乳品廢水厭氧反應(yīng)器快速啟動及顆粒污泥形成

范駿洋，張善林，鄒海晴，陳廣元，樸 哲

（1.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127；2.揚(yáng)州綠源水處理工程有限公司，江蘇揚(yáng)州225127）

乳品廢水處理通常采用厭氧好氧相結(jié)合的工藝〔1〕。乳制品廢水由于富含蛋白質(zhì)、脂肪、油類等密度較低的有機(jī)物〔2〕，存在厭氧處理效果不穩(wěn)定、容易跑泥等問題。顆粒污泥具有良好的沉降性，能保持反應(yīng)器內(nèi)較高的微生物濃度〔3〕，提高反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力〔4〕。快速培育顆粒污泥對乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

為了快速啟動乳品廢水厭氧反應(yīng)器及培育顆粒污泥，本研究通過采取厭氧反應(yīng)器內(nèi)增設(shè)內(nèi)循環(huán)裝置、接種污泥進(jìn)行前處理等措施，研究了乳品廢水厭氧反應(yīng)器的啟動特性、顆粒污泥的形成，以及反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

該反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，總高度為198 cm，有效高度為169 cm，直徑為24 cm，有效容積為62 L，沿柱高設(shè)置取樣口。污水由蠕動泵從反應(yīng)器底部泵入，處理后從上部排水口流出，生成的沼氣通過三項(xiàng)分離器后排出。

為了提高泥水剪切力和傳質(zhì)，本研究在厭氧反應(yīng)器中增設(shè)倒扣漏斗狀內(nèi)循環(huán)裝置，利用該裝置收集沼氣，并以密度差為動力提升泥水（如IC原理），當(dāng)提升泥水流量大于進(jìn)水流量時，在反應(yīng)器局部環(huán)境形成泥水內(nèi)循環(huán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水是以奶粉為原料配制的人工模擬乳品廢水，經(jīng)測定奶粉的COD當(dāng)量值為1.18（1 g奶粉溶于1 L水中對應(yīng)的COD為1 180 mg/L），蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.3%，脂肪質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.6%。用奶粉、尿素、磷酸氫二鉀按照m（COD）∶m（N）∶m（P）=300∶5∶1配制實(shí)驗(yàn)用水。同時加入Fe2+、Co2+、Mn2+、Ni2+、Cu2+、B3+等微量元素，并根據(jù)運(yùn)行條件加入適量NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH。

1.3 接種污泥

接種污泥取自揚(yáng)州市某城市污水廠壓濾污泥，加水稀釋后污泥的TSS和VSS分別為134 g/L和44 g/L，接種量為14 L。

1.4 主要分析項(xiàng)目

COD采用消解法；顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法；產(chǎn)氣量采用排水集氣法；顆粒污泥粒徑采用濕式篩選法；堿度（ALK）采用滴定法；TSS采用標(biāo)準(zhǔn)法；揮發(fā)性脂肪酸（VFA）采用蒸餾法；pH和ORP采用杭州聯(lián)測SIN-PH160pH/ORP在線分析儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器啟動策略

（1）為了快速啟動反應(yīng)器，啟動初期用COD為6 000 mg/L的高濃度乳品廢水，靜態(tài)條件下刺激活化接種污泥，當(dāng)COD去除率達(dá)到50%以上時，認(rèn)為污泥活化結(jié)束，開始連續(xù)進(jìn)水。

（2）連續(xù)進(jìn)水初始COD控制在1 500 mg/L，水力停留時間為8.6 h，容積負(fù)荷控制在5 kgCOD/（m3·d），啟動初期早、晚各開2 h時外循環(huán)泵，上升流速控制在0.5 m/h，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)氣后停止外循環(huán)。

（3）每隔5 d左右為負(fù)荷提升考察期，當(dāng)COD去除率達(dá)到70%以上，各項(xiàng)指標(biāo)（如pH、VFA、ALK等）穩(wěn)定時，前期通過縮短水力停留時間提升負(fù)荷，每次提升幅度為30%，最短水力停留時間控制在6.45 h，之后通過提高進(jìn)水濃度的方法提升負(fù)荷，每次提升幅度為500 mg/L，最大質(zhì)量濃度控制在3 000 mg/L（結(jié)合工程實(shí)際），設(shè)計負(fù)荷控制在11.2 kgCOD/（m3·d）。

（4）為了快速培育顆粒污泥，種泥事先和適量PAM、草木灰、氯化鈣、膨潤土等藥劑均勻混合，放置一段時間后，投加到反應(yīng)器內(nèi)。

2.2 啟動效果

根據(jù)厭氧反應(yīng)器運(yùn)行情況提升容積負(fù)荷，歷經(jīng)30 d將負(fù)荷由5 kgCOD/（m3·d）逐步提升到11.2 kgCOD/（m3·d），共提升4次達(dá)到設(shè)計負(fù)荷，此過程中COD去除率與產(chǎn)氣量的變化如圖2所示。

圖2 負(fù)荷提升階段COD去除率與產(chǎn)氣量變化

由圖2可以看出，COD去除率由初始時的44%上升到80%以上，出水ALK大于進(jìn)水，且出水ALK在2 500 mg/L以上，VFA基本呈下降趨勢，最終保持在300 mg/L以下，ORP保持在-350 mV以下，出水pH穩(wěn)定在6.8~7.2。隨著負(fù)荷提升，反應(yīng)器產(chǎn)氣量呈上升趨勢，按產(chǎn)氣率=產(chǎn)氣量/（容積負(fù)荷×COD去除率）計算可知，最高產(chǎn)氣率為0.41 m3/（kgCOD·d）。以上各項(xiàng)指標(biāo)動態(tài)變化表明〔1-3〕，完成反應(yīng)器啟動。

本研究能快速啟動乳品廢水厭氧反應(yīng)器的原因包括：反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水之前，采用較高濃度的乳品廢水（COD為6 000 mg/L）刺激活化接種微生物，使菌種快速得到活化，本研究中活化第4天時COD去除率超過50%以上；反應(yīng)器啟動初期，由于產(chǎn)氣量少不能自動形成內(nèi)循環(huán)時，強(qiáng)制進(jìn)行外循環(huán)，提高傳質(zhì)及產(chǎn)甲烷菌活性；在反應(yīng)器中加入內(nèi)循環(huán)漏斗，在反應(yīng)器逐漸產(chǎn)氣后，在內(nèi)循環(huán)漏斗的作用下提高了反應(yīng)器的傳質(zhì)等。

2.3 顆粒污泥的形成

反應(yīng)器啟動運(yùn)行階段，定期采樣觀察顆粒污泥形成情況。發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)器運(yùn)行第10天時顆粒污泥占比達(dá)到23.1%，并且隨著時間進(jìn)程顆粒污泥快速生長。歷經(jīng)30 d，粒徑0.9~2 mm的污泥由1.81%增長到13.6%，增長7.5倍，粒徑0.71~0.9 mm的污泥由4.1%增長到11%，增長2.7倍，粒徑0.58~0.71 mm的污泥由3.78%增長到9.2%，增長2.4倍，粒徑0.2~0.58 mm的污泥由14.19%增長到24.8%，增長1.7倍，粒徑大于0.2 mm的顆粒污泥占比達(dá)到59%。通常顆粒污泥占比達(dá)到55%時，認(rèn)為顆粒污泥培養(yǎng)成功〔5〕。

隨著污泥顆?；倪M(jìn)程，其沉降速度進(jìn)一步得到優(yōu)化。如顆粒污泥最快沉降速度由顆粒污泥開始形成時的68 m/h（第10天），增加到96 m/h（第30天），污泥平均沉降速度由36 m/h增加到64 m/h，污泥最慢沉降速度由20 m/h增加到33 m/h。研究表明，厭氧顆粒污泥的沉降速度一般在18~100 m/h〔6〕。本研究中，培養(yǎng)30 d的顆粒污泥沉降速度在33~96 m/h。

顆粒污泥顏色呈灰褐色，多為球形或橢球形，密實(shí)性較好。在顯微鏡下觀察顆粒污泥，絲狀微生物較少，表面凹凸不平。顆粒污泥表面凹凸不平可能的原因是：凹陷處是顆粒污泥為內(nèi)部微生物輸送營養(yǎng)物質(zhì)和排氣的通道〔7〕。

本研究中事先對接種污泥進(jìn)行前處理，如投加反應(yīng)器之前，接種污泥和PAM、草木灰、氯化鈣、膨潤土、牛糞等藥劑混合均勻，靜態(tài)條件下放置一段時間，為顆粒污泥的快速形成及生長提供良好條件（如提供晶核等）。同時通過反應(yīng)器中增設(shè)內(nèi)/外循環(huán)、提供適宜的負(fù)荷等，為微生物的生長提供良好的生長條件，加速顆粒污泥的形成。

2.4 臨界負(fù)荷

為探明乳品廢水厭氧反應(yīng)器的臨界負(fù)荷，在設(shè)計負(fù)荷11.2 kgCOD/（m3·d）下穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，通過縮短水力停留時間提高負(fù)荷，每次提高幅度為25%左右，觀察反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)動態(tài)變化，結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 不同容積負(fù)荷COD去除率與產(chǎn)氣量

圖4 不同容積負(fù)荷下ALK與VFA變化

當(dāng)反應(yīng)器容積負(fù)荷由14 kgCOD/（m3·d）提高到17 kgCOD/（m3·d）時，反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)開始出現(xiàn)異常，如COD去除率由提高前的80%下降到38%，產(chǎn)氣量由5 355 L/（m3·d）下降到2 451 L/（m3·d），出水ALK小于進(jìn)水ALK，VFA上升到605 mg/L，遠(yuǎn)高于穩(wěn)定運(yùn)行時的300 mg/L。顯然17 kgCOD/（m3·d）的容積負(fù)荷超出了該反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的界限。當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷重新調(diào)回到14 kgCOD/（m3·d）時，經(jīng)過一段時間運(yùn)行，反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)又恢復(fù)到高效穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。說明乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的臨界負(fù)荷為14 kgCOD/（m3·d）。

當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷超過臨界值時，由于營養(yǎng)過剩，微生物難以降解多余的蛋白質(zhì)、油脂等有機(jī)物。同時過高的容積負(fù)荷條件下，水解產(chǎn)酸菌大量繁殖，產(chǎn)生大量低分子質(zhì)量的有機(jī)酸類代謝產(chǎn)物，抑制產(chǎn)甲烷菌活 性〔8-10〕，導(dǎo) 致 反 應(yīng) 器 各 項(xiàng) 指 標(biāo) 惡 化，COD去 除 率下降。

2.5 泥量

在設(shè)計負(fù)荷11.2 kgCOD/（m3·d）的條件下，探討了泥量對反應(yīng)器運(yùn)行的影響，結(jié)果見圖5、圖6。

可以看出，運(yùn)行前15 d泥量呈增加趨勢，而當(dāng)泥量超過26.7 g/L（約為反應(yīng)器體積的1/2）時，各項(xiàng)指標(biāo)開始變異常，當(dāng)泥量達(dá)到29.4 g/L時，COD去除率由反應(yīng)器正常運(yùn)行時的80%下降到28%，產(chǎn)氣量由4 451 L/（m3·d）下降到1 382 L/（m3·d），出水ALK小于進(jìn)水ALK，VFA開始積累并上升到673 mg/L，反應(yīng)器運(yùn)行異常。此時大量顆粒污泥開始上浮跑泥。觀察上浮顆粒污泥特征，發(fā)現(xiàn)上浮顆粒污泥表面包裹著大量乳白色物質(zhì)，并長滿絲狀微生物。分析認(rèn)為，由于運(yùn)行過程中泥量逐漸增長，當(dāng)泥量達(dá)到26.7 g/L（約為反應(yīng)器體積的1/2）時未進(jìn)行排泥，導(dǎo)致系統(tǒng)污泥齡過大，微生物分解代謝變差，去除率降低，

圖5 不同泥量下COD去除率與產(chǎn)氣量的變化

圖6 不同泥量下ALK與VFA的變化

營養(yǎng)過剩致使絲狀微生物大量繁殖，同時未能分解的蛋白質(zhì)、脂肪等有機(jī)物附著于絲狀菌表面，降低了顆粒污泥的沉降性，最終導(dǎo)致顆粒污泥上浮跑泥。通過排泥將泥量下調(diào)到19.4 g/L（約為反應(yīng)器體積的1/3），再經(jīng)過一段時間的運(yùn)行，隨著泥量增加，反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)開始逐漸恢復(fù)，當(dāng)泥量增加到20.4 g/L時，各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。這說明乳品廢水厭氧消化過程中，反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行適宜的泥量約在20.4~26.7 g/L，當(dāng)泥量超過26.7 g/L時，反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)逐漸惡化，去除效率下降。研究表明，乳品廢水厭氧反應(yīng)器的臨界泥量為26.7 g/L，約占反應(yīng)器體積的1/2。

3 結(jié)論

（1）通過反應(yīng)器內(nèi)安裝自主研發(fā)的內(nèi)循環(huán)裝置，對接種污泥進(jìn)行前處理等措施，歷經(jīng)30 d快速啟動乳品廢水厭氧反應(yīng)器，在容積負(fù)荷11.2 kgCOD/（m3·d）條件下，COD去除率穩(wěn)定在85%左右，最高產(chǎn)氣率為0.41 m3/（kgCOD·d）。

（2）乳品廢水厭氧反應(yīng)器在歷經(jīng)30多d的啟動及運(yùn)行過程中，快速培養(yǎng)出大量優(yōu)質(zhì)顆粒污泥，如粒徑0.2~2 mm的顆粒污泥占比達(dá)到59%，顆粒污泥最快沉降速度96 m/h，平均沉降速度64 m/h，沉降性能良好。

（3）乳品廢水厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的臨界負(fù)荷為14 kgCOD/（m3·d），臨界泥量為26.7 g/L，約為反應(yīng)器體積的1/2。當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷和泥量超過臨界值時，反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)逐漸惡化，系統(tǒng)難以正常運(yùn)行直至崩潰。