厌氧流化床生物反应器处理模拟废水的快速启动运行研究

刘文婧，郭海燕，张寿通，王伟

(大连交通大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116028)



厌氧流化床生物反应器处理模拟废水的快速启动运行研究

刘文婧，郭海燕，张寿通，王伟

(大连交通大学 环境科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

针对厌氧反应器启动慢的缺点，研究了厌氧流化床在中温条件(32±3)℃下，以颗粒活性炭为载体，通过提前在厌氧环境筛选活性污泥的方式完成反应器的快速启动，并监测了其处理模拟低浓度生活污水的效果.研究结果表明：COD平均去除率为75%，当进水COD浓度从5 500 mg/L(±200 mg/L)降至500 mg/L(±100 mg/L)时，COD去除率保持在73% ～89%之间，容积产气率为50.8 mL/L·d，挥发性脂肪酸(VFA)保持在正常水平变化，反应器稳定运行.

厌氧流化床；启动；运行情况；优势

0 引言

在当今污水排放总量中，低浓度有机废水占很大的比重.大量低浓度有机工业废水的COD浓度在2 000 mg/L以下，如食品、发酵工业的洗涤废水，造纸工业的纸浆漂洗废水等；大城市生活污水COD浓度为500 mg/L左右，中小城镇生活污水COD浓度约800～1 000 mg/L[1].由于生活污水排放量巨大，所以其处理及排放问题亟待解决.

在传统观念中，厌氧消化只适用于高负荷高浓度的污水处理，所以生活污水的处理一般采用的是好氧技术，但随着研究的深入，厌氧流化床生物反应器作为一种占地面积小、载体生物膜传质作用强的废水处理技术逐渐受到环保学者的重视.但由于厌氧菌一般对于环境的要求很高、生长速度慢，且普通的厌氧生物流化床相间相对流动速度差小，传质效率低，导致载体生物膜新旧菌体更新速率慢，适应环境能力差，启动时间较长，一般需要8～10周，甚至长达半年、一年[2].在实际工程中，快速顺利地启动反应器往往是整个废水处理工程中的关键环节，启动速度成为制约高速厌氧工艺广泛应用的瓶颈.因此，缩短厌氧反应器启动时间是近年来厌氧工艺研究的热点之一[3].针对厌氧反应器启动慢的特点，采用高负荷启动的方式完成厌氧流化床生物反应器的快速启动，逐渐降低进水负荷进而研究其对于模拟生活污水的处理效果.

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行方法

试验装置如图1所示，反应器由有机玻璃制成，上部设沉淀池以保留被带出的颗粒活性炭，沉淀区域高300 mm，直径120 mm，总容积3.93 L.下部反应区高2 m，直径50 mm，设锥形反射式布水器，反应区外部均匀包裹加热丝以控制温度在35℃左右，反应器中上部装有温控探头实时监测反应温度.进水采用型号为YZ1515x的兰格蠕动泵，回流循环采用世博磁力泵NH- 100PX-Z.

试验装置启动采用高负荷批式循环培养模式，循环流速60～80 L/h，HRT为24 h，膨胀度控制在50%～80%，进水流速为1.76 mL/min.高负荷的进水有利于微生物的快速生长，初始进水COD浓度5 500 mg/L，经过30 d的运行，反应器内污水的COD浓度出水稳定，说明启动成功.此后，将反应器保持原有的运行条件，连续运行52 d，监测出水水质，并采用扫描电镜的方法观察载体表面生物相形态的变化.

图1 实验装置图

1.2 实验进水及污泥性质

试验用水由人工配制而成，在自来水中依次加入葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾、硫酸镁、氯化钙，同时在自来水中加入一定量的微量元素(铁、钴、镍)以满足产甲烷菌的生长要求.模拟废水水质见表1.

表1 实验进水配方

接种污泥采用提前摇床培养的厌氧300 mL，以及源自大连春柳污水处理厂的厌氧污泥300 mL(过筛去除大块杂质)，污泥为深黑色，味臭，呈液体状态的亲水性物质.

1.3 测定指标及数据处理

测定指标主要为COD、碱度、VFA(挥发性脂肪酸)、pH、SS.COD采用重铬酸钾法，碱度采用滴定法，VFA采用比色测定法，pH采用雷磁PHS- 3C，SS采用国标重量法，载体表面观察采用生物显微镜、SEM扫描电镜分析.采用SPSS 13.0 对实验结果进行方差分析，origin8.0进行数据作图分析.

2 结果与分析

2.1 出水COD随时间的变化

厌氧流化床反应器的启动可分为三个阶段：启动适应期、微生物固定期和稳定运行期[4].污泥接种后的15 d内为微生物的适应期和固定期，反应器为间歇运行，此时的镜检亦显示已有菌种附着于载体之上，此阶段COD浓度直线下降，说明接种污泥的活性极高且能够适应高负荷的进水.在稳定运行期，进出水COD浓度以及COD去除率变化见图2第一阶段，此阶段时长为15 d，进水COD浓度在5 500 mg/L左右，HRT为24 h，进水容积负荷12.32 kg COD/d·L，出水COD浓度为816～2 160 mg/L，平均COD去除率75%，对载体进行扫面电镜的观察，发现上下部分载体表面均附着一层生物膜，且上部载体表面的生物膜较厚，其中以丝状菌为主体架构，并附着生长着球状菌、杆状菌以及藕状菌，结构紧密，分布均匀，呈现出较好的微生物多样性.

图2 进出水COD浓度以及COD去除率变化

在反应器启动成功后，使处理废水逐渐接近生活污水的COD浓度.运行结果见图2的第二阶段，历时52 d，进水COD浓度从4 517 mg/L降到524 mg/L，出水COD浓度从899 mg/L降到53 mg/L，容积负荷从10.08 g COD/L·d降到2.24 g COD/L·d，COD去除率从79%升至89%，当容积负荷降低了77%时，COD去除率仍有11%的提高，说明厌氧流化床反应器抗冲击负荷能力较强.

2.2 系统产气量及VFA变化情况

VFA是厌氧消化的中间产物，同时也是厌氧消化菌的抑制物，其浓度的高低能反映产酸段和产气段的协作状况和厌氧消化过程的工作性能[5].出水中VFA含量见图3，VFA浓度一直保持在1 200 mg/L以下，低于VFA对厌氧消化作用的抑制浓度4 500 mg/L[6]，且伴随着一定的规律性，随着进水负荷的减少，VFA的浓度从652 mg/L降至86 mg/L，主要原因是因为随着进水负荷的减少，产酸菌的代谢能力有所下降.进水中含有足够的碱度是防止厌氧消化液酸化的重要措施，但进水碱度过高也会导致消化液pH过高而影响产甲烷菌作用，并引发VFA积累.

图3 出水VFA浓度与COD去除率变化

反应器产甲烷情况如图4，在初始阶段(平均进水COD浓度4 517 mg/L、容积负荷10.08 g COD/d·L)，容积产气率为31.25 mL/L·d；在第二阶段进水负荷有所下降时(COD浓度降为3 507 mg/L、容积负荷降为7.84 gCOD/d·L)，容积产气率为130.1 mL/L·d；其后的各个阶段：随着进水容积负荷从7.84 gCOD/d·L减少到1.456 g COD/d·L，系统的容积产气率也从130.1 mL/L·d降到3.1 mL/L·d.

图4 产气情况与容积负荷变化

在此整个进水负荷下降的过程中，由于提供给微生物的营养基质减少，微生物产气量也有所下降.但在容积负荷从10.08 g COD/d·L降低到7.84 g COD/d·L阶段，产气率却呈上升态势，据分析，是由于产气过程刚刚开始而经历的适应性阶段，并不影响整体的变化趋势.

2.3 生物相与生物量分析

载体表面扫描电镜图见图5左侧，从图5(图(a))可以看出反应器下层载体在基质中分布较密，在颗粒活性炭载体表面孔隙及沟缝中分布着一层薄薄的生物膜，且缝隙和孔洞是微生物生长最为旺盛的地方，这是由于本实验采用颗粒活性炭作为载体，由于活性炭表面具有细小的孔洞，使其具有较好的吸附能力，也为微生物的附着提供了更好的条件[7]，同时水体流化时对载体表面产生水力剪切以及载体之间产生的互相摩擦力；上层载体在基质中分布较稀疏，废水与微生物接触面积大，生物膜较厚，呈现丝状菌纵横交错的稳定结构(图(b)).一般床层上部生物膜较厚(60 μm) ，下部较薄(20～25 μm)[8].Bull 等人[9]对AFB 中微生物活性纵向分布研究发现，微生物活性在床的中部最强.

载体表面的生物相扫描电镜图见图5右侧，产甲烷细菌依形态可分为球形、八叠球状，短杆状、长杆状，丝状和盘状.这些形态的菌种大都在载体表面附着的菌群中通过扫描电镜找到，且以丝状菌为主.在活性炭载体表面附着最多的是甲烷鬃毛菌及其胞外物形成的珊瑚礁样的生物膜结构[10]，在生物膜中看到多种厌氧菌(图(b))，可以看到各种分散大小不一的球菌和甲烷八叠球菌等(图(d))，也有少量的杆状菌(图(c))和藕状菌(图(e)).索氏产甲烧丝菌(图(b))和巴氏产甲烧八叠球菌(图(d))是厌氧反应器中常见的嗜乙酸产甲烷菌[6].

图5 载体表面扫描电镜图

生物量分析：厌氧消化过程中物质的流向大致分为三部分：产生生物能(沼气)；随出水排到体系外；生物量的增加(污泥).在本次厌氧流化床生物反应器处理模拟废水的试验中，统计了30 d正常运行中反应器的产气情况以及污泥的增长量，其中以10 d为一个统计周期，结果如下：在第一周期内(1～10 d)，进水COD浓度1 808～1 017 mg/L，平均COD去除率87.8%，参与代谢COD总量20.015 g，污泥增长量3.236 5 g，产气量2 040 mL；在第二周期内(11～20 d)，进水COD浓度1 017～693 mg/L，平均COD去除率87.9%，参与代谢COD总量18.74 g，污泥增长量2.083 9 g，产气量1 820 mL；在第三周期内(21～30 d)，进水COD浓度693～524 mg/L，平均COD去除率89.5%，参与代谢COD总量13.21 g，污泥增长量1.368 0 g，产气量1 350 mL.

从统计结果可看出，污泥的增长量仅占COD总量的12%左右，其余的能量均转化成为了生物能，有文献记载厌氧消化产生的沼气可高效回收(回收率大于90%)有机污染物中蕴含的能量.发达国家污水处理厂污泥厌氧消化过程所产生沼气,其转化的电能可解决自身33%～100%的用电需求.青岛海泊河污水处理厂利用污泥消化产生沼气所转化的热能和电能,可满足污水厂80%～90%的供热量和50%以上的用电量[11].同时，厌氧微生物世代时间长,细胞产率低,产酸菌的细胞产率为0.15～0.34 kgVSS/kgCOD,产甲院菌的细胞产率为0.03 kgVSS/kgCOD,低于好氧微生物的细胞产率0.25～0.6 kgVSS/kgCOD,可缓解污泥处理困难[12].

3 结论

(1)通过高负荷进水的方式，可以在30 d内完成厌氧流化床反应器的快速启动.，进水COD浓度5 500 mg/L，容积负荷12.32 kgCOD/L·d，水力停留时间(HRT)24 h,COD去除率平均达到75%；

(2)在52 d时间里，成功将进水COD浓度从5 500 mg/L(±200 mg/L)梯度降至500 mg/L(±100 mg/L)，反应器适应性良好，COD去除率保持在73%～89%之间，容积产气率50.8 mL/L·d，挥发性脂肪酸(VFA)保持在正常水平变化，反应器稳定运行，对低浓度废水仍有很高的去除率；

(3)从统计结果可看出，污泥的增长量仅占COD去除总量的12%左右，其余的能量均转化成为了生物能(沼气)，属于既节能又产能的污水处理技术.且载体活性炭上的生物相呈现多样性，生长情况稳定；

(4)基于厌氧流化床反应器以上的优点，在资源紧缺的当今，此技术将日渐受到人们的重视.

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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

辽宁省科技厅公益研究人才培养计划资助项目(2015003009)

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

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