生物炭載體對厭氧反應(yīng)器啟動的影響研究

徐曉妍，李 虹，徐 昊，魏 洲，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)州市廣陵生態(tài)環(huán)境局，江蘇 揚(yáng)州 225001）

厭氧處理工藝因具有使用范圍廣、能耗低、可回收沼氣、產(chǎn)泥量少等優(yōu)點〔1-2〕，在高濃度有機(jī)廢水處理中應(yīng)用廣泛，但是也存在反應(yīng)器啟動時間長〔3〕、顆粒污泥形成慢等問題。充足的生物量和良好的傳質(zhì)是厭氧反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，但高傳質(zhì)條件下容易引起跑泥，導(dǎo)致生物量下降，培養(yǎng)沉降性良好的顆粒污泥是解決該矛盾的有效途徑〔4-5〕。

顆粒污泥大體上分為“凝聚型”和“載體型”2種〔6〕。研究者們曾圍繞“凝聚型”顆粒污泥開展了廣泛而深入的研究，并取得了一定成果?？傮w來講，“凝聚型”顆粒污泥形成條件較為苛刻〔7〕，在規(guī)?；こ虒嵺`中快速培養(yǎng)顆粒污泥仍存在一定難度。“載體型”顆粒污泥因形成條件沒那么苛刻而開始受到關(guān)注，目前“載體型”顆粒污泥的研究主要圍繞惰性載體開展〔8-10〕。但是，惰性載體容易積累在反應(yīng)器底部而造成分層現(xiàn)象，導(dǎo)致反應(yīng)器的有效容積減少〔11〕；在水力和沼氣的作用下，惰性載體之間相互碰撞、摩擦的幾率增加，導(dǎo)致載體表面生物膜脫落、顆粒破碎。此外，惰性載體后續(xù)處理費(fèi)用較高。

本研究利用可流化農(nóng)副產(chǎn)品制備了生物炭載體YDcarrier-1，研究了YDcarrier-1對厭氧反應(yīng)器啟動、種子污泥減量化及顆粒污泥形成的影響。

1 材料與方法

1.1 YDcarrier-1的制備

YDcarrier-1主要由麥麩和玉米芯粉按4∶1的比例混合均勻后加工制成。YDcarrier-1為片狀結(jié)構(gòu)，平均直徑在3 mm左右，在水體中流化性好，沉降速度稍快于絮狀污泥，灰分質(zhì)量濃度為7%左右。

1.2 實驗用水

本實驗所有進(jìn)水均采用人工配制的模擬廢水，COD為2 000 mg/L。由乙酸鈉和奶粉提供碳源，尿素、磷酸二氫鉀提供氮、磷，C、N、P質(zhì)量比約為300∶5∶1。模擬廢水的pH用碳酸氫鈉調(diào)節(jié)至7.5～8.0。

1.3 種子污泥

污泥取自某城市污水廠壓縮污泥，含水率為89%。用孔徑為0.58 mm的篩子過篩淘洗，接種污泥均為粒徑＜0.58 mm的絮狀污泥。

1.4 實驗裝置

1.4.1 厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）

ASBR反應(yīng)器為實驗室自制間歇進(jìn)水厭氧反應(yīng)器，由2 L有蓋廣口瓶、500 mL錐形瓶和量筒構(gòu)成，結(jié)構(gòu)見圖1。將ASBR反應(yīng)器放入帶有磁力攪拌的水浴鍋內(nèi)，水溫控制在30℃左右，間歇攪拌。工作步驟分為進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀和排水，每個周期24 h，其中進(jìn)水0.5 h、反應(yīng)22.5 h、沉淀0.5 h、排水0.5 h。

圖1 ASBR反應(yīng)器裝置Fig.1 ASBR reactor unit

1.4.2 上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）

UASB反應(yīng)器為實驗室自制連續(xù)流厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器主體由有機(jī)玻璃構(gòu)成，整體呈圓柱形，裝置高190 cm，內(nèi)徑24 cm，有效容積62 L，設(shè)置多個取樣口，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 UASB反應(yīng)器裝置Fig.2 UASB reactor unit

1.5 分析方法

COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定，堿度（ALK）采用甲基橙指示劑滴定法測定〔12〕，揮發(fā)性脂肪酸（VFA）采用酸堿滴定法測定〔12〕，pH采用PHS-3C型pH計測定，氧化還原電位（ORP）采用在線檢測儀測定，厭氧顆粒污泥粒徑及分布采用濕式篩選法測定，顆粒污泥沉降速度采用重力沉降法測定，污泥形態(tài)采用光學(xué)顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 ASBR反應(yīng)器啟動及污泥減量化

為探究YDcarrier-1對厭氧反應(yīng)器啟動的影響，在ASBR反應(yīng)器中分別投加種子污泥干重20%和10%的YDcarrier-1，并以未投加YDcarrier-1的反應(yīng)器為對照組，每個反應(yīng)器中種子污泥的質(zhì)量濃度均為15 g/L（以TSS計），觀察反應(yīng)器啟動過程中COD去除率的動態(tài)變化，結(jié)果見圖3。

如圖3所示，在反應(yīng)器啟動運(yùn)行的31 d中，3個不同反應(yīng)器的COD去除率均呈上升趨勢，但COD去除率穩(wěn)定達(dá)到80%以上的時間有差異。投加20%YDcarrier-1的反應(yīng)器在運(yùn)行第22天時COD去除率達(dá)到84%，比投加10% YDcarrier-1的反應(yīng)器和對照組反應(yīng)器分別縮短3 d和9 d?？梢?，YDcarrier-1對厭氧反應(yīng)器啟動具有一定的促進(jìn)作用。

在此基礎(chǔ)上，為探究YDcarrier-1對種子污泥減量化的影響，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的種子污泥用相同質(zhì)量的YDcarrier-1替代，對照組的種子污泥質(zhì)量濃度為15 g/L，污泥減量反應(yīng)器的種子污泥質(zhì)量濃度為12 g/L，觀察反應(yīng)器啟動過程中COD去除率的動態(tài)變化，結(jié)果見圖4。

由圖4可見，隨著ASBR反應(yīng)器的啟動運(yùn)行，2個不同反應(yīng)器的COD去除率動態(tài)變化情況基本一致。反應(yīng)器運(yùn)行到第30天時，2個反應(yīng)器的COD去除率均達(dá)到88%以上。YDcarrier-1不僅能促進(jìn)厭氧反應(yīng)器啟動，還可減少種子污泥的投加量。

圖4 不同泥量反應(yīng)器的COD去除率Fig.4 COD removal rate of reactors with different sludge volume

2.2 UASB反應(yīng)器的啟動

為探究YDcarrier-1對連續(xù)進(jìn)水反應(yīng)器啟動及污泥顆?；挠绊懀瑢φ战M反應(yīng)器不投加YDcarrier-1，種子污泥質(zhì)量濃度為20 g/L；用相當(dāng)于對照組反應(yīng)器種子污泥總干重20%的YDcarrier-1替代50%的種子污泥，在相同條件下平行啟動2個UASB反應(yīng)器。啟動初期，在停止進(jìn)水條件下，用模擬廢水（COD為2 000 mg/L）對種子污泥進(jìn)行活化，期間開啟外循環(huán)進(jìn)行攪拌。當(dāng)COD去除率達(dá)到50%以上時，認(rèn)為活化結(jié)束，關(guān)閉外循環(huán)，開始連續(xù)進(jìn)水，連續(xù)進(jìn)水的初始COD容積負(fù)荷為3 kg/（m3·d）。反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行前期，當(dāng)COD去除率穩(wěn)定達(dá)到65%以上時，采用逐步縮短HRT的方式提升進(jìn)水負(fù)荷，提升幅度為50%；到后期COD去除率穩(wěn)定達(dá)到80%時，采用逐步提高進(jìn)水COD的方式提升進(jìn)水負(fù)荷，提升幅度為50%，直至達(dá)到15 kg/（m3·d）的設(shè)計負(fù)荷。觀察反應(yīng)器啟動過程中COD去除率和COD容積負(fù)荷的變化，結(jié)果見圖5。

圖5 COD去除率和容積負(fù)荷Fig.5 COD removal rate and volumetric loading

由圖5可知，啟動初期，在COD容積負(fù)荷為3 kg/（m3·d）時，2個反應(yīng)器中COD去除率均隨時間的延長逐步上升；在第23天時，對照組與投加了YDcarrier-1的反應(yīng)器中COD去除率分別達(dá)到67%和71%，此后按50%幅度提升COD負(fù)荷（第23天—第32天）；啟動運(yùn)行后期（第32天—第57天），在較高COD負(fù)荷條件下繼續(xù)按50%幅度提升水力負(fù)荷，每次提升時COD去除率呈現(xiàn)先下降后上升趨勢；直至運(yùn)行到第57天，在15 kg/（m3·d）的設(shè)計負(fù)荷下，2個反應(yīng)器的COD去除率均達(dá)到85%以上。在整個啟動過程中，2個反應(yīng)器的運(yùn)行狀況均良好，ORP始終＜-400 mV，VFA/ALK始終＜0.4，反應(yīng)器內(nèi)pH始終維持在6.8～7.5，表明反應(yīng)器的啟動已完成。因此，在減少50%種子污泥的情況下，按對照組污泥干重20%的量投加YDcarrier-1也能成功啟動UASB反應(yīng)器。

2.3 顆粒污泥的形成

為了區(qū)分種子污泥中原有顆粒污泥與新形成的顆粒污泥，在UASB反應(yīng)器投加種子污泥前先用孔徑0.58 mm的篩子進(jìn)行篩分，只投加粒徑＜0.58 mm的絮狀污泥。在UASB反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)程中定期采集污泥，檢測不同粒徑污泥的動態(tài)變化，結(jié)果見圖6。

由圖6可知，當(dāng)啟動完成時（第57天），2個UASB反應(yīng)器均成功培養(yǎng)出顆粒污泥，投加YDcarrier-1的反應(yīng)器中，粒徑＞0.58 mm的顆粒污泥占比由對照組的37.3%提高到56.8%，多出19.5%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，投加YDcarrier-1的反應(yīng)器在運(yùn)行第12天時開始形成粒徑＞0.9 mm的顆粒污泥，并隨著反應(yīng)器啟動進(jìn)程的延長，其占比逐漸增多，到第57天反應(yīng)器啟動完成時，粒徑＞0.9 mm的顆粒污泥占比為29.4%，是對照組（14.9%）的近2倍?？梢姡ㄟ^投加YDcarrier-1可提高大粒徑顆粒污泥的占比。

良好的沉降性能是優(yōu)質(zhì)顆粒污泥的判斷指標(biāo)之一。在反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)程中檢測了不同粒徑范圍顆粒污泥的沉降性能，結(jié)果見圖7。

由圖7可以看出，隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，2個UASB反應(yīng)器中顆粒污泥的沉降速度均呈上升趨勢，但投加YDcarrier-1的反應(yīng)器顆粒污泥的沉降性能明顯優(yōu)于對照組。投加YDcarrier-1的反應(yīng)器運(yùn)行至第23天時，粒徑＜0.58 mm的顆粒污泥的平均沉降速度由18 m/h（第1天）上升至28 m/h，而對照組中粒徑＜0.58 mm的顆粒污泥耗時57 d平均沉降速度才達(dá)到29 m/h。當(dāng)反應(yīng)器啟動完成時，投加YDcarrier-1的反應(yīng)器中大顆粒污泥（＞0.9 mm）的平均沉降速度為128 m/h，高于對照組的100 m/h，這與投加YDcarrier-1反應(yīng)器中粒徑＞0.9 mm顆粒污泥占比大于對照組有關(guān)（圖6）。

圖6 污泥粒徑變化Fig.6 Changes of sludge particle size

圖7 不同粒徑顆粒污泥的沉降速度Fig.7 Sedimentation rate of granular sludge with different particle sizes

為了解顆粒污泥的穩(wěn)定性，從已啟動完成的UASB反應(yīng)器中取污泥，用孔徑0.58 mm的篩子反復(fù)淘洗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對照組的“凝聚型”顆粒污泥較為松散，在淘洗過程中容易散開，重新變成絮狀污泥。而投加YDcarrier-1的反應(yīng)器中的大顆粒污泥結(jié)構(gòu)較為緊實、邊界清晰、表面光滑、有明顯的顆粒感，在淘洗過程中也不易散開，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。

3 YDcarrier-1的不同碳組成及作用

YDcarrier-1主要由麥麩和玉米芯粉混合加工而成。為了解YDcarrier-1的不同碳組成及作用，在有效容積為1 L的ASBR反應(yīng)器中接種20 mg/L（以TSS計）的種子污泥，并用YDcarrier-1替代模擬廢水碳源，觀察COD的動態(tài)變化，結(jié)果見圖8。

圖8 YDcarrier-1的析出碳源情況Fig.8 Carbon source precipitation of YDcarrier-1

由圖8可知，第1天時，1 g YDcarrier-1可釋放的可溶性速效碳平均約為400 mg/L（以COD計）左右。運(yùn)行前1～3 d，反應(yīng)器內(nèi)COD上升，這部分碳是YDcarrier-1含有的固態(tài)緩釋碳，此階段微生物活性低，釋放出的緩釋碳來不及被消耗，導(dǎo)致溶液中COD上升；之后，隨著微生物活性提高，微生物對碳的消耗量大于緩釋碳的釋放量，導(dǎo)致第3天時反應(yīng)器的COD呈下降趨勢，這與彭錦玉等〔13〕的研究結(jié)果相似。

此外，當(dāng)UASB反應(yīng)器運(yùn)行到一定階段（第23天）時，反應(yīng)器內(nèi)生成了大量的大顆粒污泥（＞0.9 mm），此時已看不到Y(jié)Dcarrier-1的原型〔圖9（a）〕。從反應(yīng)器中取粒徑＞2 mm的顆粒污泥，經(jīng)搗碎淘洗后，在光學(xué)顯微鏡（400倍）下觀察顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)〔圖9（b）〕，可清晰看到其具有錯綜復(fù)雜的絲狀物質(zhì)，這些絲狀物質(zhì)來自YDcarrier-1中易分解碳降解后殘留的難降解木質(zhì)纖維素。因此，YDcarrier-1由可溶性速效碳、緩釋碳及難降解的木質(zhì)纖維素共同組成。

圖9 YDcarrier-1的形貌變化Fig.9 Morphological changes of YDcarrier-1

YDcarrier-1的不同碳組分在厭氧反應(yīng)器啟動及顆粒污泥形成中所起的作用不盡相同。研究報道，在厭氧反應(yīng)器啟動初期，高濃度可溶性速效碳起到活化接種污泥的作用〔14〕；YDcarrier-1的可溶性速效碳提高了厭氧反應(yīng)器的初始COD，可加快種子污泥的活化改性，促進(jìn)厭氧反應(yīng)器啟動。YDcarrier-1含有的固態(tài)緩釋碳，一方面可提高YDcarrier-1對微生物的親和性，使微生物在YDcarrier-1表面易于吸附生長，有利于生物膜的形成；另一方面則為“載體”型顆粒污泥的形成提供長效穩(wěn)定的碳源。最后，難降解的木質(zhì)纖維素殘留在顆粒污泥的內(nèi)部，成為“載體”型顆粒污泥的骨架，起到優(yōu)化和改善顆粒污泥結(jié)構(gòu)的作用，提高了顆粒污泥的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）YDcarrier-1可提高厭氧反應(yīng)器的啟動效率。在ASBR反應(yīng)器中投加種子污泥干重20%的YDcarrier-1，其對COD去除率達(dá)到80%以上的啟動時間，比投加10% YDcarrier-1反應(yīng)器和對照組反應(yīng)器分別縮短3 d和9 d。

（2）投加YDcarrier-1可減少厭氧反應(yīng)器種子污泥接種量。在用相當(dāng)于種子污泥干重20%的YDcarrier-1替代50%種子污泥的情況下，UASB反應(yīng)器啟動效率未受影響。

（3）YDcarrier-1可提高厭氧反應(yīng)器內(nèi)大顆粒污泥的占比及顆粒污泥的沉降速度。反應(yīng)器啟動完成時，投加YDcarrier-1的反應(yīng)器中粒徑＞0.9 mm的顆粒污泥的占比為29.4%，是對照組（14.9%）的近2倍；大顆粒污泥（＞0.9mm）的平均沉降速度為128 m/h，也高于對照組（100 m/h）?；赮Dcarrier-1的厭氧顆粒污泥具有邊界清晰、表面光滑、結(jié)構(gòu)緊實、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點。

（4）YDcarrier-1由可溶性速效碳、固態(tài)緩釋碳及木質(zhì)纖維素共同組成?？扇苄运傩继岣吡藚捬醴磻?yīng)器的初始COD，可加快種子污泥的活化改性，促進(jìn)厭氧反應(yīng)器啟動；固態(tài)緩釋碳不僅可以提高YDcarrier-1對微生物的親和性、促進(jìn)生物膜的形成，還可以為顆粒污泥的形成提供長效穩(wěn)定的碳源；難降解的木質(zhì)纖維素殘留成為顆粒污泥的內(nèi)部骨架，提高了顆粒污泥的穩(wěn)定性。