厭氧半固定床生物膜反應器抗沖擊性能研究

華 斌，于寧寧，王 管，魏 云，郭 勇

(四川大學化學工程學院，四川成都 610065)

厭氧半固定床生物膜反應器抗沖擊性能研究

華 斌，于寧寧，王 管，魏 云，郭 勇*

(四川大學化學工程學院，四川成都 610065)

采用自主研發(fā)的以生物帶作為載體的厭氧半固定床生物膜反應器處理人工模擬廢水，探究其抗沖擊性能。結(jié)果表明，在容積負荷提升30%至5.25 kgCODom-3·d-1，同時將溫度由35±2 ℃降至26℃左右的雙重沖擊條件下，運行一周后，COD去除率、出水pH值和容積產(chǎn)氣率分別由88%、8.0、和2.27 m3·m-3·d-1降低至最低值67%、6.76和1.76 m3·m-3·d-1，出水揮發(fā)性脂肪酸(VFA)、VFA/堿度分別由309.11 mg/L、0.26升至最高值638.60 mg/L、0.61，反應器出現(xiàn)輕微酸化趨勢；容積負荷維持不變，溫度恢復至35±2℃，僅歷時11天，COD去除率、容積產(chǎn)氣率、出水VFA、VFA/堿度和pH值迅速恢復并分別穩(wěn)定在88%、2.2 m3·m-3·d-1、320mg/L、0.26和7.58左右，反應器較快地恢復正常性能，證明該反應器具有較強的抗沖擊能力。

厭氧半固定床反應器；生物帶；抗沖擊能力

近來，化石能源快速消耗，伴隨而來的污染問題日趨嚴重，同時限制了經(jīng)濟的發(fā)展。厭氧處理技術(shù)作為一種把環(huán)境保護與能源回收結(jié)合起來的低成本廢水處理技術(shù)，因其具備能耗低、產(chǎn)泥量少、能回收沼氣等優(yōu)勢，得到了極大的關(guān)注和重視，已經(jīng)被成功運用于各種廢水的處理[1]。

厭氧反應器是廢水厭氧處理技術(shù)的核心，然而常規(guī)厭氧反應器存在啟動時間長、抗沖擊能力弱、發(fā)酵效率低等弱點。已有研究證明，厭氧生物膜反應器能將厭氧微生物固定在載體上形成生物膜，能很大程度上提高反應器內(nèi)微生物濃度，同時能有效減少產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物的流失，從而可提升反應器的抗沖擊能力和發(fā)酵效率，已經(jīng)被成功地應用于各類廢水處理[2]。盡管具備諸多優(yōu)點，其仍有一些不足之處。同厭氧固定床生物膜反應器相比，厭氧流動床生物膜反應器需要機械攪拌、回流或者曝氣來維持載體流化狀態(tài)，能耗較高且操作復雜，而厭氧固定床生物膜反應器較流動床，傳質(zhì)作用較弱，有機物去除率較低且易發(fā)生堵塞[3]。

本課題組在現(xiàn)有兩類厭氧生物膜反應器的基礎(chǔ)上，致力于開發(fā)處理效果好、抗沖擊能力強、產(chǎn)氣效率高、能耗低的厭氧處理技術(shù)。針對目前厭氧生物膜反應器存在的問題，結(jié)合兩類生物膜反應器的優(yōu)勢，自主開發(fā)了以在水中呈水草型搖擺狀態(tài)的生物帶作為半固定載體的厭氧半固定床生物膜反應器，以人工模擬廢水為處理對象，在上升流速為0.104～0.124 m/h的條件下，進行運行試驗研究，探究新型厭氧反應器的抗沖擊性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

厭氧半固定床生物膜反應器有效容積為10L，在距離反應器底部175mm的位置處均勻豎直固定了實密度為0.912的 9條水草型設(shè)計的生物帶載體。生物帶載體密度小于水，底端固定，在水流和氣流的擾動作用下，會呈水草型搖擺狀態(tài)，不易產(chǎn)生生物膜粘連堵塞的問題。試驗在中溫條件下進行，通過加熱棒將溫度控制在35±2 ℃。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 試驗用水與接種污泥

本試驗采用人工合成配水，以葡萄糖為主要基質(zhì)，添加各種營養(yǎng)物質(zhì)使COD：N：P =(300 ～ 500)：5：1，同時還加入供微生物生長所需的微量元素。接種污泥取自某豬糞廢水處理廠的厭氧消化池，其初始MLVSS/MLSS 的值為0.58。

1.3 試驗方法與過程

反應器從接種污泥開始運行71天，完成載體掛膜和負荷啟動階段，COD去除率、出水VFA、堿度、VFA/堿度分別穩(wěn)定在88%、310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右。為研究反應器抗沖擊能力，試驗第72天時，停止加熱，反應器溫度下降至室溫26 ℃左右，同時將容積負荷提升30%至5.25 kgCOD·m-3·d-1，隨后測定COD、出水VFA 、堿度和pH 值隨時間的變化情況。

1.4 分析項目

分析項目見表1。

表1 分析項目及方法

注：VFA以乙酸計，堿度以碳酸鈣計。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD進、出水濃度及去除率變化

從第72天起，開始抗沖擊實驗。從圖2可見，COD去除率由88%迅速降低至80%，至第78天，COD去除率降低至69%，反應器出現(xiàn)酸化傾向。第79天，維持負荷不變，僅將反應器溫度恢復至35±2 ℃后， COD去除率迅速回升，歷經(jīng)11天COD去除率由最低的67%升高并穩(wěn)定在88%左右，即反應器較快地恢復了正常處理水平，證明該反應器具有較強的抗沖擊能力。

圖2 進、出水COD 和COD去除率隨運行時間的變化

Fig.2 Variation of influent COD, effluent COD and COD removal rate with running time

2.2 出水pH值、VFA、堿度的變化

圖3 出水pH值、VFA、堿度、VFA/堿度隨運行時間的變化Fig.3 Variation of effluent pH ,VFA , alkalinity and VFA/alkalinity with running time

出水pH值、VFA和堿度是影響厭氧消化過程的三個重要因素，可根據(jù)其變化情況判斷厭氧反應是否正常運行[6-7]。

由圖3知，抗沖擊試驗前，出水VFA、堿度、VFA/堿度分別穩(wěn)定在310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右，按試驗方案進行抗沖擊試驗一周后，出水VFA、VFA/堿度分別升高至623.9 mg/L和0.53，出水堿度、pH值則分別下降至1069.65 mg/L和6.92。反應器恢復正常溫度后第二天出水VFA和VFA/堿度繼續(xù)升高分別達到最高值638.60 mg/L和0.61，第81天時，pH值下降至最低值6.76。由于pH值的變化要滯后于VFA 的變化，故pH值最低值出現(xiàn)的時間晚于VFA最高值。

通常，厭氧反應器中pH值保持在7 ～ 8的范圍時，微生物的活性最高[8]。出水VFA/堿度被用來衡量厭氧系統(tǒng)的穩(wěn)定性，VFA/堿度小于0.5 ～ 0.6時，系統(tǒng)幾乎沒有酸化的風險[9]。張琪[10]等研究新型厭氧反應器處理高濃度有機廢水時，發(fā)現(xiàn)負荷從2.4 kgCOD·m-3·d-1提升至3.6 kgCOD·m-3·d-1時，VFA連續(xù)4 天高于480 mg/L，系統(tǒng)出現(xiàn)酸化危險，之后耗時40 天才恢復正常狀態(tài)。本試驗經(jīng)適當調(diào)整進水碳酸氫鈉濃度和恢復運行溫度后，出水堿度、pH值迅速升高、出水VFA、VFA/堿度迅速降低。5天后，COD去除率和出水pH值分別回升至80.18%和7.36，出水VFA、VFA/堿度分別降低至370.18 mg/L和0.28，11天之后COD去除率、出水VFA、VFA/堿度和pH值分別穩(wěn)定在88%、320mg/L、0.26和7.58左右，即反應器較快地恢復正常運行狀態(tài)。溫度是影響厭氧消化的重要因素之一，溫度的突然下降會嚴重影響厭氧消化效果，抑制產(chǎn)甲烷菌的活性。該反應器在沖擊負荷和室溫條件下運行一周，出現(xiàn)酸化趨勢，僅歷時11天即恢復正常性能，表明其有很強的抗沖擊負荷和不利環(huán)境沖擊能力。分析原因是生物帶載體上形成的生物膜，能有效地截留厭氧菌，可有效防止反應器條件惡化時，發(fā)生膨脹而大量流失，一旦條件轉(zhuǎn)好，在水中呈水草型搖擺狀態(tài)的生物帶上的生物膜能迅速恢復活性，且其有序擺動能創(chuàng)造了較為適宜的水力條件，增強生物帶上的生物膜與廢水中的有機物的傳質(zhì)作用，促使反應器盡快恢復正常性能。

產(chǎn)氣量可以作為反應器運行狀態(tài)的監(jiān)測指標，能夠獲得運行過程中反應器內(nèi)微生物生理活動特征以及反應器OLR過高時引起微生物生理活性紊亂的信息[11]。

由圖4可知，第73天時，反應器容積產(chǎn)氣率由穩(wěn)定階段的1.75 m3·m-3·d-1迅速升至2.27 m3·m-3·d-1，分析原因是，一方面此時溫度才初步降至26 ℃左右，溫度降低的負面作用影響較??；另一方面，負荷的提升促使產(chǎn)氣反應增加[12]。隨后容積產(chǎn)氣率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。第81天時，容積產(chǎn)氣率降至最低值1.76 m3·m-3·d-1，晚于pH值最低值的發(fā)生時間，這同李杰[13]等的固定載體臥式厭氧反應器處理糖蜜廢水的試驗研究結(jié)果一致，原因是pH值最低時，VFA大量積累，導致產(chǎn)甲烷菌的活性降低，產(chǎn)氣速率減慢。但期間產(chǎn)氣量下降的幅度并不太大，表明該反應器有較強的抗沖擊能力。隨著反應器恢復正常溫度，歷時僅11天，容積產(chǎn)氣率回升并穩(wěn)定至2.2 m3·m-3·d-1左右，這是由于生物帶上形成的生物膜，在不利的運行條件下，仍能有效地固定產(chǎn)甲烷微生物，且條件好轉(zhuǎn)時能迅速恢復活性，促使產(chǎn)氣率快速地恢復。

2.3 容積產(chǎn)氣率的變化

圖4 容積產(chǎn)氣率隨運行時間的變化

Fig.4 Variation of volume gas production rate with running time

本試驗當進水容積負荷為5.25 kgCOD·m-3·d-1左右時，穩(wěn)定運行時容積產(chǎn)氣率為2.2 m3·m-3·d-1左右。Sowmeyan[14]等采用厭氧流化床反應器處理以人工模擬高濃度廢水，容積負荷為35 kgCOD·m-3·d-1，容積產(chǎn)氣率為13.22 m3·m-3·d-1。趙洪顏[15]等采用炭纖維膜為載體固定床厭氧反應器處理糖蜜廢水，負荷為6.7 kgCOD·m-3·d-1，容積產(chǎn)氣率為2.1 m3·m-3·d-1左右。可見，該反應器產(chǎn)沼氣氣能力較強。究其原因是，生物帶載體有效地固定了大量產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物形成活性很高的生物膜，且其有序擺動，創(chuàng)造了較為適宜的水利條件，利于載體上生物膜與廢水中有機物的充分接觸，增強傳質(zhì)，同時起到均勻水流的作用，促進溶解性沼氣的逸出，推動產(chǎn)甲烷反應的進一步進行。

3 結(jié)論

該厭氧反應器在溫度沖擊與負荷沖擊的雙重作用下運行一周，出現(xiàn)酸化趨勢，維持容積負荷不變，只恢復正常運行溫度，僅歷時11天，反應器即恢復正常處理水平，表現(xiàn)出很好的抗沖擊性能。

以生物帶作為半固定載體，能有效地截留和固定大量產(chǎn)甲烷菌等厭氧微生物形成活性很高的生物膜，可有效防止反應器條件惡化時發(fā)生膨脹而大量流失，一旦條件好轉(zhuǎn)能迅速恢復活性，且其有序擺動能創(chuàng)造較為適宜的水力條件，增強生物膜與廢水中的有機物的傳質(zhì)作用，同時均勻水流促進溶解性沼氣的逸出，從而促使反應器盡快恢復正常性能。

[1] Yoo R, Kim J, McCarty P L, et al. Anaerobic treatment of municipal wastewater with a staged anaerobic fluidized membrane bioreactor (SAF-MBR) system[J]. Bioresource Technology, 2012,120:133-139.

[2] Balamane-Zizi O, A I T-Amar H. Treatment of dairy wastewater by fixed-film system in continuous flow[J]. Desalination and Water Treatment, 2013,51(10-12):2214-2224.

[3] Mao C,Feng Y, Wang X, et al. Review on research achievements of biogas from anaerobic digestion[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015,45:540-555.

[4] 國家環(huán)境保護總局, 水和廢水監(jiān)測分析方法編委會. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4 版北京: 中國環(huán)境科學出版社, 2002.

[5] 賀延齡. 廢水的厭氧生物處理[M]. 北京: 中國輕工業(yè)出版社, 1998.

[6] Veeken A, Kalyuzhnyi S, Scharff H, et al. Effect of pH and VFA on hydrolysis of organic solid waste[J]. Journal of environmental engineering, 2000,126(12):1076-1081.

[7] 劉榮厚, 郝元元, 葉子良, 等. 沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)對沼氣及沼液成分影響的實驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2006(S1) :93-96.

[8] 白玉華, 張代鈞,祖 波,等. 低 COD 濃度廢水啟動 EGSB 反應器[J]. 環(huán)境工程學報, 2007,1(4):29-33.

[9] Wheatley A. Anaerobic digestion: a waste treatment technology[M]. Holland ：Society of Chemical Industry by Elsevier Applied Science, 1990.

[10] 張 琪,崔燕平,雷 達, 等. 新型厭氧反應器處理高濃度有機廢水小試研究[J]. 水處理技術(shù), 2011(10):113-117.

[11] Michaud S E B, Bernet N, Buffi E Re P, et al. Methane yield as a monitoring parameter for the start-up of anaerobic fixed film reactors[J]. Water Research, 2002,36(5):1385-1391.

[12] 林長松, 徐龍飛, 談林友. 啤酒廢水常溫厭氧消化啟動及運行實驗[J]. 環(huán)境工程學報, 2013,7(4):1389-1393.

[13] 李 杰, 張冬冬, 袁旭峰, 等. 固定載體臥式厭氧反應器處理糖蜜廢水的快速啟動[J]. 微生物學通報, 2011(04):474-480.

[14] Sowmeyan R, Swaminathan G. Performance of inverse anaerobic fluidized bed reactor for treating high strength organic wastewater during start-up phase[J]. Bioresource technology, 2008,99(14):6280-6284.

[15] 趙洪顏, 于海茹,陳 迪, 等. 有機負荷沖擊對固定床厭氧反應器啟動及古菌群落動態(tài)影響[J].環(huán)境工程學報, 2015,9(10):4655-4663.

(本文文獻格式：華 斌，于寧寧，王 管，等.厭氧半固定床生物膜反應器抗沖擊性能研究[J].山東化工，2017，46(14)：192-195.)

Study on Impact Resistance of Anaerobic Semi-fixed Bed Biofilm Reactor

HuaBin,YuNingning,WangGuan,WeiYun,GuoYong

(School of Chemical Engineer, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The self-designed anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor with biological belt as the semi-fixed carrier was used to treat the synthetic wastewater to study its impact resistance. The results showed that when the rector was operated for a week under the double impact conditions where the volume load rate increased by 30% to 5.25 kgCOD·m-3·d-1and the temperature dropped from 35±2 ℃ to about 26 ℃, the COD removal rate, effluent pH and volumetric gas production rate decreased from 88%, 8.0, and 2.27 m3·m-3·d-1to minimum value of 67%, 6.76 and 1.76 m3·m-3·d-1, and the effluent volatile fatty acids (VFA) and VFA/alkalinity increased from 309.11 mg/L and 0.26 to the highest value of 638.60 mg/L and 0.61 respectively. So slight acidification trend occurred. When the temperature returned to 35±2 ℃ while the volumetric load rate remained unchanged, the COD removal rate, volumetric gas production rate, effluent VFA, VFA/alkalinity and pH were rapidly restored and stabilized at 88%, 2.2 m3·m-3·d-1, 320 mg/L, 0.26 and 7.58 after 11 days. The reactor returned to normal performance quickly, showing that it had a strong impact resistance.

anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor; biological belt; impact resistance

2017-05-11

成都市軟科學研究項目(2014-RK00-00141-ZF)

華 斌(1990—)，河南信陽人，碩士研究生，研究方向為廢水處理過程與設(shè)備；通信作者：郭 勇(1971—)，副教授，主要從事廢水處理工藝及設(shè)備研究。

X703.3

A

1008-021X(2017)14-0192-04