生物炭载体对厌氧反应器启动的影响研究

徐晓妍，李 虹，徐 昊，魏 洲，朴 哲

（1.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127；2.扬州市广陵生态环境局，江苏 扬州 225001）

厌氧处理工艺因具有使用范围广、能耗低、可回收沼气、产泥量少等优点〔1-2〕，在高浓度有机废水处理中应用广泛，但是也存在反应器启动时间长〔3〕、颗粒污泥形成慢等问题。充足的生物量和良好的传质是厌氧反应器高效稳定运行的关键，但高传质条件下容易引起跑泥，导致生物量下降，培养沉降性良好的颗粒污泥是解决该矛盾的有效途径〔4-5〕。

颗粒污泥大体上分为“凝聚型”和“载体型”2种〔6〕。研究者们曾围绕“凝聚型”颗粒污泥开展了广泛而深入的研究，并取得了一定成果。总体来讲，“凝聚型”颗粒污泥形成条件较为苛刻〔7〕，在规模化工程实践中快速培养颗粒污泥仍存在一定难度。“载体型”颗粒污泥因形成条件没那么苛刻而开始受到关注，目前“载体型”颗粒污泥的研究主要围绕惰性载体开展〔8-10〕。但是，惰性载体容易积累在反应器底部而造成分层现象，导致反应器的有效容积减少〔11〕；在水力和沼气的作用下，惰性载体之间相互碰撞、摩擦的几率增加，导致载体表面生物膜脱落、颗粒破碎。此外，惰性载体后续处理费用较高。

本研究利用可流化农副产品制备了生物炭载体YDcarrier-1，研究了YDcarrier-1对厌氧反应器启动、种子污泥减量化及颗粒污泥形成的影响。

1 材料与方法

1.1 YDcarrier-1的制备

YDcarrier-1主要由麦麸和玉米芯粉按4∶1的比例混合均匀后加工制成。YDcarrier-1为片状结构，平均直径在3 mm左右，在水体中流化性好，沉降速度稍快于絮状污泥，灰分质量浓度为7%左右。

1.2 实验用水

本实验所有进水均采用人工配制的模拟废水，COD为2 000 mg/L。由乙酸钠和奶粉提供碳源，尿素、磷酸二氢钾提供氮、磷，C、N、P质量比约为300∶5∶1。模拟废水的pH用碳酸氢钠调节至7.5～8.0。

1.3 种子污泥

污泥取自某城市污水厂压缩污泥，含水率为89%。用孔径为0.58 mm的筛子过筛淘洗，接种污泥均为粒径＜0.58 mm的絮状污泥。

1.4 实验装置

1.4.1 厌氧序批式反应器（ASBR）

ASBR反应器为实验室自制间歇进水厌氧反应器，由2 L有盖广口瓶、500 mL锥形瓶和量筒构成，结构见图1。将ASBR反应器放入带有磁力搅拌的水浴锅内，水温控制在30℃左右，间歇搅拌。工作步骤分为进水、反应、沉淀和排水，每个周期24 h，其中进水0.5 h、反应22.5 h、沉淀0.5 h、排水0.5 h。

图1 ASBR反应器装置Fig.1 ASBR reactor unit

1.4.2 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）

UASB反应器为实验室自制连续流厌氧反应器，反应器主体由有机玻璃构成，整体呈圆柱形，装置高190 cm，内径24 cm，有效容积62 L，设置多个取样口，结构见图2。

图2 UASB反应器装置Fig.2 UASB reactor unit

1.5 分析方法

COD采用标准重铬酸钾法测定，碱度（ALK）采用甲基橙指示剂滴定法测定〔12〕，挥发性脂肪酸（VFA）采用酸碱滴定法测定〔12〕，pH采用PHS-3C型pH计测定，氧化还原电位（ORP）采用在线检测仪测定，厌氧颗粒污泥粒径及分布采用湿式筛选法测定，颗粒污泥沉降速度采用重力沉降法测定，污泥形态采用光学显微镜观察。

2 结果与讨论

2.1 ASBR反应器启动及污泥减量化

为探究YDcarrier-1对厌氧反应器启动的影响，在ASBR反应器中分别投加种子污泥干重20%和10%的YDcarrier-1，并以未投加YDcarrier-1的反应器为对照组，每个反应器中种子污泥的质量浓度均为15 g/L（以TSS计），观察反应器启动过程中COD去除率的动态变化，结果见图3。

如图3所示，在反应器启动运行的31 d中，3个不同反应器的COD去除率均呈上升趋势，但COD去除率稳定达到80%以上的时间有差异。投加20%YDcarrier-1的反应器在运行第22天时COD去除率达到84%，比投加10% YDcarrier-1的反应器和对照组反应器分别缩短3 d和9 d。可见，YDcarrier-1对厌氧反应器启动具有一定的促进作用。

在此基础上，为探究YDcarrier-1对种子污泥减量化的影响，将质量分数20%的种子污泥用相同质量的YDcarrier-1替代，对照组的种子污泥质量浓度为15 g/L，污泥减量反应器的种子污泥质量浓度为12 g/L，观察反应器启动过程中COD去除率的动态变化，结果见图4。

由图4可见，随着ASBR反应器的启动运行，2个不同反应器的COD去除率动态变化情况基本一致。反应器运行到第30天时，2个反应器的COD去除率均达到88%以上。YDcarrier-1不仅能促进厌氧反应器启动，还可减少种子污泥的投加量。

图4 不同泥量反应器的COD去除率Fig.4 COD removal rate of reactors with different sludge volume

2.2 UASB反应器的启动

为探究YDcarrier-1对连续进水反应器启动及污泥颗粒化的影响，对照组反应器不投加YDcarrier-1，种子污泥质量浓度为20 g/L；用相当于对照组反应器种子污泥总干重20%的YDcarrier-1替代50%的种子污泥，在相同条件下平行启动2个UASB反应器。启动初期，在停止进水条件下，用模拟废水（COD为2 000 mg/L）对种子污泥进行活化，期间开启外循环进行搅拌。当COD去除率达到50%以上时，认为活化结束，关闭外循环，开始连续进水，连续进水的初始COD容积负荷为3 kg/（m3·d）。反应器连续运行前期，当COD去除率稳定达到65%以上时，采用逐步缩短HRT的方式提升进水负荷，提升幅度为50%；到后期COD去除率稳定达到80%时，采用逐步提高进水COD的方式提升进水负荷，提升幅度为50%，直至达到15 kg/（m3·d）的设计负荷。观察反应器启动过程中COD去除率和COD容积负荷的变化，结果见图5。

图5 COD去除率和容积负荷Fig.5 COD removal rate and volumetric loading

由图5可知，启动初期，在COD容积负荷为3 kg/（m3·d）时，2个反应器中COD去除率均随时间的延长逐步上升；在第23天时，对照组与投加了YDcarrier-1的反应器中COD去除率分别达到67%和71%，此后按50%幅度提升COD负荷（第23天—第32天）；启动运行后期（第32天—第57天），在较高COD负荷条件下继续按50%幅度提升水力负荷，每次提升时COD去除率呈现先下降后上升趋势；直至运行到第57天，在15 kg/（m3·d）的设计负荷下，2个反应器的COD去除率均达到85%以上。在整个启动过程中，2个反应器的运行状况均良好，ORP始终＜-400 mV，VFA/ALK始终＜0.4，反应器内pH始终维持在6.8～7.5，表明反应器的启动已完成。因此，在减少50%种子污泥的情况下，按对照组污泥干重20%的量投加YDcarrier-1也能成功启动UASB反应器。

2.3 颗粒污泥的形成

为了区分种子污泥中原有颗粒污泥与新形成的颗粒污泥，在UASB反应器投加种子污泥前先用孔径0.58 mm的筛子进行筛分，只投加粒径＜0.58 mm的絮状污泥。在UASB反应器运行进程中定期采集污泥，检测不同粒径污泥的动态变化，结果见图6。

由图6可知，当启动完成时（第57天），2个UASB反应器均成功培养出颗粒污泥，投加YDcarrier-1的反应器中，粒径＞0.58 mm的颗粒污泥占比由对照组的37.3%提高到56.8%，多出19.5%。进一步分析发现，投加YDcarrier-1的反应器在运行第12天时开始形成粒径＞0.9 mm的颗粒污泥，并随着反应器启动进程的延长，其占比逐渐增多，到第57天反应器启动完成时，粒径＞0.9 mm的颗粒污泥占比为29.4%，是对照组（14.9%）的近2倍。可见，通过投加YDcarrier-1可提高大粒径颗粒污泥的占比。

良好的沉降性能是优质颗粒污泥的判断指标之一。在反应器运行进程中检测了不同粒径范围颗粒污泥的沉降性能，结果见图7。

由图7可以看出，随着反应器的运行，2个UASB反应器中颗粒污泥的沉降速度均呈上升趋势，但投加YDcarrier-1的反应器颗粒污泥的沉降性能明显优于对照组。投加YDcarrier-1的反应器运行至第23天时，粒径＜0.58 mm的颗粒污泥的平均沉降速度由18 m/h（第1天）上升至28 m/h，而对照组中粒径＜0.58 mm的颗粒污泥耗时57 d平均沉降速度才达到29 m/h。当反应器启动完成时，投加YDcarrier-1的反应器中大颗粒污泥（＞0.9 mm）的平均沉降速度为128 m/h，高于对照组的100 m/h，这与投加YDcarrier-1反应器中粒径＞0.9 mm颗粒污泥占比大于对照组有关（图6）。

图6 污泥粒径变化Fig.6 Changes of sludge particle size

图7 不同粒径颗粒污泥的沉降速度Fig.7 Sedimentation rate of granular sludge with different particle sizes

为了解颗粒污泥的稳定性，从已启动完成的UASB反应器中取污泥，用孔径0.58 mm的筛子反复淘洗。结果发现，对照组的“凝聚型”颗粒污泥较为松散，在淘洗过程中容易散开，重新变成絮状污泥。而投加YDcarrier-1的反应器中的大颗粒污泥结构较为紧实、边界清晰、表面光滑、有明显的颗粒感，在淘洗过程中也不易散开，表现出较好的稳定性。

3 YDcarrier-1的不同碳组成及作用

YDcarrier-1主要由麦麸和玉米芯粉混合加工而成。为了解YDcarrier-1的不同碳组成及作用，在有效容积为1 L的ASBR反应器中接种20 mg/L（以TSS计）的种子污泥，并用YDcarrier-1替代模拟废水碳源，观察COD的动态变化，结果见图8。

图8 YDcarrier-1的析出碳源情况Fig.8 Carbon source precipitation of YDcarrier-1

由图8可知，第1天时，1 g YDcarrier-1可释放的可溶性速效碳平均约为400 mg/L（以COD计）左右。运行前1～3 d，反应器内COD上升，这部分碳是YDcarrier-1含有的固态缓释碳，此阶段微生物活性低，释放出的缓释碳来不及被消耗，导致溶液中COD上升；之后，随着微生物活性提高，微生物对碳的消耗量大于缓释碳的释放量，导致第3天时反应器的COD呈下降趋势，这与彭锦玉等〔13〕的研究结果相似。

此外，当UASB反应器运行到一定阶段（第23天）时，反应器内生成了大量的大颗粒污泥（＞0.9 mm），此时已看不到YDcarrier-1的原型〔图9（a）〕。从反应器中取粒径＞2 mm的颗粒污泥，经捣碎淘洗后，在光学显微镜（400倍）下观察颗粒污泥的内部结构〔图9（b）〕，可清晰看到其具有错综复杂的丝状物质，这些丝状物质来自YDcarrier-1中易分解碳降解后残留的难降解木质纤维素。因此，YDcarrier-1由可溶性速效碳、缓释碳及难降解的木质纤维素共同组成。

图9 YDcarrier-1的形貌变化Fig.9 Morphological changes of YDcarrier-1

YDcarrier-1的不同碳组分在厌氧反应器启动及颗粒污泥形成中所起的作用不尽相同。研究报道，在厌氧反应器启动初期，高浓度可溶性速效碳起到活化接种污泥的作用〔14〕；YDcarrier-1的可溶性速效碳提高了厌氧反应器的初始COD，可加快种子污泥的活化改性，促进厌氧反应器启动。YDcarrier-1含有的固态缓释碳，一方面可提高YDcarrier-1对微生物的亲和性，使微生物在YDcarrier-1表面易于吸附生长，有利于生物膜的形成；另一方面则为“载体”型颗粒污泥的形成提供长效稳定的碳源。最后，难降解的木质纤维素残留在颗粒污泥的内部，成为“载体”型颗粒污泥的骨架，起到优化和改善颗粒污泥结构的作用，提高了颗粒污泥的稳定性。

4 结论

（1）YDcarrier-1可提高厌氧反应器的启动效率。在ASBR反应器中投加种子污泥干重20%的YDcarrier-1，其对COD去除率达到80%以上的启动时间，比投加10% YDcarrier-1反应器和对照组反应器分别缩短3 d和9 d。

（2）投加YDcarrier-1可减少厌氧反应器种子污泥接种量。在用相当于种子污泥干重20%的YDcarrier-1替代50%种子污泥的情况下，UASB反应器启动效率未受影响。

（3）YDcarrier-1可提高厌氧反应器内大颗粒污泥的占比及颗粒污泥的沉降速度。反应器启动完成时，投加YDcarrier-1的反应器中粒径＞0.9 mm的颗粒污泥的占比为29.4%，是对照组（14.9%）的近2倍；大颗粒污泥（＞0.9mm）的平均沉降速度为128 m/h，也高于对照组（100 m/h）。基于YDcarrier-1的厌氧颗粒污泥具有边界清晰、表面光滑、结构紧实、稳定性强等特点。

（4）YDcarrier-1由可溶性速效碳、固态缓释碳及木质纤维素共同组成。可溶性速效碳提高了厌氧反应器的初始COD，可加快种子污泥的活化改性，促进厌氧反应器启动；固态缓释碳不仅可以提高YDcarrier-1对微生物的亲和性、促进生物膜的形成，还可以为颗粒污泥的形成提供长效稳定的碳源；难降解的木质纤维素残留成为颗粒污泥的内部骨架，提高了颗粒污泥的稳定性。