膨胀颗粒污泥床厌氧反应器原废水循环启动的实验研究*

刘健峰 王 强 田光亮 赵兴玲 柳 静 王昌梅 刘士清 杨 红 尹 芳 张无敌

(云南师范大学能源与环境科学学院，云南省沼气工程技术研究中心， 云南省农村能源工程重点实验室，教育部生物能源持续开发利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

膨胀颗粒污泥床厌氧反应器原废水循环启动的实验研究*

刘健峰 王 强 田光亮 赵兴玲 柳 静 王昌梅 刘士清 杨 红 尹 芳 张无敌#

(云南师范大学能源与环境科学学院，云南省沼气工程技术研究中心， 云南省农村能源工程重点实验室，教育部生物能源持续开发利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

在室温条件下，以水葫芦汁液为废水来源，对自行设计的膨胀颗粒污泥床(EGSB)厌氧反应器进行原废水循环启动实验。结果表明：在启动运行65d后，进水有机负荷可以达到7kg/(m3·d)左右，COD去除率达到90%以上，容积产气率达到1.35m3/(m3·d)，甲烷体积分数达到61%，颗粒污泥粒径达到2～4mm。因此，EGSB厌氧反应器的原废水循环启动方式是可行的，对水葫芦汁液的降解是高效的，为EGSB厌氧反应器的工程应用提供一种新的启动方式，也为水葫芦汁液的能源化利用提供了一套高效、节能的厌氧发酵装置。

膨胀颗粒污泥床厌氧反应器 水葫芦汁液 原废水循环启动 厌氧消化 颗粒污泥

水葫芦(Eichhorniacrassipes(Martius) Solms Laubach)是一种原产于南美洲亚马逊流域、属于雨久花科凤眼蓝属的一种漂浮性水生植物[1]。水葫芦可以进行无性繁殖和有性繁殖。因此，在适宜的条件下，水葫芦的数量能呈几何级数增长。经计算，1株水葫芦每年经过繁殖可达到1.4亿株，能铺满140 hm2的水面，鲜质量可达28 000 t[2]。关于水葫芦厌氧发酵方面的研究主要集中于单相发酵和两相发酵，因水葫芦含水率高、体积膨大，因此发酵工艺中存在容积大、容积产气率低、出料不便、易结壳、沼渣综合利用难等问题[3_4]。生长旺盛的水葫芦含水率达到了95%，固液分离是解决水葫芦含水率过高、实现水葫芦减量化的有效手段，所以对水葫芦汁液的处理成为了主要问题。

膨胀颗粒污泥床(EGSB)厌氧反应器是在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器的基础上改进的第3代高效厌氧反应器，与UASB反应器相比具有有机负荷和上流速度高、抗冲击负荷强、基建投资少、占地面积小等显著优点，越来越受到人们的关注[5]。但是，查阅相关资料，未发现利用EGSB厌氧反应器对水葫芦汁液进行沼气发酵实验的研究，更加缺乏工程应用实例。为此，本研究利用自行设计的EGSB厌氧反应器对水葫芦汁液进行厌氧消化的启动实验研究，为今后EGSB厌氧反应器的工程启动提供技术指导，也为水葫芦汁液的厌氧消化提供高效节能工艺。

表1 水葫芦汁液的主要性质

表2 污泥的主要性质

1 材料与方法

1.1 实验材料

水葫芦汁液：将取自云南滇池的水葫芦先后经过粉碎机粉碎和固液分离机挤压脱水，放入冰箱冷冻备用，水葫芦汁液的主要性质见表1。

厌氧接种污泥(以下简称污泥)：将实验室长期驯化的猪粪活性污泥通过孔径为1 mm的筛网过滤后作为EGSB厌氧反应器的接种物，其相关参数见表2。

1.2 实验装置

实验装置为自行设计的EGSB厌氧反应器(见图1)，由圆柱形有机玻璃制成，有效容积为1.6 L，有效高度为100 cm，直径为10 cm，高径比为10∶1，沿柱高设置等间距的取样孔，在该反应器上设有外循环管路。

1—气柜；2—出气孔；3—出料孔；4—取样孔；5—外循环管路； 6—蠕动泵；7—进料池；8—排泥口图1 EGSB厌氧反应器Fig.1 EGSB anaerobic reactor

1.3 实验启动方法

在室温条件下，以水葫芦汁液为原料，利用EGSB厌氧反应器对水葫芦汁液进行厌氧消化。实验前，将污泥打入EGSB厌氧反应器内，污泥约占有效容积的1/3，再将水葫芦汁液打满整个EGSB厌氧反应器，待产气结束后，开始实验启动。具体启动方案设计如下：一共分为3个阶段。第1阶段(第1天至第30天)为循环进水启动驯化污泥阶段，在水力停留时间(HRT)为2.2 d时，利用蠕动泵将新鲜的水葫芦汁液打入EGSB厌氧反应器，每天定时利用COD在线监测仪对出水的COD进行测定，如果COD去除率未达到80%～90%，则将出水继续回流循环进料，直至水葫芦汁液的COD去除率达到80%～90%，再更换新鲜的水葫芦汁液打入EGSB厌氧反应器，对出水继续循环进料，直至新鲜的水葫芦汁液一次性进出EGSB厌氧反应器的COD去除率达到80%～90%，说明EGSB厌氧反应器的循环启动已经完成；第2阶段(第31天至50天)为膨胀污泥阶段，开启外循环管路，以回流比为1∶1(体积比)继续打入新鲜的水葫芦汁液，直至出水COD趋于稳定且COD去除率达到80%～90%，说明沉降性能不佳的污泥已被冲刷完毕；第3阶段(第51天至第65天)为稳定阶段，继续打入新鲜的水葫芦汁液，直至EGSB厌氧反应器连续5 d的COD去除率均达到80%～90%，说明EGSB厌氧反应器内整个厌氧体系已稳定，实验启动成功。

1.4 分析项目与测定方法

pH采用PHS_2C精密酸度计测定；产气量采用LML_1湿式流量计测定；甲烷采用GC_6890A型气相色谱仪测定，色谱条件为气化室温度80 ℃、柱箱温度80 ℃、热导池检测器(TCD)温度50 ℃、载气为纯氮气，流速为40 mL/min；COD采用CODmax Ⅱ铬法COD在线测定仪；颗粒污泥粒径采用筛网过滤筛选及数码相机照相；室温采用温度计测量。

2 结果与分析

2.1 产气量与室温的变化关系

在整个运行过程中，COD原料产气量、日产气量及室温随运行时间的变化情况分别见图2、图3和图4。结合图2、图3和图4可以看出，运行35 d内，日产气量、COD原料产气量与室温的变化趋势趋于一致，说明日产气量和COD原料产气量受室温的影响较大，可能是由于厌氧微生物群落还未完全适应发酵环境，导致整个厌氧体系还不够稳定，厌氧菌群活性较低。在运行36～65 d时，日产气量、COD原料产气量一直呈上升趋势，基本未受到室温的影响，可能是EGSB厌氧反应器内的微生物群落已经适应了发酵环境，整个厌氧体系已趋于稳定，具有较强的适应室温变化的能力。

图2 COD原料产气量随运行时间的变化关系Fig.2 Variation of COD biogas production with running time

图3 日产气量随运行时间的变化关系Fig.3 Variation of daily biogas production with running time

图4 室温随运行时间的变化关系Fig.4 Variation of room temperature with running time

2.2 产气量与有机负荷的变化关系

在整个运行过程中，有机负荷随运行时间的变化情况见图5。结合图3和图5可以看出，在运行30 d内，日产气量较低，而在运行30 d后增长较快，可能是由于在运行前期的有机负荷太高，厌氧微生物群落活性较低，抗负荷冲击能力较弱，难以适应发酵环境。运行20～25 d，日产气量呈先上升后下降的趋势，主要是由于循环进水使有机负荷降低，缓解了发酵环境的高有机负荷状态，厌氧微生物群落很快就适应了发酵环境，所以日产气量增加；但运行25～30 d时日产气量继续下降，主要由于有机负荷过低导致。运行时间超过30 d后，随着有机负荷的提升，日产气量迅速增长，并一直呈上升趋势，说明厌氧微生物群落已经逐渐适应发酵环境，抗负荷冲击能力逐渐增强，整个发酵体系已趋于稳定。

图5 有机负荷随运行时间的变化关系Fig.5 Variation of organic loading rate with running time

2.3 进出水COD浓度及COD去除率的变化关系

在整个运行过程中，进出水COD质量浓度及COD去除率随运行时间的变化情况见图6。由图6可以看出，在运行35 d内，COD去除率呈先下降后上升的趋势。COD去除率下降主要是由于进水COD浓度较高，超过发酵体系内的厌氧微生物降解能力，进而导致出水COD浓度也较高；随着进水COD浓度逐渐降低，厌氧微生物逐渐适应了发酵环境，COD去除率逐渐呈上升趋势。但是，在运行35 d后，COD去除率突然下降，之后又逐渐恢复，最后稳定于90%以上。可能主要是由于在运行35 d时，已开启外循环管路，加快了EGSB厌氧反应器内液体的上升流速，将沉降性能较差的污泥冲刷出去，使出水COD浓度升高；随着运行时间的延长， EGSB厌氧反应器趋于稳定，COD去除率也逐渐恢复稳定。

图6 进出水COD质量浓度及COD去除率随运行时间的变化关系Fig.6 Variation of COD of influent and effluent and degradation rate of COD with running time

2.4 pH、甲烷与有机负荷的变化关系

在整个运行过程中，pH和甲烷随运行时间的变化情况分别见图7、图8。结合图5、图7和图8可以看出，在运行前期，由于进水有机负荷较高，产甲烷菌群的活性比产氢产乙酸菌群的活性低，导致有机酸积累，出现了pH下降的现象，甲烷含量较低；但是，产甲烷菌群的适应能力很强，很快就适应了发酵环境，再加上有机负荷降低，所以EGSB厌氧反应器内的pH很快就恢复稳定，甲烷含量也逐步提高，说明产甲烷菌群的活性逐渐超过了产氢产乙酸菌群的活性。到运行后期，虽然有机负荷仍然较高，达到7 kg/(m3·d)左右，但是EGSB厌氧反应器内的pH一直维持在7～8，甲烷体积分数达到了61%，说明EGSB厌氧反应器内整个发酵体系已趋于稳定，酸碱缓冲体系已基本形成，产甲烷菌群已适应了发酵环境，活性明显高于产氢产乙酸菌群。

图7 pH随运行时间的变化关系Fig.7 Variation of pH with running time

图8 甲烷随运行时间的变化关系Fig.8 Variation of methane with running time

2.5 颗粒污泥粒径测量分析

到启动实验结束后，借助取样孔取样，并通过边长为1 mm的筛网对颗粒污泥进行筛选，发现在EGSB厌氧反应器内已经有颗粒污泥形成，粒径为2～4 mm，大多呈球形和椭球形，颗粒表面光滑，手压有密实感，有一定的机械强度，说明颗粒污泥已经比较成熟。图9为颗粒污泥的照片。

图9 颗粒污泥照片Fig.9 Photograph of granular sludge

2.6 EGSB厌氧反应器的效率分析

为探索EGSB厌氧反应器对水葫芦汁液的处理效率，本研究进行了对比分析。查国君等[6]将水葫芦汁液固液分离后，在室温条件下，采用自制的二级和五级连续发酵工艺对水葫芦汁液进行了沼气发酵实验，HRT为20 d，有机负荷为0.55 kg/(m3·d)，水葫芦汁液产气较稳定，二级发酵的产气量为1.93 mL/g，五级发酵的产气量为1.3 mL/g。陈金才等[7]利用水压式沼气池对水葫芦汁液进行了半连续中温厌氧消化，HRT为10 d，有机负荷为1.52 kg/(m3·d)，水葫芦汁液产气量为2.27 L/kg，水葫芦汁液的COD降解率为88.4%。叶小梅等[8]在中温(35 ℃)条件下，利用全混合(CSTR)反应器处理水葫芦汁液，启动后运行80 d时，有机负荷为6 kg/(m3·d)，容积产气率可达 1.4 m3/(m3·d)，HRT为2.4 d，COD平均去除率达85%。而本研究在室温条件下，启动后运行至65 d时，有机负荷为7.25 kg/(m3·d)，HRT为2.2 d，COD去除率就达到90%以上，容积产气率达到1.35 m3/(m3·d)，COD去除率略优于前人对水葫芦汁液的处理效果。郭晓燕等[9]进行了EGSB厌氧反应器的工艺运行性能的研究，当污泥驯化成熟后，有机负荷在3～30 kg/(m3·d)波动，COD去除率均能保持在85%以上，证明EGSB厌氧反应器的抗负荷冲击能力较强。任大军等[10]进行了EGSB厌氧反应器处理冷轧含油废水的微生物研究，发现有机负荷为15.6 kg/(m3·d)，HRT为12 h。结合本研究以及前人的研究结果可以看出，EGSB厌氧反应器是一套能源转化效率较高的厌氧反应装置，是处理水葫芦汁液较理想的工艺。

3 结 论

(1) EGSB厌氧反应器运行初期，室温的变化会引起产气量的变化。但是，成熟的厌氧微生物群落体系对室温变化具有较强的适应能力，小范围的室温变化对厌氧微生物群落活性的影响非常小，几乎不会影响到产气量的总趋势。

(2) 原废水循环启动EGSB厌氧反应器的方式是可行的，且EGSB厌氧反应器可以很好地处理水葫芦汁液。在运行65 d时，有机负荷就可以达到7 kg/(m3·d)左右，COD去除率达到90%以上。

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[5] 王凯军．厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器[J]．环境科学，1998，19(1)：95_97．

[6] 查国君，张无敌，尹芳，等．滇池水葫芦固液分离后的沼气发酵研究[J]．中国野生植物资源，2008，27(1)：36_38．

[7] 陈金才，杨斌，赵兴玲，等．水葫芦汁液半连续中温发酵工艺优化[C]//中国沼气学会.2012年中国沼气学会学术年会论文集.上海：中国沼气学会，2012：127_130．

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Studyonstart_upincirculationfeedwaterofEGSBanaerobicreactor

LIUJianfeng,WANGQiang,TIANGuangliang,ZHAOXingling,LIUJing,WANGChangmei,LIUShiqing,YANGHong,YINFang,ZHANGWudi.

(CollegeofEnergyandEnvironmentalScience，YunnanNormalUniversity,YunnanResearchCenterofBiogasEngineeringandTechnology,KeyLaboratoryofRuralEnergyEngineeringinYunnanProvince,EngineeringResearchCenterforSustainableDevelopmentandUtilizationofBio_energyintheMinistryofEducation,KunmingYunnan650500)

In order to study the experiment of start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor,the anaerobic digester experiment was performed at room temperature using the juice of water hyacinth as feedstock. The results showed that after running 65 d,the influent organic loading rate could reach 7 kg/(m3·d). The removal efficiency of COD was more than 90%. The volume biogas yield were achieved 1.35 m3/(m3·d) with 61% volume fraction of methane. The particle size of granular sludge reached 2_4 mm. Therefore,start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor was practicable and its removal efficiency on juice of water hyacinth was high efficient. A new start_up method for application of EGSB anaerobic reactor and a raising efficiency and saving energy anaerobic reactor for the anaerobic digestion of juice of water hyacinth could be provided.

EGSB anaerobic reactor; the juice of water hyacinth; start_up in circulation feed water; anaerobic digestion; granular sludge

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.015

2015_12_11)

刘健峰，男，1990年生，硕士研究生，研究方向为生物质能与环境工程。#

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*国家自然科学基金资助项目(No.51366015)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(No.20135303110001)；云南省应用基础研究基金重点项目(No.2014FA030)；云南省科技创新提升计划资助项目(No.2013DH041)。