張 劍,陳小光,柳建設(shè),戴若斌,AwadAbdelgadir

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,國家環(huán)境保護紡織工業(yè)污染防治工程技術(shù)中心,上海 201620

甘蔗屬禾科草本植物，含糖量高達17～18%，被認(rèn)為是世界上最好的糖料作物之一，中國的甘蔗種植面積僅次于巴西、印度，位居世界第三[1]，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有十分重要的地位。糖蜜酒精廢水是以糖廠制糖的副產(chǎn)品---糖蜜為原材料發(fā)酵生產(chǎn)酒精過程中產(chǎn)生的高濃度的有機廢水[2,3]，是制糖工業(yè)中最為嚴(yán)重的環(huán)境污染源[4]。以產(chǎn)甲烷為代表的厭氧消化技術(shù)以成本低、便于操作、技術(shù)成熟的特點，具有解決環(huán)境污染和能源問題的雙重功效，引起了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，顯示出了良好的產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景，成為未來廢水處理技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢[5]。

鑒于此，本課題組研發(fā)了螺旋對稱流厭氧反應(yīng)器（Spiral Symmetry StreamAnaerobic Bioreactor，SSSABR）。SSSABR利用3塊導(dǎo)流板將反應(yīng)區(qū)分為三段，在每塊導(dǎo)流板下方設(shè)置集氣室，通過排氣管排出氣體，減少因產(chǎn)氣所致的各段顆粒污泥混合，保持功能菌群的相對固定，有效的迎合了厭氧消化三階段理論。本文以SSSABR出水化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）濃度、COD去除率、容積負(fù)荷(Organic Loading Rate,OLR)、容積去除率(Volumetric Removal Rate,VRR)為主要考察目標(biāo)，運用統(tǒng)計分析方法，著重探求SSSABR在啟動階段、減小水力停留時間階段、增加基質(zhì)濃度階段的處理效能和運行穩(wěn)定性。

1 材料與方法

1.1 模擬廢水

本實驗釆用模擬廢水，其組成成分為蔗糖、乙醇、NH4Cl、KH2PO4、營養(yǎng)液（組成成分為：酵母膏 1.2 g·L-1，牛肉膏 1.2 g·L-1，蛋白胨 3.6 g·L-1，CaCl20.22 g·L-1，MgSO40.22 g·L-1）、微量元素溶液 I（組成成分為：EDTA5 g·L-1，F(xiàn)eSO45 g·L-1）、微量元素溶液 II（組成成分為：EDTA15 g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.43 g·L-1，CuSO4·5H2O 0.25 g·L-1，NiCl2·6H2O 0.19 g·L-1，H3BO40.14 g·L-1，CoCl6·H2O 0.24 g·L-1，MnCl2·4H2O 0.99 g·L-1，NaMoO4·2H2O 0.22 g·L-1，NaSeO4·10H2O 0.21 g·L-1）[6]。NaHCO3加入量根據(jù)出水pH值調(diào)節(jié)。

1.2 接種污泥

接種顆粒污泥取自無錫某印染污水處理廠的IC厭氧反應(yīng)器，接種污泥的基本理化性狀為：TSS 50.9 g·L-1，VSS 42.5 g·L-1，VSS/TSS 0.8，接種量 1.5 L。

1.3 試驗系統(tǒng)

試驗系統(tǒng)如圖1所示，整個SSSABR呈圓柱狀，總高度為85 cm，總有效容積為6.0 L。反應(yīng)器由布水區(qū)、反應(yīng)區(qū)和分離區(qū)組成。其中，反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑為5 cm，高度為60 cm，有效容積為4.5 L。反應(yīng)區(qū)內(nèi)以半橢圓形內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)流擋板進行分割，厭氧反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體由內(nèi)構(gòu)件擋板下表面的集氣室分別進行收集導(dǎo)出，通過濕式氣體流量計計量后集中外排。反應(yīng)器利用恒溫水浴進行保溫，并采用溫度控制系統(tǒng)監(jiān)測厭氧反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)溫度。

圖1 SSSAB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Reactor structure diagram of SSSABR

1.4 試驗條件

對于SSSABR處理效能的考察可分為3個階段，其運行時間和控制參數(shù)如表1。

表1 SSSABR運行參數(shù)Table 1 Parameters of SSSABR

1.5 分析項目與方法

COD：重鉻酸鉀法，主要儀器MD200 COD測定儀

1.6 統(tǒng)計分析方法

為了對反應(yīng)器運行的穩(wěn)定性進行評價，引入了統(tǒng)計學(xué)方法分析，其中包括平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對偏差。采用IBM SPSS Statistics 22.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器啟動階段

2.1.1 處理效能分析 反應(yīng)器運行的第I階段為啟動階段，啟動過程實質(zhì)上是反應(yīng)系統(tǒng)(反應(yīng)器)中功能菌活化、生物量擴增、反應(yīng)功能增強的過程[7]。研究認(rèn)為快速啟動厭氧反應(yīng)器的簡單和實用的方式是：出水COD去除率在80%的基礎(chǔ)上增加OLR[8]。SSSABR的啟動總計歷時25 d，保持進水COD恒定（4.100 g·L-1左右），待運行穩(wěn)定后（連續(xù)3 d去除率在85%以上），逐步減小HRT的方式逐步提高反應(yīng)器容積負(fù)荷，運行結(jié)果見圖2。

圖2 第I階段運行結(jié)果Fig.2 Operation results during phase I

當(dāng)HRT分別控制在48 h、24 h、12 h、8 h和5 h時，平均容積負(fù)荷為2.076、4.247、8.394、12.562、20.023 g·L-1·d-1，平均容積去除率為 1.780、3.820、7.662、11.610、18.871 g·L-1·d-1，平均去除率為 85.7%、89.9%、91.2%、92.4%、94.2%。隨著容積負(fù)荷的增加，容積去除率和COD去除率亦穩(wěn)步提高，說明污泥經(jīng)過初始的適應(yīng)過程后，功能菌得到活化，反應(yīng)效率得到提高。2.1.2運行穩(wěn)定性分析 反應(yīng)器的快速啟動關(guān)系到工程成本，穩(wěn)定運行則關(guān)系到工程的實用價值[9]。本文采用統(tǒng)計學(xué)方法對反應(yīng)器的穩(wěn)定性進行評價，選用的指標(biāo)為容積負(fù)荷和容積去除率。啟動過程中SSSABR的穩(wěn)定性評估結(jié)果見表2。從相對標(biāo)準(zhǔn)偏差看，容積去除率（分別為3.639%、2.689%、3.832%、1.718%、2.150%）與容積負(fù)荷（分別為2.757%、1.515%、3.736%、1.389%、1.536%）之比為1.319、1.774、1.025、1.236、1.399，表明容積去除率與容積負(fù)荷變化基本同步，啟動過程中SSSABR具有良好的穩(wěn)定性。

表2 SSSABR穩(wěn)定性（第I階段）Table 2 Stability of SSSABR(Phase I)

2.2 減小水力停留時間階段

2.2.1 處理效能分析 第II階段是在啟動完成的基礎(chǔ)上，保持進水基質(zhì)濃度基本不變（S0≈4.100 g·L-1），通過逐步減小水力停留時間的方式提高容積負(fù)荷，試驗SSSABR運行時適宜的水力停留時間，結(jié)果見圖3。

圖3 第II階段運行結(jié)果Fig.3 Operation results during phase II

第25～50 d，HRT由4 h逐步減小到2.7 h，反應(yīng)器容積負(fù)荷由24.516增至36.835 g·L-1·d-1，出水平均濃度由0.335增至1.050 g·L-1，雖然COD平均去除率由91.8%下降為74.6%，但容積去除率由22.506增至27.497 g·L-1·d-1，反應(yīng)器效能保持增勢。其中在41～50 d，HRT為2.7 h時，容積去除率達到最大（27.497 g·L-1·d-1）。第51～60 d和第61～70 d，HRT分別是2.5 h和2.2 h，出水COD濃度為1.451和1.961 g·L-1，增長38.1%和86.7%，COD去除率為64.7%和52.5%，分別下降9.9%和22.1%，雖然容積負(fù)荷分別增長至39.528和45.092 g·L-1·d-1，但容積去除率分別降為 25.594和23.700 g·L-1·d-1，反應(yīng)器效能出現(xiàn)下降。

2.2.2 運行穩(wěn)定性分析 縮小HRT運行階段過程中SSSABR的穩(wěn)定性評估結(jié)果見表3。從相對偏差對比可知，容積去除率（分別為0.493%、1.219%、2.211%、1.735%、1.938%、2.314%）與容積負(fù)荷（分別為0.644%、0.859%、1.397%、0.869%、0.910%、0.796%）之比為0.765、1.419、1.582、1.996、2.129、2.907，表明隨著容積負(fù)荷的增加，容積負(fù)荷對容積去除率的影響逐漸增大，反應(yīng)器的穩(wěn)定性減弱。

表3 SSSABR穩(wěn)定性（第II階段）Table 3 Stability of SSSABR(Phase II)

2.3 增加基質(zhì)濃度階段

2.3.1 處理效能分析 第III階段中，控制水力停留時間（HRT=2.7 h）恒定，通過逐步提高進水濃度的方式提高容積負(fù)荷,試驗SSSABR處理高濃度廢水的效能和反應(yīng)器的最高處理效能。結(jié)果見圖4。

由于第II階段后期的超負(fù)荷運行造成了大量污泥流失，第71～80 d為恢復(fù)期。將HRT調(diào)整回2.7 h，補充部分接種污泥，至第80 d，反應(yīng)器效能得到恢復(fù)。第81～120 d，進水COD由8.071逐步提高到20.070 g·L-1，反應(yīng)器容積負(fù)荷由71.746增至178.400 g·L-1·d-1，增幅148.6%；出水平均濃度由1.540增至6.762 g·L-1，增幅339.0%；雖然COD平均去除率由80.9%下降為66.3%，但平均容積去除率由58.057增至118.293 g·L-1·d-1，反應(yīng)器效能保持增勢。其中在111～120 d，進水基質(zhì)濃度為20.070 g·L-1時，容積去除率達到最大（118.293 g·L-1·d-1）。第 121～130 d 和第 131～140 d，進水 COD 平均濃度為24.071和28.056 g·L-1，較111～120 d時增長19.9%和39.7%，出水COD濃度為11.705和17.110 g·L-1，COD去除率為51.3%和39.0%，分別下降15%和27.3%，雖然容積負(fù)荷分別增長至213.968和 249.386 g·L-1·d-1，但容積去除率分別降為 109.920和 97.297 g·L-1·d-1，反應(yīng)器效能出現(xiàn)下降。

2.3.2 運行穩(wěn)定性分析 增加基質(zhì)濃度運行階段過程中SSSABR的穩(wěn)定性評估結(jié)果見表4。

圖4 第III階段運行結(jié)果Fig.4 Operation results during phase III

表4 SSSABR穩(wěn)定性（第III階段）Table 4 Stability of SSSABR(Phase III)

容積去除率的相對偏差分別為8.831%、1.154%、0.761%、1.036%、2.022%、5.411%，與容積負(fù)荷的相對偏差分別為0.765%、0.485%、0.301%、0.195%、0.182%、0.170%，兩者之比分別為11.543、2.379、2.528、5.312、11.109、31.829。數(shù)據(jù)表明除71～80 d外，反應(yīng)器的穩(wěn)定性隨容積負(fù)荷的增加而逐漸減弱，特別是在111～130 d，進水容積負(fù)荷微小的波動都可能造成出水容積去除率較大的波動。

3 討論

厭氧反應(yīng)器啟動完成時的OLR一般為10～20 g·L-1·d-1[10]。SSSABR第I階段運行至第25 d，OLR達到20.21 g·L-1·d-1，啟動完成。對比其他厭氧反應(yīng)器（表5），SSSABR具有啟動歷時短的特點。

表5 不同類型厭氧反應(yīng)器啟動參數(shù)Table 5 Start-up parameters of different types of anaerobic reactors

在第II階段，當(dāng)HRT由4.0調(diào)整為3.5 h時，去除率下降了8.0%，當(dāng)HRT由2.7調(diào)整為2.5 h及2.5到2.2 h時，去除率分別下降了9.9%和12.2%，而當(dāng)HRT由3.5變到3.0 h和3.0變到2.7 h時，去除率分別僅下降5.3%和3.9%。原因可能是由于SSSABR作為一種生物反應(yīng)器，其處理效能與污染物與活性污泥的傳質(zhì)密切相關(guān)。當(dāng)HRT過大（HRT=4 h），相應(yīng)上升流速過小時，污泥床層處于固定態(tài)，泥水接觸不充分，不利于污水與污泥的傳質(zhì)；而當(dāng)HRT過小（HRT=2.5，2.2 h），上升流速大于活性污泥沉降速率時，污泥床層處于輸送態(tài)，造成跑泥現(xiàn)象，難以保持適當(dāng)?shù)奈勰酀舛龋膊焕诜磻?yīng)器效能的發(fā)揮。只有HRT（HRT=2.7 h）適中，污泥床層處于膨脹態(tài)，泥水充分接觸，反應(yīng)器運行達到最佳，容積去除率達到最大（27.497 g·L-1·d-1）。

若以目前IC反應(yīng)器達到的生產(chǎn)性最高容積負(fù)荷水平作為標(biāo)準(zhǔn)，將OLR高于40 g·L-1·d-1的厭氧生物反應(yīng)器稱為超高效厭氧反應(yīng)器[16,17]。國內(nèi)外己相繼報道了一些超高效厭氧反應(yīng)器。厭氧附著膜膨脹床 OLR 可達 40～60 g·L-1·d-1[18]；實驗室 UASB 反應(yīng)器可達 100～150 g·L-1·d-1[19]；分段組合式厭氧生物反應(yīng)器可達 111 g·L-1·d-1[20]。第 III階段中 SSSABR 的 OLR 可高達 178.4 g·L-1·d-1，容積去除率可高達118.3 g·L-1·d-1，居于目前報道的先進水平。

4 結(jié)論

SSSABR的啟動時間僅為25 d，具有快速啟動特性。當(dāng)進水基質(zhì)濃度為20.070 g·L-1，水力停留時間為2.7 h時，容積去除率達到最大118.293 g·L-1·d-1，居于國內(nèi)外文獻報道前列。SSSABR具有較好的穩(wěn)定性能，但穩(wěn)定性隨容積負(fù)荷的增加而減弱。

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