生產(chǎn)性內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的啟動過程試驗

侯玉潔，曾 科

（1.鄭州大學(xué)國際學(xué)院，河南鄭州 450052；2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450002）

內(nèi)循環(huán)（internal circulation，IC）厭氧反應(yīng)器是荷蘭PAQUES公司于20世紀(jì)80年代中期開發(fā)的第3代新型高效的厭氧反應(yīng)器[1]。PAQUES公司于1985年初建成了第1個IC中試反應(yīng)器,處理高濃度的土豆加工廢水[2]。1988年，第一座生產(chǎn)性規(guī)模的IC反應(yīng)器投入運(yùn)行[3]。近些年，IC反應(yīng)器在我國厭氧處理多種廢水的實踐中相繼得到了應(yīng)用[4－9]，但大多是直接進(jìn)口荷蘭PAQUES公司的設(shè)備,價格較為昂貴[10]。本試驗采用國內(nèi)自行設(shè)計的鋼混結(jié)構(gòu)IC反應(yīng)器處理大豆蛋白廢水并對IC反應(yīng)器的啟動過程進(jìn)行研究。

1 廢水的水質(zhì)和來源

大豆蛋白生產(chǎn)過程中污水產(chǎn)生主要在水洗階段，此階段廢水呈酸性而且水量較大；還有堿液萃取的幾個階段和滅菌階段，這幾個階段的廢水呈堿性。大豆蛋白廢水有以下幾個特性：顏色呈乳白色；含較多細(xì)小懸移物，易沉降；廢水成分單一，有機(jī)物濃度高，廢水中主要含多聚糖，易酸化，且已酸化程度較高；正?；旌蠌U水無微生物代謝毒性；易生化處理[11]。

本試驗用水采用某廠大豆蛋白廢水。該廠污水處理工程處理規(guī)模為 4 800 m3/d，平均為 200 m3/h。其水質(zhì)特點(diǎn)如表1所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)表Tab.1 Quality of Influent

2 工藝流程及IC反應(yīng)器的設(shè)計尺寸

該工程采用IC反應(yīng)器為主體的工藝流程[12]，如圖1所示。

圖1 大豆蛋白廢水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Soybean Protein Wastewater Treatment

主體工藝采用8組鋼混結(jié)構(gòu)的IC反應(yīng)器。反應(yīng)器高13.5 m、底邊長8.4 m、有效容積為953 m3。IC反應(yīng)器由污泥床反應(yīng)區(qū)、精細(xì)處理區(qū)、布水器、三相分離器、升流管、回流管和氣液分離器等組成。池體沿高度方向設(shè)有6個取樣口，分別為1#、2#、3#、4#、5#、6#取樣管，各取樣口距池底依次為0.75、2.5、4.25、6、8、10 m。IC 反應(yīng)器[13]結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖2 IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure Diagram of IC Reactor

3 IC反應(yīng)器的接種污泥

8組IC反應(yīng)器分別采用不同類型的種泥。其中，接種的厭氧顆粒污泥濃度為50 000 mg/L左右；鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥和漯河市污水處理廠脫水污泥含水率均為80%。接種污泥后，反應(yīng)器的污泥濃度如表2所示。

表2 接種污泥的量和種類Tab.2 Quantity and Types of Inoculation Sludge

接種的厭氧顆粒污泥顏色為黑色、較暗、光滑、有彈性，顆粒粒徑為2 mm左右，VSS/SS約80%；鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥顏色為黑色、發(fā)亮、活性較高，VSS/SS為70%左右；漯河市污水處理廠的脫水污泥外觀亦為黑色、顏色較暗，污泥活性較低VSS/SS為60%左右。8組反應(yīng)器投入污泥的時間也有所不同，1號反應(yīng)器在進(jìn)水前2 d投入顆粒污泥350 m3，投泥后立即開始進(jìn)水；2、3、4、5號反應(yīng)器在進(jìn)水前7 d投入漯河市污水處理廠脫水污泥67.5 m3，進(jìn)水后第12 d投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠脫水污泥9 m3，進(jìn)水后第25 d又投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠的脫水污泥18 m3；6、7、8號反應(yīng)器是在進(jìn)水前5 d投入漯河市污水處理廠脫水污泥55 m3，進(jìn)水前1 d投入?yún)捬躅w粒污泥50 m3，啟動第7 d投入鄭州杜邦大豆蛋白污水處理廠脫水污泥30 m3。

4 IC反應(yīng)器的啟動過程及處理效果

因2號、3號、4號、5號反應(yīng)器啟動條件相同；6號、7號、8號反應(yīng)器啟動條件相同；故選取1號、5號、7號反應(yīng)器為研究對象，研究這3組IC反應(yīng)器的啟動過程。

4.1 1號反應(yīng)器的啟動過程

1號反應(yīng)器啟動共計136 d。由圖3可知1號反應(yīng)器迅速提高進(jìn)水負(fù)荷至4 kgCOD/m3·d后，各項出水指標(biāo)都很正常。由于生產(chǎn)車間處于調(diào)試階段，31～67 d 進(jìn)水負(fù)荷極不穩(wěn)定，Nv=1.6～6.9 kgCOD/m3·d，反應(yīng)器出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。分析認(rèn)為產(chǎn)酸菌比產(chǎn)甲烷菌代謝速度快，進(jìn)水負(fù)荷突然升高時產(chǎn)甲烷菌不能完全代謝掉產(chǎn)酸菌的產(chǎn)物，造成酸積累，引起出水pH值降低[14]。立即采取如下措施：1號反應(yīng)器立即停止進(jìn)水，迅速將1號反應(yīng)器已經(jīng)酸化的污水排出并加入清水稀釋，再向提升加藥間投入大量堿片保證進(jìn)水pH值中性。7 d后逐步恢復(fù)進(jìn)水，1號反應(yīng)器仍然能夠繼續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行并很快達(dá)到設(shè)計負(fù)荷6.75 kgCOD/m3·d。1號反應(yīng)器采用顆粒污泥接種，反應(yīng)器中污泥濃度MLSS變化不大，開始時為 17 500 mg/L，結(jié)束時為 17 280 mg/L；而污泥活性VSS/SS由80%增加至87.55%，顆粒污泥在啟動結(jié)束時較啟動開始時更黑，更亮且用手捏時更具有彈性，外觀如圖4所示。

圖3 1號反應(yīng)器的啟動過程Fig.3 Start－up Process of Reactor No.1

圖4 1號IC反應(yīng)器顆粒污泥的外觀圖Fig.4 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.1

4.2 5號反應(yīng)器的啟動過程

5號反應(yīng)器啟動共計187 d，啟動過程可分為三階段，如圖 5所示。1～56 d，容積負(fù)荷 Nv＜2 kg COD/m3·d，出水各項指標(biāo)逐漸穩(wěn)定。接種污泥逐步適應(yīng)大豆蛋白廢水水質(zhì)，并且形成0.5 mm左右的顆粒污泥。56～126 d，容積負(fù)荷 Nv=2～3 kgCOD/m3·d，出水VFA＜300 mg/L，pH 值＞6.5，COD 去除率穩(wěn)定在 96%以上。此階段是絮狀污泥到顆粒污泥的轉(zhuǎn)化過程，形成粒徑是1 mm左右的顆粒污泥。該階段既要防止污泥流失，又要保證進(jìn)水負(fù)荷能夠滿足顆粒污泥的生長。127～187 d，進(jìn)水負(fù)荷Nv=3～5 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，pH 值在 7 左右，COD 去除率也在95%以上。

5號反應(yīng)器采用的是絮狀脫水污泥接種，顏色為黑色，粒徑在0.3 mm以下，啟動結(jié)束時形成了粒徑為2 mm的顆粒污泥，如圖6所示。接種時反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）為18 900 mg/L，啟動結(jié)束時MLSS減少至13 550 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.82%增加至73.43%。5號IC反應(yīng)器未能達(dá)到設(shè)計負(fù)荷，分析原因是絮狀污泥種泥分批投入5號反應(yīng)器，投泥時間長導(dǎo)致部分種泥失去活性，投泥量少導(dǎo)致形成的顆粒污泥的濃度不夠，故未達(dá)到設(shè)計負(fù)荷。

4.3 7號反應(yīng)器的啟動過程

7號反應(yīng)器啟動共計187 d。啟動過程分為四個階段，啟動過程如圖7所示。1～17 d是種泥的適應(yīng)階段，進(jìn)水負(fù)荷達(dá)到1 kgCOD/m3·d，出水VFA從773 mg/L降至 200 mg/L 以下，COD 去除率增至90%。17～127 d，進(jìn)水負(fù)荷穩(wěn)定期。進(jìn)水負(fù)荷Nv=2～3 kgCOD/m3·d，盡管進(jìn)水pH值變化很大在3.4～8.1，出水pH值均在6.5以上，出水VFA＜350 mg/L。該階段是絮狀污泥向顆粒污泥轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期，要控制絮狀泥的淘汰速度，確保厭氧出水的SV＜3 %,注意防止污泥流失。128～173 d，進(jìn)水負(fù)荷Nv=3～5.6 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，出水 pH 值在 7左右，COD去除率在95%以上。該階段反應(yīng)器內(nèi)絮狀污泥完成了顆?；蟛糠中鯛钗勰啾惶蕴?。174～187 d，進(jìn)水負(fù)荷 Nv＞6.5 kgCOD /m3·d，出水各項指標(biāo)均正常。

圖5 5號反應(yīng)器的啟動過程Fig.5 Start－up Process of Reactor No.5

圖6 5號IC反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的外觀圖Fig.6 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.5

7號反應(yīng)器采用的是絮狀脫水污泥以及部分顆粒污泥接種，顏色為黑色，絮狀污泥粒徑小于0.3 mm而顆粒污泥粒徑在1～2 mm，啟動結(jié)束時形成2 mm左右的顆粒污泥，如圖8所示。啟動開始時反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度（MLSS）為 19 500 mg/L，啟動結(jié)束時MLSS減少至16 940 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.63%增加至80.67%。7號反應(yīng)器最終形成的顆粒污泥較5號多。原因如下：第一，接種的污泥中含有部分顆粒污泥，可以起到核的作用，更容易使絮狀污泥轉(zhuǎn)化成顆粒污泥；第二，7號反應(yīng)器進(jìn)水負(fù)荷較5號大。在一定的細(xì)胞產(chǎn)率下，較高的有機(jī)負(fù)荷會產(chǎn)生更多的顆粒污泥，這是高負(fù)荷下污泥保留量高的重要原因。最終7號IC反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計負(fù)荷6.5 kgCOD/m3·d，可見反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的濃度的大小是反應(yīng)器啟動成功與否的關(guān)鍵。

圖7 7號IC反應(yīng)器啟動過程Fig.7 Start－up Process of Reactor No.7

圖8 7號IC反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的外觀圖Fig.8 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.7

5 小結(jié)

（1）在處理高濃度的大豆蛋白廢水時，IC反應(yīng)器能夠順利完成啟動過程。采用顆粒污泥接種的1號反應(yīng)器啟動時間為136 d，而采用絮狀污泥接種的5號、7號反應(yīng)器啟動時間為187 d。

（2）在啟動完成后，1號、7號IC反應(yīng)器均能達(dá)到設(shè)計負(fù)荷6.5 kgCOD/m3·d。5號IC反應(yīng)器的進(jìn)水負(fù)荷只能達(dá)到5 kgCOD/m3·d，原因是投入5號反應(yīng)器絮狀污泥時間太長，部分種泥失去活性，投泥量少導(dǎo)致最終形成的顆粒污泥的濃度不夠，因而未能達(dá)到設(shè)計負(fù)荷?？梢?，反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的濃度的大小是反應(yīng)器啟動成功與否的關(guān)鍵。

（3）1號IC反應(yīng)器在進(jìn)水負(fù)荷變化1.5～6.9 kgCOD/m3·d情況下出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象。采取相應(yīng)的措施后順利完成了啟動過程，這說明采用顆粒污泥接種的IC反應(yīng)器耐沖擊負(fù)荷能力較大。

［1］吳靜,陸正禹,胡紀(jì)萃.新型高效內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應(yīng)器[J].中國給水排水,2001,17(1):26－29.

［2］Pereboom J H F,Vereiken T L F M.Methanogenic granule development in full scale internal circulation reactors[J].Wat Sci Tech,1994,30(8):9－21.

［3］張忠波,陳呂軍,胡紀(jì)萃.IC反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展[J].環(huán)境污染與防治,2000,22(3):39－41.

［4］王林山,吳允,張勇.生產(chǎn)性IC反應(yīng)器處理啤酒廢水啟動研究[J].環(huán)境導(dǎo)報,1998(4):22－24.

［5］ Habets L H A,Engelaar A J H H,Groeneveld H.Anaerobic treatment of in uline effluent in an internal circulation reactor[J].Wat Sci Tech,1997,35(10):189－197.

［6］鄧良偉,陳鉻銘.IC工藝處理豬場廢水試驗研究[J].中國沼氣,2001,19(2):12－15.

［7］張曉彥.IC厭氧工藝處理味淋酒廢水的應(yīng)用[J].釀酒科技,2002,(4):77－78.

［8］王江全.檸檬酸廢水處理工藝—IC厭氧反應(yīng)器和好氧生化技術(shù)[J].江蘇環(huán)境科技,2002,13(3):21－23.

［9］張杰,劉亞納,胡張保.IC反應(yīng)器處理豬糞廢水的啟動特性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2004,23(4):777－781.

［10］許英杰.IC反應(yīng)器處理酒精廢水的生產(chǎn)性啟動研究[J].環(huán)境工程,2009,27(5):33－35.

［11］曾科,吳連成,金濤,等.酸化大豆蛋白廢水的厭氧處理[J].環(huán)境工程,2009,27(2):55－57.

［12］曾科,崔燕平,檀國彪,等.新型內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用研究[J].中國給水排水,2008,24(17):96－101.

［13］侯玉潔,曾科,蔡發(fā)起.不同種泥對IC反應(yīng)器處理大豆蛋白廢水啟動的影響[J].工業(yè)用水與廢水,2007,38(6):41－45.

［14］王立軍,鄭文華,史緒盛,等.IC反應(yīng)器酸化原因分析及重新啟動[J].中國給水排水,2007,23(24):95－97.