厭氧折流板反應器處理赤糖廢水的啟動期

趙倩，褚艷玲，吳鋒

（深圳市深港產(chǎn)學研環(huán)保工程技術股份有限公司，廣東 深圳518055）

厭氣折流板反應器（ABR）作為一種新型的厭氧反應器［1］，以其獨特的結構成功實現(xiàn)反應器中相分離［2］，但ABR的啟動也因此存在一定難度：反應器的第1隔室承受的負荷遠大于反應器承受的平均負荷，降低了啟動過程中提高反應器容積負荷的速度［3］。此外，有關啟動過程里ABR反應器中內在處理規(guī)律的研究尚不充分，如啟動過程中ABR各隔室降解規(guī)律、各隔室微生物分布的概況等［4－5］，但如果能加大對上述因素的研究，可更加了解ABR反應器。

赤糖廢水中的主要營養(yǎng)物質就是糖類［6－10］，所以其特點就是有機物含量高，可生化降解性好，是一種具有代表性的碳水化合物類的有機廢水。本試驗通過ABR處理赤糖廢水的啟動情況以及在啟動階段不同進水容積負荷對ABR的影響，分析了如何在較高的容積負荷下快速啟動ABR反應器。

1 材料與方法

1.1 儀器

反 應 器 長、寬、高 分 別 為95cm、12cm、80cm，總有效容積為43.2L。反應器共分5個隔室，其中，前4個隔室下部的邊緣設置的呈60°傾角布水導流板將每個隔室分成體積比約為4∶1的上升流區(qū)和下降流區(qū)。隔室5不僅是厭氧反應室，也作為沉淀池，以降低反應器的污泥流失。為使沉淀效果更好，隔室5的體積設計為其他隔室的2倍。

廢水經(jīng)蠕動泵送入ABR第1隔室的下向流室，由導流板引流至上向流室的最底端，再經(jīng)上向流室流入第2隔室的下向流室；這樣廢水以推流方式依次進入各隔室，最后經(jīng)第5隔室的上向流室排出反應器。各隔室產(chǎn)生的發(fā)酵氣體，由集氣管導出，產(chǎn)氣量由水封后的濕式氣體計量表計量。試驗過程中反應器內溫度始終控制在（35±1）℃。

1.2 材料

本次實驗采用人工稀釋而制成的赤糖廢水為底物。這種廢水含糖量高有機物含量豐富，可生化降解性好，是一種具有代表性的碳水化合物類的有機廢水。供試接種污泥取自文昌污水處理廠二沉池活性污泥。由于經(jīng)過脫水處理，污泥內含有大量絮凝劑，首先得去除污泥里的絮凝劑。接種污泥經(jīng)過濾、沉淀、淘洗等階段后，用人工配制的赤糖廢水間歇好氧培養(yǎng)一段時間，直至污泥顏色由以前的黑色或灰黑色變?yōu)辄S褐色，且污泥絮體沉降性能良好，此時的污泥才能接種到反應器內。接種污泥首先經(jīng)沉淀靜置后舍去上清液后，置入ABR反應器內，并注入試驗用人工合成污水，進行連續(xù)培養(yǎng)馴化［11－12］。第1隔室要承受更高的有機負荷，故其污泥接種量比其他隔室多，以避免因負荷過高發(fā)生反應器酸化［13］。

1.3 實驗方法

廢水配制時投加適量的復合肥，維持廢水中COD∶N∶P≈1000∶5∶1，以保證污泥里的微生物在生長過程中對N、P營養(yǎng)元素的需求。本實驗用NaHCO3調節(jié)進水pH值，但NaHCO3的量不宜過多［14－15］。在ABR反應器運行過程中，通過對反應器的溫度、pH值、COD等運行參數(shù)的監(jiān)測，對系統(tǒng)的運行條件、污泥的馴化過程進行分析。

1.4 分析方法

采用國家標準方法測定COD、pH值和氧化還原電位（ORP），實驗中需要測量的參數(shù)及測量方法見表1。

表1 主要分析項目

2 結果與討論

2.1 ABR啟動方式

新建的系統(tǒng)接種馴化后的污泥，并且使反應器達到設計承受有機負荷和COD處理效果的過程就是厭氧反應器的啟動過程［17］。本次實驗設計負荷為6.00kg COD／（m3·d），當反應器在此負荷下COD去除率達到80%以上并保持穩(wěn)定，此時的反應器運行狀態(tài)即是反應器成功啟動時的運行狀態(tài)［8］。

厭氧反應器啟動的影響因素很多，如廢水的組成成分和濃度、環(huán)境條件、接種污泥量和活性［19－20］。當 然，操 作 條 件（HRT、COD容 積 負荷）、反應器的結構也是影響反應器啟動的因素，而厭氧反應器能否成功啟動是反應器是否能正常運行的首要條件。如何啟動反應器取決于廢水水質，而高濃度污泥有助于提高啟動反應器成功率。接種高濃度污泥是為了讓反應器快速啟動并在短期內達到更高的COD去除率和較多的產(chǎn)氣量，并能加快污泥顆?；男纬闪浚?1］。

本實驗采取固定水力停留時間，提高進水有機負荷的方式啟動。第一次啟動時將最初進水容積負荷保持在3kg COD／（m3·d），即進水COD濃度3000mg／L。待運行穩(wěn)定后逐步提高容積負荷，并且密切注意反應器pH值的變化情況，反應器出現(xiàn)酸化現(xiàn)象則及時進行調整。第二次啟動時，降低最初進水容積負荷至1kgCOD／（m3·d），進水COD濃度1000mg／L。

實驗過程參數(shù)見表2、表3。

表2 第一次反應器啟動過程參數(shù)控制

表3 第二次反應器啟動過程參數(shù)控制

2.2 第一次反應器啟動過程

第一次啟動實驗擬為80天，設定每20天增加進水COD濃度，實驗進水的pH值由NaHCO3調節(jié)維持在7.5～8.0之間，反應器設置了恒溫裝置，使溫度穩(wěn)定在35℃左右。進水和出水的COD見圖1。

圖1 第一次啟動期反應器的進水COD和出水COD

實驗前3天，COD去除率較低，這屬正?，F(xiàn)象。但在啟動20天后反應器內COD去除率仍較低，一直維持在50%左右。20天以后將COD濃度提高，去除效果仍較差。啟動失敗。而反應器中pH值的變化也較為明顯，反應器啟動初期，各隔室pH值較為穩(wěn)定，基本在6.5～7.0之間。隨著時間的增加，各隔室pH值開始下降，第1隔室pH值下降尤為明顯，最低時甚至達到4.0。這是由于啟動初期高負荷的沖擊，導致反應器內污泥活性降低。

實驗證明，在啟動初期，較高負荷可能讓系統(tǒng)污泥活性降低，使反應器pH值變化幅度過大，產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化較為敏感，而產(chǎn)酸菌對低pH值的耐受性較大，這就使產(chǎn)甲烷過程受到抑制，但產(chǎn)酸過程卻不受影響情況，由于產(chǎn)甲烷菌活性降低，不能降解產(chǎn)酸過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性酸，反應器酸性物質大量積累，使得反應器內部最終酸化導致啟動失敗。所以在第一次啟動失敗后，擬定較低的最初進水容積負荷，進行了第二次啟動。

2.3 第二次反應器啟動過程

2.3.1 第二次反應器啟動階段進出水COD變化

第二次啟動實驗進行了70天，其他條件與第一次啟動時保持不變，重新接種污泥。開始進水的前10天，容積負荷設定在1.0kgCOD／（m3·d），HRT固定為24h。反應器啟動10天后逐漸提高進水COD濃度，實驗結果如圖2。

圖2 第二次啟動期反應器的進水COD和出水COD

實驗開始的前3天，反應器出水COD比進水COD高，這就意味著此時反應器COD的去除率為負值。經(jīng)查閱文獻分析認為，在實驗初期，反應器中沉降性較差的污泥隨水流排出反應器。這些污泥本身COD含量就比較高，從而導致出水COD值比進水COD值高。反應器有少量的污泥流失現(xiàn)象發(fā)生，但這屬正?，F(xiàn)象，對實驗結果影響不大，不用額外再往各隔室里添加污泥。7天后，反應器COD去除率逐漸提高，這意味著反應器內污泥和微生物生長已趨于穩(wěn)定，污泥流失量有所減少。同時，反應器前兩隔室的氣體流量計讀數(shù)有了明顯變化，說明反應器開始產(chǎn)氣。反應器的出水具有刺激性氣味，這是因為在實驗的啟動初期，反應器進水COD濃度低，反應器COD去除率快速增加，在反應器啟動的第10天左右，去除率達到80%以上。

實驗進行10天后，提高反應器進水有機負荷。由圖2可以看出，每當反應器進水有機負荷開始提高，反應器COD去除率在接下來的2～3天內有所降低，隨著進水有機負荷的穩(wěn)定，COD去除率又開始上升。這表明反應器中污泥需要一段時間適應有機負荷的變化，一旦反應器適應了新的有機負荷，反應器COD去除率就開始穩(wěn)定維持在80%以上，最高時甚至能超過95%。

實驗第20～30天，有機負荷提升至4.00kg COD／（m3·d），過高的有機負荷導致反應器COD去除率又開始下降，此時稍微調節(jié)降低進水COD濃度，反應器COD去除率開始緩慢提高。在第31天再次提高反應器有機負荷，反應器COD去除率又趨向穩(wěn)定維持在80%左右。

實驗第41～50天，反應器有機負荷反應器COD提升至5000mg／L，反應器COD去除率明顯下降，由85%下降至73%。但由于反應器本身抗沖擊負荷能力較強，反應器適應高負荷進水后，COD去除率又開始趨向穩(wěn)定。

實驗啟動最后階段，反應器最終有機容積負荷提高6.00kgCOD／（m3·d）。由于反應器已經(jīng)能適應高負荷沖擊，所以COD去除率下降時間較短，很快反應器去除率維持在80%以上。

2.3.2 反應器啟動階段各隔室COD變化

反應器啟動初期，前兩隔室對COD的去除其主要作用，其他隔室內COD去除率均不足10%。隨著啟動期反應器運行性能的穩(wěn)定，各隔室對COD的去處率也開始趨向于穩(wěn)定。但由于第1隔室承受較大的有機負荷沖擊，所以第1隔室COD去除率沒有其他隔室穩(wěn)定。實驗結果見圖3。

圖3 第二次啟動期反應器內各隔室COD變化

實驗開始的前3天，各隔室對COD的去除不明顯。當反應器運行至7～10天時，反應器已經(jīng)適應了當前的有機負荷，各隔室對COD的去除開始穩(wěn)定。

從圖3中可以看出，盡管通過增加進水的COD增加反應器容積負荷，會對反應器產(chǎn)生一定影響，但反應器獨特的構型及推流特征決定了增加負荷時整個系統(tǒng)仍處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，COD去除率不會驟然下降，但是在負荷沖擊下，由于第1隔室承受的有機負荷遠大于其他隔室，所以第1隔室在反應器提高負荷時COD去除率波動最大，其他各隔室對COD的去除率也有所降低。但在反應器接種污泥時，考慮到第1隔室承擔了較大的有機負荷，其接種的污泥量比其他隔室多一半，所以在增加有機負荷時，第1隔室也能較快地適應新的沖擊負荷。

2.3.3 啟動過程中pH值和ORP的變化規(guī)律

在ABR反應器啟動過程中，pH值是一個重要的監(jiān)測參數(shù)。pH值受有機酸積累的影響較大，而對pH值十分敏感的產(chǎn)甲烷菌對反應器的啟動至關重要。在反應器中，一旦pH值過低，就會導致產(chǎn)甲烷菌的活性迅速降低，這就對反應器的運行帶來不良影響；且產(chǎn)甲烷菌活性的恢復十分緩慢。所以，在啟動過程中，需及時測量反應器內pH值。若pH值過低時，則說明反應器開始出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，需采取手段對反應器內的pH值進行調節(jié)。本次實驗是通過增加進水堿度的方式調節(jié)反應器pH值，氫氧化物和碳酸氫鈉都能調節(jié)堿度，但一般采用添加碳酸氫鈉來調節(jié)pH值。碳酸氫鈉的緩沖能力較強，而且添加碳酸氫鈉不會對反應器內CO2的含量產(chǎn)生影響。

由于本實驗是采用固定水力停留時間的同時低負荷啟動，啟動初期進水COD一直維持在1000mg／L。從pH值的對比來看，啟動階段第1、第2隔室產(chǎn)酸現(xiàn)象比較明顯，pH值明顯低于其他隔室。實驗結果見圖4。

圖4 啟動期進水pH值、各隔室pH值的變化

由圖4可看出，反應器進水pH值維持在7.0～8.0之間，保證進水pH值在中性偏堿的范圍內。啟動初期，反應器第1隔室和第2隔室pH值均低于其他隔室，變化范圍在5.5～6.0之間，但這只是輕度酸化；其他隔室的pH值一直維持在6.0以上，這是反應器正常運行的象征。在啟動20天后，反應器的各隔室的pH值都有所下降，這是因為提高有機負荷，污泥對COD濃度的提高需要一段時間調整。每一次提高有機容積負荷，各隔室的pH值都呈先下降后上升的趨勢，跟COD去除率上升時間一致。反應器啟動初期，系統(tǒng)內水解過程主要是由第1隔室來完成的，所以第1隔室pH值明顯低于其他隔室，且上升速度遠遠不及其他隔室，其pH值從6.5逐漸降低到5.3。由于本試驗是低負荷啟動，反應器啟動初期進水COD一直維持在1000mg／L，接種污泥活性較低，所以啟動前20天，其污泥承受負荷能力較差，所以在反應器啟動初期系統(tǒng)抗酸能力較差。隨著污泥的逐漸馴化，反應器的污泥負荷率逐漸降低，當反應器進水容積負荷不變時，pH值變化也不大。隨著進水COD濃度的提高，各隔室pH值均有所下降。在整個運行過程中，第1隔室pH值的范圍在5.2～6.5之間，第2隔室pH值的范圍5.5～6.7之間，第3隔室pH值維持在5.7～7.0之間，第4隔室pH值維持在6.6～7.2之間。反應器各隔室內pH值都高于前一隔室。

ORP也是微生物的生存狀態(tài)的重要影響因子之一。反應器內不同微生物對厭氧生境的需求不同，其生長繁殖所需要的ORP也不相同。圖5反映了反應器啟動期ORP的變化情況。初期經(jīng)過2天的發(fā)酵，系統(tǒng)內的溶解氧逐漸被系統(tǒng)中的微生物所消耗，這時兼性微生物的活性下降，由于第1隔室的污泥量較高，所以第1隔室的ORP最低。啟動初期各隔室的ORP都呈現(xiàn)出波動性變化，這可能是在啟動期的初期，系統(tǒng)中的微生物消耗反應器中的溶解氧，因此導致反應初期系統(tǒng)內溶解氧低。系統(tǒng)運行到第20天以后，各隔室的ORP有所上升且變化不大，這說明系統(tǒng)已開始趨于穩(wěn)定。當反應器進水有機負荷提高后前2天，各隔室ORP變化較為明顯；當有機負荷提高后運行3天左右，各隔室ORP變化開始趨向平穩(wěn)，這充分體現(xiàn)了反應器較強的抗沖擊負荷能力以及ABR的穩(wěn)定特性。

圖5 啟動期各隔室ORP的變化

3 結 論

（1）ABR反應器在較高的容積負荷條件下啟動時，由于系統(tǒng)內污泥活性較差，其承受沖擊負荷能力也較差，COD去除率較低，需要啟動時間較長，而且啟動過程極易失敗。

（2）以較低的進水COD濃度來啟動ABR反應器，系統(tǒng)經(jīng)過70天后成功啟動，此時，容積負荷 達 到6.00kgCOD／（m3·d），COD去 除 率 在80%以上。

（3）啟動初期，反應器對COD的去除率較低，除隔室1、隔室2對去除COD效果較好，其他隔室內COD去除率均不足10%。啟動中期，ABR開始逐漸顯現(xiàn)其優(yōu)良的運行穩(wěn)定性，但在增加有機負荷時，COD的去除率會暫時降低；當反應器適應新的容積負荷后，去除率又開始恢復到80%以上，并保持穩(wěn)定。

（4）由于ABR反應器結構獨特，較易造成隔室中大量有機酸的積累，不易過快提升反應器有機負荷，反應器有機負荷提升應為原負荷的1.2～1.5倍。每次提升反應器有機負荷時，各隔室pH值都會在新負荷的沖擊下暫時下降，當反應器繼續(xù)運行2～3天后，pH值又開始上升。

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