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硫酸盐对医药化工废水厌氧系统运行稳定性的影响 陈立伟 蔡天明 夏 涛 南京农业大学资源与环境科学学院, 南京 210095 摘要 以获得硫酸盐还原能力的厌氧装置为研究对象, 研究进水中不同硫酸盐浓度对厌氧反应器的运行效果的影响。 试验结果表明 硫酸盐添加量为 300 m g /L 时, 厌氧反应器出水 C O D浓度最低, C O D去除率为 76. 1, 同时厌氧反应器 出水中 V F A的浓度最低; 在硫酸盐添加量为 400mg /L 时, 此条件下获得产甲烷量最高, 达 240～ 260 m L /g ; 出水硫化氢 浓度则随着硫酸盐添加量的增加而增加。 在500 m 3的 U A S B反应器内进行连续厌氧处理试验, 结果表明添加硫酸盐 后厌氧反应器的运行情况稳定。 关键词 硫酸盐还原菌; 厌氧消化 ; 挥发性脂肪酸; 产甲烷菌 E F F E C TO FS U L F A T EO NS T A B I L I T YO FA NA N A E R O B I CT R E A T ME N T S Y S T E M O FME D I C I N EC H E MI C A LWA S T E WA T E R C h e nL i w e i C a i T i a n mi n g X i aT a o C o l l e g eo f R e s o u r c ea n dE n v i r o n me n t a l S c i e n c e , N a n j i n gA g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , N a n j i n g210095, C h i n a Ab s t r a c t A na n a e r o b i cd e v i c ew i t ht h ea b i l i t yo f s u l f a t e - r e d u c i n gw a s u s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n t s u l f a t ec o n c e n - t r a t i o no na na n a e r o b i cr e a c t o r .T e s t r e s u l t s s h o w e dt h a t w h e nt h ea d d i n gc o n c e n t r a t i o no f s u l f a t ew a s300 m g /L , t h ec o n c e n - t r a t i o no f C O Di nt h ee f f l u e n t w a s t h el o w e s t , a n dt h eC O Dr e m o v a l r a t ew a s76. 1;a n da t t h es a m et i me , V F Ac o n c e n t r a - t i o ni nt h ee f f l u e n t w a s t h el o w e s t ;i nt h i s c o n d i t i o n , t h e p r o d u c t i o no f m e t h a n er e a c h e dt h e h i g h e s t v a l u e 240～ 260 m L /g ; b u t t h ec o n c e n t r a t i o n so f h y d r o g e ns u l f i d ew a s i n c r e a s e da st h ea mo u n t o f s u l f a t ei n c r e a s e d .Ac o n t i n u o u s a n a e r o b i ct r e a t me n t w a sc o n d u c t e di naU A S Br e a c t o r w i t hv o l u m eo f 500 m 3, a n dt h er e a c t o r r a ns t e a d i l ya f t e r s u l f a t ea d d i n g . Ke y wo r d s s u l f a t e - r e d u c i n gb a c t e r i a ;a n a e r o b i cd i g e s t i o n ;v o l a t i l ef a t t ya c i d s V F A ;m e t h a n o g e nb a c t e r i a 0 引言 在厌氧生物处理过程中 ,硫酸盐还原作用是硫酸 盐还原细菌 S R B 以氢 、 乙酸 、 丙酸等为电子供体、以 S O 2- 4为末端电子受体, 将 S O 2- 4还原为 S 2-的厌氧反 应过程 。由于硫酸盐还原细菌和产甲烷菌所利用的 基质相同,它们之间存在基质竞争性 , 同时硫酸盐还 原细菌的代谢产物 H2S 对产甲烷细菌具有毒害作 用 [ 1] 。一些学者研究证明 [ 2- 4] , 利用产酸菌和硫酸盐 还原菌两大类微生物之间的协同作用 ,可以使厌氧体 系的氢分压维持在较低的水平 , 促进反应器中丙酸、 乙酸等有机酸的降解 ,提高厌氧产甲烷效率。国内外 学者的研究主要集中在 S O 2- 4浓度对厌氧消化的抑 制作用方面 [ 5-8] ,而对硫酸盐还原菌提高厌氧消化稳 定性方面的研究甚少 。 本文以获得了硫酸盐还原能力的厌氧装置为研 究对象 ,研究了进水不同硫酸盐浓度时厌氧反应器出 水 C O D 浓度、 产甲烷量、出水硫化氢浓度和出水 V F A 浓度, 了解硫酸盐浓度对厌氧反应器处理效果的影 响 。在此基础上进行了硫酸盐对工程化条件厌氧反 应器运行效率的影响研究 ,旨在提高厌氧反应器运行 的稳定性, 为今后工程应用提供技术依据 。 1 试验材料与方法 1. 1 试验装置与试验条件 采用间歇式试验, 每天定时换水 ,废水利用进口 和出口的高度差自流进入反应器中, 处理后的水自流 进入废水槽 。整套试验装置如图 1所示, 其中包括厌 氧反应器和气体计量装置 。 厌氧反 应器由玻 璃制成 , 有效 容积 15 L , 高 60 c m ,直径20 c m 。气体计量装置是自制的柱式排水 气体体积计量器 。整套试验装置置于恒温室内 ,每天 26 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 上午 8点定时换水 ,保持 35 ℃恒温条件不变 。进水 p H值为 7. 2。 图 1 试验装置示意 1. 2 试验废水 试验废水采用某制药企业的抗生素生产废水, 水 质如表 1所示。 表 1 抗生素废水水质m g /L p H除外 ρ C O D ρ B O D5ρ N H3- N ρ C l - p H 8 000～ 8 2003 200 ～ 3 50060 ～ 801 500～ 2 0006 ～ 7 1. 3 污泥驯化与污泥接种 本试验污泥驯化采用运行良好的 U A S B 反应器作 起始装置,在进水中加入一定浓度的硫酸盐,运行 1个 月以获得具有硫酸盐还原菌的厌氧污泥系统 [ 9] 。污泥 驯化 结束 时反 应器 内维 持厌 氧 C O D容积 负荷 8. 0 k g / m 3 d ,进水中 S O 2- 4浓度控制为 300 m g /L 。 接种污泥采用本实验室驯化的厌氧污泥, 接种污 泥的 V S S /T S S 为 65,接种量为10 g /L 。 1. 4 进水硫酸盐浓度对厌氧协同体系的影响 试验采用已驯化好的 6个间歇式厌氧反应器, 编 号为 1号 ～ 6号 。进水的硫酸盐由硫酸钠配制 ,控制 硫酸盐浓度分别为 0, 100, 200, 300, 400, 500 m g /L , S O 2- 4容 积 负 荷 为0,0. 1,0. 2,0. 3,0. 4, 0. 5 k g / m 3 d , C O D的容积负荷为 8. 0 k g / m 3 d , H R T 为 1 d 。对 6个装置进行同步 试验, 测定出水 C O D 、V F A 和硫化氢的浓度 , 及系统 的产甲烷量 。 产甲烷量采用排水法测定甲烷的产生量, 置换器 中装有 2 m o l /L 的 N a O H 溶液 ,产生的气体中的 C O2、 H2S 等气体认为被碱液完全吸收, 而 C H4被保留下 来利用排水法测定体积。 1. 5 工程化试验 在某医药化工厂现有的厌氧装置内进行工程化 连续试验,该厌氧装置采用 U A S B 反应器, 有效容积 500 m 3 ,底部采用分区域脉冲进水 ,设计进水 C O D 负 荷为 8. 0 k g / m 3 d , 在进水中添加 N a 2S O4控制 S O 2- 4浓度在 300 m g /L , 其他进水水质与前面试验用 水基本一致 。在 60 d 内对进出水 C O D浓度、V F A 浓 度和产气量等指标进行连续监测 ,考察系统运行的稳 定性。 2 结果与分析 2. 1 进水硫酸盐浓度对 C O D 去除率的影响 进水硫酸盐浓度对 C O D 去除率的影响如图 2和 图 3所示。对照 1号反应器即不添加硫酸盐时 ,出水 C O D 浓度平均值3 990 m g /L , C O D 去除率仅 50. 1。 4号 反应器出水 C O D浓度最 低, C O D去 除率为 71. 6; 6号反应器出水 C O D 浓度最高 , C O D 去除率 仅为 43. 6。因此, 硫酸盐添加量为 200 ～ 400 m g /L 时 ,对厌氧反应器的稳定运行都有促进作用, 硫酸盐 添加量为300 m g /L 时,厌氧反应器的运行效果最好。 □ 1号; △ 2号; ○ 3号; ◆ 4号; ■ 5号; ★ 6号 图 2 硫酸盐浓度对 C O D的影响 图 3 C O D 去除率的变化情况 2. 2 进水硫酸盐浓度对系统产甲烷量的影响 不同硫酸盐添加量对厌氧反应器的产甲烷影响 情况如图 4所示 , 甲烷产量按照进水单位 C O D 负荷 产气量来表征。由图 4可知, 4号反应器的产甲烷量 最高, 维持在 240 ～ 260 m L /g , 比 1号反应器提高了 42. 9; 6号反应器的产甲烷量最低, 比 1号反应器 下降了 31. 4。当硫酸盐添加量为 100 ～ 400 m g /L 时 ,随着硫酸盐添加量增加, 反应器产甲烷量不断上 升 ; 当硫酸盐添加量 400 m g /L 时 ,随着硫酸盐添加 量增加 ,产甲烷量下降 。 2. 3 进水硫酸盐浓度对出水硫化氢浓度的影响 硫酸盐浓度与出水 H2S 浓度的关系如图 5所示。 由图 5可知,随着硫酸盐添加量的增加,反应器出水硫 化氢浓度不断增加。 2号反应器的出水 H2S 浓度最 27 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 □ 1号; △ 2号; ○ 3号; ◆ 4号; ■ 5号; ★ 6号 图 4 硫酸盐浓度对产甲烷量的影响 低,平均浓度为 21 m g /L , 6号反应器的出水 H2S 浓度 最高 ,平均浓度为 115 m g /L 。每个厌氧反应器均能迅 速地产生 H2S , 表明厌氧反应器中硫酸盐还原菌的生 长繁殖相当快, 能在较短时间内大量繁殖并利用发酵 阶段的中间产物作为电子供体还原 S O 2- 4为 H2S 。 □ 1号; △ 2号; ○ 3号; ◆ 4号; ■ 5号; ★ 6号 图 5 硫酸盐浓度对出水硫化氢浓度的影响 2. 4 进水硫酸盐浓度对出水 V F A 浓度的影响 挥发性脂肪酸浓度可以反映厌氧反应器内微生 物之间代谢平衡的好坏以及厌氧反应器运行情况的 好坏。试验过程中各厌氧反应器出水挥发性脂肪酸 V F A 浓度的变化情况如图 6所示 。 ◎ 1号; ◆ 2号; ■ 3号; 4号; 5号; ★ 6号 图 6 硫酸盐浓度对出水 V F A 浓度的影响 由图 6可知 , 1号 ～ 4号反应器出水 V F A 浓度不 断降低 , 4号反应器出水 V F A 浓度最低 ,其平均浓度 为 30. 1 m g /L ; 5号 、6号反应器出水 V F A 浓度上升 , 6 号反应器最高 , 其平均浓度为 152. 6 m g /L 。结果表 明 ,添加适量硫酸盐可以促进厌氧消化过程中 V F A 的代谢 ,但过量的硫酸盐不但不会促进 V F A 的代谢, 反而会抑制 V F A 的代谢 ,造成 V F A 的积累。 2. 5 硫酸盐对实际厌氧反应器运行稳定性的影响 在某医药化工厂现有的 500 m 3 U A S B 反应器内 进行工程化处理研究, 在维持进水 S O 2- 4浓度为 300 m g /L 条件下连续 60 d 观察厌氧系统运行情况。 运 行 结 果 表 明在 维 持 进 水C O D 负 荷 为 8. 0 k g / m 3 d 条件下 , 厌氧系统单位负荷甲烷产 量稳定达到 0. 25 ～ 0. 28 m 3 /k g 。厌氧反应器内 V F A 浓度一直维持在 29. 6 ～ 35. 5 m g /L , 系统对 C O D的 去除率也稳定达到 70以上 ,表明该条件下整个厌 氧系统运行稳定 。 3 结论 1 当硫酸盐添加量为 300 m g /L 时, 厌氧反应器 的出水 C O D浓度最低, C O D 去除率为 71. 6, 反应 器运行效果最好; 同时厌氧反应器出水 V F A 浓度处 于最低水平 ,平均 V F A 浓度为30. 1 m g /L 。 2 当硫酸盐添加量在 400 m g /L 时, 反应器内产 甲烷量达到最大, 240 ～ 260 m L /g 。硫酸盐浓度降低 或过高都会引起厌氧系统产甲烷能力的下降。 3 厌氧出水 H2S 浓度随着进水 S O 2- 4浓度的增 加而增加。当进水中硫酸盐浓度为 500 m g /L 时 , 反 应器的出水 H2S 浓度达到115 m g /L 。 4 在500 m 3的 U A S B 反应器内运行结果表明 ,进 水添加硫酸盐后整体厌氧体系运行稳定 。 参考文献 [ 1] A b r a mJ W, N e d w e l l DB . I n i b i t i o no f m e t h a n o g e n e s i s b ys u l p h a t e r e d u c i n g b a c t e r i a c o m p e t i n g f o r t r a n s f e r r e d h y d r o g e n [ J ] . A r c h M i - c r o b i o l , 1987, 11789- 92. [ 2] 彭晶, 王爱杰, 任南琪, 等. 硫酸盐还原过程中氢分压的平衡与 调节[ J ] . 哈尔滨工业大学学报, 2004, 36 10 1288- 1293. [ 3] 钱泽澍. 硫酸盐对厌氧消化的影响 [ J ] . 中国沼气, 1994, 12 3 3- 6. [ 4] 钱泽澍, 莫文英, 闵航, 等. 硫酸盐浓度与不同基质有机废水厌 氧消化的关系[ J ] . 中国沼气, 1993, 11 1 7- 11. [ 5] 李清雪, 李龙和, 王欣, 等. C O D /S O 2 - 4 值对厌氧处理高浓度硫 酸盐废水的影响[ J ] . 中国给水排水, 2007, 23 13 73- 75. [ 6] 王敦球, 闫井玲, 鄢丹. 烟道气生物脱硫厌氧段影响因素的研 究[ J ] . 环境工程, 2007, 25 4 46-48. [ 7] P r a t a pC . S t a b l e p e r f o r m a n c e o f a n a e r o b i c d i g e s t i o n i n t h e p r e s e n c e o f a h i g hc o n c e n t r a t i o n o f p r o p i o n i c a c i d [ J ] .B i o r e s o u r c e T e c h n o l - o g y , 2001, 78 165-169. [ 8] 周彪, 谭志琼. 硫酸盐还原菌落活性的研究[ J ] . 污染防治技 术, 2008, 21 3 11- 13. [ 9] 刘永峰, 周兴求, 任健东.E G S B 反应器快速培养厌氧颗粒污泥 [ J ] . 环境工程, 2008, 26 3 32- 34. 作者通信处 陈立伟 210095 南京农业大学资环学院 E - ma i l c l w n j a u . e d u . c n 2009-03-05 收稿 28 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期