改進(jìn)厭氧反應(yīng)器處理淀粉廢水

傳統(tǒng)的UASB 反應(yīng)器容易出現(xiàn)配水不均勻、溝流、跑泥、抗沖擊負(fù)荷能力低、對(duì)SS 去除效果不佳等問題。改良的厭氧反應(yīng)器是將傳統(tǒng)的UASB 反應(yīng)器內(nèi)三相分離器變換成填料，形成填料層截留污泥，使截留的污泥層形成類似于生物膜的二次處理。同時(shí)通過增設(shè)外循環(huán)系統(tǒng)，在外加動(dòng)力的輔助下利用回流使反應(yīng)器保持污泥床穩(wěn)定的膨脹和擾動(dòng)，可避免配水不均勻和溝流等現(xiàn)象；同時(shí)回流水也可以起到一定稀釋的作用，增強(qiáng)反應(yīng)器抵抗負(fù)荷沖擊的能力；外循環(huán)可提供足夠的水力剪切力，促進(jìn)絮狀污泥向顆粒污泥轉(zhuǎn)化。在外動(dòng)力的攪拌下懸浮起的污泥中較大顆粒污泥在自身重力作用下沉降于反應(yīng)器底部，而較小的懸浮污泥被填料截留下來，附著在填料上形成生物膜，因此在反應(yīng)器內(nèi)形成活性污泥與膜共處理的模式。

本試驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)UASB 進(jìn)行了改良，并運(yùn)用改良后的反應(yīng)器對(duì)玉米淀粉廢水進(jìn)行處理，玉米淀粉廢水特性是水量大，可生化性強(qiáng)且水質(zhì)簡(jiǎn)單，含有較多的微固體顆粒有利于污泥顆�；�的聚核；同時(shí)為該厭氧反應(yīng)器提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究采用的工藝流程如圖1 所示。該厭氧反應(yīng)器是自行設(shè)計(jì)加工，反應(yīng)器呈圓柱形，由有機(jī)玻璃加工而成，內(nèi)徑為450 mm，高為750 mm，反應(yīng)器有效容積為100 L。反應(yīng)器內(nèi)部裝有倒扣漏斗形狀的吸口，與外部動(dòng)力相連接形成外循環(huán)，通過攪拌使進(jìn)水和污泥良好接觸；同時(shí)在反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)設(shè)有填料層，起到截留污泥和形成上部污泥層薄膜的骨架；底部采用倒傘狀進(jìn)水布水系統(tǒng)。該反應(yīng)器配備有加熱、保溫設(shè)備，沿池壁向上依次平均開有3 個(gè)取樣口，在反應(yīng)器底部留有排泥口。同時(shí)該反應(yīng)器用黑布包裹，避免光照影響厭氧微生物生長(zhǎng)。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

取自某淀粉廠的二沉池廢水，水質(zhì)指標(biāo)：COD為2 835～3 507mg/L，BOD5為1 543～2 178mg/L，SS 質(zhì)量濃度為900～1 350mg/L，pH 為6～9。

1.3 接種污泥

接種污泥來自某污水廠的厭氧反應(yīng)罐，Vs/Ss=0.63，污泥沉降性能良好，接種量為45 L。將接種污泥放在500mg/L 的COD 的溶液中浸泡3～4 d。對(duì)污泥進(jìn)行馴化，淘洗后接種。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目

水質(zhì)分析方法采用國(guó)標(biāo)：COD 重鉻酸鉀法；MLSS、MLVSS 采用標(biāo)準(zhǔn)重量法；pH：SARTORIUSPB-10 pH 儀；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量：滴定法；污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡( SEM) 觀察：JSM-6390 LV JEOL Japan 。

1.5 反應(yīng)啟動(dòng)條件及控制

1.5.1間歇進(jìn)水條件

該反應(yīng)器在常溫下采用間歇底部進(jìn)水，進(jìn)水溫度維持在（35±2）℃，根據(jù)進(jìn)水濃度確定進(jìn)水時(shí)間，一般為:10～30min，進(jìn)水完成后開啟外動(dòng)力循環(huán)攪拌裝置攪拌60 s，沉淀時(shí)間是HRT 從16 h 遞減降至4 h，出水時(shí)間為5min。

1.5.2連續(xù)進(jìn)水和運(yùn)行階段控制要求

進(jìn)水方式：采用底部連續(xù)進(jìn)水，每30min 開啟外動(dòng)力攪拌裝置攪拌30 s，以確保配水均勻與污泥接觸。運(yùn)行一定時(shí)間后，采用頂部進(jìn)水對(duì)填料進(jìn)行反沖洗，確保填料不因堵塞而影響填料的功能和效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)運(yùn)行期進(jìn)水負(fù)荷對(duì)處理效果的影響

反應(yīng)器啟動(dòng)期的主要目的是以培養(yǎng)顆粒污泥為主，兼達(dá)到反應(yīng)器的設(shè)計(jì)負(fù)荷。所以本研究采用間歇的方式啟動(dòng)，在啟動(dòng)成功后采用連續(xù)進(jìn)水模式運(yùn)行。間歇模式啟動(dòng)的進(jìn)水初始COD 為1 000mg/L，同時(shí)依據(jù)COD 去除率來提升進(jìn)水負(fù)荷，并檢驗(yàn)反應(yīng)器去除效果優(yōu)與差。在每個(gè)進(jìn)水負(fù)荷提升之后，改良厭氧反應(yīng)器的COD 去除率都會(huì)受到影響有所下降；同時(shí)又能在較短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)對(duì)COD 的去除。啟動(dòng)運(yùn)行期改良反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水COD 的去除效果如圖2 所示。

由圖2 可以看出，改良UASB進(jìn)水COD在1000～3 000mg/L 波動(dòng)，啟動(dòng)前期COD 的去除率較低，主要因?yàn)槲⑸�物需要適應(yīng)改變的生存環(huán)境。在隨后的時(shí)間里，微生物逐漸適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境，COD 去除率在不斷上升，在第20 天COD 去除率為82%。從圖2 中明顯的可以看出，去除率有3 次不同的下降，這是因?yàn)榉磻?yīng)器負(fù)荷提升的原因，但又在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。在第35 天后，進(jìn)水COD 的負(fù)荷從2 000mg/L 升至3 000mg/L 后，去除率出現(xiàn)了較大的波動(dòng)從89%下降至74%。但在第45 天反應(yīng)器的去除率又達(dá)到了82%，說明反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，微生物的活性也是最佳的狀態(tài)。同時(shí)在提升進(jìn)水負(fù)荷的同時(shí)也縮短了HRT，由剛啟動(dòng)時(shí)期的16 h 縮短至4 h，啟動(dòng)前35 天采用的是間歇模式，COD 去除率均值為78.6%；后25 天采用連續(xù)進(jìn)水，HRT=4 h，COD 去除率均值在82.6%。在第35 天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有大量的顆粒污泥存在，這標(biāo)志著反應(yīng)器啟動(dòng)成功；同時(shí)UASB反應(yīng)器的容積負(fù)荷達(dá)到了20.16 kg/(m3·d)。也就是說反應(yīng)器啟動(dòng)利用微攪動(dòng)間歇模式啟動(dòng)，可以較為快速的啟動(dòng)成功。

2.2 填料的截留

能否較好地截流反應(yīng)器內(nèi)的污泥，使污泥的停留時(shí)間與HRT 相分離，是衡量該改良反應(yīng)器的填料能否替代傳統(tǒng)的三項(xiàng)分離器處理裝置的一個(gè)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)是處理高濃度廢水，所以只檢查出水中的SS。

在反應(yīng)器間歇進(jìn)水期，反應(yīng)步驟為進(jìn)水- 攪拌-沉淀- 出水，包括了靜置沉淀的時(shí)間。測(cè)定出水的SS 均值為343mg/L。

為了較好的說明填料層對(duì)污泥的截留作用，在反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水期間控制進(jìn)水中的SS 質(zhì)量濃度。該反應(yīng)器擁有外動(dòng)力循環(huán)攪拌裝置，過強(qiáng)的攪拌會(huì)使污泥難以聚集。李亞新[2]等通過對(duì)不同攪拌頻率的研究表明攪拌對(duì)COD 的去除沒有影響，但會(huì)對(duì)出水的SS 有影響。故該試驗(yàn)攪拌是每30min，攪拌60 s。每90min 取1 次樣品約100 mL，并測(cè)定其SS 質(zhì)量濃度，結(jié)果如表1 所示。

由表1 可以看出，在每個(gè)半點(diǎn)取樣測(cè)得的SS 高于整點(diǎn)的數(shù)值，因?yàn)槊總�(gè)半點(diǎn)是在攪拌之后取樣，而整點(diǎn)是靜置30min 之后，攪拌之前取樣，不同的取樣能較好說明填料層對(duì)污泥的截流效果。在HRT 為4 h 時(shí)，反應(yīng)器利用填料層對(duì)SS 的去除均值266.6mg/L 左右，低于沒加入填料層時(shí)的出水SS 值。劉書燕 的研究說明： HRT 在6 h 以下，HRT 變化對(duì)UASB 去除水中SS 成負(fù)相關(guān)。而該反應(yīng)器對(duì)SS 的去除趨勢(shì)較為明顯，所以利用軟性填料代替三相分離器是可行的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)填料層上形成有厭氧污泥膜，這有利于增加反應(yīng)器的去除效率。

2.3 不同HRT 與VFA 含量關(guān)系

該反應(yīng)器啟動(dòng)采用2 種模式啟動(dòng)，先間歇后連續(xù)，所以在2 種啟動(dòng)模式下VFA 和HRT 是不同的。啟動(dòng)運(yùn)行期VFA 的變化與HRT 的情況如圖3 所示。

由圖3 可以看出，VFA 累積的時(shí)期是在前35天內(nèi)，基本上是采用間歇模式啟動(dòng)進(jìn)水期間，VFA的累積量最大為987mg/L。較高的VFA 累積符合Law rence 和McCarty 試驗(yàn)結(jié)果，即乙酸、丁酸、丙酸順次消長(zhǎng)模式，在這一理論指導(dǎo)下，厭氧操作要求對(duì)污泥消化時(shí)揮發(fā)性有機(jī)酸（VFA) 的濃度不得高于2 000mg/L，本試驗(yàn)VFA 最高在間歇模式向連續(xù)模式轉(zhuǎn)變的過程中VFA 累積達(dá)到最大。VFA 的累積量是隨著每次負(fù)荷提升而增加，這也說明了在間歇模式下啟動(dòng)反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力和對(duì)VFA 的累積適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于連續(xù)模式啟動(dòng)。在連續(xù)進(jìn)水的最后測(cè)ρ（VFA）=166mg/L，這一結(jié)果與胡紀(jì)萃的UASB研究結(jié)果：UASB 反應(yīng)器產(chǎn)生的VFA 不得大于300mg/L 相符合。從圖中可以看出，由間歇進(jìn)水轉(zhuǎn)變成連續(xù)進(jìn)水過程中VFA 在降低，一個(gè)很緩和的過度。主要因?yàn)榍捌诘拈g歇進(jìn)水達(dá)到了VFA 積累的最大值，微生物適應(yīng)了在這個(gè)最大VFA 積累環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌同時(shí)也達(dá)到了良好的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。因此，沒有出現(xiàn)因連續(xù)運(yùn)行條件下VFA 大量累積引起的酸敗。

2.4 VFA 與pH 的關(guān)系

pH 是影響厭氧反應(yīng)的重要因素之一。厭氧微生物酶的穩(wěn)定及細(xì)胞對(duì)基質(zhì)的吸收，均受到pH 的影響。VFA 是厭氧反應(yīng)過程中產(chǎn)生的重要中間產(chǎn)物，例如乙酸、丙酸、丁酸等，都會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)的pH發(fā)生變化。因此，監(jiān)測(cè)pH 與VFA 的變化規(guī)律可以預(yù)測(cè)厭氧反應(yīng)變化，有效的控制反應(yīng)效率，降低反應(yīng)器酸敗風(fēng)險(xiǎn)。

由圖4 可以看出，在該反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行期間，反應(yīng)器pH 維持在6.70～7.20 之間，基本上滿足了厭氧微生物不同階段的酸堿條件。同時(shí)因?yàn)檫M(jìn)水負(fù)荷的改變，引起pH 的波動(dòng)，導(dǎo)致出水VFA 的濃度變化形成負(fù)相關(guān)性。在反應(yīng)器由間歇進(jìn)水模式向連續(xù)流轉(zhuǎn)變的過程中pH 降低到6.69，而最大VFA 濃度卻早于該pH 點(diǎn)的出現(xiàn)。因此可以說VFA 的變化影響著pH 的變化。所以僅從pH 的檢測(cè)尚不能較為直接的反映出厭氧反應(yīng)的潛在問題，這是因?yàn)閜H 是檢測(cè)溶液中的氫離子濃度，而揮發(fā)性脂肪酸都是有機(jī)弱酸，不能完全電離，導(dǎo)致pH 的變化比VFA 的變化滯后許多，因此VFA 才是控制厭氧反應(yīng)器的關(guān)鍵參數(shù)。

最后在連續(xù)進(jìn)水模式下VFA 快速下降以滿足連續(xù)模式下微生物的活性，增強(qiáng)了反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力，降低反應(yīng)器因進(jìn)水濃度波動(dòng)而引起的酸積累。

2.5 污泥電鏡

厭氧污泥的顆�；�是個(gè)相對(duì)復(fù)雜的物理化學(xué)與微生物的過程，經(jīng)過許多學(xué)者的不懈努力提出許多關(guān)于厭氧污泥顆粒化的理論和模型：主要包括物理化學(xué)模型（選擇壓模型、惰性核模型、EPS 吸附架橋模型、多價(jià)陽離子吸附架橋模型、合成和天然聚合物吸附架橋模型等）、結(jié)構(gòu)模型（Capetown 模型、Spaghetti 理論和多層模型、第二最小值粘附模型、局部脫水和疏水交互作用模型、表面張力模型、營(yíng)養(yǎng)型共生微生物群落模型等）、質(zhì)子遷移脫水理論和細(xì)胞間通信模型等。

污泥掃描電鏡圖像如圖5 所示。圖5（a）為該顆粒污泥是底部顆粒污泥樣品：顆粒污泥呈現(xiàn)圓盤形態(tài)，盤面布滿很多小孔，可以設(shè)想泥核內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是緊促密實(shí)，而是含有通道的蓬松結(jié)構(gòu)。一部分廢水在顆粒污泥表面積上發(fā)生降解反應(yīng)；而另一部分廢水通過盤面通道進(jìn)入核心與核內(nèi)微生物發(fā)生生化反應(yīng)，同時(shí)通過通道輸出廢物和生化反應(yīng)所產(chǎn)生的CH4和CO2，這樣可以大大提高微生物的去除效率。圖5（b）為頂部填料層中污泥電鏡圖，可以清晰的觀察到該污泥層是以棒狀桿菌和絲狀菌為主。而頂部污泥層是底部污泥層中較小顆粒上浮，通過填料層截留下來形成的。一方面降低了出水中的細(xì)小物質(zhì)，另一方面對(duì)廢水進(jìn)行二次類似生物膜去除。

3 結(jié)論
試驗(yàn)采用了先間歇模式啟動(dòng)運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：F/M 值的高低交替變化，既保證了反應(yīng)期間高的去除率，又使得沉淀階段有較高的沉降效率；由于反應(yīng)器采用間歇進(jìn)水和間歇攪拌，因此不會(huì)產(chǎn)生短流等問題；間歇進(jìn)水反應(yīng)器本身就是沉淀池，不必再另外設(shè)置沉淀池。最后采用正常的連續(xù)流進(jìn)水，有機(jī)負(fù)荷達(dá)到了20.16 kg/(m3·d)，而出水中的SS 質(zhì)量濃度平均為266.6 mg/L，說明填料能很好的截留污泥，減少污泥流失，起到了較好的水、固、氣的分離。優(yōu)于傳統(tǒng)的三相分離器，降低了該反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)成本。

該改良反應(yīng)器采用間歇攪拌，在一定范圍內(nèi)提高了上升流速，強(qiáng)化物質(zhì)的傳質(zhì)效果，同時(shí)也提高COD 去除率，達(dá)到了78%以上；其較佳的攪拌頻率為30 min 攪拌一次，時(shí)長(zhǎng)約為30 s。
在間歇- 連續(xù)模式下反應(yīng)器能較好的適應(yīng)水力的沖擊負(fù)荷，這也為工業(yè)實(shí)踐中具有周期生產(chǎn)的行業(yè)在處理廢水提供一個(gè)例證。