上升流速對EGSB反應器廢水處理效果的影響

岳 瑩 田在興

(四川省建筑設計院，四川 成都 610017)

1 引言

EGSB 反應器作為第三代厭氧反應器, 被成功的應用于處理低溫、高負荷及有毒等廢水。其具有投資省，操作、運行費用低，能源可回收以及處理效果好等優點，具有高推廣價值和廣泛的應用前景。所以研究EGSB 反應器使其更充分的發揮處理效能具有重要意義。

EGSB 反應器內部是一個復雜的微生物生態系統，反應器的操作受多種因素的影響。通過調節上升流速所形成的流場，影響反應器內氣泡的大小和分布，水力停留時間（HRT），雷諾數和剪切應力。其在很大程度上影響著化學反應的進行和微生物的生存。目前，實驗室中關于流場的研究主要集中在反應條件的優化；在理論上，人們通過CFD 和微生物動力學相結合的模擬模型，來研究流場對廢水處理效果的影響。

通過實際運行反應器作對比來考查流場對廢水處理效果的影響，在這方面還鮮有報道。本文，實際運行兩個EGSB 反應器，保持其它運行參數及環境條件一致，以不同的上升流速作對比，來考查其對廢水處理效果的影響。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗裝置

本研究所采用的是EGSB 反應器，其實驗裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 EGSB 反應器實驗裝置示意圖

EGSB 反應器試驗主體裝置由圓柱狀有機玻璃制成，反應器主體分成上下兩個部分，下部為反應區，上部為沉淀區。反應區內徑4.0cm，高度60.0cm。沉淀區內徑10.0cm，高度20.0cm；反應器總高度85.0cm，具體參數見表1。

表1 EGSB 的各部分尺寸

2.2 接種污泥

實驗用的接種污泥取自啤酒廠IC 反應器，呈黑色，顆粒狀，沉淀性能好，接種污泥濃度為TSS=33.5g/L，VSS=9.5g/L，兩套反應器的接種量均約為300ml。

2.3 實驗用水

實驗用水為人工配制的糖蜜廢水，糖蜜是制糖過程中產生的廢棄物，表面呈棕黃色，為粘稠狀液體，其中包含物質較復雜，大部分為易降解的糖類有機物，也包含少量的無機成分，糖蜜的具體各成分以及含量見文獻。

2.4 分析項目及方法

實驗過程中分析項目及分析方法如表2 所示。

表2 分析項目及分析方法

2.5 運行工況與實驗條件

反應器的運行過程中，保持其它條件一致，即其它他各運行參數均相同，以不同的上升流速作對比，上升流速的差異通過外循環泵的回流實現。

溫度：30±1℃。上升流速：R1 反應器：0.3mm/s，R2 反應器：0.9mm/s。表3 所示為兩反應器運行過程中具體參數控制。

表3 反應器運行參數控制

3 結果和討論

3.1 上升流速對反應器pH 和堿度的影響

反應器出水pH 和堿度變化情況與反應器內部二者的數值基本相同。如圖2 所示，為反應器出水pH 的變化情況，兩反應器內的變化情況基本相同。由于反應器運行期間氣溫較高，糖蜜水極易變質，使進水出現酸化，pH 有很大波動，為維持系統的正常運行，第30 天在兩反應器的進水中加入適量的NaHCO3 進行調整，出水pH 不隨進水改變而改變，pH 一直穩定在4 到6，在整個反應器的運行中都基本保持一致。

圖2 不同上升流速下兩反應器出水pH 的變化情況

如圖3 所示，為反應器出水堿度的變化情況，兩反應器內的變化情況基本相同。由圖可知，反應器系統可以對輕微的沖擊有很好的緩沖效果，但無法承受嚴重的沖擊。兩反應器系統內的堿度與pH 的變化規律相似，在整個反應器的運行中都基本保持一致。

圖3 不同上升流速下兩反應器出水堿度的變化情況

反應器系統的pH 和堿度大小取決于揮發酸和其對應的陰離子濃度，即，HAc/Ac－，HPr/Pr－，HBu/Bu－等共軛酸堿對的濃度，也就是液相產物的濃度。HA/A－為共軛酸堿對的存在形式，二者是可以相互轉化的，其轉化的主要動力是所對應酸的強度和組分的濃度，以及溶液中的c（H3O＋），即氫離子濃度。反應器系統內的揮發酸及其解離常數為： 碳酸pK1=6.38、pK2=10.25、乙酸pK1=1.76、丙酸pK1=1.87、丁酸pK1=1.82、戊酸pK1=1.86，由此可知系統內存在的揮發酸的強度相差不大，由于兩系統內液相產物中各組分的濃度差異較小，又由于系統始終處于波動狀態，所以反應器內的pH 和堿度在反應器整個操作過程中都很接近，沒能直觀的看出上升流速對其影響。

3.2 上升流速對TOC 去除率的影響

圖4 不同上升流速下兩反應器出水TOC 去除率的變化情況

圖4 反映了反應器出水TOC 去除率的變化情況，兩反應器TOC 去除率隨著進水TOC 濃度的增加和HRT 的縮短而降低，并且始終存在一定的波動，但是兩反應器TOC 去除率相差不大，可以認為基本相同。產生這種現象的原因是，反應器進水為人工配制的糖蜜廢水，糖蜜的濃度不均勻，所以每次配水與要達到的數值存在一些偏差，無法控制進水濃度的穩定；而且進水濃度較高。所以兩反應器TOC 去除率始終處于波動狀態，即使有微小的差別也很難察覺。

3.3 上升流速對反應器出水液相產物的影響

3.3.1 對液相產物總濃度變化的影響

本實驗中，糖蜜廢水經過水解發酵過程，產生了各種液相產物，圖5 為反應器出水液相產物總濃度的變化情況，兩反應器內的液相發酵產物一直存在波動，這種波動是由于環境的不斷變化，微生物還沒有適應之前的環境，而又要面對新的改變，所以只能是相對的穩定，上升流速較大的R2 反應器比R1 反應器先達到穩定狀態。兩反應器內液相產物總濃度隨底物濃度的提高而增加，二者的變化趨勢基本相同，R2 反應器內液相產物的總濃度要略高于R1 反應器。

圖5 不同上升流速下兩反應器出水液相產物總濃度的的變化情況

3.3.2 對液相產物組成的影響

圖6 和圖7 反映了兩反應器出水液相產物各成分比例，兩反應器內液相產物的種類、各成分在各自反應器中占總體的水平都非常相似，但也存在一定差別。在反應器啟動初期，乙酸、丁酸、丙酸和乙醇都有產生，所占比例波動較大，兩反應器均處于混合酸發酵階段，由于之前接種污泥長期處于營養缺乏的狀態，當出現可以利用的底物時，微生物為了生存的需要降解底物以獲得足夠的能量。反應器運行幾天之后，各成分的比例在同一反應器中處于基本相同的水平，表明反應器運行達到了穩定的狀態，由如圖6 和圖7 可知，在兩反應器中丁酸所占的比例均為最大，表明丁酸發酵類型的形成。R1 反應器經過10天達到穩態，而R2 反應器僅用3 天。在反應器運行的第13 天，在兩反應器系統中檢測到了戊酸的存在，戊酸的濃度相對較低，丁酸和戊酸在R1 反應器中所占的比例要高于在R2 反應器中，但是丙酸的情況卻與二者相反。由于丙酸不利于后續生化反應的進行，易形成丙酸積累，使系統酸化，所以它不是理想的發酵產物[1]。液相產物的產生情況，除由系統內微生物種類不同決定以外，更主要的是由運行參數（如有機負荷、pH、反應器流態等）的控制所決定[2]。所以通過液相產物的差異無法判斷微生物種類是否有差異，由于兩反應器運行期間除流場外保持其它控制參數一致，故說明上升流速對反應器的液相產物的產生情況有影響。

圖6 上升流速為0.3mm/s 時反應器（R1）出水液相產物各成分比例

圖7 上升流速為0.9mm/s 時反應器（R2）出水液相產物各成分比例

綜上，在此條件下運行期間，表明了上升流速對EGSB 反應器系統內液相產物的產生情況有影響，這種影響包括反應器達到穩定狀態所需的時間，液相產物總濃度，液相產物中各成分的比例。具有較大上升流速反應器達到穩定狀態所需的時間較短，并且液相產物總濃度較高，因為較大的上升流速，能夠有效地促進底物與污泥間的混合接觸，加強了傳質效果，使有機物進入微生物體內的路程縮短，速率增大，加快了生化反應速度，縮短了反應器達到穩態的進程，同時使有機物的利用更完全，液相產物總濃度增加，這樣利于其處理效能的提高。但具有較大上升流速反應器丙酸積累較多，由于其不是理想的發酵產物，所以難以判斷兩者的優劣。

3.4 上升流速對反應器ORP 的影響

對于某種特定的微生物，會有適應其生長的特定ORP 范圍，兩系統內ORP 不同，表明在兩系統內微生物群落結構不同，ORP 的變化表明系統內微生物群落結構發生改變，也就是說，發生了微生物群落的演替，最終穩定的在某一數值，表明反應器系統內微生物的生態演替最終形成了頂級群落。發酵產氫體系中的氧化還原電位只與pH 和氫分壓有關，當兩反應器pH相近時，ORP 由氫分壓決定。

圖8 不同上升流速下兩反應器出水ORP 的變化情況

李建政[3,4]的研究表明，在pH 和ORP 分別增加至5.0±0.2和－200±20mV，CSTR 反應器中的厭氧活性污泥轉變成了丙酸發酵。其他的研究[5]也表明，ORP 與微生物的發酵類型有關。發酵類型是由微生物種類和反應器運行參數控制等因素共同決定的[6]。不同的發酵類型，產氫量不同，系統內氫分壓就不同，表現在ORP 不同，但即使發酵類型相同，產氫量也可能不同。圖8為反應器出水ORP 的變化情況。在反應器的啟動階段，兩反應器的ORP 均出現大幅度的降低，這是由于反應器系統內的兼性微生物消耗了系統內的氧氣，使系統內由氧化環境轉變成了還原環境。然后，R1 反應器ORP 穩定在－370mV 左右，R2 反應器又出現了上升，最后穩定在－240mV 左右，這表明兩反應器內微生物形成了不同的頂級群落，ORP=－370mV 為R1 反應器頂級群落的一個生態位，ORP=－240mV 為R2 反應器頂級群落的一個生態位。在第25 天，由于操作不當，使R2 反應器內部進入了空氣，使ORP 突然升高，經過一周的自我調整，反應器系統實現了成功恢復，最后ORP 穩定在未進入空氣之前的數值。表明EGSB 反應器系統有著很好的穩定性，具備一定的抵抗氧氣沖擊的能力。這歸功于系統內存在的兼性微生物，它們在有氧的條件下也能夠生存，消耗系統內的氧氣，這樣有利于系統內厭氧條件的恢復，保證了厭氧微生物的生存環境，可以使系統具備一定的抵抗氧氣沖擊的能力[7]。隨著反應器的運行，R1 反應器的ORP 在第40 天出現下降，最終穩定在－310mV 左右，表明反應器系統內經歷了微生物群落的演替的過程。反應器系統內的微生物一方面在演替過程中適應環境的ORP，另一方面體內誘導合成不同的酶，催化新的代謝方式來改變環境的ORP，使其適應自身的生存[8]。

由于兩反應器內pH 相近，是產氫量的不同，使ORP 穩定值不同。產生這種現象，可能完全是由于流場的差異，由于流體的擾動程度不同影響了氫氣的釋放量，也可能是由流場的差異使兩系統內的微生物結構向著不同方向改變而導致的。雖然由此無法判斷微生物種類是否有差異，由于兩反應器運行期間除流場外保持其它控制參數一致，所以，在此條件下運行期間，流場對EGSB 反應器系統內ORP 變化有影響。

4 結論

以0.3mm/s 和0.9mm/s 兩個上升流速運行反應器，考查其對廢水處理效果的影響。反應器運行了53 天，上升流速對出水PH、堿度和TOC 去除率沒有影響；對液相產物和ORP 有影響。

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