上升流速對EGSB反應(yīng)器廢水處理效果的影響

岳 瑩 田在興

(四川省建筑設(shè)計院，四川 成都 610017)

1 引言

EGSB 反應(yīng)器作為第三代厭氧反應(yīng)器, 被成功的應(yīng)用于處理低溫、高負荷及有毒等廢水。其具有投資省，操作、運行費用低，能源可回收以及處理效果好等優(yōu)點，具有高推廣價值和廣泛的應(yīng)用前景。所以研究EGSB 反應(yīng)器使其更充分的發(fā)揮處理效能具有重要意義。

EGSB 反應(yīng)器內(nèi)部是一個復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，反應(yīng)器的操作受多種因素的影響。通過調(diào)節(jié)上升流速所形成的流場，影響反應(yīng)器內(nèi)氣泡的大小和分布，水力停留時間（HRT），雷諾數(shù)和剪切應(yīng)力。其在很大程度上影響著化學反應(yīng)的進行和微生物的生存。目前，實驗室中關(guān)于流場的研究主要集中在反應(yīng)條件的優(yōu)化；在理論上，人們通過CFD 和微生物動力學相結(jié)合的模擬模型，來研究流場對廢水處理效果的影響。

通過實際運行反應(yīng)器作對比來考查流場對廢水處理效果的影響，在這方面還鮮有報道。本文，實際運行兩個EGSB 反應(yīng)器，保持其它運行參數(shù)及環(huán)境條件一致，以不同的上升流速作對比，來考查其對廢水處理效果的影響。

2 實驗材料和方法

2.1 實驗裝置

本研究所采用的是EGSB 反應(yīng)器，其實驗裝置示意圖如圖1 所示。

圖1 EGSB 反應(yīng)器實驗裝置示意圖

EGSB 反應(yīng)器試驗主體裝置由圓柱狀有機玻璃制成，反應(yīng)器主體分成上下兩個部分，下部為反應(yīng)區(qū)，上部為沉淀區(qū)。反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑4.0cm，高度60.0cm。沉淀區(qū)內(nèi)徑10.0cm，高度20.0cm；反應(yīng)器總高度85.0cm，具體參數(shù)見表1。

表1 EGSB 的各部分尺寸

2.2 接種污泥

實驗用的接種污泥取自啤酒廠IC 反應(yīng)器，呈黑色，顆粒狀，沉淀性能好，接種污泥濃度為TSS=33.5g/L，VSS=9.5g/L，兩套反應(yīng)器的接種量均約為300ml。

2.3 實驗用水

實驗用水為人工配制的糖蜜廢水，糖蜜是制糖過程中產(chǎn)生的廢棄物，表面呈棕黃色，為粘稠狀液體，其中包含物質(zhì)較復(fù)雜，大部分為易降解的糖類有機物，也包含少量的無機成分，糖蜜的具體各成分以及含量見文獻。

2.4 分析項目及方法

實驗過程中分析項目及分析方法如表2 所示。

表2 分析項目及分析方法

2.5 運行工況與實驗條件

反應(yīng)器的運行過程中，保持其它條件一致，即其它他各運行參數(shù)均相同，以不同的上升流速作對比，上升流速的差異通過外循環(huán)泵的回流實現(xiàn)。

溫度：30±1℃。上升流速：R1 反應(yīng)器：0.3mm/s，R2 反應(yīng)器：0.9mm/s。表3 所示為兩反應(yīng)器運行過程中具體參數(shù)控制。

表3 反應(yīng)器運行參數(shù)控制

3 結(jié)果和討論

3.1 上升流速對反應(yīng)器pH 和堿度的影響

反應(yīng)器出水pH 和堿度變化情況與反應(yīng)器內(nèi)部二者的數(shù)值基本相同。如圖2 所示，為反應(yīng)器出水pH 的變化情況，兩反應(yīng)器內(nèi)的變化情況基本相同。由于反應(yīng)器運行期間氣溫較高，糖蜜水極易變質(zhì)，使進水出現(xiàn)酸化，pH 有很大波動，為維持系統(tǒng)的正常運行，第30 天在兩反應(yīng)器的進水中加入適量的NaHCO3 進行調(diào)整，出水pH 不隨進水改變而改變，pH 一直穩(wěn)定在4 到6，在整個反應(yīng)器的運行中都基本保持一致。

圖2 不同上升流速下兩反應(yīng)器出水pH 的變化情況

如圖3 所示，為反應(yīng)器出水堿度的變化情況，兩反應(yīng)器內(nèi)的變化情況基本相同。由圖可知，反應(yīng)器系統(tǒng)可以對輕微的沖擊有很好的緩沖效果，但無法承受嚴重的沖擊。兩反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的堿度與pH 的變化規(guī)律相似，在整個反應(yīng)器的運行中都基本保持一致。

圖3 不同上升流速下兩反應(yīng)器出水堿度的變化情況

反應(yīng)器系統(tǒng)的pH 和堿度大小取決于揮發(fā)酸和其對應(yīng)的陰離子濃度，即，HAc/Ac－，HPr/Pr－，HBu/Bu－等共軛酸堿對的濃度，也就是液相產(chǎn)物的濃度。HA/A－為共軛酸堿對的存在形式，二者是可以相互轉(zhuǎn)化的，其轉(zhuǎn)化的主要動力是所對應(yīng)酸的強度和組分的濃度，以及溶液中的c（H3O＋），即氫離子濃度。反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的揮發(fā)酸及其解離常數(shù)為： 碳酸pK1=6.38、pK2=10.25、乙酸pK1=1.76、丙酸pK1=1.87、丁酸pK1=1.82、戊酸pK1=1.86，由此可知系統(tǒng)內(nèi)存在的揮發(fā)酸的強度相差不大，由于兩系統(tǒng)內(nèi)液相產(chǎn)物中各組分的濃度差異較小，又由于系統(tǒng)始終處于波動狀態(tài)，所以反應(yīng)器內(nèi)的pH 和堿度在反應(yīng)器整個操作過程中都很接近，沒能直觀的看出上升流速對其影響。

3.2 上升流速對TOC 去除率的影響

圖4 不同上升流速下兩反應(yīng)器出水TOC 去除率的變化情況

圖4 反映了反應(yīng)器出水TOC 去除率的變化情況，兩反應(yīng)器TOC 去除率隨著進水TOC 濃度的增加和HRT 的縮短而降低，并且始終存在一定的波動，但是兩反應(yīng)器TOC 去除率相差不大，可以認為基本相同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，反應(yīng)器進水為人工配制的糖蜜廢水，糖蜜的濃度不均勻，所以每次配水與要達到的數(shù)值存在一些偏差，無法控制進水濃度的穩(wěn)定；而且進水濃度較高。所以兩反應(yīng)器TOC 去除率始終處于波動狀態(tài)，即使有微小的差別也很難察覺。

3.3 上升流速對反應(yīng)器出水液相產(chǎn)物的影響

3.3.1 對液相產(chǎn)物總濃度變化的影響

本實驗中，糖蜜廢水經(jīng)過水解發(fā)酵過程，產(chǎn)生了各種液相產(chǎn)物，圖5 為反應(yīng)器出水液相產(chǎn)物總濃度的變化情況，兩反應(yīng)器內(nèi)的液相發(fā)酵產(chǎn)物一直存在波動，這種波動是由于環(huán)境的不斷變化，微生物還沒有適應(yīng)之前的環(huán)境，而又要面對新的改變，所以只能是相對的穩(wěn)定，上升流速較大的R2 反應(yīng)器比R1 反應(yīng)器先達到穩(wěn)定狀態(tài)。兩反應(yīng)器內(nèi)液相產(chǎn)物總濃度隨底物濃度的提高而增加，二者的變化趨勢基本相同，R2 反應(yīng)器內(nèi)液相產(chǎn)物的總濃度要略高于R1 反應(yīng)器。

圖5 不同上升流速下兩反應(yīng)器出水液相產(chǎn)物總濃度的的變化情況

3.3.2 對液相產(chǎn)物組成的影響

圖6 和圖7 反映了兩反應(yīng)器出水液相產(chǎn)物各成分比例，兩反應(yīng)器內(nèi)液相產(chǎn)物的種類、各成分在各自反應(yīng)器中占總體的水平都非常相似，但也存在一定差別。在反應(yīng)器啟動初期，乙酸、丁酸、丙酸和乙醇都有產(chǎn)生，所占比例波動較大，兩反應(yīng)器均處于混合酸發(fā)酵階段，由于之前接種污泥長期處于營養(yǎng)缺乏的狀態(tài)，當出現(xiàn)可以利用的底物時，微生物為了生存的需要降解底物以獲得足夠的能量。反應(yīng)器運行幾天之后，各成分的比例在同一反應(yīng)器中處于基本相同的水平，表明反應(yīng)器運行達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，由如圖6 和圖7 可知，在兩反應(yīng)器中丁酸所占的比例均為最大，表明丁酸發(fā)酵類型的形成。R1 反應(yīng)器經(jīng)過10天達到穩(wěn)態(tài)，而R2 反應(yīng)器僅用3 天。在反應(yīng)器運行的第13 天，在兩反應(yīng)器系統(tǒng)中檢測到了戊酸的存在，戊酸的濃度相對較低，丁酸和戊酸在R1 反應(yīng)器中所占的比例要高于在R2 反應(yīng)器中，但是丙酸的情況卻與二者相反。由于丙酸不利于后續(xù)生化反應(yīng)的進行，易形成丙酸積累，使系統(tǒng)酸化，所以它不是理想的發(fā)酵產(chǎn)物[1]。液相產(chǎn)物的產(chǎn)生情況，除由系統(tǒng)內(nèi)微生物種類不同決定以外，更主要的是由運行參數(shù)（如有機負荷、pH、反應(yīng)器流態(tài)等）的控制所決定[2]。所以通過液相產(chǎn)物的差異無法判斷微生物種類是否有差異，由于兩反應(yīng)器運行期間除流場外保持其它控制參數(shù)一致，故說明上升流速對反應(yīng)器的液相產(chǎn)物的產(chǎn)生情況有影響。

圖6 上升流速為0.3mm/s 時反應(yīng)器（R1）出水液相產(chǎn)物各成分比例

圖7 上升流速為0.9mm/s 時反應(yīng)器（R2）出水液相產(chǎn)物各成分比例

綜上，在此條件下運行期間，表明了上升流速對EGSB 反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)液相產(chǎn)物的產(chǎn)生情況有影響，這種影響包括反應(yīng)器達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間，液相產(chǎn)物總濃度，液相產(chǎn)物中各成分的比例。具有較大上升流速反應(yīng)器達到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間較短，并且液相產(chǎn)物總濃度較高，因為較大的上升流速，能夠有效地促進底物與污泥間的混合接觸，加強了傳質(zhì)效果，使有機物進入微生物體內(nèi)的路程縮短，速率增大，加快了生化反應(yīng)速度，縮短了反應(yīng)器達到穩(wěn)態(tài)的進程，同時使有機物的利用更完全，液相產(chǎn)物總濃度增加，這樣利于其處理效能的提高。但具有較大上升流速反應(yīng)器丙酸積累較多，由于其不是理想的發(fā)酵產(chǎn)物，所以難以判斷兩者的優(yōu)劣。

3.4 上升流速對反應(yīng)器ORP 的影響

對于某種特定的微生物，會有適應(yīng)其生長的特定ORP 范圍，兩系統(tǒng)內(nèi)ORP 不同，表明在兩系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)不同，ORP 的變化表明系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，也就是說，發(fā)生了微生物群落的演替，最終穩(wěn)定的在某一數(shù)值，表明反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)微生物的生態(tài)演替最終形成了頂級群落。發(fā)酵產(chǎn)氫體系中的氧化還原電位只與pH 和氫分壓有關(guān)，當兩反應(yīng)器pH相近時，ORP 由氫分壓決定。

圖8 不同上升流速下兩反應(yīng)器出水ORP 的變化情況

李建政[3,4]的研究表明，在pH 和ORP 分別增加至5.0±0.2和－200±20mV，CSTR 反應(yīng)器中的厭氧活性污泥轉(zhuǎn)變成了丙酸發(fā)酵。其他的研究[5]也表明，ORP 與微生物的發(fā)酵類型有關(guān)。發(fā)酵類型是由微生物種類和反應(yīng)器運行參數(shù)控制等因素共同決定的[6]。不同的發(fā)酵類型，產(chǎn)氫量不同，系統(tǒng)內(nèi)氫分壓就不同，表現(xiàn)在ORP 不同，但即使發(fā)酵類型相同，產(chǎn)氫量也可能不同。圖8為反應(yīng)器出水ORP 的變化情況。在反應(yīng)器的啟動階段，兩反應(yīng)器的ORP 均出現(xiàn)大幅度的降低，這是由于反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的兼性微生物消耗了系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，使系統(tǒng)內(nèi)由氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變成了還原環(huán)境。然后，R1 反應(yīng)器ORP 穩(wěn)定在－370mV 左右，R2 反應(yīng)器又出現(xiàn)了上升，最后穩(wěn)定在－240mV 左右，這表明兩反應(yīng)器內(nèi)微生物形成了不同的頂級群落，ORP=－370mV 為R1 反應(yīng)器頂級群落的一個生態(tài)位，ORP=－240mV 為R2 反應(yīng)器頂級群落的一個生態(tài)位。在第25 天，由于操作不當，使R2 反應(yīng)器內(nèi)部進入了空氣，使ORP 突然升高，經(jīng)過一周的自我調(diào)整，反應(yīng)器系統(tǒng)實現(xiàn)了成功恢復(fù)，最后ORP 穩(wěn)定在未進入空氣之前的數(shù)值。表明EGSB 反應(yīng)器系統(tǒng)有著很好的穩(wěn)定性，具備一定的抵抗氧氣沖擊的能力。這歸功于系統(tǒng)內(nèi)存在的兼性微生物，它們在有氧的條件下也能夠生存，消耗系統(tǒng)內(nèi)的氧氣，這樣有利于系統(tǒng)內(nèi)厭氧條件的恢復(fù)，保證了厭氧微生物的生存環(huán)境，可以使系統(tǒng)具備一定的抵抗氧氣沖擊的能力[7]。隨著反應(yīng)器的運行，R1 反應(yīng)器的ORP 在第40 天出現(xiàn)下降，最終穩(wěn)定在－310mV 左右，表明反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)歷了微生物群落的演替的過程。反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)的微生物一方面在演替過程中適應(yīng)環(huán)境的ORP，另一方面體內(nèi)誘導(dǎo)合成不同的酶，催化新的代謝方式來改變環(huán)境的ORP，使其適應(yīng)自身的生存[8]。

由于兩反應(yīng)器內(nèi)pH 相近，是產(chǎn)氫量的不同，使ORP 穩(wěn)定值不同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象，可能完全是由于流場的差異，由于流體的擾動程度不同影響了氫氣的釋放量，也可能是由流場的差異使兩系統(tǒng)內(nèi)的微生物結(jié)構(gòu)向著不同方向改變而導(dǎo)致的。雖然由此無法判斷微生物種類是否有差異，由于兩反應(yīng)器運行期間除流場外保持其它控制參數(shù)一致，所以，在此條件下運行期間，流場對EGSB 反應(yīng)器系統(tǒng)內(nèi)ORP 變化有影響。

4 結(jié)論

以0.3mm/s 和0.9mm/s 兩個上升流速運行反應(yīng)器，考查其對廢水處理效果的影響。反應(yīng)器運行了53 天，上升流速對出水PH、堿度和TOC 去除率沒有影響；對液相產(chǎn)物和ORP 有影響。

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