关键技术高盐度废水处理基本工艺.doc

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高盐度废水解决工艺高含盐废水种类诸多,石油、页岩气开采,电镀、制药、印染、发酵工业、海产品加工废水等都具有较高浓度无机盐组分如Cl-等。生物解决办法是当前广泛采用高盐废水解决办法,虽然高含盐废水中较高盐度会影响生物解决效果,但若采用其她办法,如膜分离等技术则成本较高,因此生物解决仍是首选解决办法。盐度影响生物解决效果重要因素在于：在生物解决办法中,重要是运用活性污泥或生物膜、颗粒污泥中微生物新陈代谢来吸附降解废水中污染物,而高盐度会引起高渗入压,使微生物细胞脱水,同步也会抑制微生物降解有机物反映效率,从而影响生物解决办法效果。因而,在解决高含盐废水时应当选取可以耐受高盐度影响生物反映器。迄今为止,已进行过盐度影响实验研究生物反映器有膜生物反映器、移动床生物膜反映器、升流式厌氧污泥床(up-flowanaerobicsludgeblanket,UASB)反映器、上流式厌氧生物滤池反映器、EGSB反映器等,由于颗粒污泥在盐度负荷冲击下可以体现出更高适应能力,UASB等可以培养出厌氧颗粒污泥生物反映器得以在解决高含盐废水时有更多应用研究,但同步从反映器解决效果和微生物角度分析研究较少。EGSB是在UASB基本上发展起来第三代厌氧反映器,与UASB相比有更好运营效果。本次研究运用模仿高盐度废水,从盐度影响下EGSB反映器运营效果和厌氧颗粒污泥两个方面进行分析比较,并对厌氧颗粒污泥做高通量测序,以期为EGSB反映器应用于高含盐工业废水实际解决提供参照实验数据。1、材料与办法1.1实验装置实验用EGSB反映器由圆筒形有机玻璃制成,总高1.4m,内径0.12m,总容积为15.52L,有效容积为15.18L。回流口在距反映器底部1.19m位置,三相分离器圆环挡板距离顶部0.16m,三相分离集气罩呈圆锥形,底部直径0.1m,顶部直径0.03m,高0.08m,排气通道高0.07m,集气罩、排气通道和EGSB反映器上盖密闭。投加颗粒污泥于反映器中,进水和回流分别通过蠕动泵从反映器底部进入。颗粒污泥、沼气、废水三相在反映器中混合,随着水流上升至三相分离器,沼气进入集气罩,而大某些废水通过集气罩与挡板间缝隙进入出水区,颗粒污泥由于重力作用,在遇到挡板和集气罩壁后,下降至污泥层,因而能较好地实现气、液、固三相分离。1.2实验用水人工配备模仿高盐废水用于本次实验,通过进水中逐渐增长盐度对EGSB反映器进行驯化。人工配水重要由葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、NaCl和营养液配制而成,葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4分别作为人工配水中微生物生长代谢所必要C、N、P源,三者投加量比例为C:N:P=250:5:1,后期调节为125:5:1。采用NaCl提供人工配水中盐度,对微生物进行盐度驯化,其投加量逐渐由0增长到7500mgL-1。营养液中包括微生物生长所需要微量元素,其构成成分详见表1。表1 营养与构成成分1.3分析项目及办法COD采用迅速测定法,测定仪器为5B-3(C)型COD迅速测定仪(中华人民共和国连华科技);湿式气体流量计用于计量沼气产量;颗粒污泥粒径分布用湿式筛分法测定;颗粒污泥沉降速度采用重量沉降法。厌氧颗粒污泥高通量测序：按照OMEGA公司E.Z.N。ATMMag-BindSoilDNAKit试剂盒阐明书中环节提取厌氧颗粒污泥微生物中DNA,用琼脂糖凝胶检测DNA完整性。细菌PCR扩增采用引物为341F:CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG(barcode)CCTACGGGNGGCWGCAG,805R:GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVGGGTATCTAATCC。古菌引用槽式PCR扩增有三轮,第一轮使用引物为340F：CCCTAYGGGGYGCASCAG,1000R：GGCCATGCACYWCYTCTC,第二轮引物为349F：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTN(barcode)GYGCASCAGKCGMGAAW,806R：GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGGACTACVSGGGTATCTAAT,第三轮扩增,引入Illumina桥式PCR兼容引物。PCR结束后,将PCR产物进行琼脂糖电泳检测,DNA纯化回收,运用Qubit2。0DNA检测试剂盒对回收DNA精准定量,以以便按照1:1等量混合后测序。委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行IlluminaMiSeq高通量测序,测序数据通过质量控制预解决,去除嵌合体及靶区域外序列后,在OTU聚类成果基本上进行RDP分析。预解决采用软件为Prinseq(版本0.20.4)与FLASH(版本1.2.3),去除嵌合体及靶区域外序列采用软件为Mothur(版本1.30.1),分类采用软件为RDPclassifier。1.4实验办法实验通过调节EGSB反映器进水中Cl-浓度来增长反映器盐度负荷,在0盐度下持续启动反映器后分4个阶段逐渐提高进水中Cl-浓度,各阶段进水中Cl-浓度依次为、3500、5000和7500mgL-1。在每个阶段测定反映器进出水COD值、容积产气率、厌氧颗粒污泥粒径分布和沉降速度。对Cl-浓度为0和5000mgL-1两个阶段厌氧颗粒污泥进行高通量测序和宏基因组分析。接种厌氧颗粒污泥来自于某饮料生产公司污水解决站UASB反映器中形成颗粒污泥,接种颗粒污泥体积占EGSB反映器总容积50%。反映器水力停留时间(hydraulicretentiontime,HRT)为24h,回流比R为6:1,反映器温度使用电阻丝温控器控制在(352),进水pH值维持在6.8-7.2,进水COD浓度维持在3267mgL-1,COD容积负荷为3.267kg(m3d)-1。2、成果与讨论2.1盐度对COD降解影响EGSB反映器在控制进水COD浓度、进水COD容积负荷、pH等因素基本不变运营条件下受不同盐度(以Cl-浓度计)影响,COD降解效率变化状况如图1所示。图中a、b、c、d、e这5个某些进水Cl-浓度依次为0、3500、5000、7500mgL-1,在反映器启动后114dCl-浓度曾调节为10000mgL-1,随后停止进水,3d后又恢复到7500mgL-1(图中以虚线标示),下同图1 COD降解效率变化Cl-浓度低于7500mgL-1时EGSB反映器COD降解效率受到影响不大,恰本地提高盐度更能增进COD降解。反映器完毕启动后,COD平均去除率为76.2%,出水COD平均浓度为699.2mgL-1。当进水Cl-浓度为mgL-1,COD去除率略有减少,但与前一阶段相比仍有升高,且依然呈增长趋势,平均去除率为79.2%,出水COD平均浓度为678.25mgL-1。当进水Cl-浓度提高到3500mgL-1,反映器COD去除率未受到明显影响,持续升高,平均去除率达到87.7%,出水COD平均浓度为401.9mgL-1。反映器在2500mgL-1和3000mgL-1Cl-浓度下COD去除率都能保持较快增长速率,并且在3500mgL-1Cl-浓度下去除率增长比前一阶段更快。反映器运营第51d开始,进水Cl-浓度增长到5000mgL-1,反映器COD去除率有所减少,但依然能维持在80%以上,整个阶段中COD去除率在波动中逐渐上升,COD平均去除率为90.5%,出水COD平均浓度为307。1mgL-1;考虑到出水COD浓度波动较大,COD去除率应有进一步提高空间,在反映器运营第91d对进水条件做出调节,将进水中N、P浓度增长一倍，为反映器中微生物增长氮源磷源供应。当进水Cl-浓度进一步调节到7500mgL-1,反映器COD平均去除率为98.1%,没有明显波动,出水COD平均值为61.08mgL-1;由于COD去除率在7500mgL-1进水Cl-浓度下没有受到影响,在反映器启动第114d曾一度将进水Cl-浓度提高到10000mgL-1,但在调节次日EGSB反映器中厌氧颗粒污泥即浮现了严重上浮流失现象,随后停止进水,2d后将进水Cl-浓度恢复为7500mgL-1。由于调节及时,在此期间COD降解并未受到很大影响,反映器也不久恢复如前。在5000mgL-1Cl-浓度下,EGSB反映器通过接近2个月驯化后COD降解能力还能进一步提高,Cl-浓度达到7500mgL-1时,反映器COD去除率可以不受影响稳定维持在最高水平。2.2盐度对容积产气率影响容积产气率重要反映了厌氧反映器产沼气状况,其在很大限度上反映了厌氧反映器有机物降解状况。当进水Cl-浓度在7500mgL-1如下时,反映器容积产气率随盐度提高会在浮现一定波动后逐渐提高,最后稳定维持在一种较高水平。从图2可以看出,在a、b段,反映器容积产气率都比较稳定,没有太大变化,平均为0.91m3(m3d)-1.42d后,随着Cl-浓度增大到3500mgL-1,容积产气率波动很大,但整个阶段平均值比前一阶段有增长,为1.19m3(m3d)-1;结合同阶段COD去除率变化可见,与整体厌氧消化过程相比,产甲烷过程对盐度变化更敏感。当Cl-浓度为5000mgL-1,反映器容积产气率在初期有下降趋势,在延长驯化时间并调节进水N、P浓度后,容积产气率又逐渐上升,整个阶段平均值为1.39m3(m3d)-1;这个阶段变化趋势与COD去除率变化相近。在图中e段,反映器容积产气率在7500mgL-1Cl-浓度下略有下降,通过一段时间驯化后,反映器容积产气率又逐渐回答到本来水平,维持在1。63m3(m3d)-1左右。图2 容积产气率变化反映器容积产气率受到盐度影响变化状况与COD降解变化状况比较相似,在盐度提高时会受一定影响,而持续驯化一段时间后又逐渐恢复并能在原有水平上进一步提高;不同是盐度变化对产气影响更大,在图2中容积产气率数据波动很大,不如COD降解率变化平稳。2.3盐度对厌氧颗粒污泥影响在反映器运营不同阶段分别取样测定了反映器中厌氧颗粒污泥粒径分布与沉降速度参数,粒径分布与沉降速度可以体现颗粒污泥整体状态与降解性能,作为反映器内厌氧污泥主体,EGSB反映器中颗粒污泥状态是反映器运营效果核心,颗粒污泥状态与特性影响着厌氧反映器解决效率、体系活性及系统稳定性等。从图3及表2可以看出,在盐度冲击下,大颗粒污泥受到影响解体为小颗粒污泥,使小颗粒污泥所占比重上升。当Cl-浓度增长到7500mgL-1且短暂调至10000mgL-1后,粒径在0.9-0.6mm颗粒污泥大量解体成为粒径不大于0.6mm微小颗粒污泥,与前面几种运营阶段相比变化较大。在徐英博等实验中,颗粒污泥粒径分布在高负荷下也体现出相似变化,分析其原由于大颗粒污泥中微生物较为丰富,构造复杂,生长优势明显,而0.9-0.6mm颗粒污泥较易受影响浮现解体,粒径减小。在其她较低盐度下,颗粒污泥粒径分布变化可以保持在一种较小范畴内。Cl-浓度在0-7500mgL-1变化时,粒径不不大于2mm大颗粒污泥所占质量分数始终在50%以上,并且在Cl-浓度调节到3500mgL-1后,粒径不不大于2mm大颗粒污泥所占质量分数尚有较低增幅,可见颗粒污泥在这个级别盐度负荷下适应良好。图3 厌氧颗粒污泥照片表2 厌氧颗粒污泥粒径分布(质量分数)/%如图4所示,同等粒径范畴内厌氧颗粒污泥沉降速度受盐度影响不大,粒径不不大于0.9mm颗粒污泥沉降速度始终在60mh-1以上,除粒径不不大于2mm颗粒污泥外其她粒径较小颗粒污泥沉降速度均有一定提高。研究表白,废水浮力随盐度增长而提高,导致高含盐量体系可以在系统中保存更为密实颗粒污泥,而大颗粒污泥内部容易营养局限性引起细胞自溶形成空腔,从而密度下降,影响沉降速度。图4 颗粒污泥沉降速度变化2.4盐度对微生物群落多样性影响为进一步分析盐度对厌氧颗粒污泥体系中微生物群落多样性影响,分别对Cl-浓度为0和5000mgL-1两个反映器运营阶段厌氧颗粒污泥进行高通量测序和宏基因组分析,表3、4及图5、6分别展示了2个阶段中古菌和细菌在门水平和属水平分类层面上类群分布状况。表3 古菌门水平类群分布表4 细菌门水平类群分布图5 古菌属水平类群分布图6 细菌属水平类群分布在盐度影响下,微生物群落优势菌群变化很大。Cl-浓度为0时,古菌中优势菌属是Methanoregula与Methanothrix,分别占总数50.01%与32.59%,而当Cl-浓度达到5000mgL-1,占据优势菌属则是Methanobacterium(57.5%),Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%)。Methanoregula属于广古菌门(-Euryarchaeota)甲烷微菌目(-Methanomicrobiales),重要代谢底物是H2、CO2。Methanothrix之前曾用名是Methanosaeta,属于专性乙酸营养型产甲烷古菌,有研究显示Methanosaeta适于在高负荷下生长。Methanobacterium属于广古菌门甲烷杆菌目(-Methanobacteriales),可以运用H2、甲酸盐、甲醇等底物生产甲烷,Methanospirillum属于广古菌门甲烷微菌目,其重要代谢底物为甲酸。Methanoregula,Methanothrix,Methanobacterium,Methanospirillum等都是厌氧消化器中常用产甲烷菌属。在细菌群中,Cl-浓度为0时门水平上重要菌群是-Chloroflexi(23.86%),-Proteobacteria(18.99%),-Bacteroidetes(11.27%),当Cl-浓度达到5000mgL-1,占据主体菌群则变为-Bacteroidetes(29%),-Proteobacteria(23.17%)和-Firmicutes(18.06%)。在属水平上没有特别优势菌属,在两个不同阶段优势最大细菌分别是Longilinea(7.49%)与Paludibacter(7.69%)。Longilinea属于绿弯菌门(-Chloroflexi)厌氧绳菌目(-Anaerolineales),可代谢各种碳水化合物。Paludibacter属于拟杆菌门(-Bacteroidetes)紫单胞菌科(-Porphyromonadaceae),能发酵各种单糖和二糖产丙酸、乙酸和少量丁酸。当Cl-浓度为0时,在细菌测序分析中发现了古菌-Euryarchaeota,由于细菌与古菌16SrDNA基因序列有较高同源性,在对细菌测序分析时也有也许发现古菌,-Euryarchaeota在Cl-浓度达到5000mgL-1时在细菌测序中不再占据优势,表白盐度增高影响了古菌生长。3、结论(1)在COD容积负荷为3.267kg(m3d)-1运营条件下,EGSB反映器在Cl-浓度不大于7500mgL-1时运营效果较好,随着Cl-浓度提高,反映器运营效果基本体现出波动后提高变化。最后Cl-浓度在7500mgL-1时,反映器COD平均去除率在98.1%,容积产气率可以基本稳定在1.3m3(m3d)-1以上。在盐度驯化后,恰当提高盐度可以提高反映器运营效果。(2)保持反映器COD容积负荷为3.267kg(m3d)-1,反映器中厌氧颗粒污泥对于0-7500mgL-1范畴内Cl-浓度体现出良好适应性,大颗粒污泥在盐度提高影响下依然占据反映器颗粒污泥主体,而在Cl-浓度短暂提高到10000mgL-1冲击下,粒径较小颗粒污泥容易受到影响,浮现解体现象。同等粒径范畴内厌氧颗粒污泥沉降性能在高盐废水影响下有小幅度提高,并且大颗粒污泥沉降速度保持在60mh-1以上。(3)盐度影响了厌氧颗粒污泥中微生物类群分布,群落中优势菌群变化很大。当Cl-浓度由0增长到5000mgL-1,古菌群中优势菌群由Methanoregula(50.01%)和Methanothrix(32.59%)变为Methanobacterium(57.5%),Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%);细菌群中,原本数量较多Longilinea(7.49%)受盐度影响丰度减少,Paludibacter(7.69%)成为占据优势菌群。