常温下双循环厌氧反应器处理中药废水的性能及污泥特性研究宿程远

厌氧处理具有高效低耗的优点，其将环境保护与产能有机地结合在一起，具有良好的环境和社会经济效益，因此，采用厌氧生物技术处理高含量有机废水成为当今的研究热点[1]。笔者结合厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）与内循环厌氧反应器（IC）各自的特点，设计了新型双循环（DC）厌氧反应器，其对中药废水具有良好的处理效能。厌氧反应器的处理效能，取决于基质类型与含量、停留时间、pH、温度等的影响，其中，反应器的运行温度对厌氧过程影响显著[1]。首先温度能够影响酶的活性，进而影响厌氧微生物的生长速率以及基质的代谢速率；并且，温度还会影响厌氧反应器内颗粒污泥的特性；而同时厌氧反应器的加热与保温是其在实际应用过程中需要非常重视的环节，是主要的能耗之一[1-2]。因此近年来有些学者开展了常温或低温下厌氧反应器处理废水的研究，对于其应用范围的拓展具有重要意义[3-4]。为此，本研究主要考察常温条件下新型DC厌氧反应器处理中药废水的性能，重点分析DC厌氧反应器内污泥性能的变化，包括污泥的金属离子含量、胞外聚合物（EPS）、微生物形态等，以进一步分析DC厌氧反应器是否能够在常温下长期稳定运行。1材料与方法1.1实验用水实验用水取自哈尔滨某中药厂调节池，该调节池内包括各生产车间的生产废水、地面冲洗水、药罐洗涤水等，COD为5～7g/L，SS的质量浓度为400～550mg/L，色度为200～300倍，且pH为弱酸性。实验过程在废水中加入适量NaHCO3，以控制DC厌氧反应器进水pH[5]；同时加入适量的元素，以保证该反应器内厌氧微生物的良好生长[6]。1.2装置与方法实验装置如图1所示。DC厌氧反应器由有机玻璃加工，总高度为150cm，第1反应区（产酸区）的有效容积2.4L，直径8cm；第2反应区（产甲烷区）的有效容积4.4L，直径10cm。反应器外部设有水浴加热，通过调节温度控制器实常温下双循环厌氧反应器处理中药废水的性能及污泥特性研究宿程远1，2，王恺尧1，司马岩1，李伟光1（1.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090；2.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004）摘要：分析了双循环（DC）厌氧反应器在常温下处理中药废水的可行性，并对常温下DC反应器内颗粒污泥特性进行了研究。结果表明，当温度由30℃降为20℃时，DC厌氧反应器出水COD可维持在300mg/L以下，去除率为95%左右；出水挥发性脂肪酸（VFA）的质量浓度虽由原来的66.2mg/L增大到256.2mg/L，但并未出现VFA的显著累积，产气量为仍为12～14L/d。颗粒污泥胞外聚合物（EPS）的组分均以蛋白和多糖为主，同时辅酶F420的吸收峰非常显著，表明常温下反应器内颗粒污泥的产甲烷活性良好。但温度的降低造成了颗粒污泥中铁与镁离子含量的降低，同时影响了颗粒污泥中的微生物群落，使索氏甲烷丝菌成为优势菌属。关键词：双循环厌氧反应器；中药废水；温度；颗粒污泥；胞外聚合物中图分类号：X787文献标识码：A文章编号：1000-3770(2015)02-0048-004收稿日期：2014-05-05基金项目：国家科技重大专项项目（2012ZX07205-002）；广西自然科学基金（2013GXNSFBA019213）作者简介：宿程远（1981－），男，副教授，博士，研究方向为水及废水处理理论与技术联系电话：[phone]；电子邮件：[e-mail]联系作者：李伟光，教授，博士；电子邮件：[e-mail]第41卷第2期2015年2月水处理技术TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.41No.2Feb.,201548DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2015.02.010现对反应器内部温度的控制。反应器所产生的气体经3相分离器分离之后由集气孔流入到LML型湿式气体流量计，从而计量产气量。在a阶段，DC厌氧反应器的停留时间为12h，温度为30℃。而后为了考察温度对反应器处理性能与污泥特性的影响，停止对反应器的加热，使其在常温下运行，进入b阶段。1.3分析方法挥发性脂肪酸（VFA）含量采用气相色谱仪进行分析，COD采用快速消解法测定；产气量利用LML-1型湿式气体流量计测定。颗粒污泥中的金属离子含量分析，取DC厌氧反应器中一定量泥样在105℃烘箱中烘干后，准确称取0.2g样品，置于预先清洗好的消解罐中，加入一定体积的浓硝酸、浓盐酸及高氯酸进行消解；消解完成后，静置，用中速定量滤纸过滤，收集滤液于50mL容量瓶中，用高纯水稀释至刻度线，而后利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定溶液中钙、镁、铁的含量[7]。颗粒污泥的EPS采用热提法进行提取，而后利用傅里叶红外分析仪和三维荧光分析仪对其进行分析[8]。颗粒污泥的微生物形态分析则通过戊二醛固定，乙醇梯度脱水，而后喷金，进行电镜扫描仪（SEM）检测[1]。2结果与讨论2.1温度对去除COD的影响鉴于温度的重要性，实验在DC厌氧反应器HRT为12h的条件下，考察温度变化对反应器去除COD以及产气的影响，结果如图2～图3所示。由图2～图3可知，当温度由30℃降为20℃时，运行初期，COD去除率略有降低，同时产气量有所下降；但随着时间的延长，DC厌氧反应器出水COD维持在300mg/L以下，去除率稳定在95%左右；同时平均产气率（V(CH4)/m(COD)）为0.28m3/kg，DC厌氧反应器在室温下仍能高效、稳定运行；同时反应器内的产甲烷菌并没有因为温度的降低而受到明显的抑制。表明DC厌氧反应器采用了双循环方式，增大了废水的上升流速，提高了传质效果；同时其结构特点的区分，为产酸菌与产甲烷菌各自创造了良好的生长环境，从而为其在常温条件下处理废水提供了可能。2.2温度对出水VAF的影响VFA可以快速、灵敏的反映出厌氧反应器内环境的微小变化，因此对不同温度下DC厌氧反应器出水的VFA含量进行了分析，结果如表1所示。由表1可知，温度30℃时，反应器出水VFA以乙酸和丙酸为主，特别是乙酸含量为总VFA含量的64.5%；而当温度降低为20℃时，反应器出水有机酸主要以丁酸为主，质量浓度达到了163.9mg/L，为总图1DC厌氧反应器Fig.1SchematicdiagramofDCanaerobicreactor图2不同温度下COD去除的变化情况Fig.2VariationofCODremovalrateatdifferenttemperature051015202530350123456020406080100
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COD/gL图3不同温度下产气量与产气率的变化情况Fig.3Variationofmethaneyieldatdifferenttemperature05101520253035036912150.00.10.20.30.40.50.60.7
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q/Ld宿程远等，常温下双循环厌氧反应器处理中药废水的性能及污泥特性研究49VFA的64.0%，乙酸、丙酸含量维持相对稳定，并未造成VFA的大量累积。这表明，当温度降到常温时，大分子有机酸降解为小分子有机酸的阶段成为整个厌氧处理的关键阶段；同时这也与该反应器的产酸区有效容积较小，而产甲烷区有效容积较大有一定的关系。2.3温度对颗粒污泥中金属含量的影响2价金属离子可与微生物表面所分泌的EPS通过吸附桥接作用，保持微生物结构和功能的完整性，并可提高颗粒污泥的沉降性；而铁离子是微生物生长所必须的营养元素，并可作为酶蛋白构架[9]。因此分析了温度变化对DC厌氧反应器内颗粒污泥钙、镁、铁离子含量的影响，其结果表2所示。由表2可知，温度的降低造成了颗粒污泥中各金属含量的降低，其中钙的减少量非常微小，镁与铁分别减少了41.5%和13.0%，原因在于镁是细胞壁、细胞膜和生物酶组成的重要元素，而铁也是酶蛋白架构的重要元素[10]。温度的变化造成了颗粒污泥中微生物群落的变化，但总体而言，并未对DC厌氧反应器造成显著的冲击。2.4温度对颗粒污泥EPS的影响微生物所分泌的EPS对于颗粒污泥的形成与保持其稳定性，具有重要作用[11]。因此，利用荧光光谱仪和红外光谱仪分析了温度变化对DC厌氧反应器内颗粒污泥EPS组分的影响，如图4～图5所示。由图4可知，当温度由30℃降为20℃时，颗粒污泥EPS的组分未发生显著变化，均以简单芳香蛋白（λex/λem=220nm/340nm）和类蛋白（λex/λem=280/340nm）为主[12]；同时，辅酶F420（λex/λem=420nm/470nm）的吸收峰非常显著，表明颗粒污泥产甲烷活性良好[13]。这也与DC厌氧反应器的产气率是一致的。同样由图5可知，2个运行阶段颗粒污泥EPS的红外光谱中均出现了明显的N－H（3300～3500cm-1）的伸缩振动、C－H（2900～3000cm-1）的伸缩振动以及C=O（1200～1600cm-1）的伸缩振动，表明EPS的主要由蛋白质、多糖以及酰胺等构成[14]。2.5温度对颗粒污泥微生物形态的影响不同温度下，DC厌氧反应器内颗粒污泥的SEM照片如图6所示。由图6可知，30℃时，颗粒污泥中菌群多样，以杆菌和球菌为主；当温度降为20℃时，颗粒污泥中微生物生长良好，表现出特定的形态，竹节状杆菌成为优势菌，根据文献可知，其为索氏甲烷丝菌[1,3]。异丁酸丁酸戊酸302042.7244.7413.9313.432.1216.194.81163.92.6217.94表1不同温度下出水有机酸种类的变化情况Tab.1ChangesofkindsofVAFatdifferenttemperatureθ/℃丙酸ρ/(mg·L-1)乙酸Fe302040.8640.3614.398.4267.0358.33表2不同温度下颗粒污泥中金属含量Tab.2Theconcentofmetalionsingranularsludgeatdifferenttemperatureθ/℃Mgρ/(mg·L-1)Ca图4(a)30℃图4(b)20℃图4颗粒污泥EPS的三维荧光图谱Fig.4EEMfluorescencespectraoftheEPSofgranularsludgeσ/cm-1图5颗粒污泥EPS的红外图谱Fig.5FTIRspectraoftheEPSofgranularsludge01,0002,0003,0004,0005,000

水处理技术第41卷第2期5030℃20℃图6颗粒污泥的SEM照片Fig.6Stereoscanphotographsofgranularsludge3结论在常温下，DC厌氧反应器出水COD在300mg/L以下，去除率为95%左右，并未出现VFA的显著累积，平均产气率（V(CH4)/m(COD)）为0.28m3/kg。温度分别为30℃和20℃时，颗粒污泥EPS的组分均以蛋白和多糖为主，同时辅酶F420的吸收峰非常显著，常温下DC厌氧反应器内颗粒污泥的产甲烷活性良好；但温度的降低造成了颗粒污泥中微生物群落的变化，索氏甲烷丝菌成为优势菌属。DC厌氧反应器独特的结构特点、良好的水力特性以及反应器内优良的颗粒污泥特性，为其在常温条件下处理废水提供了可能。参考文献：[1]郭昱廷,彭剑峰,宋永会,等.温度对ABR反应器处理效果和微生物群落结构的影响[J].环境科学学报,2012,32(7):1542-1548.[2]董春娟,刘晓,陈素云,等.常温处理生活污水微氧高效颗粒污泥反应器内颗粒污泥性能研究[J].环境科学学报,2009,29(12):2504-2509.[3]赵来利,佘宗莲,高孟春.常温下ABR处理低浓度废水性能及污泥特性[J].环境工程学报,2012,4(4):761-766.[4]耿炤宇,董春娟,王增长.常低温下EGSB处理生活污水的影响因素研究[J].中国给水排水,2010,26(