厭氧流化床生物反應器處理模擬廢水的快速啟動運行研究

劉文婧，郭海燕，張壽通，王偉

(大連交通大學 環境科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

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厭氧流化床生物反應器處理模擬廢水的快速啟動運行研究

劉文婧，郭海燕，張壽通，王偉

(大連交通大學 環境科學與工程學院，遼寧 大連 116028)

針對厭氧反應器啟動慢的缺點，研究了厭氧流化床在中溫條件(32±3)℃下，以顆粒活性炭為載體，通過提前在厭氧環境篩選活性污泥的方式完成反應器的快速啟動，并監測了其處理模擬低濃度生活污水的效果.研究結果表明：COD平均去除率為75%，當進水COD濃度從5 500 mg/L(±200 mg/L)降至500 mg/L(±100 mg/L)時，COD去除率保持在73% ～89%之間，容積產氣率為50.8 mL/L·d，揮發性脂肪酸(VFA)保持在正常水平變化，反應器穩定運行.

厭氧流化床；啟動；運行情況；優勢

0 引言

在當今污水排放總量中，低濃度有機廢水占很大的比重.大量低濃度有機工業廢水的COD濃度在2 000 mg/L以下，如食品、發酵工業的洗滌廢水，造紙工業的紙漿漂洗廢水等；大城市生活污水COD濃度為500 mg/L左右，中小城鎮生活污水COD濃度約800～1 000 mg/L[1].由于生活污水排放量巨大，所以其處理及排放問題亟待解決.

在傳統觀念中，厭氧消化只適用于高負荷高濃度的污水處理，所以生活污水的處理一般采用的是好氧技術，但隨著研究的深入，厭氧流化床生物反應器作為一種占地面積小、載體生物膜傳質作用強的廢水處理技術逐漸受到環保學者的重視.但由于厭氧菌一般對于環境的要求很高、生長速度慢，且普通的厭氧生物流化床相間相對流動速度差小，傳質效率低，導致載體生物膜新舊菌體更新速率慢，適應環境能力差，啟動時間較長，一般需要8～10周，甚至長達半年、一年[2].在實際工程中，快速順利地啟動反應器往往是整個廢水處理工程中的關鍵環節，啟動速度成為制約高速厭氧工藝廣泛應用的瓶頸.因此，縮短厭氧反應器啟動時間是近年來厭氧工藝研究的熱點之一[3].針對厭氧反應器啟動慢的特點，采用高負荷啟動的方式完成厭氧流化床生物反應器的快速啟動，逐漸降低進水負荷進而研究其對于模擬生活污水的處理效果.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行方法

試驗裝置如圖1所示，反應器由有機玻璃制成，上部設沉淀池以保留被帶出的顆粒活性炭，沉淀區域高300 mm，直徑120 mm，總容積3.93 L.下部反應區高2 m，直徑50 mm，設錐形反射式布水器，反應區外部均勻包裹加熱絲以控制溫度在35℃左右，反應器中上部裝有溫控探頭實時監測反應溫度.進水采用型號為YZ1515x的蘭格蠕動泵，回流循環采用世博磁力泵NH- 100PX-Z.

試驗裝置啟動采用高負荷批式循環培養模式，循環流速60～80 L/h，HRT為24 h，膨脹度控制在50%～80%，進水流速為1.76 mL/min.高負荷的進水有利于微生物的快速生長，初始進水COD濃度5 500 mg/L，經過30 d的運行，反應器內污水的COD濃度出水穩定，說明啟動成功.此后，將反應器保持原有的運行條件，連續運行52 d，監測出水水質，并采用掃描電鏡的方法觀察載體表面生物相形態的變化.

圖1 實驗裝置圖

1.2 實驗進水及污泥性質

試驗用水由人工配制而成，在自來水中依次加入葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、硫酸鎂、氯化鈣，同時在自來水中加入一定量的微量元素(鐵、鈷、鎳)以滿足產甲烷菌的生長要求.模擬廢水水質見表1.

表1 實驗進水配方

接種污泥采用提前搖床培養的厭氧300 mL，以及源自大連春柳污水處理廠的厭氧污泥300 mL(過篩去除大塊雜質)，污泥為深黑色，味臭，呈液體狀態的親水性物質.

1.3 測定指標及數據處理

測定指標主要為COD、堿度、VFA(揮發性脂肪酸)、pH、SS.COD采用重鉻酸鉀法，堿度采用滴定法，VFA采用比色測定法，pH采用雷磁PHS- 3C，SS采用國標重量法，載體表面觀察采用生物顯微鏡、SEM掃描電鏡分析.采用SPSS 13.0 對實驗結果進行方差分析，origin8.0進行數據作圖分析.

2 結果與分析

2.1 出水COD隨時間的變化

厭氧流化床反應器的啟動可分為三個階段：啟動適應期、微生物固定期和穩定運行期[4].污泥接種后的15 d內為微生物的適應期和固定期，反應器為間歇運行，此時的鏡檢亦顯示已有菌種附著于載體之上，此階段COD濃度直線下降，說明接種污泥的活性極高且能夠適應高負荷的進水.在穩定運行期，進出水COD濃度以及COD去除率變化見圖2第一階段，此階段時長為15 d，進水COD濃度在5 500 mg/L左右，HRT為24 h，進水容積負荷12.32 kg COD/d·L，出水COD濃度為816～2 160 mg/L，平均COD去除率75%，對載體進行掃面電鏡的觀察，發現上下部分載體表面均附著一層生物膜，且上部載體表面的生物膜較厚，其中以絲狀菌為主體架構，并附著生長著球狀菌、桿狀菌以及藕狀菌，結構緊密，分布均勻，呈現出較好的微生物多樣性.

圖2 進出水COD濃度以及COD去除率變化

在反應器啟動成功后，使處理廢水逐漸接近生活污水的COD濃度.運行結果見圖2的第二階段，歷時52 d，進水COD濃度從4 517 mg/L降到524 mg/L，出水COD濃度從899 mg/L降到53 mg/L，容積負荷從10.08 g COD/L·d降到2.24 g COD/L·d，COD去除率從79%升至89%，當容積負荷降低了77%時，COD去除率仍有11%的提高，說明厭氧流化床反應器抗沖擊負荷能力較強.

2.2 系統產氣量及VFA變化情況

VFA是厭氧消化的中間產物，同時也是厭氧消化菌的抑制物，其濃度的高低能反映產酸段和產氣段的協作狀況和厭氧消化過程的工作性能[5].出水中VFA含量見圖3，VFA濃度一直保持在1 200 mg/L以下，低于VFA對厭氧消化作用的抑制濃度4 500 mg/L[6]，且伴隨著一定的規律性，隨著進水負荷的減少，VFA的濃度從652 mg/L降至86 mg/L，主要原因是因為隨著進水負荷的減少，產酸菌的代謝能力有所下降.進水中含有足夠的堿度是防止厭氧消化液酸化的重要措施，但進水堿度過高也會導致消化液pH過高而影響產甲烷菌作用，并引發VFA積累.

圖3 出水VFA濃度與COD去除率變化

反應器產甲烷情況如圖4，在初始階段(平均進水COD濃度4 517 mg/L、容積負荷10.08 g COD/d·L)，容積產氣率為31.25 mL/L·d；在第二階段進水負荷有所下降時(COD濃度降為3 507 mg/L、容積負荷降為7.84 gCOD/d·L)，容積產氣率為130.1 mL/L·d；其后的各個階段：隨著進水容積負荷從7.84 gCOD/d·L減少到1.456 g COD/d·L，系統的容積產氣率也從130.1 mL/L·d降到3.1 mL/L·d.

圖4 產氣情況與容積負荷變化

在此整個進水負荷下降的過程中，由于提供給微生物的營養基質減少，微生物產氣量也有所下降.但在容積負荷從10.08 g COD/d·L降低到7.84 g COD/d·L階段，產氣率卻呈上升態勢，據分析，是由于產氣過程剛剛開始而經歷的適應性階段，并不影響整體的變化趨勢.

2.3 生物相與生物量分析

載體表面掃描電鏡圖見圖5左側，從圖5(圖(a))可以看出反應器下層載體在基質中分布較密，在顆粒活性炭載體表面孔隙及溝縫中分布著一層薄薄的生物膜，且縫隙和孔洞是微生物生長最為旺盛的地方，這是由于本實驗采用顆粒活性炭作為載體，由于活性炭表面具有細小的孔洞，使其具有較好的吸附能力，也為微生物的附著提供了更好的條件[7]，同時水體流化時對載體表面產生水力剪切以及載體之間產生的互相摩擦力；上層載體在基質中分布較稀疏，廢水與微生物接觸面積大，生物膜較厚，呈現絲狀菌縱橫交錯的穩定結構(圖(b)).一般床層上部生物膜較厚(60 μm) ，下部較薄(20～25 μm)[8].Bull 等人[9]對AFB 中微生物活性縱向分布研究發現，微生物活性在床的中部最強.

載體表面的生物相掃描電鏡圖見圖5右側，產甲烷細菌依形態可分為球形、八疊球狀，短桿狀、長桿狀，絲狀和盤狀.這些形態的菌種大都在載體表面附著的菌群中通過掃描電鏡找到，且以絲狀菌為主.在活性炭載體表面附著最多的是甲烷鬃毛菌及其胞外物形成的珊瑚礁樣的生物膜結構[10]，在生物膜中看到多種厭氧菌(圖(b))，可以看到各種分散大小不一的球菌和甲烷八疊球菌等(圖(d))，也有少量的桿狀菌(圖(c))和藕狀菌(圖(e)).索氏產甲燒絲菌(圖(b))和巴氏產甲燒八疊球菌(圖(d))是厭氧反應器中常見的嗜乙酸產甲烷菌[6].

圖5 載體表面掃描電鏡圖

生物量分析：厭氧消化過程中物質的流向大致分為三部分：產生生物能(沼氣)；隨出水排到體系外；生物量的增加(污泥).在本次厭氧流化床生物反應器處理模擬廢水的試驗中，統計了30 d正常運行中反應器的產氣情況以及污泥的增長量，其中以10 d為一個統計周期，結果如下：在第一周期內(1～10 d)，進水COD濃度1 808～1 017 mg/L，平均COD去除率87.8%，參與代謝COD總量20.015 g，污泥增長量3.236 5 g，產氣量2 040 mL；在第二周期內(11～20 d)，進水COD濃度1 017～693 mg/L，平均COD去除率87.9%，參與代謝COD總量18.74 g，污泥增長量2.083 9 g，產氣量1 820 mL；在第三周期內(21～30 d)，進水COD濃度693～524 mg/L，平均COD去除率89.5%，參與代謝COD總量13.21 g，污泥增長量1.368 0 g，產氣量1 350 mL.

從統計結果可看出，污泥的增長量僅占COD總量的12%左右，其余的能量均轉化成為了生物能，有文獻記載厭氧消化產生的沼氣可高效回收(回收率大于90%)有機污染物中蘊含的能量.發達國家污水處理廠污泥厭氧消化過程所產生沼氣,其轉化的電能可解決自身33%～100%的用電需求.青島海泊河污水處理廠利用污泥消化產生沼氣所轉化的熱能和電能,可滿足污水廠80%～90%的供熱量和50%以上的用電量[11].同時，厭氧微生物世代時間長,細胞產率低,產酸菌的細胞產率為0.15～0.34 kgVSS/kgCOD,產甲院菌的細胞產率為0.03 kgVSS/kgCOD,低于好氧微生物的細胞產率0.25～0.6 kgVSS/kgCOD,可緩解污泥處理困難[12].

3 結論

(1)通過高負荷進水的方式，可以在30 d內完成厭氧流化床反應器的快速啟動.，進水COD濃度5 500 mg/L，容積負荷12.32 kgCOD/L·d，水力停留時間(HRT)24 h,COD去除率平均達到75%；

(2)在52 d時間里，成功將進水COD濃度從5 500 mg/L(±200 mg/L)梯度降至500 mg/L(±100 mg/L)，反應器適應性良好，COD去除率保持在73%～89%之間，容積產氣率50.8 mL/L·d，揮發性脂肪酸(VFA)保持在正常水平變化，反應器穩定運行，對低濃度廢水仍有很高的去除率；

(3)從統計結果可看出，污泥的增長量僅占COD去除總量的12%左右，其余的能量均轉化成為了生物能(沼氣)，屬于既節能又產能的污水處理技術.且載體活性炭上的生物相呈現多樣性，生長情況穩定；

(4)基于厭氧流化床反應器以上的優點，在資源緊缺的當今，此技術將日漸受到人們的重視.

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LIU Wenjing,GUO Haiyan,ZHANG Shoutong,WANG Wei

(School of Environmental and Chemical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

In order to complete the quick start of the reactor,the anaerobic fluidized bed was studied.Under the condition of medium temperature(32±3)℃,granular activated carbon was selected as the carrier,and the quick start and the effect of low concentration of sewage treatment in the anaerobic environment were studied.The results show that the average removal rate of COD is 75%.When the influent COD concentration is decreased from 5 500 mg/L(±200 mg/L) to 500 mg/L(±100 mg/L),the COD removal rate is maintained at 73% ～89%,the volatile fatty acid (VFA) is maintained at normal level,and the anti stress is stable.

anaerobic fluidized bed；start-up；running situation；advantage

1673- 9590(2016)03- 0091- 05

2015- 11- 18

遼寧省科技廳公益研究人才培養計劃資助項目(2015003009)

劉文婧(1991-),女，碩士研究生；郭海燕(1977-),女，副教授,博士，主要從事水污染控制的研究E-mail:625313949@qq.com.

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