戴起會， 任 鵬， 劉紹根

（安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

廢水的厭氧工藝在廢水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)超過了一個世紀(jì)。IC厭氧反應(yīng)器去除有機(jī)物的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通厭氧處理技術(shù)，而且IC反應(yīng)器容積小、投資少、占地省、運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的顆粒污泥濃度和良好的傳質(zhì)效果，稱為第3代高效厭氧反應(yīng)器的代表。尤其在處理高濃度有機(jī)廢水領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。

在厭氧工藝的運(yùn)行過程中，主要為產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)酸菌之間的互相協(xié)作的平衡狀態(tài)。但是由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的變化較敏感，經(jīng)常由于有機(jī)負(fù)荷的沖擊、低溫、營養(yǎng)元素缺乏、有毒物質(zhì)抑制等降低其活性，從而打破產(chǎn)甲烷菌種及產(chǎn)酸菌種之間的平衡關(guān)系，引起反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸（VFA）濃度升高、污泥上浮或是洗出、出水COD濃度增加、pH值下降等酸化現(xiàn)象［1］，影響了反應(yīng)器的正常運(yùn)行，為實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用中帶來了阻礙。賈曉鳳等［2］研究表明處理酒精廢水恢復(fù)反應(yīng)器酸化一般需要很長的時間，但這不符合實(shí)際生產(chǎn)的要求。據(jù)此筆者針對如何快速解決IC反應(yīng)器運(yùn)行過程中酸化問題，以附加外循環(huán)對反應(yīng)器酸化恢復(fù)的影響進(jìn)行研究。

1 IC反應(yīng)器基本構(gòu)造與廢水水質(zhì)

1．1 IC反應(yīng)器基本構(gòu)造

IC厭氧反應(yīng)器采用鋼板焊接制成，工藝流程如圖1所示?？傆行莘e為17m3，分一級IC厭氧反應(yīng)器和二級IC厭氧反應(yīng)器，單級反應(yīng)器的有效容積均為13．5m3。一級IC直徑為1．3m，有效高度為10．4m；二級IC直徑1．5m，有效高度為9m。沿反應(yīng)器高度設(shè)置4個取樣孔，以便在啟動與運(yùn)行中觀察不同高度的污泥狀況及去除效果。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC反應(yīng)器工藝的核心部分，由下層三相分離器、升流管、氣液分離器和泥水回流管等組成。反應(yīng)器恒溫進(jìn)水，試驗(yàn)溫度在35～37℃。

圖1 IC厭氧反應(yīng)器工藝示意圖

1．2 廢水水質(zhì)

本試驗(yàn)采用的廢水為安徽阜陽金種子酒廠以酒精槽液為代表的高濃度工業(yè)廢水。該企業(yè)每天排放1000t的高濃度有機(jī)廢水，COD為30000～40000mg／L，且顯酸性，色度深，含沙量大，水質(zhì)水量波動大，固形顆粒軟，因此疏水性較差，并且這種廢水含有較高濃度的蛋白質(zhì)、脂肪、纖維、碳水化合物、廢酵母、酒花殘渣等有機(jī)無毒成分，但是含有大量的固體懸浮物和易生物降解的有機(jī)物廢水［3］，廢水指標(biāo)見表1。

表1 廢水水質(zhì)

1．3 污泥接種

IC反應(yīng)器接種污泥取自安徽省阜陽市金種子酒廠處理釀造廢水的UASB反應(yīng)器顆粒污泥，為黑色橢球形、球形等，污泥粒徑主要分布在0．2mm－1．2mm，且主要在0．6mm為主，接種后IC反 應(yīng) 器 污 泥 TS 為 2．214mg／L，VS 為 1．809mg／L。

1．4 分析方法

試驗(yàn)過程中的主要分析項(xiàng)目包括COD，pH，SS，混合液懸浮固體（MLSS）和VFA等，分析方法［4］如表2所示。

表2 常規(guī)分析項(xiàng)目與測定方法

2 討論與分析

厭氧消化是一個多種群微生物共同作用、共同實(shí)現(xiàn)復(fù)雜有機(jī)化合物鏈?zhǔn)浇到獾倪^程。厭氧降解過程相當(dāng)復(fù)雜，主要步驟為:顆粒態(tài)有機(jī)物質(zhì)水解成為溶解性基質(zhì)；溶解性基質(zhì)發(fā)酵成乙酸、CO2和H2；乙酸、部分CO2和H2轉(zhuǎn)化為甲烷。甲烷是非常難溶的氣體，從溶液中逸出從而促使COD的去除。大部分的甲烷是由乙酸產(chǎn)生，因此只有乙酸產(chǎn)甲烷菌生長，才能使得反應(yīng)器微生物相達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)化。如果產(chǎn)甲烷菌受到了抑制，則VFA大量堆積，至pH值下降，處理效果降低等反應(yīng)器酸化現(xiàn)象［4－7］。

2．1 酸化原因

IC厭氧反應(yīng)器中試裝置正常運(yùn)行3個月后，試驗(yàn)開始增加進(jìn)水量，由每天6小時進(jìn)水增加到每天15小時進(jìn)水。第109天發(fā)現(xiàn)出水VFA和COD異常，此后發(fā)現(xiàn)出水指標(biāo)進(jìn)一步加重，VFA由之前的5．24mmol／L最高上升到23．76mmol／L，IC反應(yīng)器COD去除率下降到70%以下，最低下降到60%左右。由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境較敏感，此時進(jìn)水負(fù)荷增加，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，產(chǎn)乙酸菌成為優(yōu)勢菌種，pH值有7．8下降到5．0以下。由此推斷反應(yīng)器已經(jīng)酸化。Van Lier等［8］研究表明，進(jìn)水流量與含量的劇烈變化會破壞水解酸化與產(chǎn)甲烷階段這一平衡關(guān)系，嚴(yán)重影響厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定性與處理效果。本中試裝置酸化原因斷定為進(jìn)水流量劇烈變化，增加了反應(yīng)器的負(fù)荷，影響了IC厭氧反應(yīng)器的穩(wěn)定。

2．2 恢復(fù)措施

為解決反應(yīng)器酸化問題，必須有針對性地消除影響因素，恢復(fù)產(chǎn)甲烷菌活性，使產(chǎn)酸菌與產(chǎn)甲烷菌恢復(fù)達(dá)到平衡關(guān)系。王立軍等［9］總結(jié)了解決IC厭氧反應(yīng)器酸化問題的途徑主要有以下幾種:投加新鮮的顆粒污泥、投加藥劑、出水回流稀釋、大水量清水沖洗等?？紤]到中試裝置調(diào)控的難度大，實(shí)際生產(chǎn)上時間與經(jīng)濟(jì)上的壓力，必須選擇可以較快速的恢復(fù)方法。且系統(tǒng)本身具有外循環(huán)裝置，研究表明外循環(huán)厭氧反應(yīng)器可加大反應(yīng)器內(nèi)上流速度，增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)部的傳質(zhì)作用，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定、高效的運(yùn)行［10－11］。故采取以下措施:開始延長IC反應(yīng)器附加外循環(huán)，由每天間歇運(yùn)行12個小時延長到20個小時，沖洗出反應(yīng)器內(nèi)累積的過量VFA，同時調(diào)節(jié)進(jìn)水前的pH值。經(jīng)過15天的運(yùn)行調(diào)試，VFA的濃度小于5mmol／L，IC反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)已大為好轉(zhuǎn)，pH值升到7．0以上，一級IC反應(yīng)器出水COD降至4500～5000mg／L，系統(tǒng)已恢復(fù)正常運(yùn)行。附加外循環(huán)裝置來恢復(fù)系統(tǒng)酸化耗時15天，相對于無外循環(huán)的系統(tǒng)大大縮短了時間。

2．3 恢復(fù)運(yùn)行效果

2．3．1 對恢復(fù)COD的去除效果

一級IC反應(yīng)器和二級IC反應(yīng)器的進(jìn)出水COD的變化分別如圖2、圖3所示。

根據(jù)厭氧降解的過程可以了解通過甲烷的逸出可以減少進(jìn)水中的化學(xué)需氧量。如果沒有甲烷的產(chǎn)生，COD的減少量就隨之減小，反應(yīng)器內(nèi)只有H2的產(chǎn)生和逸出。研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌存在于大多數(shù)厭氧反應(yīng)器中，使大部分H2轉(zhuǎn)化為甲烷［2，6，12］?？梢姡a(chǎn)甲烷菌的活性好壞直接影響著COD的去除。

圖2 一級IC反應(yīng)器進(jìn)出水COD變化

圖3 二級IC反應(yīng)器進(jìn)出水COD變化

在啟動運(yùn)行109天時發(fā)現(xiàn)一級IC反應(yīng)器的出水指標(biāo)異常，COD的去除率下降到70%以下，到118天時最低下降到60%左右。經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn)是反應(yīng)器負(fù)荷增加，使厭氧反應(yīng)器受到?jīng)_擊所致，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制。此后立即延長IC反應(yīng)器附加外循環(huán)時間，沖洗反應(yīng)器，減低反應(yīng)器負(fù)荷。反應(yīng)器處理效果慢慢好轉(zhuǎn)。經(jīng)過15天的運(yùn)行，一級IC反應(yīng)器出水COD在5000mg／L以下，二級IC反應(yīng)器出水COD在1000mg／L左右，系統(tǒng)恢復(fù)啟動完成。與無附加外循環(huán)的情況相比，外循環(huán)可增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)作用，加速反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)態(tài)化［13－15］。

2．3．2 出水VFA及pH的變化

如圖4、圖5所示，分別為一級IC反應(yīng)器和二級IC反應(yīng)器出水VFA和pH含量的變化情況。酸化進(jìn)行到第9天兩個反應(yīng)器VFA含量均上升到11mmol／L以上，pH值下降至5．0以下。第15天后，反應(yīng)器內(nèi)的VFA含量穩(wěn)定在5mmol／L以下，pH 值大于7．0。

pH對厭氧工藝的運(yùn)行穩(wěn)定有著重要的影響［16］。當(dāng)pH值偏離最佳值時，反應(yīng)器內(nèi)生物活性將受到不同程度的抑制，而產(chǎn)甲烷菌比其他微生物菌種更為敏感，受影響的程度更大。pH值降低會增加比較高分子量的VFA，尤其是丙酸和丁酸，而乙酸產(chǎn)生量減少，其他類型VFA生產(chǎn)量增加。而水解微生物的活性受pH值偏離的影響非常小。

由于產(chǎn)甲烷細(xì)菌對pH值較為敏感，再加上VFA是有機(jī)物降解的中間產(chǎn)物，VFA生產(chǎn)量的增加速度超過產(chǎn)甲烷細(xì)菌利用乙酸和H2作用的最大能力，多余的VFAS開始積累，引起反應(yīng)器內(nèi)的pH值下降。pH值降低使得產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性減弱，進(jìn)一步引起VFA積累和pH值降低。此現(xiàn)象惡化后產(chǎn)甲烷細(xì)菌活性幾乎停止。

圖4 一級IC反應(yīng)器出水VFA、pH變化

圖5 二級IC反應(yīng)器出水VFA、pH變化

為研究出快速解決實(shí)際生產(chǎn)中酸化問題，減少損失。運(yùn)用外循環(huán)方法對IC厭氧反應(yīng)器進(jìn)行水沖洗。因反應(yīng)器進(jìn)水顯酸性，在進(jìn)水前調(diào)解pH。調(diào)試運(yùn)行階段反應(yīng)器酸化現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)?？梢姡c無外循環(huán)裝置相比較，外循環(huán)水沖洗能較快的改善反應(yīng)器內(nèi)的不良環(huán)境，加快產(chǎn)甲烷細(xì)菌與產(chǎn)酸細(xì)菌恢復(fù)平衡的穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)論

（1）采用兩級IC厭氧反應(yīng)器處理酒精槽液高濃度有機(jī)廢水時，因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)負(fù)荷的沖擊，IC反應(yīng)器出水COD去除率下降到70%以下，最低達(dá)到60%，VFA由之前的5．24mmol／L最高升高到23．76mmol／L，pH 值下降到5．0以下。IC反應(yīng)器發(fā)生嚴(yán)重酸化。

（2）及時采用外循環(huán)裝置沖洗，調(diào)解進(jìn)水pH值的方法。經(jīng)過15天的恢復(fù)，一級IC反應(yīng)器出水COD下降到4500～5000mg／L，二級IC反應(yīng)器出水COD下降至1000mg／L左右，出水VFA含量恢復(fù)到小于5mmol／L，pH值上升到7．0以上。系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。表明附加外循環(huán)可有效的縮短IC反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性所需時間，進(jìn)一步減少實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)損失。

（3）解決酸化問題關(guān)鍵在于怎樣快速恢復(fù)反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷細(xì)菌的活性。使產(chǎn)甲烷細(xì)菌與產(chǎn)酸細(xì)菌恢復(fù)平衡的穩(wěn)態(tài)。

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