高效厭氧反應(yīng)器處理高濃度生活廢水啟動研究

賀 凱，李勝男

（1.黑龍江水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090）

高效厭氧反應(yīng)器處理高濃度生活廢水啟動研究

賀 凱1，李勝男2

（1.黑龍江水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱150080；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090）

針對處理高濃度生活廢水（COD＝1000mg／L）的特點，采用具有相同處理對象的厭氧污泥接種啟動，在啟動期內(nèi)，反應(yīng)器的運行溫度控制在30（±2）℃。為盡快提高反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度，保證反應(yīng)器的啟動成功，剛啟動時，保持進(jìn)水COD濃度不變，待達(dá)到COD去除率穩(wěn)定之后，再采用逐步減少水力停留時間的方法提高有機負(fù)荷率。水力停留時間從24 h減少到12 h，相應(yīng)地有機負(fù)荷率從初始的1.0 kg·COD／（m3／d）提高到2.0 kg·COD／（m3／d）。

厭氧反應(yīng)器；生活廢水；試驗裝置；啟動

0 引 言

近年來，利用厭氧技術(shù)處理生活廢水已成為廢水處理領(lǐng)域的一個新的熱點。相對于好氧處理，厭氧處理不但能源需求很少，而且能產(chǎn)生大量的能源，其處理設(shè)備負(fù)荷高，占地少，產(chǎn)生的剩余污泥少，而且處理比好氧污泥容易［1］。

實踐表明，一個成功的反應(yīng)器必須是：

1）具備良好的截留污泥的性能，以保證擁有足夠的生物量。

2）生物污泥能夠與進(jìn)水基質(zhì)充分混合接觸，以保證微生物能夠充分利用其活性降解水中的基質(zhì)［2］。

本研究試圖設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)合理、混合效果好、處理成本低的高效厭氧反應(yīng)器，并針對該反應(yīng)器處理高濃度生活廢水進(jìn)行了啟動過程研究。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置特點

該反應(yīng)裝置由有機玻璃制成，反應(yīng)器長740 mm，寬100 mm，有效高900 mm，保護(hù)高100 mm，有效容積54.8 L。反應(yīng)裝置采用四個獨立的隔室，每個隔室的容積比為3∶1∶5∶5，前兩個隔室主要進(jìn)行產(chǎn)酸過程，后兩個隔室主要進(jìn)行產(chǎn)甲烷過程。反應(yīng)器將傳統(tǒng)厭氧折流板反應(yīng)器的平面折板設(shè)計成一系列的夾角為120°的異波折板，波高為2 cm，用水浴箱加熱保溫控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度為30（±2）℃，采用恒流蠕動泵控制進(jìn)水流量，在每個隔室內(nèi)上部1／2處設(shè)置彈性立體填料。

與傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器相比，此高效厭氧反應(yīng)器具有以下特點［3］：

1.1.1 結(jié)構(gòu)簡單

反應(yīng)器運行無需消耗動力的攪拌設(shè)備、復(fù)雜的三相分離器、布水系統(tǒng)等，廢水在反應(yīng)器內(nèi)沿著折板做推流運動，在與污泥中微生物的接觸中得到降解，避免了因輔助設(shè)施的增加而帶來運行管理的復(fù)雜化。

1.1.2 微生物數(shù)量大

在每個隔室內(nèi)上部二分之一處設(shè)置彈性立體填料，能夠截流大量的絮狀污泥。由于填料掛膜成功后表面可以形成良好的絲狀結(jié)構(gòu)，以利于厭氧菌的附著生長，使廢水在流經(jīng)反應(yīng)器沒有污泥的上半部分也能得到一定的降解。

1.1.3 混合程度高

通過改變折板結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)厭氧折流板反應(yīng)器的平面折板設(shè)計成異波折板，水流由各室底部流入，在上升的過程中連續(xù)不斷地在異波折板之間縮放流動，產(chǎn)生湍流，使泥水混合充分；增大了折板的有效長度，使泥水混合接觸時間增多，增強了處理效率。

1.1.4 微生物相分離明顯

根據(jù)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌各自的世代停留時間確定酸化階段（第一室、第二室）和產(chǎn)甲烷階段（第三室、第四室）的容積比，將反應(yīng)器設(shè)計成不等距形式，使新型反應(yīng)器能夠充分發(fā)揮兩相反應(yīng)器的優(yōu)點。

1.2 人工合成廢水

試驗采用人工配制的模擬高濃度生活廢水（COD＝1000mg／L），以葡萄糖做碳源，添加（NH4）2SO4和KH2PO4來補充厭氧細(xì)菌生長所需的氮和磷，控制COD∶N∶P＝250∶5∶1，并投加適量的無水NaHCO3調(diào)節(jié)堿度使進(jìn)水pH值為6.5～7.2。其它營養(yǎng)物質(zhì)的組成如下：CoCl2·6H2O 2.2 mg／L；ZnSO4·7H2O 2.14 mg／L；CaCl210 mg／L；MgCl2·6H2O 12.5 mg／L；MnCl2·6H2O 0.2mg／L；FeSO4·6H2O 10mg／L。

1.3 接種污泥及啟動工況

試驗接種污泥取自哈爾濱華潤雪花啤酒廠的厭氧處理塔。該污泥為黑灰色絮體，有輕微臭味，pH值為6.9±0.2。種泥經(jīng)沉淀4 h后過濾掉上清液，在每個隔室添加至有效容積的50%，污泥濃度為15 g（VSS）／L。

厭氧反應(yīng)器初次啟動過程緩慢，這是因為厭氧細(xì)菌增殖較慢，且多數(shù)厭氧微生物為球菌和桿菌，不易附著生長，易隨出水流出反應(yīng)器。根據(jù)絲狀微生物的生理、生化和生態(tài)特征，若創(chuàng)造有利于其增長的條件，絲狀菌即可快速生長并附著形成網(wǎng)狀機構(gòu)，為其他微生物的生長提供棲息地［4］。

1.4 試驗過程

整個啟動過程分為4個階段，采用保持進(jìn)水COD濃度為1 000 mg／L，逐步縮短HRT的方法進(jìn)行。

首先，將HRT控制在24 h，相應(yīng)的OLR為1.0 kg·COD／（m3／d），然后逐步縮短HRT為20 h，16 h，12 h，相應(yīng)的OLRs為1.2，1.5 and 2.0 kg·COD／（m3／d）。

整個啟動過程進(jìn)行了42 d，啟動階段運行工況見表1。

表1 厭氧反應(yīng)器啟動階段運行工況

2 結(jié)果與討論

在整個反應(yīng)器啟動期間，對反應(yīng)器掛膜過程、及出水COD去除率進(jìn)行觀察和測定。

2.1 掛膜過程與分析

取5L接種污泥，分別由4個隔室上部倒入反應(yīng)器。厭氧污泥在重力作用下下沉，下沉過程中受到彈性立體填料的阻隔，各個隔室填料上掛滿黑灰色污泥絮體。

啟動初期由于反應(yīng)器接種污泥中的微生物還沒有適應(yīng)新的生存環(huán)境，因此掛膜過程進(jìn)行的十分緩慢，要保證足夠長的HRT使細(xì)菌附著在填料上完成掛膜。

啟動剛開始時各隔室填料上的絮體呈黑灰色，3 d后第一隔室填料上部的污泥絮體開始泛白，同時觀察到部分污泥絮體脫落，考慮微生物的優(yōu)勝劣汰，一部分不適應(yīng)反應(yīng)器上部液面大氣復(fù)氧的厭氧微生物逐漸脫離填料。

此后幾天，第一隔室和第二隔室內(nèi)填料上的污泥絮體由上向下依次轉(zhuǎn)化為乳白色的酸化菌，第三隔室和第四隔室的填料緊隨其后掛滿了黑色絮體，填料上的絮體顏色由第一隔室至第四隔室逐漸加深。

啟動7 d后，經(jīng)第三隔室和第四隔室下部取樣口取泥觀察，看出此階段的污泥呈細(xì)小顆粒狀，隔天取樣觀察有逐漸變大的趨勢。

雖然在ABR反應(yīng)器中即便不形成顆粒污泥也能獲得良好的處理效果，但是本實驗與許多實驗的結(jié)果相同，在反應(yīng)器啟動過程中形成了顆粒污泥［5］。

厭氧反應(yīng)器內(nèi)填料的掛膜過程也是厭氧微生物的馴化過程。接種污泥加入反應(yīng)器后，由于反應(yīng)器上部存在大氣復(fù)氧，使得附著在填料上的好氧、兼性細(xì)菌得以生長，其中專屬厭氧菌很快死亡、脫落［6－7］。

由于好氧、兼性細(xì)菌的增殖速率比底部的厭氧細(xì)菌快，所以填料上部的生物膜比下部的厚。由于絲狀菌比表面積大、易附著，代謝速率快且不易隨水流出反應(yīng)器，并且在啟動初期，創(chuàng)造了有利于其生長的條件，即較長的HRT，使得絲狀菌快速生長繁殖并附著在彈性立體填料上形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

由此可以看出，填料上的絲狀微生物不僅能很好的適應(yīng)環(huán)境，而且是生物相形成的先行者，與后來陸續(xù)附著的微生物一起共同完成污水的凈化作用。

2.2 COD去除率

厭氧反應(yīng)器COD云除率如圖1所示。

圖1 厭氧反應(yīng)器COD云除率

由圖1可見，啟動的最初階段，反應(yīng)器在較低的OLR下運行，主要完成了種泥的培養(yǎng)。啟動前三天，反應(yīng)器出水COD濃度逐漸升高，COD去除率逐漸降低，主要原因是由于污泥沒有適應(yīng)新的環(huán)境使活性受到抑制。

3 d之后，反應(yīng)器出水COD濃度開始降低，COD去除率逐漸升高，說明適應(yīng)期對于細(xì)菌種群的生長是至關(guān)重要的。

第一階段在對厭氧活性污泥馴化15 d后，反應(yīng)器運行穩(wěn)定，COD去除率達(dá)到了88.5%。

第二階段當(dāng)OLR從1.0 kg·COD／（m3／d）迅速增加到1.2 kg·COD／（m3／d）的過渡期間，反應(yīng)器COD去除率出現(xiàn)了大幅回落，降低至78.4%，第二天迅速爬升至81.5%，此后去除率持續(xù)升高，在運行至第24 d時已達(dá)到90.2%。

第三階段當(dāng)OLR從1.2 kg·COD／（m3／d）增加到1.5 kg·COD／（m3／d）的過渡期間，COD去除率亦出現(xiàn)了大幅回落，但是之后表現(xiàn)為緩慢爬升，至第33 d達(dá)到86.7%。

第四階段OLR從1.5 kg·COD／（m3d）增加到2.0 kg·COD／（m3d），COD去除率變現(xiàn)與前一階段表現(xiàn)相近，最后穩(wěn)定在85%以上。

當(dāng)減少HRT，過渡期間由于增加OLR導(dǎo)致VFA積累和COD去除率下降容易發(fā)生酸化現(xiàn)象，但是不必采用任何措施幾天之后COD去除率就會得到改善。

這一結(jié)果表明，此高效反應(yīng)系統(tǒng)可以承受較高的沖擊負(fù)荷，可以在較高的OLR下處理廢水。

3 結(jié) 論

1）該高效厭氧反應(yīng)器克服了各種傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器的不足，其構(gòu)造簡單，在生物相分離、傳質(zhì)和保留生物量方面均具有優(yōu)勢。

2）優(yōu)化了反應(yīng)器尺寸，使不同種群的微生物在各自最優(yōu)條件下發(fā)揮活性。

3）啟動試驗結(jié)果表明，經(jīng)過42 d的污泥馴化，反應(yīng)器COD去除率基本保持在85%以上且運行穩(wěn)定，各室微生物活性高。

［1］馬建勇.低濃度廢水厭氧處理的研究進(jìn)展［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備，2002（08）：63－66.

［2］黃永恒.折流式厭氧反應(yīng)器的工藝特性及其運用［J］.中國給水排水，1999（15）：18－20.

［3］宋鐵紅.不等距異波復(fù)合厭氧反應(yīng)器高效機理及水力特性研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2008.

［4］何強.預(yù)掛膜加速厭氧生物膜反應(yīng)器啟動的試驗研究［J］.給水排水，2001（27）：27－29.

［5］蘆家娟.ABR反應(yīng)器的啟動及顆粒污泥特征的研究［J］.環(huán)境化學(xué)，2007（01）：10－16.

［6］宿程遠(yuǎn).EGSB處理中藥廢水過程中厭氧顆粒污泥特性變化［J］.化工學(xué)報，2014（09）：3647－3653.

［7］葉長兵.異波折板水解酸化反應(yīng)裝置啟動試驗研究［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（22）：32－35.

X703

A

1007－7596（2015）05－0024－03

2014－10－31

賀凱（1984－），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，從事市政給水排水勘察設(shè)計工作；李勝男（1983－），女，黑龍江哈爾濱人，從事水處理技術(shù)與應(yīng)用方面的研究工作。