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印染废水的主要污染特征为可生化性差、有机物含量高、色度深, 是工业废水处理研究中被关注的重点水污染源.随着含氮含硫染料和化学助剂的使用, 印染废水也伴随着氮、硫的污染, 已有学者开始重视氮的去除研究, 而硫的去除常被忽视.印染废水中的硫主要以硫酸盐和硫化物两种形态存在, 《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB 4287—2012)对硫化物的排放提出了要求, 硫酸盐本身对环境没有危害, 但其在一定条件下能够转化为硫化物, 进而危害环境。
针对印染废水特点及其治理研究的现状, 本文研究采用了“UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)-缺氧好氧-混凝沉淀”组合工艺, 以苏州一家印染企业排放的综合性印染废水为处理对象进行中试研究, 最终实现了有机物、色度、氮、硫的同步去除, 并且在对调试成功的数据分析的基础上初步研究了各个反应器内的氮、硫转化去除机理. UASB作为该组合工艺中的核心反应器, 对实现同步去除COD、脱氮、除硫起到了关键作用.因此, 本文在前期研究基础上, 从对最佳工况条件下运行数据分析、微生物学菌种鉴定和小试3个方面, 重点对UASB反应器内碳、氮、硫的协同去除机理进行研究, 以期为后续研究提供理论参考.

1、 材料与方法

1.1 中试概况

中试在苏州某印染厂进行, 该厂以印染纯棉纤维、涤纶、腈纶和棉混纺织物为主, 排放的是综合性印染废水.废水pH为7.0~10.0, 水温为30~40 ℃, 其它主要指标为CODCr 452~775 mg˙L-1、BOD5 98~185 mg˙L-1、色度400~600倍、NH4+-N 22.5~40.6 mg˙L-1、TN 70.3~102.3 mg˙L-1、NO3--N 1.2~1.8 mg˙L-1、TP 0.3~0.5 mg˙L-1、SO42- 44.7~80.3 mg˙L-1、S2- 32.5~41.8 mg˙L-1、SS 225~400 mg˙L-1, 未检测出NO2--N和单质硫(S0).

中试装置于2014年3月启动成功, 然后进行参数优化得出：控制UASB水力负荷0.4 m3˙m-2˙h-1(冬季反应器温度低于15 ℃时降至0.3 m3˙m-2˙h-1), 活性污泥A反应器DO=0.5~0.8 mg˙L-1, B反应器DO=0.2 mg˙L-1, 接触氧化反应器采用渐减曝气且气水比为12:1, 混凝剂PAC(10%)和PAM(0.1%)投加量分别为1.2 mL˙L-1和0.9 mL˙L-1, 絮凝30 min, 实现了C、N、S的同步去除, 出水指标达到并优于《纺织染整工业水污染物排放标准》(GB4287—2012)的直接排放标准, 且连续半年运行表明, 工艺稳定.具体工艺流程如图 1所示.

图 1中试系统工艺流程图

1.2 UASB反应器

1.2.1 中试装置

UASB为目前应用广泛的高效厌氧反应器之一, 优于普通水解酸化池.反应器由污泥反应区、气液固三相分离器、沉淀区和气室组成, 具体如图 2所示.反应器规格为2 m×2 m×5 m(长×宽×高), 均分为4个单元, 有效容积18 m3, 三相分离器(共4个)高0.8 m, 集气罩斜面坡度60°, 沉淀区斜面高度0.4 m、坡度55°, 布水区高0.8 m, 超高0.4 m, 设计进水流量1 m3, 即水力负荷0.25 m3˙m-2˙h-1.由提升泵抽取, 从底部分两道进水, 并采用环形均匀布水方式, 具体如图 2中底视图所示.接种污泥取自苏州某污水厂二沉池含水率82%的剩余污泥, 接种量15 g˙L-1.反应器先采用低负荷启动, 原水经自来水稀释至CODCr为200 mg˙L-1, 用硫酸调节pH为7.0~8.0, 以0.6 m3˙h-1连续进水, 5 d后逐步减少自来水用量, 提高进水COD, 经过15 d驯化, 松散污泥转变为絮状污泥.再以原水作为进水, 以正常负荷启动, 并逐步提高水力负荷至设计值0.25 m3˙m-2˙h-1, 经过40 d培养, 形成了颗粒污泥, 粒径为0.9~3.5 mm, 沉降性良好, MLVSS约48 g˙L-1, VSS/SS为0.51, CODCr去除率为35%~41%, 即反应器启动成功.由于进水水温为30~40 ℃, 反应器内能够达到中温消化所需的温度.

UASB反应器示意图

图 2 UASB反应器示意图(a.剖视图, b.顶视图, c.底视图; 1.进水, 2.污泥层, 3.悬浮层, 4.三相分离器, 5.沉淀区, 6.出水, 7.气体)

1.2.2 小试装置

小试反应器采用有机玻璃自制, 尺寸为15 cm×100 cm(直径×高度), 外置加热棒于水中进行水浴加热, 控制为中温消化, 接种污泥取自中试UASB反应器内已培养好的颗粒污泥, 温度控制与污泥浓度同中试UASB反应器.由于小试反应器接种污泥取自已培养好的颗粒污泥, 因此, 无需长时间菌种培养.进水取自中试系统进水, 调节pH为7.0~8.0, 连续运行5 d, 出水即达到了中试UASB反应器的出水标准, 启动成功.

1.3 检测方法

1.3.1 常规指标检测

COD、色度、NH4+-N、TN、TKN、NO3--N、NO2--N、S2-、SO42-、SS、TP测定按国家环保总局发布的《水和废水监测分析方法》(第4版)进行;温度、pH采用便携式测定仪(HACH, America, SensION1)测定;BOD5测定采用BOD快速测定仪(HACH, America, TrakTMⅡ);对于S0的测定, 有研究得出可以采用液相色谱法和分光光度法, 本文采用分光光度法.

1.3.2 微生物检测

污泥样品取自中试UASB反应器污泥层, 取样后装入无菌袋密封, 利用实时荧光定量PCR, 并委托上海欧易公司采用454高通量测序技术进行微生物菌群鉴定, 实验流程为：
①DNA提取：使用E.Z.N.A Soil DNA试剂盒(OMEGA公司)抽提基因组DNA, 并用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提DNA完整性;
②PCR扩增：按指定测序区域合成带有5′454 A、B接头-特异引物3′的融合引物, PCR仪为ABI GeneAmp9700型, 采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶, 每个样品3个重复, 将同一样品PCR产物混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测, 并用AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒切胶回收, Tris-HCl洗脱;
③荧光定量：参照电泳检测结果, 将PCR产物用QuantiFluorTM-ST荧光定量系统(Promega公司)进行检测定量, 之后按照每个样品测序量进行相应比例混合;EmPCR和Roche GS FLX+测序所用试剂分别为Roche GS FLX Titanium EmPCR Kits(Lib-L)和Roche GS FLX+ Sequencing Method Manual _XLR70 kit;
④生物信息学分析：去除序列末端后引物和接头序列、低质量碱基、barcode标签序列、前引物序列, 丢弃长度短于200 bp、模糊碱基数>0、序列平均质量低于25的序列, 提取非重复序列, 与Silva数据库中已比对的核糖体序列数据库(16S/18S, SSU)进行比对, 并采用Mothur软件将OTU中序列与Silva数据库比对, 找出最相近且可信度达80%以上的种属信息。