂状,粒径为0.4~1.5mm.显微镜下观察污泥呈球形或椭球形,结构密实且轮廓清晰.接种污泥共9L,占反应器总体积的1/6.1.3分析项目与方法COD、SS、BOD5、MLSS和SVI的测定采用标准方法[16];色度采用稀释倍数法;pH值的测定采用PHS-3c酸度计;挥发性脂肪酸(VFA)的测定采用滴定法;碱度的测定采用溴甲酚绿-甲基红指示剂滴定法[17];颗粒污泥粒径分布采用激光粒度仪(MalvernMastersizerSLongBed)测定;颗粒污泥表面结构观察采用HITACHIS-4700扫描电镜.2结果与讨论2.1启动过程容积负荷的控制与COD去除反应器启动第I阶段,由于接种的颗粒污泥是在冰箱中存放1年的厌氧颗粒污泥,在实验运行的初期,反应器的进水采用为人工配水和制药废水比例1:1的混合废水,以恢复厌氧颗粒污泥的活性.传统的厌氧反应器的启动方式为低进水流量、低进水浓度,容积负荷一般都小于2kgCOD/(m3·d)[18].为缩短IC反应器的启动时间,采用高进水浓度,高有机负荷的方式.COD为5000mg/L,负荷为3.2~4.9kgCOD/(m3·d)对污泥进行培养驯化.这一阶段运行的10d,IC反应器的COD去除率在15%~32%,去除率较低(图1).第II阶段,把IC反应器的进水流量由1.5L/h提高到2.5L/h,相应的上升流速由0.05m/h提高到0.08m/h,此时IC反应器的容积负荷达到5kgCOD/(m3·d)左右.这一阶段COD去除率逐渐升高,第13d去除率达到52%.13d后进水全部为760中国环境科学30卷100%的合成制药废水,第15d反应器的去除率达到65%.之后虽然反应器的COD去除率稍有波动,但是都高于60%.第23d反应器的去除率高达82%.此阶段较高的上升流速对反应器内比重较大的颗粒污泥和分散的絮状污泥进行选择,大多数絮状污泥被洗出,而留在反应器内的颗粒状污泥保持稳定.这时污泥对废水驯化培养阶段基本完成.反应器历时23d完成启动过程.第III阶段,反应器的负荷稳定在5kgCOD/(m3·d)左右,COD去除率也稳定在70%~80%.为启动完成后稳定期.第IV阶段,控制反应器的负荷大于7kgCOD/(m3·d),第40d随着容积负荷的升高,反应器的去除率下降,第44d的去除率降为63%.在试验过程中,随着运行时间的延长,反应器内絮状污泥逐渐减少,颗粒污泥形成,直到反应器内没有絮状污泥.012345678910137810111315161820232830333537404244运行时间(d)容积负荷[kgCOD/(m3⋅d)]0102030405060708090COD去除率(%)容积负荷去除率IIIIIIIV100%制药废水图2启动阶段COD容积负荷控制与去除率变化Fig.2CODvolumetricloadingcontrolandremovalratevariationinstartup2.2启动过程中进出水SS的变化由图3可见,启动驯化阶段进水SS浓度为500mg/L左右,出水SS浓度变化较大,由最初的2000mg/L下降到348mg/L.反应器运行最初阶段,接种污泥中的非常细小的分散污泥被洗出,出水SS浓度较高.随着启动驯化进行,初期水力条件对反应器内的污泥进行选择,大多数的絮状污泥被洗出,出水SS浓度都高于进水.随着反应器的有机物去除率的升高,第23d驯化基本完成,厌氧反应器开始产生的大量沼气,进一步洗出反应器内的分散的絮状污泥和解体的颗粒污泥.使得出水SS浓度高达2200mg/L.随着反应器的稳定运行,细小的絮状污泥完全被洗出,出水SS逐渐下降到348mg/L.反应器内部污泥浓度趋于稳定.进出水SS的变化也表征了系统启动驯化过程的完成.050010001500200025001810151820232528303336394143运行天数(d)进出水SS(mg/L)进水SS出水SS运行时间(d)图3启动阶段进出水SS变化Fig.3SSvariationofeffluentandinfluentduringstartupstage2.3颗粒污泥粒径分布变化0246810124.197.7214.226.248.388.916430255610241886不同粒径所占百分比(%)0102030405060708090100不同粒径累计百分比(%)不同粒径所占百分比不同粒径累计百分比a.接种污泥0246810124.197.7214.226.248.388.916