外循環(huán)UASB處理太湖富藻水運(yùn)行特性研究＊

余亞琴，呂錫武，吳義鋒

（1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096； 2.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

中國淡水湖泊富營養(yǎng)化十分嚴(yán)重，太湖藍(lán)藻頻繁暴發(fā)，而且規(guī)模越來越大，暴發(fā)期越來越長，使水體腥臭難聞，溶解氧減少，魚類大量死亡，水產(chǎn)資源遭到破壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響飲用水水質(zhì)安全，危害到周圍居民的身體健康.藍(lán)藻及時(shí)打撈與收集是迅速減少水體藍(lán)藻濃度的常用手段，在太湖藍(lán)藻暴發(fā)期間，每天打撈量高達(dá)1 000t，有時(shí)接近2 000t[1]，被打撈的藍(lán)藻大多被拋棄在打撈站附近的溝渠及湖邊洼地，腐爛發(fā)臭，沒能得到及時(shí)有效處置，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，不僅嚴(yán)重影響周邊環(huán)境，而且還會(huì)發(fā)生藻毒素釋放，不利于動(dòng)植物生長，同時(shí)威脅飲用水安全[2].此外藍(lán)藻腐熟產(chǎn)生的氮、磷和藻毒素還會(huì)因?yàn)橛晁疀_刷，通過地表徑流或淋溶再次流入太湖，引發(fā)二次污染.因此，對(duì)藍(lán)藻的有效處置及利用，成為太湖藍(lán)藻迫切需要解決的關(guān)鍵問題之一.打撈的富藻水（藍(lán)藻與水的混合體含水率一般在99%左右）有機(jī)物濃度較高，通過厭氧發(fā)酵可以實(shí)現(xiàn)富藻水的有效處理的同時(shí)獲得生物質(zhì)能[3]而備受關(guān)注.

20世紀(jì)70年代，Lettinga等[4]研制開發(fā)上流式厭氧 污 泥 床 （up－flow anaerobic sludge blanket reactor，UASB）反應(yīng)器，其易形成具有良好沉降性能和較高的比甲烷活性的厭氧顆粒污泥[5]，使反應(yīng)器內(nèi)維持較高的生物量，被廣泛用于處理高濃度的有機(jī)廢水[6－9].但如果UASB反應(yīng)器布水系統(tǒng)不均勻，易在反應(yīng)器內(nèi)造成大量死區(qū)和短流，同時(shí)由于富藻水中藍(lán)藻具有微氣囊結(jié)構(gòu)，容易上浮并結(jié)殼，會(huì)進(jìn)一步造成反應(yīng)器容積利用率低.而外循環(huán)厭氧反應(yīng)器采用出水回流技術(shù)，加大反應(yīng)器內(nèi)的表面上升流速，污泥床得到膨脹，使泥水得以更好混合，增強(qiáng)傳質(zhì)效果[10]，提高處理效率.同時(shí)，通過反應(yīng)器頂部出水回流可以抑制藍(lán)藻上浮結(jié)殼現(xiàn)象.

本文以外循環(huán)UASB反應(yīng)器為主體，研究其處理太湖富藻水的性能，以期為工程應(yīng)用提供必要的理論依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)位于江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)符瀆港東南大學(xué)太湖研究基地.外循環(huán)UASB厭氧反應(yīng)器采用高強(qiáng)度、耐熱耐壓的PVC制作，棱柱體，截面積為長方形，長寬分別為0.9m和0.6m，總高3.0m（不含支架），有效高度2.9m，有效容積為1.5m3.在距離反應(yīng)器底部40cm處，沿反應(yīng)器高度設(shè)置了3個(gè)等間距的取樣口.反應(yīng)器實(shí)行底部進(jìn)水，上部出水，出水口設(shè)置水封，頂部設(shè)有沼氣管，發(fā)酵產(chǎn)生沼氣量采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量，在反應(yīng)器設(shè)置回流管形成外循環(huán)UASB，反應(yīng)器和進(jìn)水箱外部采用保溫材料包裹，通過進(jìn)水箱內(nèi)的電熱管使反應(yīng)溫度控制在（32±1）℃.實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 UASB反應(yīng)器裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the UASB reactor

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)所用太湖富藻水取自宜興周鐵鎮(zhèn)符瀆港太湖藍(lán)藻打撈站藍(lán)藻堆放池，其自然腐熟5～7d，水色為綜黃色，水質(zhì)情況見表1.由表1可見，太湖富藻水COD（chemical oxygen demand）和SS（suspended solid）質(zhì)量濃度較高，同時(shí)由于在藍(lán)藻堆放池自然腐熟5～7d，水質(zhì)呈弱酸性或中性.

表1 太湖富藻水水質(zhì)Tab.1 Characteristics of algae－laden water from Taihu Lake

1.3 分析項(xiàng)目與方法

COD，pH 和 MLVSS（mixed liquor volatile suspended solids）的測定 .采用國際標(biāo)準(zhǔn)方法[11]，沼氣采用濕式防腐氣體流量計(jì)（長春汽車濾清器有限責(zé)任公司）計(jì)量，沼液中揮發(fā)性脂肪酸VFA（volatile fatty acid）采用滴定法，厭氧顆粒污泥經(jīng)預(yù)處理后采用XL30E型掃描電子顯微鏡進(jìn)行分析厭氧微生物[12].

1.4 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行

反應(yīng)器的接種污泥取自宜興清源污水處理廠活性污泥，污泥沉降性能良好，反應(yīng)器污泥接種量占其有效體積的1／4.由于打撈站富藻水堆放池中太湖富藻水COD質(zhì)量濃度偏高，因此在反應(yīng)器啟動(dòng)污泥馴化期，通過太湖湖水稀釋使進(jìn)水COD質(zhì)量濃度維持在1 050～2 000mg／L來馴化為污泥.外循環(huán) UASB反應(yīng)器 HRT（hydraulic retention time）為5d，溫度為（32±1）℃，啟動(dòng)階段采用間歇進(jìn)水方式，進(jìn)水階段為1h，通過混合液外循環(huán)使反應(yīng)器內(nèi)流速維持在3m／h左右.采用分階段提高進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的方式，逐步提高反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷（organic loading rate，OLR），通過 COD 去除率、產(chǎn)氣率以及反應(yīng)器沼液pH和VFA等變化，考察外循環(huán)UASB反應(yīng)器對(duì)太湖藍(lán)藻富藻水的處理效能和負(fù)荷承載能力.

按照進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的不同劃分為3個(gè)階段.第1階段（前32d）為反應(yīng)器的啟動(dòng)與污泥馴化期，進(jìn)水 COD 質(zhì)量濃度為1 050～2 000mg／L，HRT為5d，OLR為0.20～0.41kgCOD／（m3·d）.第2階段（第33～67d）為反應(yīng)器正常運(yùn)行階段，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度設(shè)定為2 437～3 804mg／L，HRT為4～3d，OLR為0.60～1.27kgCOD／（m3·d）.第3階段（第68～87d）為進(jìn)水負(fù)荷沖擊階段，進(jìn)水富藻水COD質(zhì)量濃度為4 400～6 000mg／L，HRT為2d，OLR為2.2～3.0kgCOD／（m3·d）.每個(gè)階段的運(yùn)行均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并維持一段時(shí)間后方進(jìn)入下一運(yùn)行階段，所謂穩(wěn)定狀態(tài)，即在相應(yīng)控制條件下，反應(yīng)器內(nèi)的pH，產(chǎn)氣量，COD質(zhì)量濃度和去除率等均達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外循環(huán)UASB反應(yīng)器的啟動(dòng)

圖2為反應(yīng)器啟動(dòng)期進(jìn)、出水COD及COD去除率關(guān)系圖.由圖2可知，在外循環(huán)UASB啟動(dòng)階段，由于接種的好氧污泥具有較好的活性，在第1d進(jìn)水中COD質(zhì)量濃度為1 050mg／L，其出水達(dá)到481.56mg／L，COD去除率達(dá)到54.2%，這主要是活性污泥具有較強(qiáng)的吸附沉淀作用.UASB反應(yīng)器在密閉條件下運(yùn)行，接種污泥尚處在對(duì)新環(huán)境的馴化期，系統(tǒng)迅速從有養(yǎng)狀態(tài)向厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變，使污泥活性受到抑制 .在第5d，出水COD質(zhì)量濃度達(dá)到573.3mg／L去除率隨之下降為45.4%.運(yùn)行一段時(shí)間，污泥的生物活性開始增強(qiáng)，同時(shí)進(jìn)料中的腐熟藍(lán)藻的質(zhì)量濃度慢慢增加，達(dá)到2 000mg／L，外循環(huán)UASB對(duì)COD的去除逐漸提高，出水在723.6mg／L，去除率最終穩(wěn)定在65%左右，產(chǎn)氣率在60.5 mL／（L·d）左右，說明UASB反應(yīng)器啟動(dòng)成功.

圖2 反應(yīng)器啟動(dòng)期進(jìn)、出水COD及COD去除率關(guān)系Fig.2 Variations in COD of influent and effluent and COD removal in start－up process

測量污泥中MLVSS在UASB反應(yīng)器啟動(dòng)器變化情況（見圖3）.反應(yīng)器啟動(dòng)初期MLVSS質(zhì)量濃度為58 000mg／L，隨反應(yīng)時(shí)間延長，系統(tǒng)對(duì)分散的和絮狀沉降較差的污泥進(jìn)行篩選，從而淘汰性能較差的污泥，導(dǎo)致污泥的MLVSS下降，出水水質(zhì)也有所降低.隨后污泥MLVSS迅速增加，到第32d時(shí)，反應(yīng)器污泥的 MLVSS質(zhì)量濃度為32 500 mg／L.污泥MLVSS是污泥顆?；纬傻闹匾獦?biāo)志之一[5]，這進(jìn)一步說明系統(tǒng)顆粒污泥馴化成熟.

圖3 污泥MLVSSB質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.3 Variation of MLVSSB with time

2.2 外循環(huán)UASB穩(wěn)定運(yùn)行

2.2.1 外循環(huán)UASB對(duì)太湖富藻水COD的去除效果

反應(yīng)器完全啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過增加進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和調(diào)節(jié)水力停留時(shí)間，控制有機(jī)負(fù)荷.由圖4和圖5可以看出，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度從2 437.15mg／L上升到3 804.00mg／L，出水 COD穩(wěn)定在850mg／L以下，去除率在68.5%～78.4%，最高有機(jī)負(fù)荷為1.27kgCOD／（m3·d）.說明外循環(huán)UASB對(duì)腐熟藍(lán)藻去除具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性.在第66d取外循環(huán)UASB污泥觀測，顆粒物污泥的直徑明顯增加，大于2mm的顆粒污泥明顯增多，最大顆粒的直徑能夠達(dá)到3mm，說明經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)和穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器內(nèi)形成穩(wěn)定的顆粒污泥床[13].

圖4 反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行期進(jìn)、出水COD及COD去除率關(guān)系Fig.4 Variations in COD of influent and effluent and COD removal during the steady period

圖5 有機(jī)負(fù)荷對(duì)COD去除率影響Fig.5 Impact of organic loading on the COD removal

污泥顆粒化過程完成后，進(jìn)行沖擊負(fù)荷試驗(yàn)（第69～87d）.通過增加進(jìn)水，使COD質(zhì)量濃度上升到4 400，5 000，5 500，6 000mg／L，HRT 為2d，試驗(yàn)運(yùn)行19d.有機(jī)負(fù)荷增加到2.2～3.0kgCOD／（m3·d），剛開始出水 COD 質(zhì)量濃度由 820.52 mg／L上升到1 383.22mg／L，去除率由原來的78.4%降至68.6%，但由于反應(yīng)器中已培養(yǎng)出了活性較強(qiáng)、沉降性能良好的厭氧顆粒污泥，系統(tǒng)7d左右能恢復(fù)原來狀態(tài)，反應(yīng)器將富藻水COD從進(jìn)水5 000.00mg／L降低到1 241.45mg／L，去除率達(dá)到75.1%.這說明系統(tǒng)已具有較好的穩(wěn)定性，表明外循環(huán)UASB反應(yīng)器對(duì)太湖富藻水具有良好的處理效果.同時(shí)在非藍(lán)藻爆發(fā)期，可以通過打撈站藍(lán)藻堆放池中的陳藻水維持反應(yīng)器的正常運(yùn)行.

2.2.2 反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)pH和VFA的變化

pH是影響厭氧生物處理的重要環(huán)境因素，厭氧反應(yīng)器需要相對(duì)穩(wěn)定的pH條件，pH變化較大時(shí)，由于VFA的累積，反應(yīng)器運(yùn)行狀況有可能惡化[14－15].VFA直接反映厭氧反應(yīng)器內(nèi)部揮發(fā)酸的累積情況，當(dāng)VFA變大，說明揮發(fā)性酸開始累積，反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)酸菌和甲烷菌代謝平衡被破壞[16－17].由圖6可見，由于太湖富藻水在打撈池中自然腐熟5～7d，呈弱酸性及中性，進(jìn)水pH值為5.8～7.03，反應(yīng)期間，未對(duì)反應(yīng)器中的pH進(jìn)行人為調(diào)節(jié).穩(wěn)定運(yùn)行間段出水pH值為6.0～7.2，且pH值與VFA的變化趨勢并不完全一致.在運(yùn)行到第68d，由于水力停留時(shí)間減少到2d，有機(jī)負(fù)荷增加到2.2 kgCOD／（m3.d），VFA質(zhì)量濃度增大至500mg／L，但是pH的變化則相對(duì)滯后，在第78d才降到最低6.0.這說明VFA更能靈敏地反映反應(yīng)器中揮發(fā)性脂肪酸的累積情況.由于反應(yīng)器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，酸的分解能力不斷增強(qiáng)，同時(shí)，太湖藍(lán)藻含有大量的植物蛋白，蛋白質(zhì)分解過程中的產(chǎn)氨作用，厭氧體系具有較強(qiáng)的緩沖能力，因此揮發(fā)性酸也未超過系統(tǒng)的緩沖能力，最終出水pH穩(wěn)定在7.0左右，同時(shí)說明反應(yīng)器經(jīng)過穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，產(chǎn)甲烷菌具有相當(dāng)強(qiáng)的活性，外循環(huán)UASB內(nèi)沒有出現(xiàn)揮發(fā)性酸的累積.

圖6 反應(yīng)器進(jìn)、出水pH及出水VFA變化情況Fig.6 Variations of pH of influent and effluent and VFA of effluent during its operation

2.2.3 反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)產(chǎn)氣率變化

圖7為UASB反應(yīng)器中有機(jī)負(fù)荷對(duì)產(chǎn)氣率的影響.由圖7可知，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行過程中，隨著進(jìn)水負(fù)荷由0.60kgCOD／（m3·d）提升到1.27kg－COD／（m3·d），沼氣容積產(chǎn)氣率由0.10L／（L·d）逐漸上升至0.38L／（L·d），大約為理論產(chǎn)氣量的53%左右.當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷進(jìn)一步由1.27kgCOD／（m3·d）上升到2.2kgCOD／（m3·d）時(shí)，產(chǎn)氣率有增大后下降的趨勢.

圖7 UASB反應(yīng)器中有機(jī)負(fù)荷對(duì)產(chǎn)氣率的影響Fig.7 Impact of organic loading on gas production rat

這是由于反應(yīng)器進(jìn)水負(fù)荷增加引起VFA累積，為甲烷菌的生長提供充足的底物，因此在pH值出現(xiàn)低谷前期一般會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣量增多現(xiàn)象.隨著VFA不斷被甲烷菌分解為甲烷，pH值又開始升高，產(chǎn)氣量又逐漸穩(wěn)定.當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷穩(wěn)步增加到3kgCOD／（m3·d）時(shí)，產(chǎn)氣率同步增加到0.75L／（L·d）.

2.2.4 UASB運(yùn)行時(shí)顆粒污泥的變化

在反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行第66d，對(duì)UASB反應(yīng)器內(nèi)顆粒物進(jìn)行鏡檢過程中發(fā)現(xiàn)：顆粒污泥顏色呈漆黑色，顆粒物污泥的直徑明顯增加，大于2mm的顆粒污泥明顯增多，最大顆粒的直徑能夠達(dá)到3mm.同時(shí)，發(fā)現(xiàn)污泥內(nèi)的生物相很豐富，有桿狀、絲狀和球狀等形態(tài)的微生物，相互纏繞形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（見圖8）.在單相厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中有不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌，不產(chǎn)甲烷菌有纖維素分解菌、脂類分解菌和蛋白質(zhì)分解菌等，其形狀有桿狀、梭狀和弧狀等 .產(chǎn)甲烷菌有桿狀、球狀和絲狀等菌屬[5]，各種不同類型的細(xì)菌以微小菌落的形式隨機(jī)分布在顆粒污泥中.通過在熒光顯微鏡下觀察，可見許多細(xì)菌發(fā)出較強(qiáng)的熒光，說明顆粒污泥中含有許多產(chǎn)甲烷細(xì)菌，如產(chǎn)甲烷絲狀菌、產(chǎn)甲烷八疊球菌等.反應(yīng)器顆粒污泥中多種微生物共存，保證系統(tǒng)內(nèi)代謝途徑的多樣性，有利于太湖富藻水有效降解.

圖8 掃描電鏡觀察UASB穩(wěn)定運(yùn)行期顆粒污泥Fig.8 SEM of sludge surface during steady period

3 結(jié) 論

1）當(dāng)運(yùn)用外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理腐熟7d左右的太湖富藻水時(shí)，以污水處理廠活性污泥為種泥，進(jìn)水 COD質(zhì)量濃度在1 050～2 000mg／L，HRT為5d，（32±1）℃等條件下，可以在32d內(nèi)成功啟動(dòng)反應(yīng)器并達(dá)到初步穩(wěn)定運(yùn)行.

2）外循環(huán)UASB反應(yīng)器能高效、穩(wěn)定處理太湖富藻水.通過降低HRT，分階段提高COD質(zhì)量濃度的方法，逐步將反應(yīng)器處理太湖富藻水的有機(jī)負(fù)荷提高到3kgCOD／（m3·d），COD質(zhì)量濃度從進(jìn)水5 000mg／L降低到1 241.45mg／L，其去除率可以穩(wěn)定在75%左右，產(chǎn)氣率為0.75L／（L·d）.

3）反應(yīng)器顆粒污泥中多種微生物共存，保證系統(tǒng)內(nèi)代謝途徑的多樣性.通過電鏡穩(wěn)定運(yùn)行期顆粒污泥，發(fā)現(xiàn)顆粒污泥直徑明顯增大.厭氧污泥內(nèi)部以產(chǎn)甲烷絲菌和產(chǎn)甲烷八疊球菌等為主，同時(shí)還含有一定的桿菌和絲狀菌.

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