付遠(yuǎn)鵬

（廈門孚克環(huán)?？萍加邢薰?，福建 廈門 361100）

多種復(fù)合材料固定化反應(yīng)器的對比研究

付遠(yuǎn)鵬

（廈門孚克環(huán)保科技有限公司，福建 廈門 361100）

選用活性炭、海礪殼2種材料作為固定化載體，對改良型UASB系統(tǒng)去除COD的性能進行研究，結(jié)果表明選擇既高柱又循環(huán)且增加載體填充體積的系統(tǒng)，可有效去除高濃度有機廢水的COD，但當(dāng)填充載體過高時，循環(huán)系統(tǒng)難以實現(xiàn)，并存在憋氣的可能。

厭氧微生物反應(yīng)器；固定化；復(fù)合材料

1 引言

生物細(xì)胞固定化技術(shù)是指利用化學(xué)或物理的手段將酶、微生物細(xì)胞、動植物細(xì)胞、細(xì)胞器等生物催化劑自然固定或定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)，保持其重復(fù)和連續(xù)使用[1]。1916年，Nelson和Griffin[2]發(fā)現(xiàn)蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持與游離酶同樣的活性。隨后，人們?yōu)榱烁行У乩妹福e極地進行了各種固定化技術(shù)的研究和開發(fā)。近年來，固定化生物技術(shù)一直是水處理領(lǐng)域的研究熱點。固定化細(xì)胞技術(shù)已用于BOD與COD的去除、硝化-反硝化、脫磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金屬離子的去除與回收以及印染廢水的脫色處理等。

生物細(xì)胞固定方法可以分以下幾種[2]：1）載體法，包括有機載體和無機載體法；2）吸附法，分為表面吸附法和細(xì)胞聚集法；3）包埋法，包括凝膠包埋法和微膠包埋法；4）共價結(jié)合法；5）交聯(lián)法，即利用多功能試劑產(chǎn)生交聯(lián)。理想的固定化細(xì)胞載體材料應(yīng)具有對微生物無毒性、傳質(zhì)性能好、性質(zhì)穩(wěn)定、壽命長、價格低廉等特性。就目前在固定化技術(shù)中所使用的載體材料而言，主要分為四大類[8]：有機高分子載體、無機載體、復(fù)合載體和新型載體材料。

有機高分子載體材料又分為天然高分子凝膠載體和合成有機高分子凝膠載體。天然高分子載體材料一般對生物無毒，傳質(zhì)性能好，但強度較低，在厭氧條件下易被微生物分解，壽命短。常見的此類載體有瓊脂、角叉萊膠、海藻酸鈉等。而合成有機高分子凝膠載體一般強度較大，但傳質(zhì)性能較差，在進行細(xì)胞固定時對細(xì)胞活性有影響，常見的此類載體有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光硬化樹脂、聚丙烯酸凝膠等。

無機載體具有機械強度高、對微生物無毒性、不易被微生物分解、耐酸堿、成本低、壽命長等特性，因而是一類重要的載體材料。無機載體大多具有多孔結(jié)構(gòu)，在與微生物接觸時，利用吸附作用和電荷效應(yīng)，從而把微生物固定。常見的幾種無機載體中，活性炭和紅磚碎粒來源廣、成本低、易制造，有較大的應(yīng)用前景。

由于有機載體材料和無機載體材料各有優(yōu)缺點，而兩類材料在許多性能方面互補，因此，可將這兩類載體材料結(jié)合，組成復(fù)合載體材料，以改進材料的性能。

2 試驗材料和設(shè)備

2.1 固定化材料

本實驗選擇的載體填料有海蠣殼、活性炭。將2種固定化載體活性炭、海礪殼清洗，晾干后，研磨，過篩，篩選出大小介于80～100目之間的顆粒，兩種載體按體積比1∶1混合后備用。

2.2 污泥預(yù)處理

本實驗所使用的活性污泥取自集美青島啤酒廠的UASB排出剩余污泥。首先除去污泥中沙子和纖維類雜質(zhì)，然后放置沉淀30分鐘后除去上清液，備用。

2.3 實驗裝置

本實驗所采用的改良型UASB裝置（見圖1），選用的反應(yīng)器是由圓柱形有機玻璃做成，內(nèi)徑80mm，有效高度1300mm，有效容積6.5L。

圖1 實驗裝置圖

2.4 載體和污泥接種

載體與污泥的裝柱方法采用濕式加注法。

2.5 試驗運行

廢水儲存在水箱內(nèi)，由計量泵抽水，經(jīng)過進水管道，流到反應(yīng)器底部，處理后的水經(jīng)管道流到液封瓶，再排出到廢液桶，產(chǎn)生的沼氣經(jīng)液封瓶由頂部排出，最后排入大氣?？刂葡到y(tǒng)的進水停留時間為24h。

（1）溫度控制和pH控制

將加熱循環(huán)系統(tǒng)置于反應(yīng)器中，加熱，保持恒溫。溫度控制在30℃～35℃。

pH控制在6.8～7.5，通過補充日進水堿度來控制，即投加無水碳酸鈉。若是所配原水酸化，則直接在原水中調(diào)節(jié)堿度；若發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)柱中出現(xiàn)嚴(yán)重酸化情況，則需從系統(tǒng)柱的出水管中直接加入計量好的碳酸鈉溶液（1mol/L），并停止進水幾分鐘，待其混合均勻。

（2）回流膨脹

床層膨脹率是反映反應(yīng)器內(nèi)生物載體流態(tài)化程度的參數(shù)，根據(jù)實驗情況，循環(huán)柱采用出水回流的方式使得反應(yīng)器內(nèi)的載體膨脹流化。

2.6 結(jié)果與分析

本試驗研究對象為3根改良型UASB裝置，其中：1號柱為載體填充量正常（40cm），每日循環(huán)一次的改良型UASB系統(tǒng)；2號柱為載體填充量正常（40cm），無循環(huán)的改良型UASB系統(tǒng)；3號柱為載體填充量兩倍（80cm），無循環(huán)的改良型UASB系統(tǒng)。

系統(tǒng)每提升一次負(fù)荷即為一個階段，則：系統(tǒng)進水COD為500mg/L時，實驗為第一階段；系統(tǒng)進水COD為1000mg/L時，實驗為第二階段；系統(tǒng)進水COD為1500mg/L時，實驗為第三階段；系統(tǒng)進水COD為2000mg/L時，實驗為第四階段；系統(tǒng)進水COD為2750mg/L時，實驗為第五階段；系統(tǒng)進水COD為3750mg/L時，實驗為第六階段；系統(tǒng)進水COD為5000mg/L時，實驗為第七階段。

2.6.1 正常循環(huán)1號柱與正常不循環(huán)2號柱的效果對比

正常循環(huán)1號柱與正常不循環(huán)2號柱的效果對比見圖2。

圖2 1號柱和2號柱COD去除對比實驗

表1 1號柱和2號柱COD去除對比實驗數(shù)據(jù)

通過表1可看出，在其他工況相同的情況下，將載體填充量正常（40cm）、有循環(huán)系統(tǒng)的1號柱和載體填充量正常（40cm）、無循環(huán)系統(tǒng)的2號柱進行對比，在系統(tǒng)進水COD分別為500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三個階段下，1號柱的平均去除率分別為61.06%、84.35%、82.98%，均明顯優(yōu)于2號柱。并且在三個階段下，1號柱所能達到的最優(yōu)去除率分別為93.65%、97.60%、94.80%，也明顯優(yōu)于2號柱所能達到的最優(yōu)去除率。

在穩(wěn)定性上，在啟動的第一階段，1號柱和2號柱均需要20天的波動時間來穩(wěn)定系統(tǒng)。但在第二階段，1號柱僅需6天的波動時間就能使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定，而2號柱卻需要13天。進入第三階段，雖然兩個柱子的穩(wěn)定性均有下降，但1號柱波動了10天后，系統(tǒng)還是能夠進入穩(wěn)定狀態(tài)，而2號柱卻在波動20多天后仍未見穩(wěn)定。因此，在穩(wěn)定性的對比上，1號柱明顯優(yōu)于2號柱。

2.6.2 正常不循環(huán)2號柱和高柱不循環(huán)3號柱的效果對比

正常不循環(huán)2號柱和高柱不循環(huán)3號柱的效果對比見圖3。

表2 2號柱和3號柱COD去除對比實驗數(shù)據(jù)

從表2可看出，在其他工況相同的情況下，將載體填充量正常（40cm）、無循環(huán)系統(tǒng)的2號柱和載體填充量兩倍（80cm）、無循環(huán)系統(tǒng)的3號柱進行對比，在系統(tǒng)進水COD分別為500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三個階段下，3號柱的平均去除率分別為58.79%、91.22%、88.71%，均明顯優(yōu)于2號柱的平均去除率。在實驗啟動20天左右時，由于3號柱系統(tǒng)需要進一步填充高度，使得3號柱的進水管上移，處理效果下降；在約40天左右時，將高柱的進水改為直接由下部進水，因而在處理效果上，第一階段的3號柱所能達到的最優(yōu)去除率為76.19%，略差于2號柱所能達到的最優(yōu)去除率79.37%，但在后兩個階段下，3號柱恢復(fù)后，其所能達到的最優(yōu)去除率為97.60%、97.87%，明顯優(yōu)于2號柱。

在穩(wěn)定性上，在啟動的第一階段，2號柱和3號柱均需要20天的波動時間來穩(wěn)定系統(tǒng)。但在第二階段中，3號柱僅需要6天的波動就能使系統(tǒng)快速達到穩(wěn)定，而2號柱卻需要13天。同時，由于是在第二階段負(fù)荷提升時將3號柱的進水系統(tǒng)修復(fù)，可從圖2、圖3中看出，在第二階段時，3號柱的波動幅度不是很大，因而可以得出，進水位置的不同也是影響系統(tǒng)去除率的因素之一。所以在后期進水時，3柱均改為下部直接進水，即無需進水管伸入系統(tǒng)中。進入第三階段，3號柱波動了7天，與第二階段的波動6天相差無幾，而2號柱卻在波動了20多天后仍未見穩(wěn)定。因此在穩(wěn)定性的對比上，3號柱明顯優(yōu)于2號柱。

圖3 2號柱和3號柱COD去除對比實驗

2.6.3 正常循環(huán)1號柱和高柱不循環(huán)3號柱的效果對比

正常循環(huán)1號柱和高柱不循環(huán)3號柱的效果對比見圖4。

圖4 1號柱和3號柱COD去除對比實驗

表3 1號柱和3號柱COD去除對比實驗數(shù)據(jù)

通過表3可看出，在其他工況相同的情況下，將載體填充量正常（40cm）、有循環(huán)系統(tǒng)的1號柱和載體填充量兩倍（80cm）、無循環(huán)系統(tǒng)的3號柱進行對比，在系統(tǒng)進水COD分別為500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三個階段下，1號柱的平均去除率分別為61.06%、84.35%、 82.98%，而3號柱的平均去除率分別為58.79%、91.22%、88.71%，第一階段3號柱的平均去除率略差于1號柱的平均去除率。但在恢復(fù)進水問題后，可以看出，3號柱在第二階段和第三階段的平均去除率均優(yōu)于1號柱的平均去除率。在三個階段下，1號柱所能達到的最優(yōu)去除率分別為93.65%、97.60%、94.80%，而3號柱所能達到的最優(yōu)去除率分別為76.19%、97.60%、97.87%。除去第一階段不具對比性外，第二、三階段1號柱和3號柱能達到的最優(yōu)去除率相差無幾。

而在穩(wěn)定性上，從系統(tǒng)的波動情況可以看出，3號柱的穩(wěn)定性略優(yōu)于1號柱的穩(wěn)定性。

綜上各項分析可以看出，1號柱和3號柱相對于2號柱來說，對高濃度有機廢水的處理效果均有提高，因而最優(yōu)反應(yīng)器的選擇應(yīng)該為既高柱又循環(huán)，且增加載體填充體積使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。但當(dāng)填充載體過高時，循環(huán)系統(tǒng)難以實現(xiàn)，并可能存在憋氣。因而綜合考慮，選擇了高柱不循環(huán)的3號柱作為最優(yōu)反應(yīng)器進行后續(xù)試驗研究。

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Contrast Study on Fixation Reactor of Multi-Composite Materials

FU Yuan-peng
(Xiamen Fuke Environmental Protection Technology Co., Ltd, Xiamen Fujian 361100, China)

Select two kinds of active carbon and oyster shell materials as fxation carrier and makes study on capability of COD removal in UASB system. The result shows that when the system for high columniation, circulation and increase of carrier flling volume is selected, then COD with high concentration organic wastewater can be wiped off. But when the flling carrier is higher, the circulating system is hard to realize and there exists possibility of suffocation.

anaerobe microbe reactor; fxation; composite material

X703

A

1006-5377（2014）08-0055-05