厭氧顆粒污泥對費托合成廢水適應性研究

代 軍

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤制油分公司，寧夏銀川 750011）

1 項目背景及研究目的

1.1 廢水生物處理技術

有機工業廢水的生物處理技術主要分為厭氧和好氧兩個范疇，完全意義上的厭氧必須實現有機污染物到沼氣的降解轉化。

從最原始的厭氧接觸工藝面世，迄今已有百年歷史，只是從20世紀70年代以來高負荷厭氧反應器的出現才使厭氧技術出現了重大突破。

近年來IC反應器已基本替代UASB反應器。厭氧顆粒污泥法對大型煤制油化工項目的應用，進一步促進了厭氧生物處理技術的發展。

1.2 實驗目的及研究內容

通過本次連續小試實驗研究，驗證厭氧工藝運用于費托合成廢水處理的可行性。本研究以費托合成廢水培養馴化厭氧顆粒污泥的小試規模厭氧工藝為研究對象，主要研究厭氧工藝生物降解COD的處理效率。通過實驗，期望能得出：

（1）研究煤制油費托合成廢水對于厭氧顆粒污泥的適應性、對其活性的影響及外貌形狀的變化。

（2）進水COD濃度的變化對厭氧反應器的影響。

（3）確定厭氧的負荷和去除效率。

（4）確定沼氣的比產氣率。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料與裝置

本實驗在實驗室進行，實驗所用反應器由有機玻璃制成，厭氧反應器總體積10L。進水通過供料泵供給并控制進水水量。

在調節罐中投加磷和微量元素，并使其和廢水在調節罐中充分混合，以滿足厭氧菌的生成需求。

厭氧供料泵將調節罐中的廢水泵入厭氧反應器，通過調整厭氧供料泵的轉速來調整進入厭氧的流量以保證厭氧反應器內COD負荷滿足要求。沼氣在分離器中被分離出來，經過沼氣水封罐排出系統。沼氣流量計連續監測排出系統的沼氣量。內循環泵使廢水在厭氧反應器下層反應區形成充分的循環，保證了厭氧反應器的上升流速。

在厭氧反應器外設有夾套，加熱循環泵將恒溫水箱中的水泵入厭氧外夾套內并循環回到恒溫水箱，以保證厭氧反應器內的水溫在厭氧反應所要求的溫度范圍內。

經過厭氧反應后的廢水經溢流，流入出水槽。

2.2 進水水質及接種污泥

2.2.1 進水水質

為使連續小試結果能更有效地反映在以后工程的實際運行情況，本次連續流小試實驗匯總廢水水質具體如表1。

表1 廢水水質參數 mg/L

2.2.2 接種污泥

厭氧接種污泥接種量為4.5L，污泥濃度MLSS為40g/L，MLVSS濃度為31.6g/L，VSS/SS為0.79。

2.3 分析監測項目與方法

本次實驗的測試方法與使用儀器及測試項目按照《水和廢水監測分析方法》（第四版）規定的標準分析方法。

3 實驗結論與討論

從2020年8月27日至2020年11月20日，對費托合成廢水進行厭氧處理小試實驗研究。實驗分為三個階段：

1）以費托合成廢水作為厭氧進水的厭氧顆粒污泥馴化和低負荷階段。

2）中負荷的實驗研究。

3）高負荷的實驗研究。

3.1 厭氧實驗運行分析

3.1.1 實驗過程

依據常規廢水水質參數和GCMS初步判斷，該廢水的可生化性較高，故將污泥負荷設置在0.2kg COD/kg VSS·d開始，并根據厭氧反應器的出水情況對厭氧反應器的負荷進行逐步調整。

3.組建合作小組，創設學習氛圍。結合學生特點，將學生分成五個合作學習小組。分組時均衡各組整體水平，注重小組成員間的差異互補。

3.1.2 結果與討論

3.1.2.1 低負荷污泥階段

由圖1、圖2可以看出，8月27日到9月21日期間，此階段厭氧進水COD為10 500~11 400mg/L，厭氧反應器的容積負荷為2.9~4.0kgCOD/m3·d，平均值為3.67kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負荷為0.21~0.30kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.26kg COD/kg VSS ·d。

圖1 厭氧反應器進出水VFA濃度及酸化度隨時間的變化

圖2 厭氧反應比產氣率隨時間的變化

在上述這些進水水質條件下，厭氧反應器的出水COD濃度為100~270mg/L，平均值為167mg/L；COD去除率為96%~99%，平均值為98.4%；污泥去除負荷為0.20~0.30kgCOD/m3·d，平均值為0.26kgCOD/m3·d。表明厭氧顆粒污泥已基本適應于該類廢水水質。

在低負荷階段，顆粒污泥的比產氣率為0.24~0.67m3/kg CODrem·d，平均為 0.54m3/kgCODrem·d。

3.1.2.2 中負荷污泥階段

9月21日到10月9日，經過低負荷階段運行后，厭氧顆粒污泥馴化完全，所以此階段在較短時間內提高污泥負荷至0.39kgCOD/kg VSS·d。此階段厭氧進水COD為9 500~11 400mg/L，厭氧反應器的容積負荷為4.7~5.6kgCOD/m3·d，平均值為5.4kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負荷為0.33~0.39kg COD/kg VSS·d，平均值為0.38kgCOD/kg VSS·d。

在上述這些進水水質條件下，厭氧反應器的出水COD濃度為130~270mg/L，平均值為208mg/L；COD去除率為97%~99%，平均值為98%；污泥去除負荷為0.33~0.39kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.37kgCOD/kg VSS·d。因此經過低負荷運行后，隨著進水COD的增加，反應器的處理效果與低負荷階段的去除效果基本不變，污泥去除負荷明顯高于低負荷階段的污泥負荷。

3.1.2.3 高負荷污泥階段

為驗證厭氧反應器能承受較高的污泥負荷，10月9日到11月20日，接近6周運行時間，將此階段的污泥負荷提高至0.4kgCOD/m3·d以上。此階段厭氧進水COD為9 800~11 000mg/L，厭氧反應器的容積負荷為5.8~6.3kgCOD/m3·d，平均值為6kgCOD/m3·d；厭氧污泥施加負荷為0.39~0.44kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.43kgCOD/kg VSS·d。

在上述這些進水水質條件下，厭氧反應器的出水COD濃度為170~290mg/L，平均值為235mg/L，除10月20日的出水COD濃度為329mg/L外，其他均可維持在300mg/L以下；COD去除率為97~99%，平均值為97.7%；污泥去除負荷為0.38~0.44kgCOD/kg VSS·d，平均值為0.42kgCOD/kg VSS·d。可見，在本階段反應器的處理效果基本與中負荷階段時相當，但污泥去除負荷明顯較低、中負荷階段時高。故此階段進水水質條件下厭氧生物處理系統運行的數據表明，厭氧反應器完全能在污泥去除負荷為0.42kgCOD/kg VSS·d、容積負荷為6kgCOD/m3·d參數下正常運行。

調節罐中廢水的預酸化度在78%~85%，平均值為80.3%。而厭氧出水的VFA濃度較為穩定，基本維持在10meq/L以下，平均值為5.2meq/L。厭氧出水BOD＜110mg/L。因此，根據出水VFA濃度和厭氧進出水COD/BOD值變化，可知將污泥負荷提高至0.43kgCOD/kgVSS·d后厭氧反應器仍處于一個良好的運行狀態。

在高負荷階段，顆粒污泥的比產氣率為0.44~0.62m3/kg CODrem ·d，平均為 0.52m3/kgCODrem ·d。

根據經驗值計算，厭氧出水COD中VFA所占比例較高，且B/C較高，也驗證了廢水中含較多短鏈醇類和酸類，基本是容易降解的物質，廢水的可生化性較高，可進一步進行生物降解處理。

3.2 厭氧顆粒污泥

為對厭氧顆粒污泥的特性有更深入的認識，對比分析了馴化前與實驗結束后的厭氧顆粒污泥的性能指標。經過費托合成廢水進行接近三個月培養后，盡管從表觀上發現大顆粒污泥（粒徑>2mm）的數量較接種前有所減少，顆粒污泥有所變“細”，但直徑為1~2mm的顆粒污泥占比增多，這更利于物質在顆粒內部的傳遞。

實驗前接種VSS污泥總量142g；實驗結束后VSS顆粒污泥總量113.7g，絮狀污泥總量17.3g，表明在馴化過程中有少量污泥解絮。考慮到在連續流小試中污泥損耗量和中途污泥有取出觀察，表明實驗前后污泥基本總量變化不大。

4 結論

連續流小試經過接近約3個月運行研究，可得到以下結論：

1）在相對較高起始負荷情況下，厭氧顆粒污泥能較快適應馴化并提高負荷。厭氧顆粒污泥經過馴化后，略微變細小，更適合厭氧工藝要求，其他基本無變化。

2）厭氧小試裝置及其內部顆粒污泥可有效抵抗低負荷和高負荷的沖擊，厭氧出水較為穩定。

3）本次實驗厭氧小試容積負荷達到最高6.0kgCOD/m3·d，由于小試實驗裝置為簡易厭氧反應裝置，內部結構不完善，有較多不合理空間，導致容積負荷較低。

4）厭氧出水的B/C較高，可選擇好氧工藝以進一步去除COD。