高效厭氧反應器處理高濃度生活廢水啟動研究

賀 凱，李勝男

（1.黑龍江水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090）

高效厭氧反應器處理高濃度生活廢水啟動研究

賀 凱1，李勝男2

（1.黑龍江水利水電勘測設計研究院，哈爾濱150080；2.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090）

針對處理高濃度生活廢水（COD＝1000mg／L）的特點，采用具有相同處理對象的厭氧污泥接種啟動，在啟動期內，反應器的運行溫度控制在30（±2）℃。為盡快提高反應器內污泥濃度，保證反應器的啟動成功，剛啟動時，保持進水COD濃度不變，待達到COD去除率穩定之后，再采用逐步減少水力停留時間的方法提高有機負荷率。水力停留時間從24 h減少到12 h，相應地有機負荷率從初始的1.0 kg·COD／（m3／d）提高到2.0 kg·COD／（m3／d）。

厭氧反應器；生活廢水；試驗裝置；啟動

0 引 言

近年來，利用厭氧技術處理生活廢水已成為廢水處理領域的一個新的熱點。相對于好氧處理，厭氧處理不但能源需求很少，而且能產生大量的能源，其處理設備負荷高，占地少，產生的剩余污泥少，而且處理比好氧污泥容易［1］。

實踐表明，一個成功的反應器必須是：

1）具備良好的截留污泥的性能，以保證擁有足夠的生物量。

2）生物污泥能夠與進水基質充分混合接觸，以保證微生物能夠充分利用其活性降解水中的基質［2］。

本研究試圖設計出一種結構合理、混合效果好、處理成本低的高效厭氧反應器，并針對該反應器處理高濃度生活廢水進行了啟動過程研究。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置特點

該反應裝置由有機玻璃制成，反應器長740 mm，寬100 mm，有效高900 mm，保護高100 mm，有效容積54.8 L。反應裝置采用四個獨立的隔室，每個隔室的容積比為3∶1∶5∶5，前兩個隔室主要進行產酸過程，后兩個隔室主要進行產甲烷過程。反應器將傳統厭氧折流板反應器的平面折板設計成一系列的夾角為120°的異波折板，波高為2 cm，用水浴箱加熱保溫控制反應器內的溫度為30（±2）℃，采用恒流蠕動泵控制進水流量，在每個隔室內上部1／2處設置彈性立體填料。

與傳統厭氧反應器相比，此高效厭氧反應器具有以下特點［3］：

1.1.1 結構簡單

反應器運行無需消耗動力的攪拌設備、復雜的三相分離器、布水系統等，廢水在反應器內沿著折板做推流運動，在與污泥中微生物的接觸中得到降解，避免了因輔助設施的增加而帶來運行管理的復雜化。

1.1.2 微生物數量大

在每個隔室內上部二分之一處設置彈性立體填料，能夠截流大量的絮狀污泥。由于填料掛膜成功后表面可以形成良好的絲狀結構，以利于厭氧菌的附著生長，使廢水在流經反應器沒有污泥的上半部分也能得到一定的降解。

1.1.3 混合程度高

通過改變折板結構，將傳統厭氧折流板反應器的平面折板設計成異波折板，水流由各室底部流入，在上升的過程中連續不斷地在異波折板之間縮放流動，產生湍流，使泥水混合充分；增大了折板的有效長度，使泥水混合接觸時間增多，增強了處理效率。

1.1.4 微生物相分離明顯

根據產酸菌和產甲烷菌各自的世代停留時間確定酸化階段（第一室、第二室）和產甲烷階段（第三室、第四室）的容積比，將反應器設計成不等距形式，使新型反應器能夠充分發揮兩相反應器的優點。

1.2 人工合成廢水

試驗采用人工配制的模擬高濃度生活廢水（COD＝1000mg／L），以葡萄糖做碳源，添加（NH4）2SO4和KH2PO4來補充厭氧細菌生長所需的氮和磷，控制COD∶N∶P＝250∶5∶1，并投加適量的無水NaHCO3調節堿度使進水pH值為6.5～7.2。其它營養物質的組成如下：CoCl2·6H2O 2.2 mg／L；ZnSO4·7H2O 2.14 mg／L；CaCl210 mg／L；MgCl2·6H2O 12.5 mg／L；MnCl2·6H2O 0.2mg／L；FeSO4·6H2O 10mg／L。

1.3 接種污泥及啟動工況

試驗接種污泥取自哈爾濱華潤雪花啤酒廠的厭氧處理塔。該污泥為黑灰色絮體，有輕微臭味，pH值為6.9±0.2。種泥經沉淀4 h后過濾掉上清液，在每個隔室添加至有效容積的50%，污泥濃度為15 g（VSS）／L。

厭氧反應器初次啟動過程緩慢，這是因為厭氧細菌增殖較慢，且多數厭氧微生物為球菌和桿菌，不易附著生長，易隨出水流出反應器。根據絲狀微生物的生理、生化和生態特征，若創造有利于其增長的條件，絲狀菌即可快速生長并附著形成網狀機構，為其他微生物的生長提供棲息地［4］。

1.4 試驗過程

整個啟動過程分為4個階段，采用保持進水COD濃度為1 000 mg／L，逐步縮短HRT的方法進行。

首先，將HRT控制在24 h，相應的OLR為1.0 kg·COD／（m3／d），然后逐步縮短HRT為20 h，16 h，12 h，相應的OLRs為1.2，1.5 and 2.0 kg·COD／（m3／d）。

整個啟動過程進行了42 d，啟動階段運行工況見表1。

表1 厭氧反應器啟動階段運行工況

2 結果與討論

在整個反應器啟動期間，對反應器掛膜過程、及出水COD去除率進行觀察和測定。

2.1 掛膜過程與分析

取5L接種污泥，分別由4個隔室上部倒入反應器。厭氧污泥在重力作用下下沉，下沉過程中受到彈性立體填料的阻隔，各個隔室填料上掛滿黑灰色污泥絮體。

啟動初期由于反應器接種污泥中的微生物還沒有適應新的生存環境，因此掛膜過程進行的十分緩慢，要保證足夠長的HRT使細菌附著在填料上完成掛膜。

啟動剛開始時各隔室填料上的絮體呈黑灰色，3 d后第一隔室填料上部的污泥絮體開始泛白，同時觀察到部分污泥絮體脫落，考慮微生物的優勝劣汰，一部分不適應反應器上部液面大氣復氧的厭氧微生物逐漸脫離填料。

此后幾天，第一隔室和第二隔室內填料上的污泥絮體由上向下依次轉化為乳白色的酸化菌，第三隔室和第四隔室的填料緊隨其后掛滿了黑色絮體，填料上的絮體顏色由第一隔室至第四隔室逐漸加深。

啟動7 d后，經第三隔室和第四隔室下部取樣口取泥觀察，看出此階段的污泥呈細小顆粒狀，隔天取樣觀察有逐漸變大的趨勢。

雖然在ABR反應器中即便不形成顆粒污泥也能獲得良好的處理效果，但是本實驗與許多實驗的結果相同，在反應器啟動過程中形成了顆粒污泥［5］。

厭氧反應器內填料的掛膜過程也是厭氧微生物的馴化過程。接種污泥加入反應器后，由于反應器上部存在大氣復氧，使得附著在填料上的好氧、兼性細菌得以生長，其中專屬厭氧菌很快死亡、脫落［6－7］。

由于好氧、兼性細菌的增殖速率比底部的厭氧細菌快，所以填料上部的生物膜比下部的厚。由于絲狀菌比表面積大、易附著，代謝速率快且不易隨水流出反應器，并且在啟動初期，創造了有利于其生長的條件，即較長的HRT，使得絲狀菌快速生長繁殖并附著在彈性立體填料上形成網狀結構。

由此可以看出，填料上的絲狀微生物不僅能很好的適應環境，而且是生物相形成的先行者，與后來陸續附著的微生物一起共同完成污水的凈化作用。

2.2 COD去除率

厭氧反應器COD云除率如圖1所示。

圖1 厭氧反應器COD云除率

由圖1可見，啟動的最初階段，反應器在較低的OLR下運行，主要完成了種泥的培養。啟動前三天，反應器出水COD濃度逐漸升高，COD去除率逐漸降低，主要原因是由于污泥沒有適應新的環境使活性受到抑制。

3 d之后，反應器出水COD濃度開始降低，COD去除率逐漸升高，說明適應期對于細菌種群的生長是至關重要的。

第一階段在對厭氧活性污泥馴化15 d后，反應器運行穩定，COD去除率達到了88.5%。

第二階段當OLR從1.0 kg·COD／（m3／d）迅速增加到1.2 kg·COD／（m3／d）的過渡期間，反應器COD去除率出現了大幅回落，降低至78.4%，第二天迅速爬升至81.5%，此后去除率持續升高，在運行至第24 d時已達到90.2%。

第三階段當OLR從1.2 kg·COD／（m3／d）增加到1.5 kg·COD／（m3／d）的過渡期間，COD去除率亦出現了大幅回落，但是之后表現為緩慢爬升，至第33 d達到86.7%。

第四階段OLR從1.5 kg·COD／（m3d）增加到2.0 kg·COD／（m3d），COD去除率變現與前一階段表現相近，最后穩定在85%以上。

當減少HRT，過渡期間由于增加OLR導致VFA積累和COD去除率下降容易發生酸化現象，但是不必采用任何措施幾天之后COD去除率就會得到改善。

這一結果表明，此高效反應系統可以承受較高的沖擊負荷，可以在較高的OLR下處理廢水。

3 結 論

1）該高效厭氧反應器克服了各種傳統厭氧反應器的不足，其構造簡單，在生物相分離、傳質和保留生物量方面均具有優勢。

2）優化了反應器尺寸，使不同種群的微生物在各自最優條件下發揮活性。

3）啟動試驗結果表明，經過42 d的污泥馴化，反應器COD去除率基本保持在85%以上且運行穩定，各室微生物活性高。

［1］馬建勇.低濃度廢水厭氧處理的研究進展［J］.環境污染治理技術與設備，2002（08）：63－66.

［2］黃永恒.折流式厭氧反應器的工藝特性及其運用［J］.中國給水排水，1999（15）：18－20.

［3］宋鐵紅.不等距異波復合厭氧反應器高效機理及水力特性研究［D］.長春：吉林大學，2008.

［4］何強.預掛膜加速厭氧生物膜反應器啟動的試驗研究［J］.給水排水，2001（27）：27－29.

［5］蘆家娟.ABR反應器的啟動及顆粒污泥特征的研究［J］.環境化學，2007（01）：10－16.

［6］宿程遠.EGSB處理中藥廢水過程中厭氧顆粒污泥特性變化［J］.化工學報，2014（09）：3647－3653.

［7］葉長兵.異波折板水解酸化反應裝置啟動試驗研究［J］.哈爾濱商業大學學報：自然科學版，2007（22）：32－35.

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A

1007－7596（2015）05－0024－03

2014－10－31

賀凱（1984－），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，從事市政給水排水勘察設計工作；李勝男（1983－），女，黑龍江哈爾濱人，從事水處理技術與應用方面的研究工作。