分段組合式厭氧反應器預警性能

季軍遠，鄭平，張吉強，陸慧鋒

浙江大學環(huán)境工程系，杭州 310058

厭氧消化技術具有無需供氧、產生沼氣、減排污泥等諸多優(yōu)點[1-5]，已在環(huán)境和能源工程中廣泛應用。厭氧反應器是厭氧消化技術的核心載體，高效厭氧反應器的研發(fā)推動了厭氧消化技術的發(fā)展[6]。若以工程上已實現的最高容積有機負荷 (OLR) 為標準，可將OLR大于40 kg COD/(m3·d) 的厭氧反應器稱為超高效厭氧反應器，超高效厭氧反應器的研發(fā)將進一步推動厭氧消化技術的發(fā)展。

厭氧消化技術為混菌發(fā)酵技術，其對有機物的轉化過程主要由水解產酸菌群、產氫產乙酸菌群、產甲烷菌群協(xié)作完成[7-9]。各菌群的生長和代謝性能不同，轉化過程容易失衡。高效厭氧反應器在高速度下運行，需要高反應推動力，各反應物 (包括中間產物——揮發(fā)性有機酸 (VFA)) 濃度較高。但是，VFA具有生物毒性并可降低反應液pH，一旦超過臨界濃度，可強烈抑制厭氧消化過程中的產甲烷作用而引發(fā)反應系統(tǒng)酸敗。

在高效厭氧反應器運行過程中，厭氧消化性狀和效能呈現規(guī)律性變化，探明厭氧反應器性狀與效能之間的關系，可為厭氧反應器工況提供早期預警，從而保證厭氧反應器的高效穩(wěn)定運行。本文研究了自主研發(fā)的分段組合式厭氧反應器 (Compartmentalized anaerobic reactor，CAR) 的預警性能。

1 材料與方法

1.1 模擬廢水

本研究采用模擬廢水，其組成成分為蔗糖、乙醇、NH4Cl、NaHCO3、營養(yǎng)液、微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ (表1) 等物質[10]，微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ加入量均為1 mL/L，NaHCO3加入量根據出水pH值調節(jié)。

1.2 接種污泥

接種顆粒污泥取自浙江某造紙廠的 IC厭氧反應器，SS為51.0 g/L，VSS為40.3 g/L，VSS/SS為0.72。

1.3 試驗系統(tǒng)

本研究所采用的試驗系統(tǒng)如圖1所示，厭氧反應器呈圓柱狀，內徑為5 cm，高度為120 cm，反應區(qū)容積2 L。反應器由布水區(qū)、反應區(qū)和三相分離區(qū)組成。反應區(qū)各段之間以分隔板隔開，但以分隔板上的連通管溝通。反應區(qū)各段產生的沼氣分別收集，均接入三相分離區(qū)上部的氣室內，通過氣室集中外排。反應器工作溫度為 (30±1) ℃。

1.4 分析項目及方法

COD：重鉻酸鉀法[11]；SS、VSS：重量法[11]；pH：玻璃電極法；揮發(fā)性脂肪酸：比色法[12]；氣體流量：BSD 0.5型濕式氣體流量計測定法。

2 結果與分析

2.1 厭氧反應器的運行性能

2.1.1 常效厭氧反應器的運行性能

在常效反應器運行過程中，設定初始水力停留時間 (HRT) 為7 h，初始進水COD濃度為(2 886±187) mg/L。保持HRT恒定，以等步幅增加進水COD濃度的方式逐步提高反應器容積負荷，運行結果見圖2~4。由圖可知，進水COD濃度由(2 886±187) mg/L增至 (11 595±373) mg/L時，反應器容積負荷由 (9.90±0.58) g COD/(L·d) 增至(39.75±1.28) gCOD/(L·d)，容積去除率由 (9.52± 0.58) g COD/(L·d) 增至 (39.12±1.24) g COD/(L·d)，容積產氣率由 (4.87±0.18) L/(L·d) 增至 (19.02± 0.62) L/(L·d)；出水COD濃度由 (111±26) mg/L增至(184±39) mg/L，COD去除率由 (96.18±0.77)%升至(98.41±0.32)%，出水 COD濃度低于其他厭氧反應器處理同類廢水的文獻報道值[13-14]；出水VFA濃度由 (38.57±2.25) mg/L升至 (70.89±8.51) mg/L，出水VFA濃度低于臨界抑制濃度[15]；出水pH保持在7.51左右，適宜厭氧消化作用。

表1 營養(yǎng)液的物質組成[10]Table 1 Composition of nutrient solution

圖1 分段組合式厭氧反應器系統(tǒng)Fig. 1 Schematic diagram of CAR. 1: influent tank; 2: peristaltic pump; 3: recirculation pump; 4: anaerobic reactor; 5: biogas; 6: effluent tank; 7: wet gas meter; 8,9,10: sampling portsⅠ, Ⅱ, Ⅲ , respectively.

COD是有機物數量的度量指標，COD濃度可以指示反應系統(tǒng)對有機物的去除狀況；VFA是厭氧消化過程的中間產物，VFA濃度可以指示反應系統(tǒng)中VFA的產生和轉化狀況；以出水COD和VFA濃度作為指標，可以評估厭氧反應器的運行工況。常效運行過程中CAR的穩(wěn)定性評估結果見表2。從相對標準偏差看，出水COD濃度 (平均相對標準偏差為24.57%) 和出水 VFA濃度 (平均相對標準偏差為23.03%) 基本上與進水 COD濃度 (平均相對標準偏差為 23.92%) 的增幅同步，但相對于進水 COD濃度的大幅提升 (最大標準偏差為1 875.38 mg/L)，出水COD濃度和出水VFA濃度的變幅較小 (最大標準偏差分別為36.70和15.62 mg/L)，表明在常效運行過程中CAR具有良好的穩(wěn)定性。

圖2 常效運行過程中的容積負荷、容積去除率和容積產氣率Fig. 2 Organic loading rate, volumetric COD removal rate and volumetric gas production at common loading rate.

圖3 常效運行過程中的進出水COD濃度及COD去除率Fig. 3 Influent and effluent COD concentration and COD removal efficiency at common loading rate.

圖4 常效運行過程中的出水pH與揮發(fā)性脂肪酸濃度Fig. 4 Effluent pH and volatile fatty acids (VFA) concentration at common loading rate.

表2 基質濃度波動對常效厭氧反應器穩(wěn)定性的影響Table 2 Effect of substrate concentration fluctuation on performance stability at common loading rate

2.1.2 高效厭氧反應器的運行性能

在反應器達到高效 OLR標準(OLR= 40 g COD/(L·d)) 后，仍保持HRT恒定，繼續(xù)以增加進水 COD濃度方式提高容積負荷，運行結果見圖5~7。由圖可知，進水COD濃度由 (11 595±373) mg/L提升至 (29 300±200) mg/L，容積負荷由 (39.75± 1.28) g COD/(L·d) 增至 (100.46±0.69) g COD/(L·d)，容積去除率由 (39.12±1.24) g COD/(L·d) 增至最大容積去除率 (84.35±1.58) g COD/(L·d)，容積產氣率由 (19.02±0.62) L/(L·d) 增至最大產氣率 (57.00± 0.56) L/(L·d)；出水COD濃度由 (184±39) mg/L增至 (4 700±342) mg/L， COD 去 除 率 則 由(98.41±0.32)%降至 (83.96±1.22)%；出水VFA濃度由 (70.89±8.51) mg/L增至 (3 323.71±330.24) mg/L，出水 pH 由 (8.14±0.07) 降至 (7.65±0.05)。進水COD濃度進一步提升至 (32 367±252) mg/L時，盡管容積負荷增至 (110.97±0.86) g COD/(L·d)，但容積去除率降至 (82.19±2.16) g COD/(L·d)，容積產氣率降至 (56.47±0.66) L/(L·d)；出水COD濃度劇增至(8 393±479) mg/L，COD去除率降至 (74.06±1.58)%；出水VFA濃度躍升至 (6 304.18±231.78) mg/L，出水pH降至 (7.16±0.15)。

圖5 高效運行過程中的容積負荷、容積去除率和容積產氣率Fig. 5 Volumetric loading rate, volumetric COD removal rate and volumetric gas production at high loading rate.

圖6 高效運行過程中的進出水COD濃度及COD去除率Fig. 6 Influent and effluent COD concentration and COD removal efficiency at high loading rate.

圖7 高效運行過程中的出水pH與揮發(fā)性脂肪酸濃度Fig. 7 Effluent pH and VFA concentration at high loading rate.

高效運行過程中CAR的穩(wěn)定性評估結果見表3。從相對標準偏差對比可知，出水COD濃度 (平均相對標準偏差為32.95%) 和出水VFA濃度 (平均相對標準偏差為40.46%) 的波動幅度大大高于進水COD濃度 (平均相對標準偏差為8.08%) 的提升幅度。相對進水COD濃度的提升 (標準偏差1 347.14~1 745.51 mg/L)，出水COD濃度和出水VFA濃度的變幅較大 (標準偏差分別為 48.83~ 1 986.87 mg/L和21.07~1 634.01 mg/L)。這組結果表明高效運行過程中CAR的穩(wěn)定性減弱。

2.2 厭氧反應器的預警性

2.2.1 厭氧反應器的負荷飽和度

進水濃度和進水流速 (或 HRT) 是厭氧反應器的常用操作參數，兩者的聯(lián)合效應可用容積負荷反映。容積去除率和容積產氣率是厭氧反應器的主要效能指標，反應器的綜合效能可用這兩個效能指標表征。建立厭氧反應器容積負荷與容積效能之間的關系，可為厭氧反應過程提供預警。厭氧反應器容積負荷與容積去除率和容積產氣率的關系見圖 8。當容積負荷達 (100.46±0.69) g COD/(L·d) 時，容積去除率和容積產氣率達最高值，分別為 (84.35± 1.58) g COD/(L·d) 與 (57.00±0.56) L/(L·d)。以最大容積去除率和最大容積產氣率作為效能指標，可根據圖8關系曲線確定厭氧反應器的最大容積負荷。

若以承擔容積負荷 (VLR) 與最大容積負荷(VLRm) 之比來定義容積負荷飽和度 (SVLR)，則可將SVLR小于1、等于1和大于1的工況分別稱為常負荷、滿負荷和超負荷工況。容積負荷飽和度與容積效能的關系如圖 9所示。當容積負荷飽和度為0.1≤SVLR＜1時，容積去除率和容積產氣率逐漸提高；容積負荷飽和度為SVLR=1時，容積去除率和容積產氣率達到最大；容積負荷飽和度為SVLR＞1時，容積去除率和容積產氣率降低。容積負荷飽和度與COD去除率和出水COD濃度的關系如圖10所示。容積負荷飽和度為0.1≤SVLR≤0.7時，COD去除率相對穩(wěn)定，出水COD濃度小幅度增高；容積負荷飽和度為0.7＜SVLR≤0.89時，COD去除率小幅降低，出水COD增幅變大；容積負荷飽和度為0.89＜SVLR≤1時，COD去除率大幅降低，出水COD濃度大幅升高；容積負荷飽和度為SVLR＞1時，COD去除率急劇降低，出水COD濃度急劇升高。

表3 基質濃度波動對高效厭氧反應器穩(wěn)定性的影響Table 3 Effect of substrate concentration fluctuation on performance stability at high loading rate

圖8 容積去除率、容積產氣率與容積負荷關系Fig. 8 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and volumetric loading rate.

圖9 容積去除率、容積產氣率與容積負荷飽和度關系Fig. 9 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and saturation of volumetric loading rate (SVLR).

圖10 出水COD濃度、COD去除率與容積負荷飽和度關系Fig. 10 Relationship between effluent COD concentration, COD removal efficiency and saturation of volumetric loading rate (SVLR).

2.2.2 厭氧反應器的VFA飽和度

VFA是厭氧消化過程的中間產物，提高VFA濃度可以加速中間產物的轉化速度，但是VFA具有生物毒性，高VFA濃度又會抑制厭氧消化菌的代謝活性。若以最大容積去除率和容積產氣率作為效能指標，可確定厭氧反應器的最大允許VFA濃度。若以瞬時 VFA濃度 (VFA) 與最大允許 VFA濃度(VFAm) 之比來定義 VFA飽和度 (SVFA)，則可用VFA飽和度指示常負荷、滿負荷和超負荷時的反應器工況特征。VFA飽和度與容積效能的關系如圖11所示。當VFA飽和度＜1時，容積去除率和容積產氣率逐漸提高；VFA飽和度為1時，容積去除率和容積產氣率達到最大；VFA飽和度超過1時，容積去除率和容積產氣率降低。VFA飽和度與COD去除率和出水COD濃度的關系如圖12所示。當VFA飽和度0.01≤SVFA＜0.03時，COD去除率相對穩(wěn)定，出水 COD濃度小幅增高；VFA飽和度 0.03≤SVFA＜0.40時，COD去除率略有降低，但出水COD濃度增幅較大；VFA飽和度 0.40≤SVFA＜1時，COD去除率大幅降低，出水 COD濃度成倍增加；VFA飽和度SVFA≥1時，COD去除率急劇降低，出水COD濃度急劇升高，反應器功能失穩(wěn)。

圖11 容積去除率、容積產氣率與揮發(fā)性脂肪酸飽和度關系Fig. 11 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and VFA saturation (SVFA).

圖12 出水COD濃度、COD去除率與揮發(fā)性脂肪酸飽和度關系Fig. 12 Relationship between effluent COD concentration, COD removal efficiency and VFA saturation (SVFA).

3 結論

分段組合式厭氧反應器高效運行穩(wěn)定性低于常效運行穩(wěn)定性。在常效工況下，進水COD濃度的提升 (平均相對標準偏差為 23.92%) 基本上與出水COD濃度 (平均相對標準偏差為 24.57%) 和出水VFA濃度 (平均相對標準偏差為23.03%) 的增大同步，而在高效工況下，進水 COD濃度的小幅提升(平均相對標準偏差為 8.08%) 可引起進出水 COD濃度 (平均相對標準偏差為 32.95%) 和出水 VFA濃度 (平均相對標準偏差為40.46%) 的大幅增加。

高效厭氧反應器的負荷飽和度和VFA飽和度具有預警性。容積負荷飽和度和VFA飽和度分別低于0.89與 0.40時 (即常負荷工況)，反應運行性能穩(wěn)定；容積負荷飽和度和VFA飽和度趨近1時 (即滿負荷工況)，反應運行性能波動增大；容積負荷飽和度和VFA飽和度超過1時 (即超負荷工況)，反應運行性能惡化。

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