厭氧折流板反應(yīng)器處理制糖廢水的啟動(dòng)試驗(yàn)研究

　　廣西的蔗糖產(chǎn)量占全國的 1/2 以上，因此而產(chǎn)生的制糖廢水也成為廣西主要工業(yè)污染源之一 。 制糖廢水屬于中高濃度有機(jī)廢水，普遍采用生化法進(jìn)行處理，以厭氧法、好氧法、土地處理為主 。目前我國大部分糖廠采用的是好氧法，如接觸氧化法、 活性污泥法等。 但好氧法的能耗較高、 有機(jī)負(fù)荷較小 ，當(dāng)進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷變化較大時(shí)，好氧法出水不易達(dá)標(biāo)〔1〕。而厭氧生物處理技術(shù)具有能耗低 、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn) 〔2, 3〕，筆者采用厭氧折流板反應(yīng)器 (ABR) 處理制糖廢水，對其啟動(dòng)過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，并在此基礎(chǔ)上分析了其內(nèi)部微生態(tài)情況，為 ABR 處理制糖廢水的實(shí)際應(yīng)用提供一定借鑒。

　　1 試驗(yàn)部分

　　1.1 試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)所用廢水為人工模擬：以蔗糖為基質(zhì)，由 NH4HCO3 和KH2PO4 提供 N 和 P，維 持 m (COD) ∶ m(N)∶m(P)=200∶5∶1 ; 為了使反應(yīng)器具有足夠的緩沖能力，試驗(yàn)中添加 NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度 ，并添加一定量的微量元素 ，以保證微生物的生長需要 。 試驗(yàn)所用 NH4HCO3、KH2PO4、NaHCO3 均為分析純。

　　試驗(yàn)接種的污泥取自桂林市七里店污水 處理廠的污泥濃縮池，靜置 2 d，過濾去除較大的雜質(zhì)后，按反應(yīng)器隔室有效容積的 1/2 投加。

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　ABR 裝置采用有機(jī)玻璃加工制作，有效容積為 25.7 L，其中上流室與下流室的寬 度比為 3 ∶1，為使泥水充分混合并維持較高的濃度，將折板處設(shè)計(jì)成 45 °。 試驗(yàn)過程中控制溫度在(32 ±1) ℃，進(jìn)水經(jīng)蠕動(dòng)泵進(jìn)入反應(yīng)器，在反應(yīng)器中上下折流前進(jìn)，經(jīng)出水口排出 ，氣體由集氣管收集后通過水封排放。 試驗(yàn)裝置如圖 1 所示。

 圖 1 試驗(yàn)裝置

　　1.3 分析方法

　　COD 采用重鉻酸鉀法測定，pH 以 pHS-3C 型精密 pH 計(jì)( 上海精密科學(xué)儀器有限公司 ) 測定，揮發(fā)酸、 堿度采用揮發(fā)酸和堿度聯(lián)合測定法 〔4〕進(jìn)行測定，輔酶 F420 采用紫外分光光度法 〔5〕測定，產(chǎn)甲烷活性采用史式發(fā)酵法 〔6〕測定 ，污泥顆粒以 FEI Quanta 200 FEG 型掃描電鏡( 荷蘭飛利浦) 觀察，VSS 采用重量法測定。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 啟動(dòng)期間COD 及 pH 的變化情況

　　試驗(yàn)采用低負(fù)荷啟動(dòng)，在水力停留時(shí)間不變的情況下，逐步提升 COD 負(fù)荷 〔7〕。 啟動(dòng)時(shí)水力停留時(shí)間 為 24 h，進(jìn) 水 COD 由 1 200 mg/L 逐 步 提 高 到 2 400 mg/L，啟動(dòng)期間 COD 的變化情況如圖 2 所示。

 圖 2 啟動(dòng)期間 COD 變化情況

　　在啟動(dòng)初期，ABR 出水略有渾濁，有部分細(xì)泥隨出水流出，出水的 pH 較低，COD 去除率在 30%以下; 同時(shí)反應(yīng)器的第 1 和第 2 隔室水面生成灰白色油膩狀絮凝物質(zhì)。連續(xù)運(yùn)行 20 d 后，COD 去除率達(dá)到 40%，產(chǎn)氣量也逐漸增加，出水 pH 穩(wěn)定在 6.6~ 6.9，出水渾濁度降低，反應(yīng)器中產(chǎn)生絮狀污泥 并逐漸 沉 淀 。 此 后 逐 步 增 加 COD 至 2400 mg/L，經(jīng) 歷 68 d，COD 去除率達(dá)到 92%以上，顆粒污泥明顯形成，啟動(dòng)成功。

　　2.2 啟動(dòng)期間揮發(fā)酸及堿度的變化情況

　　揮發(fā)酸(VFA) 和堿度是厭氧反應(yīng)的重要指標(biāo)，對啟動(dòng)期間各隔室的 VFA 與堿度進(jìn)行分析，如圖 3、圖 4 所示。

 圖 3 啟動(dòng)期間VFA變化情況
 
圖 4 啟動(dòng)期間堿度變化情況

　　由圖 3、圖 4 可知，反應(yīng)初期由于污泥剛剛馴化，整個(gè)反應(yīng)器的 VFA 偏高，同時(shí)堿度波動(dòng)較大，其中第 1 隔室的 VFA 最大 ，達(dá) 到 22.69 mmol/L，而 堿度最低為 10.69 mmol/L。 雖然啟動(dòng)過程中每個(gè)周期(7 d 為 1 個(gè)周期) 的進(jìn)水負(fù)荷一直變化，但隨著污泥顆粒的逐步成熟，ABR 內(nèi)部的抗沖擊負(fù)荷能力逐漸提高，所以 VFA 和堿度都趨于平穩(wěn)。 同時(shí)從圖 3 可以看出 ，啟動(dòng)過程中第 1 隔室的抗沖擊性最大，VFA 的濃度也最大，這與其他文獻(xiàn)研究一致 〔8〕。 而圖 4 中堿度的變化則恰好相反，堿度在后面的隔室逐漸累積，導(dǎo)致后幾個(gè)隔室的濃度高于第 1 隔室。

　　2.3 微生態(tài)特征及顆粒污泥的馴化情況

　　2.3.1 污泥的產(chǎn)甲烷活性分析

　　在厭氧處理工藝中產(chǎn)甲烷活性是一個(gè)重要指標(biāo) ，所謂產(chǎn)甲烷活性是指單位質(zhì)量的污泥在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最多的甲烷量 〔5〕。 試驗(yàn)采用史氏發(fā)酵法測定反應(yīng)器各隔室中 5 mL 污泥的產(chǎn)甲烷活性，結(jié)果如 圖 5 所示。

 圖 5 各隔室累積的甲烷量隨時(shí)間的變化

　　在試驗(yàn)觀測的14 h 中 ，前 2~3 h 為增長時(shí)期，甲烷產(chǎn)量迅速增長; 此后則是穩(wěn)定時(shí)期，甲烷增加幅度減小 。 其中第 1 隔室與第 3 隔室的產(chǎn)氣量較低，而第 4 隔室和第 5 隔室的甲烷產(chǎn)量較多，分別達(dá) 9、 11.2 mL。 由此可見 ，甲烷產(chǎn)生過程主要集中在第 4 與第 5 隔室當(dāng)中 。

　　2.3.2 輔酶 F420 分析

　　輔酶 F420 是產(chǎn)甲烷細(xì)菌特有的一種酶，在甲烷的形成過程中發(fā)揮著重要作用，常作為厭氧污泥活性的測定指標(biāo) 〔5〕。 對各個(gè)隔室的輔酶 F420 含量進(jìn)行測定 ，ABR 各隔室顆粒污泥的輔酶 F420 含量分別為 0.25、0.41 、0.67、1.19、1.25 μmol/g。 第 4、 第 5 隔室顆粒污泥的輔酶 F420 含量明顯高于第 1 、 第 2 隔室 ，這主要是由于第 1 隔室的菌群以產(chǎn) 酸菌為主 ，而第 4 隔室以產(chǎn)甲烷菌為主，其整體趨勢與前述產(chǎn)甲 烷活性的相一致。 同時(shí)表明 ，ABR 反應(yīng)器的產(chǎn)甲烷階段主要集中在第 4 與第 5 隔室。

　　2.3.3 小瓶靜態(tài)批量試驗(yàn)

　　小瓶靜態(tài)批量試驗(yàn)是通過各個(gè)隔室污泥對不同濃度 COD 的去除情況來分析各隔 室的優(yōu)勢菌群，從而判斷菌群的分布情況 〔9〕，結(jié)果如圖 6 所示。

 圖 6 不同 COD 負(fù)荷下各隔室的 COD 去除率

　　由圖 6 可知，當(dāng)進(jìn)水 COD 為 1 000 mg/L 時(shí)，第 1 隔室的去除率提升最快，由 30%提到 82.6%，其他隔室均提升了 20%~40%，說明在低負(fù)荷情況下污泥中的產(chǎn)酸菌可在短時(shí)期內(nèi)接受較大沖擊，活性較好，有機(jī)物被大量降解。 當(dāng) COD 增加到 2 000 mg/L 時(shí) ，后面幾個(gè)隔室的 COD 去除率提升較快，尤其第 5 隔室從 20.1%提高到 53.8%，說明產(chǎn)甲烷菌開始活躍 ，并利用第 1 隔室產(chǎn)生的酸 合成甲烷 。 當(dāng)小瓶中的 COD 由 3 000 mg/L 提高到 4 000 mg/L 時(shí) ，各隔室的 COD 去除率普遍較高，除第 1 隔室外都達(dá)到 50%以上，這可能是由于前面隔室的 VFA 太高 ，受到的沖擊負(fù)荷過高，緩沖時(shí)間短，使反應(yīng)受到抑制 ，而后面隔室的產(chǎn)甲烷菌開始大量活躍，從而提高去除率。 整體而言 ，ABR 具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力 。

　　2.3.4 顆粒污泥掃描電鏡分析

　　當(dāng) ABR 對 COD 的去除率達(dá)到 90%時(shí)，取各隔室顆粒污泥進(jìn)行電鏡掃描。通過掃描電鏡觀察可知，污泥顆粒已經(jīng)達(dá)到成熟，各個(gè)隔室都有一定的 優(yōu)勢菌群。 第 1 隔室以桿菌為主，第 2 隔室中由桿菌組成的鏈狀結(jié)構(gòu)很明顯 ，第 3 隔室和第 4 隔室則是優(yōu)勢的鏈狀菌并伴有絲狀菌群和部分球菌 ，第 5 隔室中發(fā)現(xiàn)八疊球菌并伴有絲狀菌 。 該結(jié)果與其他學(xué)者的研究結(jié)果較接近〔9〕。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)采用ABR 處理制糖廢水的啟動(dòng)過程中，保持水溫為 33 ℃ 、HRT 為 24 h，進(jìn) 水 COD 從 1200 mg/L 逐 步 提 高 到 2400 mg/L，經(jīng) 過 68 d，ABR 的 COD 去除率達(dá)到 92%以上，啟動(dòng)成功 。

　　(2)啟動(dòng)過程中，第 4、第5 隔室污泥的產(chǎn)甲烷活性高于其他隔室，同時(shí)第 4、第 5 隔室顆粒污泥的輔酶 F420 含量明顯高于第 1 、 第 2 隔室 ，表明產(chǎn)甲烷過程主要集中在第 4、 第 5 隔室。

　　(3)ABR 啟動(dòng)成功后，污泥顆粒已達(dá)到成熟，各隔室均有一定的優(yōu)勢菌群。第 1 隔室以桿菌為主，第 2 隔室中由桿菌組成的鏈狀結(jié)構(gòu) 較為明顯，第 3 隔室和第 4 隔室則是優(yōu)勢的鏈狀菌并伴有絲狀菌群和部分球菌，而在第 5 隔室發(fā)現(xiàn)了八疊球菌等優(yōu)勢菌 。