不同污泥源条件下ASBR启动对比研究

孙根行, 李忠义, 路雪婷, 孙绪博, 刘若阳

(陕西科技大学 资源与环境学院， 陕西 西安 710021 )

0 引言

厌氧生物处理可处理高浓度有机废水,成本低，效果好,能产生可利用的生物能源等特点，日益成为人们关注的焦点[1].厌氧序批式反应器(ASBR)是20世纪90年代美国Iowa州立大学土木工程系Richard R·Dague教授在“厌氧活性污泥法”等研究的基础上，将好氧生物处理的序批式反应器(SBR)运用于厌氧处理工艺中，提出并发展的一种新型高效厌氧反应器[2].ASBR具有工艺简单、投资省、操作灵活、生化反应推动力大、耐冲击负荷、适应水质水量等优点，尤其适合于我国环境污染现状，在工业废水[3，4]、城市废水[5]、农业废水[6]废物的生物处理领域具有广泛的应用前景[7].ASBR内形成的污泥大多是絮状污泥，即使能形成颗粒污泥也需时很长，约一年以上，而且污泥粒径较小，约1 mm，污泥浓度低，沉速慢，从而限制了容积负荷的提高[8，9].因此,如何在短期内培养出活性高、沉降性能优良,并适用于处理废水水质的厌氧颗粒污泥就成为高效厌氧生物反应器推广应用的关键[10]，污泥颗粒化被认为是大多数厌氧反应器启动的目标和成功的标志[11].

岳秀萍等[12]在厌氧序批式反应器快速形成颗粒污泥技术研究中初次启动接种采用厌氧消化污泥，投加聚季铵盐培养，在73 d时污泥平均粒径达到0.72 mm.邵享文等[13]在厌氧序批式反应器中丝状颗粒污泥的形成中接种啤酒厂厌氧消化污泥，在120 d时污泥完全颗粒化.已有的ASBR启动研究报道中接种污泥大多采用厌氧消化污泥，接种二沉池剩余污泥启动的实验鲜有报道.二沉池剩余污泥产量大，后续处理成本高，如果能用于厌氧反应器的启动接种污泥，可以实现污泥资源化利用，减少后续处理成本和接种污泥成本，具有很高的经济效益.本实验就接种二沉池剩余污泥和UASB中厌氧污泥对ASBR快速启动的对比进行研究，并且在无搅拌和无任何添加物的条件下提高反应器的处理效率和负荷，为ASBR中培养颗粒污泥提供一些参考数据.

1 材料与方法

1.1 实验装置

ASBR反应器采用内径124 mm、外径140 mm、壁厚8 mm和高度260 mm的广口玻璃瓶，总容积2.8 L,有效液体容积为2.5 L,气室的空间为0.3 L，瓶口用胶塞密封.反应器内的温度通过恒温水浴的方法控制，利用温控仪将温度控制在(35±1) ℃.实验过程中采用两套装置A和B接种不同的污泥.工艺流程见图1.

图1 ASBR流程图

1.2 接种污泥

A中接种污泥为西安市第五污水处理厂的二沉池剩余污泥，B中接种污泥为UASB反应器中培养的厌氧污泥，接种污泥量均为反应器有效容积的40%.装置A、B接种的污泥各项参数分别为混合液悬浮固体浓度MLSS=11.67 g/L、11.41 g/L；混合液挥发性悬浮固体浓度MLVSS=6.60 g/L、6.64 g/L；MLVSS/MLSS=0.57、0.59.

1.3 实验用水

实验用水人工配制，淀粉作为碳源，NH4Cl、KH2PO4分别提供微生物生长所需要的氮和钾,并控制C∶N∶P=250∶5∶1.为确保反应溶液对进水冲击具有缓冲能力，维持容器内溶液pH值在6.8～7.5之间(甲烷菌的适宜范围)[14]，按1 g COD投加0.5 g NaHCO3调节碱度.同时进水中以Takashima等[15]推荐的营养物配方补充营养液(N、P、Fe、Co、Mn、Ni、Ca、Zn、Mg、S等),以保证微生物代谢的需要，微量元素以配制混合溶液的方式投加.随着启动的进行，负荷不断提高，配水方案中各成分的量也随之按比例增加.

1.4 实验方法

实验用水在配水箱中配制，采用蠕动泵进水，每个反应周期的时间随着进水化学需氧量(COD)浓度的不同做出调整，初期采用24 h，末段变为12 h，进水时间为10 min，出水时间为5 min.

每次配水时测量进水COD，出水COD每个水力停留时间(HRT)内测量，出水挥发性有机酸VFA浓度和pH值每个反应周期检测一次，污泥的各项指标每两周检测一次.

1.5 分析项目和测试方法

COD、pH值、MLSS、MLVSS、污泥沉降比(SV)、污泥体积指数(SVI)和碱度的测定参照标准分析方法[16],挥发性脂肪酸(VFA)采用蒸馏滴定法测量，如表1所示.

表1 主要分析项目与测试方法

2 结果与讨论

2.1 进出水COD和COD去除率的变化

启动过程中进水COD负荷从0.30 g/(L·d)逐渐提升至5.16 g/(L·d)，水力停留时间从3 d减少至1 d.反应器A和B的出水COD浓度和有机负荷随时间的变化如图2所示.从图中可以看出A和B出水COD浓度大多数在100～400 mg/L，每次提高COD负荷的1～2 d内A和B出水COD浓度会有不同程度的提高，A中变化幅度较大.前15 d出水COD浓度波动较大，表明厌氧活性污泥仍处于适应期，在35 d时进水负荷从0.75 g/(L·d)提高至1.96 g/(L·d)，A和B出水COD浓度都超过了500 mg/L，随后经过几个周期的运行逐渐恢复正常，50 d时A中出水有一次急剧升高，可能是由于进水过量导致.总体上B的出水浓度低于A,接种了UASB反应器厌氧污泥的效果相对较好.

图2 A和B中出水COD和 容积负荷随时间的变化

由图3可以看出，启动期间COD去除率随有机负荷的提高逐渐提高，在启动初期时，虽然进水负荷低，但是由于污泥处于选择优化阶段，处理效果差，去除率低且不稳定.在35 d时由于负荷骤然升高，去除率急剧下降，45 d之后运行基本平稳，A和B中去除率均在85%以上，整个反应器适应负荷变化的能力增强，COD的去除率不会随着负荷的增加而出现大幅度波动.从整体来看，反应器B的去除率稳定且高于A.

图3 A和B中COD去除率和 容积负荷随时间的变化

2.2 出水VFA的变化

出水VFA在ASBR反应器控制中是非常重要的参数，VFA浓度的高低直接反映了产甲烷菌的活性和反应器的酸化程度[17]，进而反映出反应器的运行状态.一般情况下，底物先被产酸菌转化为VFA，VFA再被甲烷菌直接利用产生甲烷,因此当产甲烷菌活跃时出水VFA浓度就低，不会发生积累，出水VFA浓度低于200 mg/L时(以乙酸计)，反应器的运行状态最为良好.如果VFA浓度过高则说明产甲烷菌活性不高，VFA发生积累，超过800 mg /L，即有面临酸化的危险，要及时调整运行参数或者直接加碱调节，防止反应器恶化.反应器启动过程中出水VFA随时间的变化见图4.

图4 出水VFA随时间的变化

由图4可以看出，开始启动的几天内出水VFA浓度比较高，随着反应的进行，出水VFA浓度随容积负荷的提高达到峰值，随后下降至稳定.整个启动过程，反应器A和B中最高的出水VFA浓度分别为387 mg/L和276 mg/L(以乙酸记)，最低值为81 mg/L和75 mg/L，并没有达到抑制反应的程度.到启动的末期，A和B中的浓度均降到130 mg/L以下，证明反应器运行状态良好，并没有出现酸化的情况.

由于加入了NaHCO3调节反应器内的碱度，控制反应的pH值，整个启动过程中大部分情况pH值处于6.8～7.5之间，只有少数几个值达到8或小于6.6，可能由于测量误差或者是操作不当引起.

2.3 反应器周期内的运行情况

实验进行到55 d时，在容积负荷为5.09 g/(L·d)，HRT为1 d的条件下检测一个周期内的各项指标的变化情况.在一个反应周期内，每两个小时取样一次，检测pH值、COD浓度、VFA浓度等指标以及反应进水后反应器内的变化过程.周期内COD和VFA随时间的变化见图5和图6.

图5 一个周期内COD浓度和 去除率随时间的变化

进水COD为5 000 mg/L时，由于容器内剩余水的稀释作用，进水后取样测得A和B中COD浓度分别为2 472 mg/L和2 448 mg/L，达到最大；VFA浓度也都在100 mg/L以下.由图5可以看出进水结束后的前两个小时内，COD的浓度下降到1 000 mg/L以下，VFA的浓度升高到将近500 mg/L，快速进水使COD值和F/M值达到最大，反应推动力也最大，同时也导致VFA的快速积累，但没有对产甲烷菌产生抑制作用，很快被降解.COD在最初的两小时内降解速率最快，之后逐渐降低，到反应的最后，A和B中的COD浓度都降到300 mg/L以下， COD去除率分别为94.15%和97.12%.VFA浓度降到100 mg/L以下.反应器运行良好，生物活性强.

图6 一个周期内VFA浓度随时间的变化

2.4 pH值的变化情况

刚进水后由于进水中加入NaHCO3的原因，A和B的pH值分别达到7.80和7.86，但是随着反应的进行，受VFA的影响pH降低到7.2以下，之后的pH值一直维持在6.9～7.2之间，处于产甲烷菌的最佳pH值范围内.

2.5 MLSS、MLVSS和MLVSS/ MLSS的变化

在ASBR反应器启动过程中，排水过程中附带排除漂浮在表面的活性差的污泥，保留沉降性能良好的、具有颗粒化倾向的污泥.A和B中MLSS、MLVSS和MLVSS/MLSS随时间的变化如图7所示，A和B中MLSS、MLVSS在启动初期增长比较缓慢，随着启动时间的增加不断增大.开始接种的污泥浓度基本相同，分别为11.7和11.4 g/L，B中浓度在开始15 d速度变快，且始终大于A中浓度，最后A、B的污泥浓度分别达到21.6 g/L和24.5 g/L.由图7可知B中有机物增长速度明显快于A，且在启动的最后阶段A和B的MLVSS/MLSS分别达69.1%和78.1%，说明此时反应器中活性微生物浓度比较大，对高负荷进水适应能力较强.

图7 MLSS、MLVSS和MLVSS/MLSS 随时间的变化

2.6 污泥粒径的变化

污泥粒径随时间的变化如图8所示.由图8可以看出，前20天污泥粒径增长缓慢，但随着容积负荷提高，污泥粒径的增长明显加快，B中的粒径增长幅度大于A.经过75 d的培养，A和B中的平均污泥粒径分别达到了1.1 mm和1.4 mm，颗粒污泥的粒径一般为0.5～3.0 mm[18]，表明反应器内已经形成了成熟的厌氧颗粒污泥，达到了ASBR反应器快速启动的目的.

图8 污泥粒径随时间的变化

3 结论

(1)接种二沉池的剩余污泥和UASB中厌氧污泥均能成功启动ASBR反应器，分别耗时75 d和61 d.当进水COD为5 000 mg/L，容积负荷为5.16 g/(L·d)时，A和B的COD去除率分别达到86.0%和91.7%，且出水VFA浓度(以乙酸计)分别为112 mg/L和90 mg/L.接种两种污泥均能实现ASBR反应器的快速启动，且在相对较高负荷条件下对COD的去除效果良好，出水VFA浓度也可表明反应器运行状态良好.

(2)A和B的污泥浓度最后分别达到21.6 g/L和24.5g/L，MLVSS/MLSS分别达到69.1%和78.1%，污泥粒径也分别达到1.1 mm和1.4 mm，说明接种二沉池污泥也可以达到高污泥活性和较大的污泥粒径，反应器内的生物活性高，抗冲击负荷能力强.

(3)在恒温35 ℃、无搅拌、无任何添加物的条件下，通过逐步增加进水的COD，缩短水力停留时间，并定期排除上层浮泥的方法能够培养出厌氧颗粒污泥.特别是接种二沉池剩余污泥能够变废为宝，节约启动成本，无搅拌和无需添加任何药品也可节省启动和运行费用，对指导实际应用具有很大的参考价值.

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