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    如何處理果膠廢水?(圖文)

    作者:北京中天恒遠(yuǎn) 發(fā)布于:2018-01-08 15:05:24瀏覽量:

      如何處理果膠廢水?中天恒遠(yuǎn)小編李德馨為您介紹,希望對(duì)您有所幫助。

      果膠主要是由α-1,4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的半乳糖醛酸與鼠李糖、 阿拉伯糖和其他中性糖相聯(lián)結(jié)的聚合物[1],此外還含有一些非糖成分如甲醇、 乙酸和阿魏酸. 目前,關(guān)于果膠廢水處理的方法主要包括復(fù)合絮凝劑處理、 混凝-吸附法處理、 果膠酶處理、 生物接觸氧化法處理. 利用復(fù)合絮凝劑和混凝-吸附法處理果膠廢水是比較快捷的去除果膠的方法,通過(guò)絮凝劑與果膠分子形成絮體而去除果膠,但容易產(chǎn)生二次污染,且后續(xù)脫色程序較繁瑣.果膠酶處理果膠廢水可以達(dá)到很好的效果,但處理費(fèi)用過(guò)高. 生物接觸氧化法處理果膠廢水時(shí),由于果膠具有較強(qiáng)的黏附能力,系統(tǒng)中的微生物會(huì)因果膠的包裹作用而失去活性,導(dǎo)致處理效率不高.果膠相對(duì)分子質(zhì)量在1萬(wàn)~40萬(wàn)之間.由于果膠具有良好的膠凝和增稠作用[2],在實(shí)際廢水處理工程中,果膠往往會(huì)堵塞污水管道,影響處理設(shè)施的正常運(yùn)行,降低處理效率.

      與上述處理方法相比,厭氧生物法[3, 4]具有運(yùn)營(yíng)成本低[5]、 產(chǎn)泥量少[6, 7]、 處理負(fù)荷高[8]、 能耗低[9]的優(yōu)點(diǎn),并可以回收甲烷能源[10].基于此,本研究采用馴化污泥降解果膠廢水,考察了果膠濃度、 溫度等因素對(duì)厭氧去除果膠和COD的影響,并利用GC-MS對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了分析,探究了果膠的降解途徑,以期為果膠廢水的實(shí)際處理工程提供參考.

      1 材料與方法

      1.1 接種污泥

      接種污泥取自長(zhǎng)沙市第二污水處理廠的剩余污泥.污泥粒徑為0.2~0.8 mm,污泥的MLSS為17.8~18.5 g ·L-1,MLVSS為12.4~13.8 g ·L-1.

      1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

      厭氧發(fā)酵罐14個(gè),其中1個(gè)大的發(fā)酵罐用于污泥的儲(chǔ)備與馴化,其余13個(gè)用于降解實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)工藝流程如圖 1所示.

      

     

      圖 1實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程示意

      1.3 實(shí)驗(yàn)方法

      1.3.1 污泥馴化

      污泥的接種與馴化均在大發(fā)酵罐(2?000 mL)中進(jìn)行,接種污泥先在培養(yǎng)基中培養(yǎng)1周,以維持良好的生物活性,此污泥作為初始污泥(即未馴化污泥).培養(yǎng)基成分[11]:COD(葡萄糖)2?000 mg ·L-1,NH4Cl 250 mg ·L-1,NaHCO3 600 mg ·L-1,KH2PO4 50 mg ·L-1,K2HPO4 50 mg ·L-1,CaCl2 50 mg ·L-1,NaCl 10 mg ·L-1,CoCl2 ·6H2O 5 mg ·L-1, FeCl3 25 mg ·L-1,MnCl2 ·4H2O 5 ?mg ·L-1?,AlCl3 32 mg ·L-1,H3BO4 5 mg ·L-1,ZnCl2 5 mg ·L-1.

      采用人工配水對(duì)上述污泥進(jìn)行馴化, 配水COD為3?000 mg ·L-1左右,接種污泥在以葡萄糖為唯一碳源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)13 d后,逐步添加果膠進(jìn)行馴化,添加量分別為:葡萄糖2?500 mg ·L-1+果膠500 mg ·L-1,7 d; 葡萄糖2?000 mg ·L-1+果膠1?000 mg ·L-1,6 d; 葡萄糖1?500 mg ·L-1+果膠1?500 mg ·L-1,8 d; 葡萄糖1?000 mg ·L-1+果膠2?000 mg ·L-1,7 d; 葡萄糖500 mg ·L-1+果膠2?500 mg ·L-1,7 d; 果膠3?000 mg ·L-1,7 d; 當(dāng)果膠與COD去除率達(dá)到90%以上時(shí),說(shuō)明馴化成功.

      1.3.2 果膠濃度對(duì)厭氧去除果膠和COD的影響

      將600 mL果膠廢水添加至小發(fā)酵罐(1?000 mL),接種上述馴化污泥,發(fā)酵罐中t=35℃、 pH為7.0左右、 VSS為10 g ·L-1. 接種后反應(yīng)器用氮?dú)獯? min,以驅(qū)除發(fā)酵罐中的空氣,然后置于恒溫水浴中培養(yǎng).

      1.3.3 溫度對(duì)厭氧去除果膠和COD的影響

      將600 mL果膠廢水添加至小發(fā)酵罐(1?000 mL),接種上述馴化污泥,發(fā)酵罐中果膠濃度為3?500 mg ·L-1、 pH為7.0左右、 VSS為10 g ·L-1. 接種后反應(yīng)器的密閉性處理如1.3.2節(jié)所述,然后分別置于不同溫度下培養(yǎng).

      1.3.4 厭氧中間產(chǎn)物分析

      取10 mL水樣在3?000 r ·min-1下離心10 min.然后移取2.0 mL上清液于分液漏斗中,加5 mL乙醚,振蕩4 min,靜置分層,取出上層有機(jī)相,同上步驟,重復(fù)3次,收集有機(jī)相.有機(jī)相加入無(wú)水硫酸鈉脫水,然后再置于K-D濃縮器中濃縮至約1.5 mL,供GC-MS分析進(jìn)樣.

      1.4 分析項(xiàng)目及方法

      COD:重鉻酸鉀滴定法; 揮發(fā)性脂肪酸(VFA):滴定法; MLSS:重量法; MLVSS:重量法[12]; 果膠:分光光度法;

      中間產(chǎn)物采用日本島津公司生產(chǎn)的GCMS-QP2010SE進(jìn)行GC-MS分析[13].色譜柱:HP5石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm i.d×0.25 μm); 載氣為高純He,流量為50 mL · min-1; 進(jìn)樣口溫度為250℃,柱溫為40℃,保持2 min后,以10℃ · min-1的速度升至240℃,保持10 min,然后以10℃ ·min-1的速度升溫至280℃,保持10 min; 進(jìn)樣方式為自動(dòng)進(jìn)樣,進(jìn)樣量為0.2 μL; 質(zhì)量掃描范圍:45~700 u; 電子轟擊能量為70 eV,倍增電壓為2?000 V,離子源溫度為200℃.

      2 結(jié)果與討論

      2.1 厭氧污泥馴化

      采用人工配制的廢水對(duì)厭氧污泥進(jìn)行馴化[14],馴化時(shí)間為55 d.馴化初期,由于微生物對(duì)果膠廢水沒(méi)有完全適應(yīng),導(dǎo)致了初期果膠和COD去除率分別只有74.7%和39.8%.隨著馴化的進(jìn)行,果膠和COD去除率逐步提高.由圖 2可見(jiàn),馴化過(guò)程中,果膠的添加量對(duì)馴化系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定影響,由于污泥中的微生物對(duì)果膠存在一個(gè)適應(yīng)期,當(dāng)廢水中果膠濃度突然變化時(shí),系統(tǒng)對(duì)COD的去除率有不同程度的降低.例如:馴化時(shí)間為20 d時(shí),果膠濃度從500 mg ·L-1上升到1?000 mg ·L-1,COD去除率從64.8%下降到36.4%,隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng),即21~26 d,由于微生物對(duì)果膠濃度的適應(yīng)及其自身利用果膠生長(zhǎng)繁殖,COD去除率逐漸增加并穩(wěn)定于70%.馴化前41 d,COD去除率為65%~85%,41~55 d,系統(tǒng)對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在90%以上,說(shuō)明馴化后的污泥具有較高活性. 55 d后,系統(tǒng)對(duì)果膠和COD的去除率均趨于穩(wěn)定,認(rèn)為厭氧污泥馴化成功.

      

     

      圖 2馴化期果膠濃度對(duì)系統(tǒng)去除率的影響

      2.2 馴化污泥與初始污泥(未馴化污泥)對(duì)果膠降解的比較

      分別選取初始濃度相同的馴化污泥和初始污泥,在相同條件下對(duì)果膠進(jìn)行降解,兩種污泥對(duì)果膠的降解效果見(jiàn)圖 3.

      

     

      圖 3馴化污泥與未馴化污泥對(duì)果膠降解效果的比較

      從圖 3可以看出,馴化污泥和初始污泥對(duì)果膠降解情況不同.初始污泥在前24 h內(nèi)對(duì)果膠降解速度較快,達(dá)到30.9 mg ·(L ·h)-1,這是由于厭氧污泥多孔性的物理結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的吸附能力,能夠吸附廢水中部分有機(jī)物.這種吸附包括物理吸附和生物吸附,以物理吸附為主,并能達(dá)到吸附平衡[15].24~144 h,果膠濃度緩慢減少,這可能是因?yàn)楣z中含有的部分半乳糖醛酸甲酯水解了[16].馴化污泥對(duì)果膠的降解則集中在前36 h,降解速率達(dá)到63.9 mg ·(L ·h)-1, 36 h后果膠濃度基本上不發(fā)生變化.從降解速率來(lái)看,馴化污泥對(duì)果膠的降解更快,這主要是由于馴化污泥中含有較多能降解果膠的微生物.從去除率來(lái)看,在120 h內(nèi),馴化污泥比初始污泥提高了59.2%,可見(jiàn)馴化污泥對(duì)果膠的降解能力更強(qiáng).

      2.3 果膠濃度對(duì)厭氧降解果膠廢水的影響

      從圖4(a)可以看出,厭氧馴化污泥能夠降解濃度大于4?500 mg ·L-1的果膠廢水. 反應(yīng)初期,各濃度下的降解速率均較快,降解曲線斜率很大,隨著降解時(shí)間的延長(zhǎng),降解速率逐漸下降,比較終接近于0.在果膠濃度為100、 500、 1?000、 2?500、 3?000、 4?500 mg ·L-1時(shí),厭氧降解果膠的平均速率分別為4.5、 23.1、 29.3、 49.8、 64.5和74.0 mg ·(L ·h)-1.由此可見(jiàn),隨著進(jìn)水果膠濃度的上升,厭氧降解速率逐步提高.從圖4(a)還可以看出,當(dāng)進(jìn)水果膠濃度為100 mg ·L-1時(shí),厭氧降解速率緩慢,厭氧降解24 h后,廢水中果膠殘留量為52.3 mg ·L-1.這主要是由于在低濃度碳源環(huán)境下,微生物新陳代謝活動(dòng)減弱,從而影響了酸化水解菌將果膠轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物的能力.由厭氧消化四階段理論可知,酸化水解階段大分子的有機(jī)物在細(xì)菌胞外酶的作用下分解成小分子有機(jī)物,有機(jī)物只是在形式和質(zhì)上發(fā)生了變化,而在數(shù)量上變化較小[17].因此廢水中果膠和COD的去除不能同時(shí)完成,為了進(jìn)一步了解廢水中中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化情況,實(shí)驗(yàn)分別考察了上述不同果膠濃度條件下,廢水中COD的變化情況,結(jié)果見(jiàn)圖4(b).

      

     

      圖 4不同進(jìn)水濃度下果膠和COD的厭氧降解曲線

      從圖4(b)可以看出,24 h內(nèi)COD降解速率較快,24~144 h降解速率逐步下降,144 h后COD基本上保持不變.144 h內(nèi),在果膠濃度為100、 500、 1?000、 2?500、 3?000、 4?500 mg ·L-1時(shí),厭氧污泥對(duì)COD的去除率分別為41.6%、 82.0%、 93.1%、 96.1%、 94.1%、 91.7%.在果膠濃度為1?000~4?500 mg ·L-1時(shí),系統(tǒng)對(duì)COD的去除率維持在91%以上.當(dāng)果膠濃度為100 mg ·L-1、 500 mg ·L-1時(shí),去除率卻相對(duì)較低.這主要是由于低濃度的果膠進(jìn)水不能滿足微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求,導(dǎo)致微生物繁殖和新陳代謝活動(dòng)均受到抑制,因而不利于果膠廢水的厭氧生物處理.

      綜上所述,進(jìn)水果膠濃度對(duì)厭氧降解果膠廢水中的果膠和COD的影響大致相同.在進(jìn)水果膠濃度為100~500 mg ·L-1時(shí),厭氧系統(tǒng)對(duì)果膠和COD的去除率分別為93.1%~98.3%、 41.6%~82.0%.而在進(jìn)水果膠濃度為1?000~4?500 mg ·L-1時(shí),厭氧系統(tǒng)對(duì)果膠和COD的去除率分別為98.9%~99.6%、 91.7%~96.1%,這與前者相比,果膠和COD的平均去除率分別提高了3.6%、 32.0%.當(dāng)進(jìn)水果膠濃度從1?000 mg ·L-1提高到4?500 mg ·L-1時(shí),系統(tǒng)對(duì)果膠和COD的去除率影響均較小.因此,馴化污泥適宜處理果膠濃度大于1?000 mg ·L-1的廢水.

      2.4 溫度對(duì)厭氧降解果膠廢水的影響

      溫度是影響厭氧消化的重要因素之一,在僅以溫度為變量的條件下分別進(jìn)行了厭氧污泥對(duì)果膠廢水的降解實(shí)驗(yàn),降解曲線如圖5所示.

      

     

      圖 5不同溫度下果膠和COD的厭氧降解曲線

      從圖5(a)可以看出,溫度較低時(shí),厭氧降解果膠速率較慢.溫度為5℃和15℃時(shí),在144 h內(nèi),厭氧污泥對(duì)果膠的降解不能達(dá)到穩(wěn)定,出水中果膠濃度為428.9~2?589.6 mg ·L-1.溫度為25℃和35℃時(shí),厭氧降解果膠分別可以在60 h和108 h達(dá)到穩(wěn)定,并且出水中檢測(cè)到的果膠濃度在70 mg ·L-1以下.當(dāng)溫度上升到45℃和55℃時(shí),厭氧污泥降解果膠在開(kāi)始的36 h內(nèi)就可以達(dá)到平衡,出水果膠濃度為65.5~73.8 mg ·L-1.馴化污泥降解果膠達(dá)到穩(wěn)定時(shí),當(dāng)降解溫度分別為5、 15、 25、 35、 45、 55℃時(shí),果膠的平均降解速度分別為5.3、 20.3、 28.1、 56.1、 92.6和93.6 mg ·(L ·h)-1.上述結(jié)果表明,在5~45℃厭氧污泥對(duì)果膠的降解能力隨著溫度的升高而提高,當(dāng)溫度高于45℃時(shí),厭氧污泥對(duì)果膠的降解速率變化很小.這與Ahring等[18]得出的結(jié)論相似: 不同底物的厭氧消化在其比較優(yōu)范圍內(nèi)對(duì)有機(jī)物的去除率隨溫度的升高而增加,超出比較適溫度,去除率不隨溫度升高反而下降.這主要是由于溫度升高時(shí),一方面厭氧污泥吸附果膠分子的速率增大,另一方面溫度較高時(shí),酸化水解菌中酶的活性會(huì)受到影響.總體來(lái)說(shuō),45~55℃時(shí)處理效果達(dá)到比較優(yōu).

      由圖5(b)可以看出,144 h時(shí),各溫度下對(duì)COD的去除率大小表現(xiàn)為:35℃>25℃>45℃>15℃>55℃>5℃.在5~35℃,厭氧污泥對(duì)果膠廢水中COD的降解能力隨著溫度的升高而提高,當(dāng)溫度高于35℃時(shí),厭氧污泥對(duì)果膠廢水中COD的降解能力逐漸變小.這說(shuō)明在厭氧降解果膠廢水過(guò)程中,產(chǎn)甲烷菌的比較適溫度為35℃.溫度太低時(shí),抑制微生物的生長(zhǎng)與酶的活性,從而影響COD的去除. 溫度過(guò)高(>35℃)則會(huì)使得產(chǎn)甲烷菌體內(nèi)酶發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的破環(huán),從而導(dǎo)致COD去除率大幅度下降.

      綜上所述,厭氧污泥在不同溫度下降解果膠廢水時(shí),酸化水解菌和產(chǎn)甲烷菌不能同時(shí)達(dá)到比較優(yōu)去除效果.綜合考慮果膠和COD的降解情況,當(dāng)溫度為25~45℃時(shí),厭氧污泥對(duì)果膠廢水具有較好處理效果.

      3 果膠的厭氧降解方式

      采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)對(duì)果膠厭氧降解的中間產(chǎn)物進(jìn)行了分析,結(jié)果如表1所示,檢出中間產(chǎn)物中的主要有機(jī)物是乙酸、 丙酸、 低級(jí)酯、 烷基醇(C12~C40).

      

     

      表1 果膠厭氧降解中間產(chǎn)物中的主要有機(jī)物

      推測(cè)果膠的厭氧降解途徑[19]如圖 6.

      

     

      圖 6果膠的厭氧降解過(guò)程

      果膠分子中的單體半乳糖醛酸中的C—O—C鍵首先斷裂,果膠分子聚合度下降,然后低聚合度的中間體近一步降解生成揮發(fā)性酸、 H2等,比較后被徹底分解成CH4和CO2.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

      4 結(jié)論

      (1)厭氧污泥經(jīng)過(guò)55 d馴化,對(duì)3?000 mg ·L-1果膠廢水的果膠和COD去除率均穩(wěn)定在90%以上,與未馴化厭氧污泥處理果膠廢水相比,馴化后的污泥對(duì)果膠去除率提高了59.2%.

      (2)馴化污泥能夠降解初始濃度大于4?500 mg ·L-1的果膠廢水.果膠濃度越高,降解速率越快. 果膠濃度為100和500 mg ·L-1時(shí),果膠降解速率分別為4.5和23.1 mg ·(L ·h)-1,而濃度為2?500和4?500 mg ·L-1的果膠廢水,降解速率分別為49.8和74.0 mg ·(L ·h)-1.果膠初始濃度低于500 mg ·L-1,COD去除率較低,僅為41.6%~82.0%.果膠初始濃度高于1?000 mg ·L-1,COD去除率穩(wěn)定在91%以上.

      (3)溫度越高,降解果膠所需的時(shí)間越短. 5℃時(shí),降解144 h后,出水果膠濃度為2?589.6 mg ·L-1,而溫度為55℃時(shí)僅需36 h,出水果膠濃度可在80 mg ·L-1以下. 隨著溫度在5~35℃范圍內(nèi)變化,厭氧污泥對(duì)果膠廢水中COD的去除率從38.6%逐漸增加到91.5%,當(dāng)溫度高于35℃時(shí),厭氧污泥對(duì)果膠廢水中COD的去除率逐漸降低.

      (4)果膠可能的厭氧降解途徑為:果膠分子中的單體半乳糖醛酸中的C—O—C鍵首先斷裂,然后低聚合度的中間體進(jìn)一步降解生成揮發(fā)性酸、 H2等,比較后被徹底分解成CH4和CO2。
     

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