厌氧折流板反应器处理制糖废水的启动试验研究

Posted 2023-01-12 甲烷

篇首语：精神的浩瀚，想象的活跃，心灵的勤奋，就是天才。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了厌氧折流板反应器处理制糖废水的启动试验研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　广西的蔗糖产量占全国的 1/2 以上，因此而产生的制糖废水也成为广西主要工业污染源之一。制糖废水属于中高浓度有机废水，普遍采用生化法进行处理，以厌氧法、好氧法、土地处理为主。目前我国大部分糖厂采用的是好氧法，如接触氧化法、活性污泥法等。但好氧法的能耗较高、有机负荷较小，当进水的有机负荷变化较大时，好氧法出水不易达标〔1〕。而厌氧生物处理技术具有能耗低、耐冲击负荷等优点〔2, 3〕，笔者采用厌氧折流板反应器 (ABR) 处理制糖废水，对其启动过程进行试验研究，并在此基础上分析了其内部微生态情况，为 ABR 处理制糖废水的实际应用提供一定借鉴。

　　1 试验部分

　　1.1 试验材料

　　试验所用废水为人工模拟：以蔗糖为基质，由 NH4HCO3 和KH2PO4 提供 N 和 P，维持 m (COD) ∶ m(N)∶m(P)=200∶5∶1 ; 为了使反应器具有足够的缓冲能力，试验中添加 NaHCO3 调节碱度，并添加一定量的微量元素，以保证微生物的生长需要。试验所用 NH4HCO3、KH2PO4、NaHCO3 均为分析纯。

　　试验接种的污泥取自桂林市七里店污水处理厂的污泥浓缩池，静置 2 d，过滤去除较大的杂质后，按反应器隔室有效容积的 1/2 投加。

　　1.2 试验装置

　　ABR 装置采用有机玻璃加工制作，有效容积为 25.7 L，其中上流室与下流室的宽度比为 3 ∶1，为使泥水充分混合并维持较高的浓度，将折板处设计成 45 °。试验过程中控制温度在(32 ±1) ℃，进水经蠕动泵进入反应器，在反应器中上下折流前进，经出水口排出，气体由集气管收集后通过水封排放。试验装置如图 1 所示。

图 1 试验装置

　　1.3 分析方法

　　COD 采用重铬酸钾法测定，pH 以 pHS-3C 型精密 pH 计( 上海精密科学仪器有限公司 ) 测定，挥发酸、碱度采用挥发酸和碱度联合测定法〔4〕进行测定，辅酶 F420 采用紫外分光光度法〔5〕测定，产甲烷活性采用史式发酵法〔6〕测定，污泥颗粒以 FEI Quanta 200 FEG 型扫描电镜( 荷兰飞利浦) 观察，VSS 采用重量法测定。

　　2 结果与讨论

　　2.1 启动期间COD 及 pH 的变化情况

　　试验采用低负荷启动，在水力停留时间不变的情况下，逐步提升 COD 负荷〔7〕。启动时水力停留时间为 24 h，进水 COD 由 1 200 mg/L 逐步提高到 2 400 mg/L，启动期间 COD 的变化情况如图 2 所示。

图 2 启动期间 COD 变化情况

　　在启动初期，ABR 出水略有浑浊，有部分细泥随出水流出，出水的 pH 较低，COD 去除率在 30%以下; 同时反应器的第 1 和第 2 隔室水面生成灰白色油腻状絮凝物质。连续运行 20 d 后，COD 去除率达到 40%，产气量也逐渐增加，出水 pH 稳定在 6.6～ 6.9，出水浑浊度降低，反应器中产生絮状污泥并逐渐沉淀。此后逐步增加 COD 至 2400 mg/L，经历 68 d，COD 去除率达到 92%以上，颗粒污泥明显形成，启动成功。

　　2.2 启动期间挥发酸及碱度的变化情况

　　挥发酸(VFA) 和碱度是厌氧反应的重要指标，对启动期间各隔室的 VFA 与碱度进行分析，如图 3、图 4 所示。

图 3 启动期间VFA变化情况

　　由图 3、图 4 可知，反应初期由于污泥刚刚驯化，整个反应器的 VFA 偏高，同时碱度波动较大，其中第 1 隔室的 VFA 最大，达到 22.69 mmol/L，而碱度最低为 10.69 mmol/L。虽然启动过程中每个周期(7 d 为 1 个周期) 的进水负荷一直变化，但随着污泥颗粒的逐步成熟，ABR 内部的抗冲击负荷能力逐渐提高，所以 VFA 和碱度都趋于平稳。同时从图 3 可以看出，启动过程中第 1 隔室的抗冲击性最大，VFA 的浓度也最大，这与其他文献研究一致〔8〕。而图 4 中碱度的变化则恰好相反，碱度在后面的隔室逐渐累积，导致后几个隔室的浓度高于第 1 隔室。

　　2.3 微生态特征及颗粒污泥的驯化情况

　　2.3.1 污泥的产甲烷活性分析

　　在厌氧处理工艺中产甲烷活性是一个重要指标，所谓产甲烷活性是指单位质量的污泥在单位时间内产生最多的甲烷量〔5〕。试验采用史氏发酵法测定反应器各隔室中 5 mL 污泥的产甲烷活性，结果如图 5 所示。

图 5 各隔室累积的甲烷量随时间的变化

　　在试验观测的14 h 中，前 2～3 h 为增长时期，甲烷产量迅速增长; 此后则是稳定时期，甲烷增加幅度减小。其中第 1 隔室与第 3 隔室的产气量较低，而第 4 隔室和第 5 隔室的甲烷产量较多，分别达 9、 11.2 mL。由此可见，甲烷产生过程主要集中在第 4 与第 5 隔室当中。

　　2.3.2 辅酶 F420 分析

　　辅酶 F420 是产甲烷细菌特有的一种酶，在甲烷的形成过程中发挥着重要作用，常作为厌氧污泥活性的测定指标〔5〕。对各个隔室的辅酶 F420 含量进行测定，ABR 各隔室颗粒污泥的辅酶 F420 含量分别为 0.25、0.41 、0.67、1.19、1.25 μmol/g。第 4、第 5 隔室颗粒污泥的辅酶 F420 含量明显高于第 1 、第 2 隔室，这主要是由于第 1 隔室的菌群以产酸菌为主，而第 4 隔室以产甲烷菌为主，其整体趋势与前述产甲烷活性的相一致。同时表明，ABR 反应器的产甲烷阶段主要集中在第 4 与第 5 隔室。

　　2.3.3 小瓶静态批量试验

　　小瓶静态批量试验是通过各个隔室污泥对不同浓度 COD 的去除情况来分析各隔室的优势菌群，从而判断菌群的分布情况〔9〕，结果如图 6 所示。

图 6 不同 COD 负荷下各隔室的 COD 去除率

　　由图 6 可知，当进水 COD 为 1 000 mg/L 时，第 1 隔室的去除率提升最快，由 30%提到 82.6%，其他隔室均提升了 20%～40%，说明在低负荷情况下污泥中的产酸菌可在短时期内接受较大冲击，活性较好，有机物被大量降解。当 COD 增加到 2 000 mg/L 时，后面几个隔室的 COD 去除率提升较快，尤其第 5 隔室从 20.1%提高到 53.8%，说明产甲烷菌开始活跃，并利用第 1 隔室产生的酸合成甲烷。当小瓶中的 COD 由 3 000 mg/L 提高到 4 000 mg/L 时，各隔室的 COD 去除率普遍较高，除第 1 隔室外都达到 50%以上，这可能是由于前面隔室的 VFA 太高，受到的冲击负荷过高，缓冲时间短，使反应受到抑制，而后面隔室的产甲烷菌开始大量活跃，从而提高去除率。整体而言，ABR 具有较好的抗冲击负荷能力。

　　2.3.4 颗粒污泥扫描电镜分析

　　当 ABR 对 COD 的去除率达到 90%时，取各隔室颗粒污泥进行电镜扫描。通过扫描电镜观察可知，污泥颗粒已经达到成熟，各个隔室都有一定的优势菌群。第 1 隔室以杆菌为主，第 2 隔室中由杆菌组成的链状结构很明显，第 3 隔室和第 4 隔室则是优势的链状菌并伴有丝状菌群和部分球菌，第 5 隔室中发现八叠球菌并伴有丝状菌。该结果与其他学者的研究结果较接近〔9〕。。

　　3 结论

　　(1)采用ABR 处理制糖废水的启动过程中，保持水温为 33 ℃ 、HRT 为 24 h，进水 COD 从 1200 mg/L 逐步提高到 2400 mg/L，经过 68 d，ABR 的 COD 去除率达到 92%以上，启动成功。

　　(2)启动过程中，第 4、第5 隔室污泥的产甲烷活性高于其他隔室，同时第 4、第 5 隔室颗粒污泥的辅酶 F420 含量明显高于第 1 、第 2 隔室，表明产甲烷过程主要集中在第 4、第 5 隔室。

　　(3)ABR 启动成功后，污泥颗粒已达到成熟，各隔室均有一定的优势菌群。第 1 隔室以杆菌为主，第 2 隔室中由杆菌组成的链状结构较为明显，第 3 隔室和第 4 隔室则是优势的链状菌并伴有丝状菌群和部分球菌，而在第 5 隔室发现了八叠球菌等优势菌。