厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器抗沖擊性能研究

華 斌，于寧寧，王 管，魏 云，郭 勇

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065)

厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器抗沖擊性能研究

華 斌，于寧寧，王 管，魏 云，郭 勇*

(四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610065)

采用自主研發(fā)的以生物帶作為載體的厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器處理人工模擬廢水，探究其抗沖擊性能。結(jié)果表明，在容積負荷提升30%至5.25 kgCODom-3·d-1，同時將溫度由35±2 ℃降至26℃左右的雙重沖擊條件下，運行一周后，COD去除率、出水pH值和容積產(chǎn)氣率分別由88%、8.0、和2.27 m3·m-3·d-1降低至最低值67%、6.76和1.76 m3·m-3·d-1，出水揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、VFA/堿度分別由309.11 mg/L、0.26升至最高值638.60 mg/L、0.61，反應(yīng)器出現(xiàn)輕微酸化趨勢；容積負荷維持不變，溫度恢復(fù)至35±2℃，僅歷時11天，COD去除率、容積產(chǎn)氣率、出水VFA、VFA/堿度和pH值迅速恢復(fù)并分別穩(wěn)定在88%、2.2 m3·m-3·d-1、320mg/L、0.26和7.58左右，反應(yīng)器較快地恢復(fù)正常性能，證明該反應(yīng)器具有較強的抗沖擊能力。

厭氧半固定床反應(yīng)器；生物帶；抗沖擊能力

近來，化石能源快速消耗，伴隨而來的污染問題日趨嚴重，同時限制了經(jīng)濟的發(fā)展。厭氧處理技術(shù)作為一種把環(huán)境保護與能源回收結(jié)合起來的低成本廢水處理技術(shù)，因其具備能耗低、產(chǎn)泥量少、能回收沼氣等優(yōu)勢，得到了極大的關(guān)注和重視，已經(jīng)被成功運用于各種廢水的處理[1]。

厭氧反應(yīng)器是廢水厭氧處理技術(shù)的核心，然而常規(guī)厭氧反應(yīng)器存在啟動時間長、抗沖擊能力弱、發(fā)酵效率低等弱點。已有研究證明，厭氧生物膜反應(yīng)器能將厭氧微生物固定在載體上形成生物膜，能很大程度上提高反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度，同時能有效減少產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物的流失，從而可提升反應(yīng)器的抗沖擊能力和發(fā)酵效率，已經(jīng)被成功地應(yīng)用于各類廢水處理[2]。盡管具備諸多優(yōu)點，其仍有一些不足之處。同厭氧固定床生物膜反應(yīng)器相比，厭氧流動床生物膜反應(yīng)器需要機械攪拌、回流或者曝氣來維持載體流化狀態(tài)，能耗較高且操作復(fù)雜，而厭氧固定床生物膜反應(yīng)器較流動床，傳質(zhì)作用較弱，有機物去除率較低且易發(fā)生堵塞[3]。

本課題組在現(xiàn)有兩類厭氧生物膜反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，致力于開發(fā)處理效果好、抗沖擊能力強、產(chǎn)氣效率高、能耗低的厭氧處理技術(shù)。針對目前厭氧生物膜反應(yīng)器存在的問題，結(jié)合兩類生物膜反應(yīng)器的優(yōu)勢，自主開發(fā)了以在水中呈水草型搖擺狀態(tài)的生物帶作為半固定載體的厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器，以人工模擬廢水為處理對象，在上升流速為0.104～0.124 m/h的條件下，進行運行試驗研究，探究新型厭氧反應(yīng)器的抗沖擊性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器有效容積為10L，在距離反應(yīng)器底部175mm的位置處均勻豎直固定了實密度為0.912的 9條水草型設(shè)計的生物帶載體。生物帶載體密度小于水，底端固定，在水流和氣流的擾動作用下，會呈水草型搖擺狀態(tài)，不易產(chǎn)生生物膜粘連堵塞的問題。試驗在中溫條件下進行，通過加熱棒將溫度控制在35±2 ℃。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗用水與接種污泥

本試驗采用人工合成配水，以葡萄糖為主要基質(zhì)，添加各種營養(yǎng)物質(zhì)使COD：N：P =(300 ～ 500)：5：1，同時還加入供微生物生長所需的微量元素。接種污泥取自某豬糞廢水處理廠的厭氧消化池，其初始MLVSS/MLSS 的值為0.58。

1.3 試驗方法與過程

反應(yīng)器從接種污泥開始運行71天，完成載體掛膜和負荷啟動階段，COD去除率、出水VFA、堿度、VFA/堿度分別穩(wěn)定在88%、310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右。為研究反應(yīng)器抗沖擊能力，試驗第72天時，停止加熱，反應(yīng)器溫度下降至室溫26 ℃左右，同時將容積負荷提升30%至5.25 kgCOD·m-3·d-1，隨后測定COD、出水VFA 、堿度和pH 值隨時間的變化情況。

1.4 分析項目

分析項目見表1。

表1 分析項目及方法

注：VFA以乙酸計，堿度以碳酸鈣計。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD進、出水濃度及去除率變化

從第72天起，開始抗沖擊實驗。從圖2可見，COD去除率由88%迅速降低至80%，至第78天，COD去除率降低至69%，反應(yīng)器出現(xiàn)酸化傾向。第79天，維持負荷不變，僅將反應(yīng)器溫度恢復(fù)至35±2 ℃后， COD去除率迅速回升，歷經(jīng)11天COD去除率由最低的67%升高并穩(wěn)定在88%左右，即反應(yīng)器較快地恢復(fù)了正常處理水平，證明該反應(yīng)器具有較強的抗沖擊能力。

圖2 進、出水COD 和COD去除率隨運行時間的變化

Fig.2 Variation of influent COD, effluent COD and COD removal rate with running time

2.2 出水pH值、VFA、堿度的變化

圖3 出水pH值、VFA、堿度、VFA/堿度隨運行時間的變化Fig.3 Variation of effluent pH ,VFA , alkalinity and VFA/alkalinity with running time

出水pH值、VFA和堿度是影響厭氧消化過程的三個重要因素，可根據(jù)其變化情況判斷厭氧反應(yīng)是否正常運行[6-7]。

由圖3知，抗沖擊試驗前，出水VFA、堿度、VFA/堿度分別穩(wěn)定在310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右，按試驗方案進行抗沖擊試驗一周后，出水VFA、VFA/堿度分別升高至623.9 mg/L和0.53，出水堿度、pH值則分別下降至1069.65 mg/L和6.92。反應(yīng)器恢復(fù)正常溫度后第二天出水VFA和VFA/堿度繼續(xù)升高分別達到最高值638.60 mg/L和0.61，第81天時，pH值下降至最低值6.76。由于pH值的變化要滯后于VFA 的變化，故pH值最低值出現(xiàn)的時間晚于VFA最高值。

通常，厭氧反應(yīng)器中pH值保持在7 ～ 8的范圍時，微生物的活性最高[8]。出水VFA/堿度被用來衡量厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性，VFA/堿度小于0.5 ～ 0.6時，系統(tǒng)幾乎沒有酸化的風(fēng)險[9]。張琪[10]等研究新型厭氧反應(yīng)器處理高濃度有機廢水時，發(fā)現(xiàn)負荷從2.4 kgCOD·m-3·d-1提升至3.6 kgCOD·m-3·d-1時，VFA連續(xù)4 天高于480 mg/L，系統(tǒng)出現(xiàn)酸化危險，之后耗時40 天才恢復(fù)正常狀態(tài)。本試驗經(jīng)適當調(diào)整進水碳酸氫鈉濃度和恢復(fù)運行溫度后，出水堿度、pH值迅速升高、出水VFA、VFA/堿度迅速降低。5天后，COD去除率和出水pH值分別回升至80.18%和7.36，出水VFA、VFA/堿度分別降低至370.18 mg/L和0.28，11天之后COD去除率、出水VFA、VFA/堿度和pH值分別穩(wěn)定在88%、320mg/L、0.26和7.58左右，即反應(yīng)器較快地恢復(fù)正常運行狀態(tài)。溫度是影響厭氧消化的重要因素之一，溫度的突然下降會嚴重影響厭氧消化效果，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。該反應(yīng)器在沖擊負荷和室溫條件下運行一周，出現(xiàn)酸化趨勢，僅歷時11天即恢復(fù)正常性能，表明其有很強的抗沖擊負荷和不利環(huán)境沖擊能力。分析原因是生物帶載體上形成的生物膜，能有效地截留厭氧菌，可有效防止反應(yīng)器條件惡化時，發(fā)生膨脹而大量流失，一旦條件轉(zhuǎn)好，在水中呈水草型搖擺狀態(tài)的生物帶上的生物膜能迅速恢復(fù)活性，且其有序擺動能創(chuàng)造了較為適宜的水力條件，增強生物帶上的生物膜與廢水中的有機物的傳質(zhì)作用，促使反應(yīng)器盡快恢復(fù)正常性能。

產(chǎn)氣量可以作為反應(yīng)器運行狀態(tài)的監(jiān)測指標，能夠獲得運行過程中反應(yīng)器內(nèi)微生物生理活動特征以及反應(yīng)器OLR過高時引起微生物生理活性紊亂的信息[11]。

由圖4可知，第73天時，反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率由穩(wěn)定階段的1.75 m3·m-3·d-1迅速升至2.27 m3·m-3·d-1，分析原因是，一方面此時溫度才初步降至26 ℃左右，溫度降低的負面作用影響較小；另一方面，負荷的提升促使產(chǎn)氣反應(yīng)增加[12]。隨后容積產(chǎn)氣率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。第81天時，容積產(chǎn)氣率降至最低值1.76 m3·m-3·d-1，晚于pH值最低值的發(fā)生時間，這同李杰[13]等的固定載體臥式厭氧反應(yīng)器處理糖蜜廢水的試驗研究結(jié)果一致，原因是pH值最低時，VFA大量積累，導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性降低，產(chǎn)氣速率減慢。但期間產(chǎn)氣量下降的幅度并不太大，表明該反應(yīng)器有較強的抗沖擊能力。隨著反應(yīng)器恢復(fù)正常溫度，歷時僅11天，容積產(chǎn)氣率回升并穩(wěn)定至2.2 m3·m-3·d-1左右，這是由于生物帶上形成的生物膜，在不利的運行條件下，仍能有效地固定產(chǎn)甲烷微生物，且條件好轉(zhuǎn)時能迅速恢復(fù)活性，促使產(chǎn)氣率快速地恢復(fù)。

2.3 容積產(chǎn)氣率的變化

圖4 容積產(chǎn)氣率隨運行時間的變化

Fig.4 Variation of volume gas production rate with running time

本試驗當進水容積負荷為5.25 kgCOD·m-3·d-1左右時，穩(wěn)定運行時容積產(chǎn)氣率為2.2 m3·m-3·d-1左右。Sowmeyan[14]等采用厭氧流化床反應(yīng)器處理以人工模擬高濃度廢水，容積負荷為35 kgCOD·m-3·d-1，容積產(chǎn)氣率為13.22 m3·m-3·d-1。趙洪顏[15]等采用炭纖維膜為載體固定床厭氧反應(yīng)器處理糖蜜廢水，負荷為6.7 kgCOD·m-3·d-1，容積產(chǎn)氣率為2.1 m3·m-3·d-1左右。可見，該反應(yīng)器產(chǎn)沼氣氣能力較強。究其原因是，生物帶載體有效地固定了大量產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物形成活性很高的生物膜，且其有序擺動，創(chuàng)造了較為適宜的水利條件，利于載體上生物膜與廢水中有機物的充分接觸，增強傳質(zhì)，同時起到均勻水流的作用，促進溶解性沼氣的逸出，推動產(chǎn)甲烷反應(yīng)的進一步進行。

3 結(jié)論

該厭氧反應(yīng)器在溫度沖擊與負荷沖擊的雙重作用下運行一周，出現(xiàn)酸化趨勢，維持容積負荷不變，只恢復(fù)正常運行溫度，僅歷時11天，反應(yīng)器即恢復(fù)正常處理水平，表現(xiàn)出很好的抗沖擊性能。

以生物帶作為半固定載體，能有效地截留和固定大量產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物形成活性很高的生物膜，可有效防止反應(yīng)器條件惡化時發(fā)生膨脹而大量流失，一旦條件好轉(zhuǎn)能迅速恢復(fù)活性，且其有序擺動能創(chuàng)造較為適宜的水力條件，增強生物膜與廢水中的有機物的傳質(zhì)作用，同時均勻水流促進溶解性沼氣的逸出，從而促使反應(yīng)器盡快恢復(fù)正常性能。

[1] Yoo R, Kim J, McCarty P L, et al. Anaerobic treatment of municipal wastewater with a staged anaerobic fluidized membrane bioreactor (SAF-MBR) system[J]. Bioresource Technology, 2012,120:133-139.

[2] Balamane-Zizi O, A I T-Amar H. Treatment of dairy wastewater by fixed-film system in continuous flow[J]. Desalination and Water Treatment, 2013,51(10-12):2214-2224.

[3] Mao C,Feng Y, Wang X, et al. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015,45:540-555.

[4] 國家環(huán)境保護總局, 水和廢水監(jiān)測分析方法編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4 版北京: 中國環(huán)境科學(xué)出版社, 2002.

[5] 賀延齡. 廢水的厭氧生物處理[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1998.

[6] Veeken A, Kalyuzhnyi S, Scharff H, et al. Effect of pH and VFA on hydrolysis of organic solid waste[J]. Journal of environmental engineering, 2000,126(12):1076-1081.

[7] 劉榮厚, 郝元元, 葉子良, 等. 沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)對沼氣及沼液成分影響的實驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2006(S1) :93-96.

[8] 白玉華, 張代鈞,祖 波,等. 低 COD 濃度廢水啟動 EGSB 反應(yīng)器[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2007,1(4):29-33.

[9] Wheatley A. Anaerobic digestion: a waste treatment technology[M]. Holland ：Society of Chemical Industry by Elsevier Applied Science, 1990.

[10] 張 琪,崔燕平,雷 達, 等. 新型厭氧反應(yīng)器處理高濃度有機廢水小試研究[J]. 水處理技術(shù), 2011(10):113-117.

[11] Michaud S E B, Bernet N, Buffi E Re P, et al. Methane yield as a monitoring parameter for the start-up of anaerobic fixed film reactors[J]. Water Research, 2002,36(5):1385-1391.

[12] 林長松, 徐龍飛, 談林友. 啤酒廢水常溫厭氧消化啟動及運行實驗[J]. 環(huán)境工程學(xué)報, 2013,7(4):1389-1393.

[13] 李 杰, 張冬冬, 袁旭峰, 等. 固定載體臥式厭氧反應(yīng)器處理糖蜜廢水的快速啟動[J]. 微生物學(xué)通報, 2011(04):474-480.

[14] Sowmeyan R, Swaminathan G. Performance of inverse anaerobic fluidized bed reactor for treating high strength organic wastewater during start-up phase[J]. Bioresource technology, 2008,99(14):6280-6284.

[15] 趙洪顏, 于海茹,陳 迪, 等. 有機負荷沖擊對固定床厭氧反應(yīng)器啟動及古菌群落動態(tài)影響[J].環(huán)境工程學(xué)報, 2015,9(10):4655-4663.

(本文文獻格式：華 斌，于寧寧，王 管，等.厭氧半固定床生物膜反應(yīng)器抗沖擊性能研究[J].山東化工，2017，46(14)：192-195.)

Study on Impact Resistance of Anaerobic Semi-fixed Bed Biofilm Reactor

HuaBin,YuNingning,WangGuan,WeiYun,GuoYong

(School of Chemical Engineer, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The self-designed anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor with biological belt as the semi-fixed carrier was used to treat the synthetic wastewater to study its impact resistance. The results showed that when the rector was operated for a week under the double impact conditions where the volume load rate increased by 30% to 5.25 kgCOD·m-3·d-1and the temperature dropped from 35±2 ℃ to about 26 ℃, the COD removal rate, effluent pH and volumetric gas production rate decreased from 88%, 8.0, and 2.27 m3·m-3·d-1to minimum value of 67%, 6.76 and 1.76 m3·m-3·d-1, and the effluent volatile fatty acids (VFA) and VFA/alkalinity increased from 309.11 mg/L and 0.26 to the highest value of 638.60 mg/L and 0.61 respectively. So slight acidification trend occurred. When the temperature returned to 35±2 ℃ while the volumetric load rate remained unchanged, the COD removal rate, volumetric gas production rate, effluent VFA, VFA/alkalinity and pH were rapidly restored and stabilized at 88%, 2.2 m3·m-3·d-1, 320 mg/L, 0.26 and 7.58 after 11 days. The reactor returned to normal performance quickly, showing that it had a strong impact resistance.

anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor; biological belt; impact resistance

2017-05-11

成都市軟科學(xué)研究項目(2014-RK00-00141-ZF)

華 斌(1990—)，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為廢水處理過程與設(shè)備；通信作者：郭 勇(1971—)，副教授，主要從事廢水處理工藝及設(shè)備研究。

X703.3

A

1008-021X(2017)14-0192-04