生產性內循環（IC）厭氧反應器的啟動過程試驗

侯玉潔，曾 科

（1.鄭州大學國際學院，河南鄭州 450052；2.鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州 450002）

內循環（internal circulation，IC）厭氧反應器是荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代中期開發的第3代新型高效的厭氧反應器[1]。PAQUES公司于1985年初建成了第1個IC中試反應器,處理高濃度的土豆加工廢水[2]。1988年，第一座生產性規模的IC反應器投入運行[3]。近些年，IC反應器在我國厭氧處理多種廢水的實踐中相繼得到了應用[4－9]，但大多是直接進口荷蘭PAQUES公司的設備,價格較為昂貴[10]。本試驗采用國內自行設計的鋼混結構IC反應器處理大豆蛋白廢水并對IC反應器的啟動過程進行研究。

1 廢水的水質和來源

大豆蛋白生產過程中污水產生主要在水洗階段，此階段廢水呈酸性而且水量較大；還有堿液萃取的幾個階段和滅菌階段，這幾個階段的廢水呈堿性。大豆蛋白廢水有以下幾個特性：顏色呈乳白色；含較多細小懸移物，易沉降；廢水成分單一，有機物濃度高，廢水中主要含多聚糖，易酸化，且已酸化程度較高；正常混合廢水無微生物代謝毒性；易生化處理[11]。

本試驗用水采用某廠大豆蛋白廢水。該廠污水處理工程處理規模為 4 800 m3/d，平均為 200 m3/h。其水質特點如表1所示。

表1 進水水質表Tab.1 Quality of Influent

2 工藝流程及IC反應器的設計尺寸

該工程采用IC反應器為主體的工藝流程[12]，如圖1所示。

圖1 大豆蛋白廢水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Soybean Protein Wastewater Treatment

主體工藝采用8組鋼混結構的IC反應器。反應器高13.5 m、底邊長8.4 m、有效容積為953 m3。IC反應器由污泥床反應區、精細處理區、布水器、三相分離器、升流管、回流管和氣液分離器等組成。池體沿高度方向設有6個取樣口，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#取樣管，各取樣口距池底依次為0.75、2.5、4.25、6、8、10 m。IC 反應器[13]結構如圖 2 所示。

圖2 IC反應器結構示意圖Fig.2 Structure Diagram of IC Reactor

3 IC反應器的接種污泥

8組IC反應器分別采用不同類型的種泥。其中，接種的厭氧顆粒污泥濃度為50 000 mg/L左右；鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥和漯河市污水處理廠脫水污泥含水率均為80%。接種污泥后，反應器的污泥濃度如表2所示。

表2 接種污泥的量和種類Tab.2 Quantity and Types of Inoculation Sludge

接種的厭氧顆粒污泥顏色為黑色、較暗、光滑、有彈性，顆粒粒徑為2 mm左右，VSS/SS約80%；鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥顏色為黑色、發亮、活性較高，VSS/SS為70%左右；漯河市污水處理廠的脫水污泥外觀亦為黑色、顏色較暗，污泥活性較低VSS/SS為60%左右。8組反應器投入污泥的時間也有所不同，1號反應器在進水前2 d投入顆粒污泥350 m3，投泥后立即開始進水；2、3、4、5號反應器在進水前7 d投入漯河市污水處理廠脫水污泥67.5 m3，進水后第12 d投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠脫水污泥9 m3，進水后第25 d又投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥18 m3；6、7、8號反應器是在進水前5 d投入漯河市污水處理廠脫水污泥55 m3，進水前1 d投入厭氧顆粒污泥50 m3，啟動第7 d投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠脫水污泥30 m3。

4 IC反應器的啟動過程及處理效果

因2號、3號、4號、5號反應器啟動條件相同；6號、7號、8號反應器啟動條件相同；故選取1號、5號、7號反應器為研究對象，研究這3組IC反應器的啟動過程。

4.1 1號反應器的啟動過程

1號反應器啟動共計136 d。由圖3可知1號反應器迅速提高進水負荷至4 kgCOD/m3·d后，各項出水指標都很正常。由于生產車間處于調試階段，31～67 d 進水負荷極不穩定，Nv=1.6～6.9 kgCOD/m3·d，反應器出現酸化現象。分析認為產酸菌比產甲烷菌代謝速度快，進水負荷突然升高時產甲烷菌不能完全代謝掉產酸菌的產物，造成酸積累，引起出水pH值降低[14]。立即采取如下措施：1號反應器立即停止進水，迅速將1號反應器已經酸化的污水排出并加入清水稀釋，再向提升加藥間投入大量堿片保證進水pH值中性。7 d后逐步恢復進水，1號反應器仍然能夠繼續穩定運行并很快達到設計負荷6.75 kgCOD/m3·d。1號反應器采用顆粒污泥接種，反應器中污泥濃度MLSS變化不大，開始時為 17 500 mg/L，結束時為 17 280 mg/L；而污泥活性VSS/SS由80%增加至87.55%，顆粒污泥在啟動結束時較啟動開始時更黑，更亮且用手捏時更具有彈性，外觀如圖4所示。

圖3 1號反應器的啟動過程Fig.3 Start－up Process of Reactor No.1

圖4 1號IC反應器顆粒污泥的外觀圖Fig.4 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.1

4.2 5號反應器的啟動過程

5號反應器啟動共計187 d，啟動過程可分為三階段，如圖 5所示。1～56 d，容積負荷 Nv＜2 kg COD/m3·d，出水各項指標逐漸穩定。接種污泥逐步適應大豆蛋白廢水水質，并且形成0.5 mm左右的顆粒污泥。56～126 d，容積負荷 Nv=2～3 kgCOD/m3·d，出水VFA＜300 mg/L，pH 值＞6.5，COD 去除率穩定在 96%以上。此階段是絮狀污泥到顆粒污泥的轉化過程，形成粒徑是1 mm左右的顆粒污泥。該階段既要防止污泥流失，又要保證進水負荷能夠滿足顆粒污泥的生長。127～187 d，進水負荷Nv=3～5 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，pH 值在 7 左右，COD 去除率也在95%以上。

5號反應器采用的是絮狀脫水污泥接種，顏色為黑色，粒徑在0.3 mm以下，啟動結束時形成了粒徑為2 mm的顆粒污泥，如圖6所示。接種時反應器內污泥濃度（MLSS）為18 900 mg/L，啟動結束時MLSS減少至13 550 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.82%增加至73.43%。5號IC反應器未能達到設計負荷，分析原因是絮狀污泥種泥分批投入5號反應器，投泥時間長導致部分種泥失去活性，投泥量少導致形成的顆粒污泥的濃度不夠，故未達到設計負荷。

4.3 7號反應器的啟動過程

7號反應器啟動共計187 d。啟動過程分為四個階段，啟動過程如圖7所示。1～17 d是種泥的適應階段，進水負荷達到1 kgCOD/m3·d，出水VFA從773 mg/L降至 200 mg/L 以下，COD 去除率增至90%。17～127 d，進水負荷穩定期。進水負荷Nv=2～3 kgCOD/m3·d，盡管進水pH值變化很大在3.4～8.1，出水pH值均在6.5以上，出水VFA＜350 mg/L。該階段是絮狀污泥向顆粒污泥轉化的關鍵時期，要控制絮狀泥的淘汰速度，確保厭氧出水的SV＜3 %,注意防止污泥流失。128～173 d，進水負荷Nv=3～5.6 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，出水 pH 值在 7左右，COD去除率在95%以上。該階段反應器內絮狀污泥完成了顆粒化，大部分絮狀污泥被淘汰。174～187 d，進水負荷 Nv＞6.5 kgCOD /m3·d，出水各項指標均正常。

圖5 5號反應器的啟動過程Fig.5 Start－up Process of Reactor No.5

圖6 5號IC反應器內顆粒污泥的外觀圖Fig.6 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.5

7號反應器采用的是絮狀脫水污泥以及部分顆粒污泥接種，顏色為黑色，絮狀污泥粒徑小于0.3 mm而顆粒污泥粒徑在1～2 mm，啟動結束時形成2 mm左右的顆粒污泥，如圖8所示。啟動開始時反應器內污泥濃度（MLSS）為 19 500 mg/L，啟動結束時MLSS減少至16 940 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.63%增加至80.67%。7號反應器最終形成的顆粒污泥較5號多。原因如下：第一，接種的污泥中含有部分顆粒污泥，可以起到核的作用，更容易使絮狀污泥轉化成顆粒污泥；第二，7號反應器進水負荷較5號大。在一定的細胞產率下，較高的有機負荷會產生更多的顆粒污泥，這是高負荷下污泥保留量高的重要原因。最終7號IC反應器達到設計負荷6.5 kgCOD/m3·d，可見反應器內顆粒污泥的濃度的大小是反應器啟動成功與否的關鍵。

圖7 7號IC反應器啟動過程Fig.7 Start－up Process of Reactor No.7

圖8 7號IC反應器內顆粒污泥的外觀圖Fig.8 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.7

5 小結

（1）在處理高濃度的大豆蛋白廢水時，IC反應器能夠順利完成啟動過程。采用顆粒污泥接種的1號反應器啟動時間為136 d，而采用絮狀污泥接種的5號、7號反應器啟動時間為187 d。

（2）在啟動完成后，1號、7號IC反應器均能達到設計負荷6.5 kgCOD/m3·d。5號IC反應器的進水負荷只能達到5 kgCOD/m3·d，原因是投入5號反應器絮狀污泥時間太長，部分種泥失去活性，投泥量少導致最終形成的顆粒污泥的濃度不夠，因而未能達到設計負荷。可見，反應器內顆粒污泥的濃度的大小是反應器啟動成功與否的關鍵。

（3）1號IC反應器在進水負荷變化1.5～6.9 kgCOD/m3·d情況下出現了酸化現象。采取相應的措施后順利完成了啟動過程，這說明采用顆粒污泥接種的IC反應器耐沖擊負荷能力較大。

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