膨脹顆粒污泥床厭氧反應器原廢水循環啟動的實驗研究*

劉健峰 王 強 田光亮 趙興玲 柳 靜 王昌梅 劉士清 楊 紅 尹 芳 張無敵

(云南師范大學能源與環境科學學院，云南省沼氣工程技術研究中心， 云南省農村能源工程重點實驗室，教育部生物能源持續開發利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

膨脹顆粒污泥床厭氧反應器原廢水循環啟動的實驗研究*

劉健峰 王 強 田光亮 趙興玲 柳 靜 王昌梅 劉士清 楊 紅 尹 芳 張無敵#

(云南師范大學能源與環境科學學院，云南省沼氣工程技術研究中心， 云南省農村能源工程重點實驗室，教育部生物能源持續開發利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

在室溫條件下，以水葫蘆汁液為廢水來源，對自行設計的膨脹顆粒污泥床(EGSB)厭氧反應器進行原廢水循環啟動實驗。結果表明：在啟動運行65d后，進水有機負荷可以達到7kg/(m3·d)左右，COD去除率達到90%以上，容積產氣率達到1.35m3/(m3·d)，甲烷體積分數達到61%，顆粒污泥粒徑達到2～4mm。因此，EGSB厭氧反應器的原廢水循環啟動方式是可行的，對水葫蘆汁液的降解是高效的，為EGSB厭氧反應器的工程應用提供一種新的啟動方式，也為水葫蘆汁液的能源化利用提供了一套高效、節能的厭氧發酵裝置。

膨脹顆粒污泥床厭氧反應器 水葫蘆汁液 原廢水循環啟動 厭氧消化 顆粒污泥

水葫蘆(Eichhorniacrassipes(Martius) Solms Laubach)是一種原產于南美洲亞馬遜流域、屬于雨久花科鳳眼藍屬的一種漂浮性水生植物[1]。水葫蘆可以進行無性繁殖和有性繁殖。因此，在適宜的條件下，水葫蘆的數量能呈幾何級數增長。經計算，1株水葫蘆每年經過繁殖可達到1.4億株，能鋪滿140 hm2的水面，鮮質量可達28 000 t[2]。關于水葫蘆厭氧發酵方面的研究主要集中于單相發酵和兩相發酵，因水葫蘆含水率高、體積膨大，因此發酵工藝中存在容積大、容積產氣率低、出料不便、易結殼、沼渣綜合利用難等問題[3_4]。生長旺盛的水葫蘆含水率達到了95%，固液分離是解決水葫蘆含水率過高、實現水葫蘆減量化的有效手段，所以對水葫蘆汁液的處理成為了主要問題。

膨脹顆粒污泥床(EGSB)厭氧反應器是在上流式厭氧污泥床(UASB)反應器的基礎上改進的第3代高效厭氧反應器，與UASB反應器相比具有有機負荷和上流速度高、抗沖擊負荷強、基建投資少、占地面積小等顯著優點，越來越受到人們的關注[5]。但是，查閱相關資料，未發現利用EGSB厭氧反應器對水葫蘆汁液進行沼氣發酵實驗的研究，更加缺乏工程應用實例。為此，本研究利用自行設計的EGSB厭氧反應器對水葫蘆汁液進行厭氧消化的啟動實驗研究，為今后EGSB厭氧反應器的工程啟動提供技術指導，也為水葫蘆汁液的厭氧消化提供高效節能工藝。

表1 水葫蘆汁液的主要性質

表2 污泥的主要性質

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水葫蘆汁液：將取自云南滇池的水葫蘆先后經過粉碎機粉碎和固液分離機擠壓脫水，放入冰箱冷凍備用，水葫蘆汁液的主要性質見表1。

厭氧接種污泥(以下簡稱污泥)：將實驗室長期馴化的豬糞活性污泥通過孔徑為1 mm的篩網過濾后作為EGSB厭氧反應器的接種物，其相關參數見表2。

1.2 實驗裝置

實驗裝置為自行設計的EGSB厭氧反應器(見圖1)，由圓柱形有機玻璃制成，有效容積為1.6 L，有效高度為100 cm，直徑為10 cm，高徑比為10∶1，沿柱高設置等間距的取樣孔，在該反應器上設有外循環管路。

1—氣柜；2—出氣孔；3—出料孔；4—取樣孔；5—外循環管路； 6—蠕動泵；7—進料池；8—排泥口圖1 EGSB厭氧反應器Fig.1 EGSB anaerobic reactor

1.3 實驗啟動方法

在室溫條件下，以水葫蘆汁液為原料，利用EGSB厭氧反應器對水葫蘆汁液進行厭氧消化。實驗前，將污泥打入EGSB厭氧反應器內，污泥約占有效容積的1/3，再將水葫蘆汁液打滿整個EGSB厭氧反應器，待產氣結束后，開始實驗啟動。具體啟動方案設計如下：一共分為3個階段。第1階段(第1天至第30天)為循環進水啟動馴化污泥階段，在水力停留時間(HRT)為2.2 d時，利用蠕動泵將新鮮的水葫蘆汁液打入EGSB厭氧反應器，每天定時利用COD在線監測儀對出水的COD進行測定，如果COD去除率未達到80%～90%，則將出水繼續回流循環進料，直至水葫蘆汁液的COD去除率達到80%～90%，再更換新鮮的水葫蘆汁液打入EGSB厭氧反應器，對出水繼續循環進料，直至新鮮的水葫蘆汁液一次性進出EGSB厭氧反應器的COD去除率達到80%～90%，說明EGSB厭氧反應器的循環啟動已經完成；第2階段(第31天至50天)為膨脹污泥階段，開啟外循環管路，以回流比為1∶1(體積比)繼續打入新鮮的水葫蘆汁液，直至出水COD趨于穩定且COD去除率達到80%～90%，說明沉降性能不佳的污泥已被沖刷完畢；第3階段(第51天至第65天)為穩定階段，繼續打入新鮮的水葫蘆汁液，直至EGSB厭氧反應器連續5 d的COD去除率均達到80%～90%，說明EGSB厭氧反應器內整個厭氧體系已穩定，實驗啟動成功。

1.4 分析項目與測定方法

pH采用PHS_2C精密酸度計測定；產氣量采用LML_1濕式流量計測定；甲烷采用GC_6890A型氣相色譜儀測定，色譜條件為氣化室溫度80 ℃、柱箱溫度80 ℃、熱導池檢測器(TCD)溫度50 ℃、載氣為純氮氣，流速為40 mL/min；COD采用CODmax Ⅱ鉻法COD在線測定儀；顆粒污泥粒徑采用篩網過濾篩選及數碼相機照相；室溫采用溫度計測量。

2 結果與分析

2.1 產氣量與室溫的變化關系

在整個運行過程中，COD原料產氣量、日產氣量及室溫隨運行時間的變化情況分別見圖2、圖3和圖4。結合圖2、圖3和圖4可以看出，運行35 d內，日產氣量、COD原料產氣量與室溫的變化趨勢趨于一致，說明日產氣量和COD原料產氣量受室溫的影響較大，可能是由于厭氧微生物群落還未完全適應發酵環境，導致整個厭氧體系還不夠穩定，厭氧菌群活性較低。在運行36～65 d時，日產氣量、COD原料產氣量一直呈上升趨勢，基本未受到室溫的影響，可能是EGSB厭氧反應器內的微生物群落已經適應了發酵環境，整個厭氧體系已趨于穩定，具有較強的適應室溫變化的能力。

圖2 COD原料產氣量隨運行時間的變化關系Fig.2 Variation of COD biogas production with running time

圖3 日產氣量隨運行時間的變化關系Fig.3 Variation of daily biogas production with running time

圖4 室溫隨運行時間的變化關系Fig.4 Variation of room temperature with running time

2.2 產氣量與有機負荷的變化關系

在整個運行過程中，有機負荷隨運行時間的變化情況見圖5。結合圖3和圖5可以看出，在運行30 d內，日產氣量較低，而在運行30 d后增長較快，可能是由于在運行前期的有機負荷太高，厭氧微生物群落活性較低，抗負荷沖擊能力較弱，難以適應發酵環境。運行20～25 d，日產氣量呈先上升后下降的趨勢，主要是由于循環進水使有機負荷降低，緩解了發酵環境的高有機負荷狀態，厭氧微生物群落很快就適應了發酵環境，所以日產氣量增加；但運行25～30 d時日產氣量繼續下降，主要由于有機負荷過低導致。運行時間超過30 d后，隨著有機負荷的提升，日產氣量迅速增長，并一直呈上升趨勢，說明厭氧微生物群落已經逐漸適應發酵環境，抗負荷沖擊能力逐漸增強，整個發酵體系已趨于穩定。

圖5 有機負荷隨運行時間的變化關系Fig.5 Variation of organic loading rate with running time

2.3 進出水COD濃度及COD去除率的變化關系

在整個運行過程中，進出水COD質量濃度及COD去除率隨運行時間的變化情況見圖6。由圖6可以看出，在運行35 d內，COD去除率呈先下降后上升的趨勢。COD去除率下降主要是由于進水COD濃度較高，超過發酵體系內的厭氧微生物降解能力，進而導致出水COD濃度也較高；隨著進水COD濃度逐漸降低，厭氧微生物逐漸適應了發酵環境，COD去除率逐漸呈上升趨勢。但是，在運行35 d后，COD去除率突然下降，之后又逐漸恢復，最后穩定于90%以上。可能主要是由于在運行35 d時，已開啟外循環管路，加快了EGSB厭氧反應器內液體的上升流速，將沉降性能較差的污泥沖刷出去，使出水COD濃度升高；隨著運行時間的延長， EGSB厭氧反應器趨于穩定，COD去除率也逐漸恢復穩定。

圖6 進出水COD質量濃度及COD去除率隨運行時間的變化關系Fig.6 Variation of COD of influent and effluent and degradation rate of COD with running time

2.4 pH、甲烷與有機負荷的變化關系

在整個運行過程中，pH和甲烷隨運行時間的變化情況分別見圖7、圖8。結合圖5、圖7和圖8可以看出，在運行前期，由于進水有機負荷較高，產甲烷菌群的活性比產氫產乙酸菌群的活性低，導致有機酸積累，出現了pH下降的現象，甲烷含量較低；但是，產甲烷菌群的適應能力很強，很快就適應了發酵環境，再加上有機負荷降低，所以EGSB厭氧反應器內的pH很快就恢復穩定，甲烷含量也逐步提高，說明產甲烷菌群的活性逐漸超過了產氫產乙酸菌群的活性。到運行后期，雖然有機負荷仍然較高，達到7 kg/(m3·d)左右，但是EGSB厭氧反應器內的pH一直維持在7～8，甲烷體積分數達到了61%，說明EGSB厭氧反應器內整個發酵體系已趨于穩定，酸堿緩沖體系已基本形成，產甲烷菌群已適應了發酵環境，活性明顯高于產氫產乙酸菌群。

圖7 pH隨運行時間的變化關系Fig.7 Variation of pH with running time

圖8 甲烷隨運行時間的變化關系Fig.8 Variation of methane with running time

2.5 顆粒污泥粒徑測量分析

到啟動實驗結束后，借助取樣孔取樣，并通過邊長為1 mm的篩網對顆粒污泥進行篩選，發現在EGSB厭氧反應器內已經有顆粒污泥形成，粒徑為2～4 mm，大多呈球形和橢球形，顆粒表面光滑，手壓有密實感，有一定的機械強度，說明顆粒污泥已經比較成熟。圖9為顆粒污泥的照片。

圖9 顆粒污泥照片Fig.9 Photograph of granular sludge

2.6 EGSB厭氧反應器的效率分析

為探索EGSB厭氧反應器對水葫蘆汁液的處理效率，本研究進行了對比分析。查國君等[6]將水葫蘆汁液固液分離后，在室溫條件下，采用自制的二級和五級連續發酵工藝對水葫蘆汁液進行了沼氣發酵實驗，HRT為20 d，有機負荷為0.55 kg/(m3·d)，水葫蘆汁液產氣較穩定，二級發酵的產氣量為1.93 mL/g，五級發酵的產氣量為1.3 mL/g。陳金才等[7]利用水壓式沼氣池對水葫蘆汁液進行了半連續中溫厭氧消化，HRT為10 d，有機負荷為1.52 kg/(m3·d)，水葫蘆汁液產氣量為2.27 L/kg，水葫蘆汁液的COD降解率為88.4%。葉小梅等[8]在中溫(35 ℃)條件下，利用全混合(CSTR)反應器處理水葫蘆汁液，啟動后運行80 d時，有機負荷為6 kg/(m3·d)，容積產氣率可達 1.4 m3/(m3·d)，HRT為2.4 d，COD平均去除率達85%。而本研究在室溫條件下，啟動后運行至65 d時，有機負荷為7.25 kg/(m3·d)，HRT為2.2 d，COD去除率就達到90%以上，容積產氣率達到1.35 m3/(m3·d)，COD去除率略優于前人對水葫蘆汁液的處理效果。郭曉燕等[9]進行了EGSB厭氧反應器的工藝運行性能的研究，當污泥馴化成熟后，有機負荷在3～30 kg/(m3·d)波動，COD去除率均能保持在85%以上，證明EGSB厭氧反應器的抗負荷沖擊能力較強。任大軍等[10]進行了EGSB厭氧反應器處理冷軋含油廢水的微生物研究，發現有機負荷為15.6 kg/(m3·d)，HRT為12 h。結合本研究以及前人的研究結果可以看出，EGSB厭氧反應器是一套能源轉化效率較高的厭氧反應裝置，是處理水葫蘆汁液較理想的工藝。

3 結 論

(1) EGSB厭氧反應器運行初期，室溫的變化會引起產氣量的變化。但是，成熟的厭氧微生物群落體系對室溫變化具有較強的適應能力，小范圍的室溫變化對厭氧微生物群落活性的影響非常小，幾乎不會影響到產氣量的總趨勢。

(2) 原廢水循環啟動EGSB厭氧反應器的方式是可行的，且EGSB厭氧反應器可以很好地處理水葫蘆汁液。在運行65 d時，有機負荷就可以達到7 kg/(m3·d)左右，COD去除率達到90%以上。

[1] 陳軼，李碧，金鑫．水葫蘆的研究現狀及其發展趨勢[J]．廣州化工，2013，41(5)：71_72,76．

[2] 朱磊，胡國梁，盧劍波，等．水葫蘆的資源化利用[J]．浙江農業科學，2006，1(4)：460_463．

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[5] 王凱軍．厭氧工藝的發展和新型厭氧反應器[J]．環境科學，1998，19(1)：95_97．

[6] 查國君，張無敵，尹芳，等．滇池水葫蘆固液分離后的沼氣發酵研究[J]．中國野生植物資源，2008，27(1)：36_38．

[7] 陳金才，楊斌，趙興玲，等．水葫蘆汁液半連續中溫發酵工藝優化[C]//中國沼氣學會.2012年中國沼氣學會學術年會論文集.上海：中國沼氣學會，2012：127_130．

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[9] 郭曉燕，張振家，黃廣宇．厭氧膨脹顆粒污泥床反應器的工藝運行性能[J]．環境污染與防治，2004，26(5)：336_337,368．

[10] 任大軍，王增玉，田從輝，等．厭氧膨脹顆粒污泥床處理冷軋含油廢水的微生物相研究[J]．環境污染與防治，2013，35(10)：24_28．

Studyonstart_upincirculationfeedwaterofEGSBanaerobicreactor

LIUJianfeng,WANGQiang,TIANGuangliang,ZHAOXingling,LIUJing,WANGChangmei,LIUShiqing,YANGHong,YINFang,ZHANGWudi.

(CollegeofEnergyandEnvironmentalScience，YunnanNormalUniversity,YunnanResearchCenterofBiogasEngineeringandTechnology,KeyLaboratoryofRuralEnergyEngineeringinYunnanProvince,EngineeringResearchCenterforSustainableDevelopmentandUtilizationofBio_energyintheMinistryofEducation,KunmingYunnan650500)

In order to study the experiment of start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor,the anaerobic digester experiment was performed at room temperature using the juice of water hyacinth as feedstock. The results showed that after running 65 d,the influent organic loading rate could reach 7 kg/(m3·d). The removal efficiency of COD was more than 90%. The volume biogas yield were achieved 1.35 m3/(m3·d) with 61% volume fraction of methane. The particle size of granular sludge reached 2_4 mm. Therefore,start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor was practicable and its removal efficiency on juice of water hyacinth was high efficient. A new start_up method for application of EGSB anaerobic reactor and a raising efficiency and saving energy anaerobic reactor for the anaerobic digestion of juice of water hyacinth could be provided.

EGSB anaerobic reactor; the juice of water hyacinth; start_up in circulation feed water; anaerobic digestion; granular sludge

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.015

2015_12_11)

劉健峰，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為生物質能與環境工程。#

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*國家自然科學基金資助項目(No.51366015)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(No.20135303110001)；云南省應用基礎研究基金重點項目(No.2014FA030)；云南省科技創新提升計劃資助項目(No.2013DH041)。