處理豆制品加工廢水的UASB反應器重新啟動過程的監測

楊麗政 吳旭 吳子安 李思琪 葉楠 朱紅建

摘要：研究了處理豆制品加工廢水的上流式厭氧污泥床反應器（UASB）的重新啟動。在重啟期間化學需氧量（COD）去除率和氣體產率都增加。厭氧污泥比產甲烷速率從0.31g CH4·g-1 VSS·d-1增加到0.81 g CH4·g-1 VSS·d-1；出水輔酶F420的熒光值從153提高到313。各種運行參數中揮發性脂肪酸（VFA）和CH4含量最先達到穩定故用其作為反應器重啟過程主要參數。出水輔酶F420濃度和污泥比產甲烷速率有相似變化趨勢。因此出水輔酶F420熒光值可用于確定厭氧反應器產甲烷活性。

關鍵詞：輔酶F420；三維熒光；熒光光譜；重新啟動；上流式厭氧污泥床

上流式厭氧污泥床（UASB）是最受歡迎的污水厭氧處理反應器之一[1]。產甲烷微生物的高敏感性造成UASB啟動和重啟操作非常繁瑣。產甲烷菌對有機負荷變化和其他外部擾動非常敏感，因而UASB厭氧系統經常發生種群變化和過程失穩。

食品工業的季節性生產特點造成處理其廢水的污水廠常無法連續運行。因此厭氧反應器常需季節性重啟，UASB中顆粒污泥生物活性良好可縮短重新啟動所需時間。探究UASB重啟過程監測參數的文獻較少，所以本研究主要目的是找出可以反映重啟過程中監測反應器狀態的關鍵參數。厭氧反應器重啟可采用揮發性脂肪酸（VFA）、化學需氧量（COD）去除率、CH4含量和產量、出水懸浮性固體（SS）進行監測，然而重啟過程中監測所有的參數不現實，需提出一種可敏感精確反映厭氧反應器狀態的參數。

反應器中須有足夠的產甲烷菌種群才能保證重啟成功，因此需要使用切實可行的技術手段監測產甲烷菌活性變化，比產甲烷速率測定方法被廣泛應用于測定產甲烷活性。輔酶F420可表征產甲烷菌活性。本研究使用三維激發-發射矩陣（EEM）熒光光譜法測定UASB反應器出水中輔酶F420的光譜特性。實驗裝置為實驗室規模UASB反應器，探究反應器重啟是為了給實際工程處理食品廢水提供穩定高效的監測工具，提出了一個敏感的重啟過程參數作為厭氧反應器穩定運行的早期指示參數。此外還提出檢測出水輔酶F420的熒光檢測方法。

1.材料與方法

1.1實驗計劃

實驗裝置是實驗室規模有機玻璃UASB反應器，分反應區和三相分離區兩部分，有效容積2.0 L。利用加熱夾層保持35±1℃。種泥取自處理檸檬酸廢水的厭氧反應器，pH和揮發性懸浮固體（VSS）為7.1和40.1 g·L-1。反應器以豆制品加工廢水為基質穩定運行6個月后停止運行4個月。停止運行期間反應器中顆粒污泥維持在14-16℃使其無明顯解體以保證顆粒污泥活性，停止運行期滿后進行重啟。重啟期間將豆制品加工廢水稀釋三倍，基質濃度穩定在約10 g COD·L-1。水力停留時間24 h，有機負荷率10 kg COD·m-3·d-1。碳酸氫鈉提供緩沖能力，初始濃度1500 mg·L-1，第10天降低到500 mg·L-1，15天后不再添加。進水COD濃度8980-10250 mg·L-1，懸浮性固體濃度150-210 mg·L-1，蛋白質濃度2437-2758 mg·L-1，碳水化合物濃度5607-5781 mg·L-1。

1.2SMA實驗和輔酶F420檢測

向100mL小瓶接種厭氧污泥，用磷酸鹽緩沖溶液稀釋到10 ml，保證污泥濃度大約為5g VSS·L-1，加入豆制品加工廢水或乙酸使初始COD濃度為5 g·L-1，用N2吹掃后放入35 ℃轉速100 rpm的搖床中培養26 h。累積生物氣產量和甲烷含量每小時測定一次。試驗結束測定每個小瓶VSS，繪制實驗過程中甲烷產量隨時間的累積曲線，其斜率除以VSS即為比產甲烷速率。

三維熒光光譜用熒光分光光度計（LS-55，珀金埃爾默公司）測定。X軸是300 nm ～ 590 nm發射光譜，Y軸是250 nm ～ 450 nm激發波長。第三維40條等高線代表每個熒光光譜熒光密度，每條等高線間隔10 nm。

1.3其他分析方法

生物氣體積用自制裝置測定，生物氣中甲烷含量用氣相色譜儀（SP-6800A，魯南公司）分析，VFA用氣相色譜儀（6890NT，安捷倫公司）測定，蛋白質濃度用Lowry–Folin法測定，COD用標準方法測定。

2.結果與討論

2.1基質降解

反應器重啟期間出水COD變化如圖1所示。前24天出水COD 濃度在2538 ～ 7800 mg·L-1 間波動下降。25天至第35天反應器COD去除率從71.7%提高到89.4%，表明厭氧污泥活性逐漸提高。第35天后COD去除率達87.0%，說明污泥生物活性得到恢復。

重啟期間污水中碳水化物去除率超過并穩定在99.5%。表明反應器停止運行4個月后產酸活性仍很高。由圖1可知前11天出水中蛋白質的濃度在2538 mg·L-1 ～ 7800 mg·L-1間波動，初始蛋白質去除率18.2%，第11天提高至45%。第12天至第14天蛋白質去除率從38.9%迅速提高到76.4%，第14天后蛋白質去除率穩定在70%以上，第21天達到最高90.6%。蛋白質厭氧降解過程涉及多種微生物種群，首先被蛋白水解酶水解成多肽和氨基酸，多肽和氨基酸被酸化成VFA、氫氣，VFA被產乙酸菌進一步轉化成乙酸、H2和CO2，最終轉化成CH4。

2.2氣相和液相產物

CH4和CO2是反應器主要氣體產物，結合圖1和圖2可看出總生物氣產生速率隨COD去除率提高而提高。第1天生物氣產生速率為613 ml·L-1·d-1，第27天提高至2230 ml·L-1·d-1。整個重啟期間累積產甲烷量和甲烷含量與氣體產生速率有類似的變化趨勢。

前27天氣體產量波動較大，之后CH4產率超過0.25 m3·kg-1 CODremoval，甲烷含量穩定為65% ～ 71%，表明反應器重啟成功。

反應器啟動后，前10天出水總VFA先累積后迅速消耗，總VFA在499 mg·L-1 ～ 3991 mg·L-1間劇烈波動，各VFA組成成分與總VFA變化趨勢一致，乙酸占總VFA52.8 ～ 68.8%；出水中高濃度的VFA表明產甲烷作用是整個產甲烷過程的限速步驟。第15至25天期間溫控發生故障，總VFA出現顯著增長，第19天達到峰值2946 mg·L-1。此嚴重波動后VFA濃度開始下降并在27天后保持在310 mg·L-1以下。總VFA中乙酸占比超過60%，丙酸占比1.01%～33.1%，也含少量丁酸、戊酸、異戊酸。

2.3SMA和輔酶F420測定

表1列出反應器中顆粒污泥SMA值，基質為乙酸和豆制品加工廢水。整個重啟過程中污泥產甲烷活性是逐漸恢復的。僅一個月后以乙酸為底物的污泥SMA從最初的0.56 g CH4·g-1 VSS·d-1提高至0.88 g CH4·g-1 VSS·d-1。以豆制品加工廢水為底物的污泥SMA從最初的 0.31 g CH4·g-1 VSS·d-1提高至0.81 g CH4·g-1 VSS·d-1。

反應器出水初始EEM熒光光譜如圖4所示。根據激發/發射坐標275/350 nm和420/470 nm處兩個峰的位置可區分混合物中不同物質。坐標275/350 nm處物質是蛋白質[10]，坐標420/470 nm處物質是輔酶F420。輔酶F420熒光強度可反映輔酶F420濃度。輔酶F420熒光強度值最初為153，第三天增加至313。整個重啟階段輔酶F420熒光強度值和污泥SMA變化趨勢相似。

3.討論

本研究比較了幾個不同參數，包括COD去除率、VFA含量、CH4產量和含量。運行35天后反應器COD去除率穩定在87%以上。CH4產量和含量在重啟期間變化趨勢相似，波動時CH4含量比CH4產量更敏感。第15-25天反應器VFA發生劇烈波動，第25天后總VFA開始下降，并在第27天后保持穩定；第27天后，CH4含量也開始變得平穩，反應器達到穩定。從實驗監測可知總VFA和CH4含量首先達到穩定，可把總VFA和CH4含量作為反應器重啟的主要參數。

SMA實驗是確定厭氧污泥產甲烷活性的有效方法但較耗時且單一。輔酶F420是廣泛分布于產甲烷菌中的酶，可代表產甲烷菌活性從而應用于產甲烷活性檢測。通常是將輔酶F420從厭氧污泥中提取出來使用熒光分光光度計測定。本研究發現出水也含輔酶F420且和污泥SMA變化趨勢相似。圖5顯示了兩者的相關性，EEM熒光強度和以豆制品加工廢水為底物測定的污泥SMA值線性相關，表明出水輔酶F420的熒光強度可以作為測定產甲烷活性的有效方法。

4.結論

（1）在重啟期間首先穩定的參數是總VFA和CH4含量，可以將其作為重新啟動的主要參數。

（2）重啟過程出水含輔酶F420且其熒光強度和SMA值線性相關，可用出水輔酶F420熒光值表征厭氧反應器產甲烷活性，實現在線監測。

（3）操作得當，UASB可在短時間內完成重啟，滿足間斷運行需要。

（作者單位：1，2合肥工業大學土木與水利工程學院市政工程系；

3，4，5，6.合肥工業大學土木與水利工程學院給排水科學與工程）