三相生物流化床處理模擬丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水

三相生物流化床處理模擬丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水

丙烯酸是一種重要的化工原料，廣泛應用于合成廢物、粘度、乳化劑、涂料等領域。三相生物流化床是將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法相結合并引入化工流態(tài)化技術的一種新型廢水生物處理裝置.與傳統(tǒng)生物處理工藝相比,其具有載體生物量大、有機負荷高、反應器容積小、產(chǎn)泥少、污泥齡長、處理效率高等優(yōu)點本研究采用三相生物流化床處理模擬丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水,旨在探索其在高有機負荷下處理此類廢水的可行性,開發(fā)一種處理成本低、運行穩(wěn)定的高負荷丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水處理技術.1材料和方法1.1載體表面改性采用的三相生物流化床工藝流程如圖1所示.三相生物流化床為有機玻璃加工成的圓筒型反應器,有效體積12L,采用比表面積大、過水通氣性能良好、傳質效率高的聚氨酯泡沫作為載體.該載體由于表面經(jīng)化學修飾后帶有正電荷,有利于微生物細胞在載體表面的附著.同時該載體附著生物膜后,密度與水相近,流化所需的能量較低,已成功應用于高濃度含酚廢水和染料廢水的處理1.2模擬高含鹽廢水試驗所用廢水為自配水,其有機物組成詳見1.4節(jié).微生物生長所需N、P分別由氯化銨和磷酸二氫鉀提供,按照COD∶N∶P=100∶5∶1的質量比配制,進水pH用氫氧化鈉調節(jié)至中性.為模擬高含鹽廢水,自配水加入10g/L的NaCl.1.3微生物指標COD:快速消解法,CTL-12型化學需氧量速測儀;氨氮:納氏試劑比色法,752N型紫外可見分光光度計;污泥指數(shù):標準質量法;載體外部及內部微生物形態(tài):QUANTA200掃描電子顯微鏡;丙烯酸、對甲基苯磺酸1.4相生物流化床運行試驗在曝氣量充足的條件下,考察進水丙烯酸濃度、對甲基苯磺酸濃度、容積負荷、水力停留時間對廢水處理效果的影響,具體試驗過程如下.(1)反應器的啟動流化床接種污泥取自北京某市政污水處理廠活性污泥,以葡萄糖自配水進行悶曝培養(yǎng),24h后連續(xù)進水,保持水力停留時間為6h,3周后載體表面生物膜生長飽滿,膜表面有鐘蟲等原生動物附著生長,通過掃描電子顯微鏡可觀察到載體內外均大量生長著長桿菌、短桿菌和球菌,此時溶解性COD去除率達80%以上,反應器完成啟動.(2)進水丙烯酸濃度的影響控制進水COD為1500mg/L,丙烯酸濃度按50、100、200、400、800、1125mg/L梯度逐步提高,不足的碳源由葡萄糖補充,研究進水丙烯酸質量濃度對三相生物流化床處理效果的影響.(3)對甲基苯磺酸濃度的影響在丙烯酸作為單一碳源后,逐步加入50、100、150mg/L對甲基苯磺酸,相應降低丙烯酸濃度以保證進水COD為1500mg/L,考察對甲基苯磺酸對廢水處理效果的影響.(4)容積負荷(OLR)的影響提高進水COD至2000mg/L,即丙烯酸濃度1245mg/L,對甲基苯磺酸濃度200mg/L,考察容積負荷由6kg/(m(5)水力停留時間(HRT)的影響通過蠕動泵調節(jié)進水流速,研究HRT分別為8、6、4h條件下,三相生物流化床對丙烯酸、對甲基苯磺酸、COD的去除效果.(6)高濃度廢水試驗維持容積負荷不變,提高進水COD至10000mg/L(丙烯酸濃度6244mg/L,對甲基苯磺酸濃度1000mg/L),研究三相生物流化床對高濃度丙烯酸丁酯廢水的處理能力.2結果與分析2.1微生物防治及出水污染物該運行階段歷時66d,進水丙烯酸質量濃度對廢水處理效果的影響如圖2所示.三相生物流化床運行至第25d,載體表面生物膜生長飽滿,流化床對葡萄糖去除率穩(wěn)定在80%以上,反應器完成啟動,進水中開始加入50mg/L的丙烯酸,沒有發(fā)現(xiàn)反應器運行異常.第28d丙烯酸濃度提高到100mg/L,第30d觀察到載體表面生物膜近乎完全脫落,出水COD由之前的129mg/L升高到422mg/L,說明100mg/L的丙烯酸對流化床中的微生物毒害作用明顯,經(jīng)過12d的馴化,恢復正常.逐步提高丙烯酸濃度至200、400和800mg/L,未見對微生物有明顯抑制作用.第65d丙烯酸濃度提高到1125mg/L,此時進水不含葡萄糖,COD完全由丙烯酸提供,觀察到載體表面生物膜有脫落跡象,出水懸浮物增多,反應器內壁以及溢流堰上附著生長的生物膜消失.經(jīng)檢測出水COD有所升高,流化床運行第82d恢復正常,此時載體上的生物濃度(以VSS計)為2853mg/L.由圖2可知,保持進水COD在1500mg/L左右,容積負荷約為6kg/(m2.2對甲基苯磺酸對苯甲酸的降解作用反應器運行第至91d,流化床出水COD穩(wěn)定在120mg/L以下,開始加入50mg/L對甲基苯磺酸,待反應器穩(wěn)定運行后,逐步提高對甲基苯磺酸濃度至150mg/L.由圖3可知,剛開始加入對甲基苯磺酸時,其去除率只有30%~40%,生物膜大量脫落,出水懸浮物增多.說明50mg/L的對甲基苯磺酸對流化床中的微生物有毒害作用,但COD去除率未見明顯下降,經(jīng)10d左右的培養(yǎng),對甲基苯磺酸能夠被完全去除,之后盡管對甲基苯磺酸濃度提高,仍可以被完全去除.由圖3可知,對甲基苯磺酸濃度提高到100mg/L、150mg/L之后幾天的出水中偶爾能檢測到幾mg/L丙烯酸,運行1星期之后丙烯酸能夠被全部去除.可見經(jīng)過馴化150mg/L的對甲基苯磺酸對丙烯酸的降解無抑制作用.2.3累積負荷對處理效果的影響反應器連續(xù)運行152d,進水COD提高到2000mg/L,由圖4可知,容積負荷由6kg/(m2.4相生物流化床運行情況水力停留時間直接影響污染物的去除率,水力停留時間長,容積負荷低,去除率高,但基建費用與運行成本相應增加,因此選擇合適的水力停留時間至關重要.本試驗考察了HRT為6、8、4h,三相生物流化床對丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水的處理效果.運行期間主要試驗參數(shù)見表1,運行情況如圖5所示.由圖5可知,在HRT為6h條件下,出水COD為84~117mg/L,達到GB8978-1996規(guī)定的二級排放標準;延長HRT至8h,出水COD為76~100mg/L,雖處理效果稍微變好,但仍不能達到一級排放標準;縮短HRT至4h,出水COD為101~283mg/L,平均為199mg/L,達到GB8978-1996規(guī)定的三級排放標準.此外,3個不同的HRT下,出水中均未檢出這2種物質,說明三相生物流化床對丙烯酸及對甲基苯磺酸可完全去除.2.5脂肪酸和對甲基苯磺酸耐藥脂肪酸丁酯生產(chǎn)廢水反應器連續(xù)運行255d,提高進水COD至10000mg/L,為保持容積負荷不變,水力停留時間延長至30h.由圖6可知,進水COD提高后,出水COD由之前的200mg/L左右升高至1010mg/L,出水中檢測到244mg/L丙烯酸、137mg/L對甲基苯磺酸,馴化5d后丙烯酸、對甲基苯磺酸均能夠被完全去除,2周后出水COD維持在271~360mg/L,COD去除率達到96.8%.研究結果表明,采用三相生物流化床處理含丙烯酸和對甲基苯磺酸的丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水,可在7.96~9.83kg/(m2.6載體外部的金相分布三相生物流化床處理丙烯酸和對甲基苯磺酸混合廢水達到穩(wěn)定時(運行第152d),反應器中載體生物膜及懸浮污泥掃描電鏡照片如圖7所示.圖7(a)為流化床內懸浮態(tài)活性污泥的形態(tài),微生物種類豐富,以桿菌、球菌為主.圖7(b)為流化床中載體外部附著生長的微生物形態(tài),與懸浮態(tài)污泥相比,絲狀菌明顯增多,微生物種類以桿菌、球菌、絲狀菌為主.載體表面附著生長大量絲狀菌,一方面將具有污染物降解能力的絲狀菌保留在廢水處理系統(tǒng)中,另一方面防止了污泥膨脹、污泥沉降性能下降等問題的發(fā)生.圖7(c)為流化床中載體內部附著生長的微生物形態(tài),微生物種類以長桿菌與球菌為主,絲狀菌較少,并存在以球菌和桿菌分別占優(yōu)勢的區(qū)域,與載體外部的菌落明顯不同.圖7(d)為流化床中載體外部放大400倍的電鏡照片,可清晰看見輪蟲、鐘蟲的存在,說明三相生物流化床內水質良好.由此可知,由于多孔載體對氧氣和污染物的傳質阻力的存在,使得三相生物流化床中存在混合液、載體外部、載體內部等多種不同的微環(huán)境,并有其各自不同的優(yōu)勢菌種.從而保證了生物流化床對廢水中有毒有機污染物的高效處理.3其他類型廢水目前研究的含丙烯酸廢水生物處理技術以厭氧工藝為主,但由于丙烯酸對厭氧微生物的毒害作用,厭氧工藝多存在污染物去除率低,運行不穩(wěn)定等問題.如Demirer等好氧法處理丙烯酸及其酯類廢水的相關研究較少,周平等綜上所述,采用以聚氨酯泡沫為流化載體的三相生物流化床處理含丙烯酸和對甲基苯磺酸的丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水,與焚燒法、催化濕式氧化法相比,能耗低,投資和運行成本少.與厭氧處理工藝相比,可以承受更高的進水有毒有機物濃度,容積負荷高,出水水質穩(wěn)定,且能夠完全去除廢水中的丙烯酸和對甲基苯磺酸.與以石英砂和陶粒為流化載體的傳統(tǒng)生物流化床相比,由于采用了密度較小的流化載體,載體流化的啟動能耗低,噸水處理成本低,且可在更高的有機負荷條件下獲得更好的出水水質,具有廣闊的應用前景.4生物流化床運行效果(1)進水100mg/L丙烯酸對流化床中未馴化微生物具有一定的毒害作用,進水50mg/L對甲基苯磺酸會對丙烯酸的降解產(chǎn)生抑制.經(jīng)過馴化,流化床對2種污染物的耐受和降解能力將提高.(2)當進水COD為1837~2216mg/L,HRT為6h,COD負荷<8.86kg/(m