改進(jìn)厭氧反應器處理淀粉廢水

傳統的UASB 反應器容易出現配水不均勻、溝流、跑泥、抗沖擊負荷能力低、對SS 去除效果不佳等問(wèn)題。改良的厭氧反應器是將傳統的UASB 反應器內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(lèi)似于生物膜的二次處理。同時(shí)通過(guò)增設外循環(huán)系統，在外加動(dòng)力的輔助下利用回流使反應器保持污泥床穩定的膨脹和擾動(dòng)，可避免配水不均勻和溝流等現象；同時(shí)回流水也可以起到一定稀釋的作用，增強反應器抵抗負荷沖擊的能力；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器底部，而較小的懸浮污泥被填料截留下來(lái)，附著(zhù)在填料上形成生物膜，因此在反應器內形成活性污泥與膜共處理的模式。

本試驗對傳統UASB 進(jìn)行了改良，并運用改良后的反應器對玉米淀粉廢水進(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)為該厭氧反應器提供數據支持和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本研究采用的工藝流程如圖1 所示。該厭氧反應器是自行設計加工，反應器呈圓柱形，由有機玻璃加工而成，內徑為450 mm，高為750 mm，反應器有效容積為100 L。反應器內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(guò)攪拌使進(jìn)水和污泥良好接觸；同時(shí)在反應器的反應區設有填料層，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。該反應器配備有加熱、保溫設備，沿池壁向上依次平均開(kāi)有3 個(gè)取樣口，在反應器底部留有排泥口。同時(shí)該反應器用黑布包裹，避免光照影響厭氧微生物生長(cháng)。

1.2 試驗水質(zhì)

取自某淀粉廠(chǎng)的二沉池廢水，水質(zhì)指標：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(lái)自某污水廠(chǎng)的厭氧反應罐，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。對污泥進(jìn)行馴化，淘洗后接種。

1.4 測試項目

水質(zhì)分析方法采用國標：COD 重鉻酸鉀法；MLSS、MLVSS 采用標準重量法；pH：SARTORIUSPB-10 pH 儀；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）含量：滴定法；污泥內部結構采用掃描電子顯微鏡( SEM) 觀(guān)察：JSM-6390 LV JEOL Japan 。

1.5 反應啟動(dòng)條件及控制

1.5.1間歇進(jìn)水條件

該反應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(kāi)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連續進(jìn)水和運行階段控制要求

進(jìn)水方式：采用底部連續進(jìn)水，每30min 開(kāi)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。運行一定時(shí)間后，采用頂部進(jìn)水對填料進(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 結果與討論

2.1 啟動(dòng)運行期進(jìn)水負荷對處理效果的影響

反應器啟動(dòng)期的主要目的是以培養顆粒污泥為主，兼達到反應器的設計負荷。所以本研究采用間歇的方式啟動(dòng)，在啟動(dòng)成功后采用連續進(jìn)水模式運行。間歇模式啟動(dòng)的進(jìn)水初始COD 為1 000mg/L，同時(shí)依據COD 去除率來(lái)提升進(jìn)水負荷，并檢驗反應器去除效果優(yōu)與差。在每個(gè)進(jìn)水負荷提升之后，改良厭氧反應器的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)間內恢復對COD 的去除。啟動(dòng)運行期改良反應器對進(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，主要因為微生物需要適應改變的生存環(huán)境。在隨后的時(shí)間里，微生物逐漸適應反應器內部環(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，這是因為反應器負荷提升的原因，但又在短時(shí)間內恢復。在第35 天后，進(jìn)水COD 的負荷從2 000mg/L 升至3 000mg/L 后，去除率出現了較大的波動(dòng)從89%下降至74%。但在第45 天反應器的去除率又達到了82%，說(shuō)明反應器的抗沖擊負荷強，微生物的活性也是最佳的狀態(tài)。同時(shí)在提升進(jìn)水負荷的同時(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)現有大量的顆粒污泥存在，這標志著(zhù)反應器啟動(dòng)成功；同時(shí)UASB反應器的容積負荷達到了20.16 kg/(m3·d)。也就是說(shuō)反應器啟動(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器內的污泥，使污泥的停留時(shí)間與HRT 相分離，是衡量該改良反應器的填料能否替代傳統的三項分離器處理裝置的一個(gè)重要指標。本試驗是處理高濃度廢水，所以只檢查出水中的SS。

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

為了較好的說(shuō)明填料層對污泥的截留作用，在反應器連續進(jìn)水期間控制進(jìn)水中的SS 質(zhì)量濃度。該反應器擁有外動(dòng)力循環(huán)攪拌裝置，過(guò)強的攪拌會(huì )使污泥難以聚集。李亞新[2]等通過(guò)對不同攪拌頻率的研究表明攪拌對COD 的去除沒(méi)有影響，但會(huì )對出水的SS 有影響。故該試驗攪拌是每30min，攪拌60 s。每90min 取1 次樣品約100 mL，并測定其SS 質(zhì)量濃度，結果如表1 所示。

由表1 可以看出，在每個(gè)半點(diǎn)取樣測得的SS 高于整點(diǎn)的數值，因為每個(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(shuō)明填料層對污泥的截流效果。在HRT 為4 h 時(shí)，反應器利用填料層對SS 的去除均值266.6mg/L 左右，低于沒(méi)加入填料層時(shí)的出水SS 值。劉書(shū)燕 的研究說(shuō)明： HRT 在6 h 以下，HRT 變化對UASB 去除水中SS 成負相關(guān)。而該反應器對SS 的去除趨勢較為明顯，所以利用軟性填料代替三相分離器是可行的。同時(shí)發(fā)現填料層上形成有厭氧污泥膜，這有利于增加反應器的去除效率。

2.3 不同HRT 與VFA 含量關(guān)系

該反應器啟動(dòng)采用2 種模式啟動(dòng)，先間歇后連續，所以在2 種啟動(dòng)模式下VFA 和HRT 是不同的。啟動(dòng)運行期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，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 試驗結果，即乙酸、丁酸、丙酸順次消長(cháng)模式，在這一理論指導下，厭氧操作要求對污泥消化時(shí)揮發(fā)性有機酸（VFA) 的濃度不得高于2 000mg/L，本試驗VFA 最高在間歇模式向連續模式轉變的過(guò)程中VFA 累積達到最大。VFA 的累積量是隨著(zhù)每次負荷提升而增加，這也說(shuō)明了在間歇模式下啟動(dòng)反應器的抗沖擊負荷能力和對VFA 的累積適應能力遠遠強于連續模式啟動(dòng)。在連續進(jìn)水的最后測ρ（VFA）=166mg/L，這一結果與胡紀萃的UASB研究結果：UASB 反應器產(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)水轉變成連續進(jìn)水過(guò)程中VFA 在降低，一個(gè)很緩和的過(guò)度。主要因為前期的間歇進(jìn)水達到了VFA 積累的最大值，微生物適應了在這個(gè)最大VFA 積累環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌同時(shí)也達到了良好的產(chǎn)甲烷狀態(tài)。因此，沒(méi)有出現因連續運行條件下VFA 大量累積引起的酸敗。

2.4 VFA 與pH 的關(guān)系

pH 是影響厭氧反應的重要因素之一。厭氧微生物酶的穩定及細胞對基質(zhì)的吸收，均受到pH 的影響。VFA 是厭氧反應過(guò)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 )導致反應器內的pH發(fā)生變化。因此，監測pH 與VFA 的變化規律可以預測厭氧反應變化，有效的控制反應效率，降低反應器酸敗風(fēng)險。

由圖4 可以看出，在該反應器啟動(dòng)運行期間，反應器pH 維持在6.70～7.20 之間，基本上滿(mǎn)足了厭氧微生物不同階段的酸堿條件。同時(shí)因為進(jìn)水負荷的改變，引起pH 的波動(dòng)，導致出水VFA 的濃度變化形成負相關(guān)性。在反應器由間歇進(jìn)水模式向連續流轉變的過(guò)程中pH 降低到6.69，而最大VFA 濃度卻早于該pH 點(diǎn)的出現。因此可以說(shuō)VFA 的變化影響著(zhù)pH 的變化。所以?xún)H從pH 的檢測尚不能較為直接的反映出厭氧反應的潛在問(wèn)題，這是因為pH 是檢測溶液中的氫離子濃度，而揮發(fā)性脂肪酸都是有機弱酸，不能完全電離，導致pH 的變化比VFA 的變化滯后許多，因此VFA 才是控制厭氧反應器的關(guān)鍵參數。

最后在連續進(jìn)水模式下VFA 快速下降以滿(mǎn)足連續模式下微生物的活性，增強了反應器的抗沖擊負荷能力，降低反應器因進(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)相對復雜的物理化學(xué)與微生物的過(guò)程，經(jīng)過(guò)許多學(xué)者的不懈努力提出許多關(guān)于厭氧污泥顆�；�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(yáng)離子吸附架橋模型、合成和天然聚合物吸附架橋模型等）、結構模型（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)養型共生微生物群落模型等）、質(zhì)子遷移脫水理論和細胞間通信模型等。

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：顆粒污泥呈現圓盤(pán)形態(tài)，盤(pán)面布滿(mǎn)很多小孔，可以設想泥核內部結構不是緊促密實(shí)，而是含有通道的蓬松結構。一部分廢水在顆粒污泥表面積上發(fā)生降解反應；而另一部分廢水通過(guò)盤(pán)面通道進(jìn)入核心與核內微生物發(fā)生生化反應，同時(shí)通過(guò)通道輸出廢物和生化反應所產(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(guān)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(guò)填料層截留下來(lái)形成的。一方面降低了出水中的細小物質(zhì)，另一方面對廢水進(jìn)行二次類(lèi)似生物膜去除。

3 結論
試驗采用了先間歇模式啟動(dòng)運行，其優(yōu)點(diǎn)主要表現在：F/M 值的高低交替變化，既保證了反應期間高的去除率，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(wèn)題；間歇進(jìn)水反應器本身就是沉淀池，不必再另外設置沉淀池。最后采用正常的連續流進(jìn)水，有機負荷達到了20.16 kg/(m3·d)，而出水中的SS 質(zhì)量濃度平均為266.6 mg/L，說(shuō)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)于傳統的三相分離器，降低了該反應器的經(jīng)濟成本。

該改良反應器采用間歇攪拌，在一定范圍內提高了上升流速，強化物質(zhì)的傳質(zhì)效果，同時(shí)也提高COD 去除率，達到了78%以上；其較佳的攪拌頻率為30 min 攪拌一次，時(shí)長(cháng)約為30 s。
在間歇- 連續模式下反應器能較好的適應水力的沖擊負荷，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。