膨脹顆粒污泥床厭氧反應(yīng)器原廢水循環(huán)啟動的實驗研究*

劉健峰 王 強(qiáng) 田光亮 趙興玲 柳 靜 王昌梅 劉士清 楊 紅 尹 芳 張無敵

(云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南省沼氣工程技術(shù)研究中心， 云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，教育部生物能源持續(xù)開發(fā)利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

膨脹顆粒污泥床厭氧反應(yīng)器原廢水循環(huán)啟動的實驗研究*

劉健峰 王 強(qiáng) 田光亮 趙興玲 柳 靜 王昌梅 劉士清 楊 紅 尹 芳 張無敵#

(云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南省沼氣工程技術(shù)研究中心， 云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，教育部生物能源持續(xù)開發(fā)利用工程研究中心，云南 昆明 650500)

在室溫條件下，以水葫蘆汁液為廢水來源，對自行設(shè)計的膨脹顆粒污泥床(EGSB)厭氧反應(yīng)器進(jìn)行原廢水循環(huán)啟動實驗。結(jié)果表明：在啟動運(yùn)行65d后，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可以達(dá)到7kg/(m3·d)左右，COD去除率達(dá)到90%以上，容積產(chǎn)氣率達(dá)到1.35m3/(m3·d)，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到61%，顆粒污泥粒徑達(dá)到2～4mm。因此，EGSB厭氧反應(yīng)器的原廢水循環(huán)啟動方式是可行的，對水葫蘆汁液的降解是高效的，為EGSB厭氧反應(yīng)器的工程應(yīng)用提供一種新的啟動方式，也為水葫蘆汁液的能源化利用提供了一套高效、節(jié)能的厭氧發(fā)酵裝置。

膨脹顆粒污泥床厭氧反應(yīng)器 水葫蘆汁液 原廢水循環(huán)啟動 厭氧消化 顆粒污泥

水葫蘆(Eichhorniacrassipes(Martius) Solms Laubach)是一種原產(chǎn)于南美洲亞馬遜流域、屬于雨久花科鳳眼藍(lán)屬的一種漂浮性水生植物[1]。水葫蘆可以進(jìn)行無性繁殖和有性繁殖。因此，在適宜的條件下，水葫蘆的數(shù)量能呈幾何級數(shù)增長。經(jīng)計算，1株水葫蘆每年經(jīng)過繁殖可達(dá)到1.4億株，能鋪滿140 hm2的水面，鮮質(zhì)量可達(dá)28 000 t[2]。關(guān)于水葫蘆厭氧發(fā)酵方面的研究主要集中于單相發(fā)酵和兩相發(fā)酵，因水葫蘆含水率高、體積膨大，因此發(fā)酵工藝中存在容積大、容積產(chǎn)氣率低、出料不便、易結(jié)殼、沼渣綜合利用難等問題[3_4]。生長旺盛的水葫蘆含水率達(dá)到了95%，固液分離是解決水葫蘆含水率過高、實現(xiàn)水葫蘆減量化的有效手段，所以對水葫蘆汁液的處理成為了主要問題。

膨脹顆粒污泥床(EGSB)厭氧反應(yīng)器是在上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器的基礎(chǔ)上改進(jìn)的第3代高效厭氧反應(yīng)器，與UASB反應(yīng)器相比具有有機(jī)負(fù)荷和上流速度高、抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、基建投資少、占地面積小等顯著優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注[5]。但是，查閱相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)利用EGSB厭氧反應(yīng)器對水葫蘆汁液進(jìn)行沼氣發(fā)酵實驗的研究，更加缺乏工程應(yīng)用實例。為此，本研究利用自行設(shè)計的EGSB厭氧反應(yīng)器對水葫蘆汁液進(jìn)行厭氧消化的啟動實驗研究，為今后EGSB厭氧反應(yīng)器的工程啟動提供技術(shù)指導(dǎo)，也為水葫蘆汁液的厭氧消化提供高效節(jié)能工藝。

表1 水葫蘆汁液的主要性質(zhì)

表2 污泥的主要性質(zhì)

1 材料與方法

1.1 實驗材料

水葫蘆汁液：將取自云南滇池的水葫蘆先后經(jīng)過粉碎機(jī)粉碎和固液分離機(jī)擠壓脫水，放入冰箱冷凍備用，水葫蘆汁液的主要性質(zhì)見表1。

厭氧接種污泥(以下簡稱污泥)：將實驗室長期馴化的豬糞活性污泥通過孔徑為1 mm的篩網(wǎng)過濾后作為EGSB厭氧反應(yīng)器的接種物，其相關(guān)參數(shù)見表2。

1.2 實驗裝置

實驗裝置為自行設(shè)計的EGSB厭氧反應(yīng)器(見圖1)，由圓柱形有機(jī)玻璃制成，有效容積為1.6 L，有效高度為100 cm，直徑為10 cm，高徑比為10∶1，沿柱高設(shè)置等間距的取樣孔，在該反應(yīng)器上設(shè)有外循環(huán)管路。

1—氣柜；2—出氣孔；3—出料孔；4—取樣孔；5—外循環(huán)管路； 6—蠕動泵；7—進(jìn)料池；8—排泥口圖1 EGSB厭氧反應(yīng)器Fig.1 EGSB anaerobic reactor

1.3 實驗啟動方法

在室溫條件下，以水葫蘆汁液為原料，利用EGSB厭氧反應(yīng)器對水葫蘆汁液進(jìn)行厭氧消化。實驗前，將污泥打入EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)，污泥約占有效容積的1/3，再將水葫蘆汁液打滿整個EGSB厭氧反應(yīng)器，待產(chǎn)氣結(jié)束后，開始實驗啟動。具體啟動方案設(shè)計如下：一共分為3個階段。第1階段(第1天至第30天)為循環(huán)進(jìn)水啟動馴化污泥階段，在水力停留時間(HRT)為2.2 d時，利用蠕動泵將新鮮的水葫蘆汁液打入EGSB厭氧反應(yīng)器，每天定時利用COD在線監(jiān)測儀對出水的COD進(jìn)行測定，如果COD去除率未達(dá)到80%～90%，則將出水繼續(xù)回流循環(huán)進(jìn)料，直至水葫蘆汁液的COD去除率達(dá)到80%～90%，再更換新鮮的水葫蘆汁液打入EGSB厭氧反應(yīng)器，對出水繼續(xù)循環(huán)進(jìn)料，直至新鮮的水葫蘆汁液一次性進(jìn)出EGSB厭氧反應(yīng)器的COD去除率達(dá)到80%～90%，說明EGSB厭氧反應(yīng)器的循環(huán)啟動已經(jīng)完成；第2階段(第31天至50天)為膨脹污泥階段，開啟外循環(huán)管路，以回流比為1∶1(體積比)繼續(xù)打入新鮮的水葫蘆汁液，直至出水COD趨于穩(wěn)定且COD去除率達(dá)到80%～90%，說明沉降性能不佳的污泥已被沖刷完畢；第3階段(第51天至第65天)為穩(wěn)定階段，繼續(xù)打入新鮮的水葫蘆汁液，直至EGSB厭氧反應(yīng)器連續(xù)5 d的COD去除率均達(dá)到80%～90%，說明EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)整個厭氧體系已穩(wěn)定，實驗啟動成功。

1.4 分析項目與測定方法

pH采用PHS_2C精密酸度計測定；產(chǎn)氣量采用LML_1濕式流量計測定；甲烷采用GC_6890A型氣相色譜儀測定，色譜條件為氣化室溫度80 ℃、柱箱溫度80 ℃、熱導(dǎo)池檢測器(TCD)溫度50 ℃、載氣為純氮氣，流速為40 mL/min；COD采用CODmax Ⅱ鉻法COD在線測定儀；顆粒污泥粒徑采用篩網(wǎng)過濾篩選及數(shù)碼相機(jī)照相；室溫采用溫度計測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量與室溫的變化關(guān)系

在整個運(yùn)行過程中，COD原料產(chǎn)氣量、日產(chǎn)氣量及室溫隨運(yùn)行時間的變化情況分別見圖2、圖3和圖4。結(jié)合圖2、圖3和圖4可以看出，運(yùn)行35 d內(nèi)，日產(chǎn)氣量、COD原料產(chǎn)氣量與室溫的變化趨勢趨于一致，說明日產(chǎn)氣量和COD原料產(chǎn)氣量受室溫的影響較大，可能是由于厭氧微生物群落還未完全適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境，導(dǎo)致整個厭氧體系還不夠穩(wěn)定，厭氧菌群活性較低。在運(yùn)行36～65 d時，日產(chǎn)氣量、COD原料產(chǎn)氣量一直呈上升趨勢，基本未受到室溫的影響，可能是EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)的微生物群落已經(jīng)適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，整個厭氧體系已趨于穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的適應(yīng)室溫變化的能力。

圖2 COD原料產(chǎn)氣量隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.2 Variation of COD biogas production with running time

圖3 日產(chǎn)氣量隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.3 Variation of daily biogas production with running time

圖4 室溫隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.4 Variation of room temperature with running time

2.2 產(chǎn)氣量與有機(jī)負(fù)荷的變化關(guān)系

在整個運(yùn)行過程中，有機(jī)負(fù)荷隨運(yùn)行時間的變化情況見圖5。結(jié)合圖3和圖5可以看出，在運(yùn)行30 d內(nèi)，日產(chǎn)氣量較低，而在運(yùn)行30 d后增長較快，可能是由于在運(yùn)行前期的有機(jī)負(fù)荷太高，厭氧微生物群落活性較低，抗負(fù)荷沖擊能力較弱，難以適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境。運(yùn)行20～25 d，日產(chǎn)氣量呈先上升后下降的趨勢，主要是由于循環(huán)進(jìn)水使有機(jī)負(fù)荷降低，緩解了發(fā)酵環(huán)境的高有機(jī)負(fù)荷狀態(tài)，厭氧微生物群落很快就適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，所以日產(chǎn)氣量增加；但運(yùn)行25～30 d時日產(chǎn)氣量繼續(xù)下降，主要由于有機(jī)負(fù)荷過低導(dǎo)致。運(yùn)行時間超過30 d后，隨著有機(jī)負(fù)荷的提升，日產(chǎn)氣量迅速增長，并一直呈上升趨勢，說明厭氧微生物群落已經(jīng)逐漸適應(yīng)發(fā)酵環(huán)境，抗負(fù)荷沖擊能力逐漸增強(qiáng)，整個發(fā)酵體系已趨于穩(wěn)定。

圖5 有機(jī)負(fù)荷隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.5 Variation of organic loading rate with running time

2.3 進(jìn)出水COD濃度及COD去除率的變化關(guān)系

在整個運(yùn)行過程中，進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度及COD去除率隨運(yùn)行時間的變化情況見圖6。由圖6可以看出，在運(yùn)行35 d內(nèi)，COD去除率呈先下降后上升的趨勢。COD去除率下降主要是由于進(jìn)水COD濃度較高，超過發(fā)酵體系內(nèi)的厭氧微生物降解能力，進(jìn)而導(dǎo)致出水COD濃度也較高；隨著進(jìn)水COD濃度逐漸降低，厭氧微生物逐漸適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，COD去除率逐漸呈上升趨勢。但是，在運(yùn)行35 d后，COD去除率突然下降，之后又逐漸恢復(fù)，最后穩(wěn)定于90%以上?？赡苤饕怯捎谠谶\(yùn)行35 d時，已開啟外循環(huán)管路，加快了EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)液體的上升流速，將沉降性能較差的污泥沖刷出去，使出水COD濃度升高；隨著運(yùn)行時間的延長， EGSB厭氧反應(yīng)器趨于穩(wěn)定，COD去除率也逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。

圖6 進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度及COD去除率隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.6 Variation of COD of influent and effluent and degradation rate of COD with running time

2.4 pH、甲烷與有機(jī)負(fù)荷的變化關(guān)系

在整個運(yùn)行過程中，pH和甲烷隨運(yùn)行時間的變化情況分別見圖7、圖8。結(jié)合圖5、圖7和圖8可以看出，在運(yùn)行前期，由于進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷較高，產(chǎn)甲烷菌群的活性比產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的活性低，導(dǎo)致有機(jī)酸積累，出現(xiàn)了pH下降的現(xiàn)象，甲烷含量較低；但是，產(chǎn)甲烷菌群的適應(yīng)能力很強(qiáng)，很快就適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，再加上有機(jī)負(fù)荷降低，所以EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)的pH很快就恢復(fù)穩(wěn)定，甲烷含量也逐步提高，說明產(chǎn)甲烷菌群的活性逐漸超過了產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的活性。到運(yùn)行后期，雖然有機(jī)負(fù)荷仍然較高，達(dá)到7 kg/(m3·d)左右，但是EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)的pH一直維持在7～8，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了61%，說明EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)整個發(fā)酵體系已趨于穩(wěn)定，酸堿緩沖體系已基本形成，產(chǎn)甲烷菌群已適應(yīng)了發(fā)酵環(huán)境，活性明顯高于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群。

圖7 pH隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.7 Variation of pH with running time

圖8 甲烷隨運(yùn)行時間的變化關(guān)系Fig.8 Variation of methane with running time

2.5 顆粒污泥粒徑測量分析

到啟動實驗結(jié)束后，借助取樣孔取樣，并通過邊長為1 mm的篩網(wǎng)對顆粒污泥進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)在EGSB厭氧反應(yīng)器內(nèi)已經(jīng)有顆粒污泥形成，粒徑為2～4 mm，大多呈球形和橢球形，顆粒表面光滑，手壓有密實感，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，說明顆粒污泥已經(jīng)比較成熟。圖9為顆粒污泥的照片。

圖9 顆粒污泥照片F(xiàn)ig.9 Photograph of granular sludge

2.6 EGSB厭氧反應(yīng)器的效率分析

為探索EGSB厭氧反應(yīng)器對水葫蘆汁液的處理效率，本研究進(jìn)行了對比分析。查國君等[6]將水葫蘆汁液固液分離后，在室溫條件下，采用自制的二級和五級連續(xù)發(fā)酵工藝對水葫蘆汁液進(jìn)行了沼氣發(fā)酵實驗，HRT為20 d，有機(jī)負(fù)荷為0.55 kg/(m3·d)，水葫蘆汁液產(chǎn)氣較穩(wěn)定，二級發(fā)酵的產(chǎn)氣量為1.93 mL/g，五級發(fā)酵的產(chǎn)氣量為1.3 mL/g。陳金才等[7]利用水壓式沼氣池對水葫蘆汁液進(jìn)行了半連續(xù)中溫厭氧消化，HRT為10 d，有機(jī)負(fù)荷為1.52 kg/(m3·d)，水葫蘆汁液產(chǎn)氣量為2.27 L/kg，水葫蘆汁液的COD降解率為88.4%。葉小梅等[8]在中溫(35 ℃)條件下，利用全混合(CSTR)反應(yīng)器處理水葫蘆汁液，啟動后運(yùn)行80 d時，有機(jī)負(fù)荷為6 kg/(m3·d)，容積產(chǎn)氣率可達(dá) 1.4 m3/(m3·d)，HRT為2.4 d，COD平均去除率達(dá)85%。而本研究在室溫條件下，啟動后運(yùn)行至65 d時，有機(jī)負(fù)荷為7.25 kg/(m3·d)，HRT為2.2 d，COD去除率就達(dá)到90%以上，容積產(chǎn)氣率達(dá)到1.35 m3/(m3·d)，COD去除率略優(yōu)于前人對水葫蘆汁液的處理效果。郭曉燕等[9]進(jìn)行了EGSB厭氧反應(yīng)器的工藝運(yùn)行性能的研究，當(dāng)污泥馴化成熟后，有機(jī)負(fù)荷在3～30 kg/(m3·d)波動，COD去除率均能保持在85%以上，證明EGSB厭氧反應(yīng)器的抗負(fù)荷沖擊能力較強(qiáng)。任大軍等[10]進(jìn)行了EGSB厭氧反應(yīng)器處理冷軋含油廢水的微生物研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)負(fù)荷為15.6 kg/(m3·d)，HRT為12 h。結(jié)合本研究以及前人的研究結(jié)果可以看出，EGSB厭氧反應(yīng)器是一套能源轉(zhuǎn)化效率較高的厭氧反應(yīng)裝置，是處理水葫蘆汁液較理想的工藝。

3 結(jié) 論

(1) EGSB厭氧反應(yīng)器運(yùn)行初期，室溫的變化會引起產(chǎn)氣量的變化。但是，成熟的厭氧微生物群落體系對室溫變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，小范圍的室溫變化對厭氧微生物群落活性的影響非常小，幾乎不會影響到產(chǎn)氣量的總趨勢。

(2) 原廢水循環(huán)啟動EGSB厭氧反應(yīng)器的方式是可行的，且EGSB厭氧反應(yīng)器可以很好地處理水葫蘆汁液。在運(yùn)行65 d時，有機(jī)負(fù)荷就可以達(dá)到7 kg/(m3·d)左右，COD去除率達(dá)到90%以上。

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Studyonstart_upincirculationfeedwaterofEGSBanaerobicreactor

LIUJianfeng,WANGQiang,TIANGuangliang,ZHAOXingling,LIUJing,WANGChangmei,LIUShiqing,YANGHong,YINFang,ZHANGWudi.

(CollegeofEnergyandEnvironmentalScience，YunnanNormalUniversity,YunnanResearchCenterofBiogasEngineeringandTechnology,KeyLaboratoryofRuralEnergyEngineeringinYunnanProvince,EngineeringResearchCenterforSustainableDevelopmentandUtilizationofBio_energyintheMinistryofEducation,KunmingYunnan650500)

In order to study the experiment of start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor,the anaerobic digester experiment was performed at room temperature using the juice of water hyacinth as feedstock. The results showed that after running 65 d,the influent organic loading rate could reach 7 kg/(m3·d). The removal efficiency of COD was more than 90%. The volume biogas yield were achieved 1.35 m3/(m3·d) with 61% volume fraction of methane. The particle size of granular sludge reached 2_4 mm. Therefore,start_up in circulation feed water of EGSB anaerobic reactor was practicable and its removal efficiency on juice of water hyacinth was high efficient. A new start_up method for application of EGSB anaerobic reactor and a raising efficiency and saving energy anaerobic reactor for the anaerobic digestion of juice of water hyacinth could be provided.

EGSB anaerobic reactor; the juice of water hyacinth; start_up in circulation feed water; anaerobic digestion; granular sludge

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.015

2015_12_11)

劉健峰，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為生物質(zhì)能與環(huán)境工程。#

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*國家自然科學(xué)基金資助項目(No.51366015)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目(No.20135303110001)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點項目(No.2014FA030)；云南省科技創(chuàng)新提升計劃資助項目(No.2013DH041)。