昌 盛 劉 楓

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

一體化完全攪拌槽式反應(yīng)器厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)研究*

昌 盛1劉 楓2

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090)

為提高廢水厭氧生物處理的處理效率和穩(wěn)定性，開發(fā)了一套內(nèi)置氣-液-固三相分離器的一體化完全攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)，并以糖蜜廢水為基質(zhì)，考察了一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行特性，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供適宜的工程控制參數(shù)。以啤酒廢水污水處理車間的剩余污泥為接種污泥，在污泥接種量為5.5g/L、溫度為(35±1) ℃、水力停留時(shí)間(HRT)為18h、pH保持在6.5～7.5的條件下，通過(guò)逐級(jí)提升進(jìn)水COD質(zhì)量濃度(2 000、4 000、7 000mg/L)的方式啟動(dòng)一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的適宜進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為4 000mg/L，此時(shí)COD去除率為54.6%，產(chǎn)氣速率達(dá)到17.4L/d，發(fā)酵氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)為42.9%。進(jìn)水COD提高到7 000mg/L時(shí)，COD去除率和甲烷體積分?jǐn)?shù)分別僅為20.0%、25.0%，這可能歸結(jié)于該系統(tǒng)此時(shí)的生物量持有能力較低。

完全攪拌槽式反應(yīng)器 厭氧消化 有機(jī)負(fù)荷COD去除率 產(chǎn)甲烷菌群活性

糖蜜廢水具有濃度高、色度大、硫酸鹽含量高等特點(diǎn)，其處理難度較大[1-3]。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，糖蜜廢水的處理處置方法包括農(nóng)田灌溉、濃縮、好氧/厭氧生物處理、電絮凝以及生產(chǎn)生物制品和飼料等[4-6],[7]20-23,[8],[9]96-98。根據(jù)鄭磊[10]4-17的調(diào)查研究，糖蜜廢水進(jìn)行厭氧生物處理更適合我國(guó)國(guó)情，是當(dāng)前最具推廣前景的處理技術(shù)。在厭氧消化工藝中，基于顆粒污泥發(fā)展起來(lái)的上流式厭氧污泥床(UASB)、內(nèi)循環(huán)污泥床(IC)、厭氧污泥固定床(AF)、厭氧污泥流化床(AFB)、顆粒污泥膨脹床(EGSB)等工藝發(fā)展迅猛[7]20-22,[9]96-97,[10]16，在工業(yè)廢水中的應(yīng)用也十分普遍。然而，對(duì)于具有季節(jié)性排放特點(diǎn)的廢水，這些工藝并不是理想選擇[11]。這是因?yàn)樵谔幚碓擃悘U水時(shí)，反應(yīng)器的重復(fù)啟動(dòng)運(yùn)行不可避免，而基于厭氧顆粒污泥發(fā)展而來(lái)的工藝因厭氧顆粒污泥的儲(chǔ)存和培養(yǎng)技術(shù)還未成熟[12]，想保持處理工藝長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)行還存在不少問(wèn)題。傳統(tǒng)的全混流厭氧工藝中的絮狀污泥易于培養(yǎng)，反應(yīng)器啟動(dòng)迅速，且絮狀污泥比顆粒污泥傳質(zhì)效率高[13]，在處理具有季節(jié)性排放特點(diǎn)的廢水時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。糖蜜廢水因甜菜、甘蔗等原料生長(zhǎng)的周期性[14]，具有顯著的季節(jié)性排放特點(diǎn)，因而可能適合采用全混流厭氧工藝來(lái)處理。完全攪拌槽式反應(yīng)器(CSTR)就是全混流厭氧工藝中的一種，但其水力停留時(shí)間(HRT)和污泥停留時(shí)間(SRT)相同，難以保持較高的污泥濃度，進(jìn)而限制了對(duì)廢水的處理效果。本研究開發(fā)出了一體化CSTR，通過(guò)內(nèi)設(shè)沉降區(qū)，將污泥通過(guò)污泥縫回流至反應(yīng)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了HRT與SRT的分離，大幅提升了污泥持有量[15]。然而，根據(jù)目前的研究報(bào)道，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在生物發(fā)酵制氫領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍[16]，而作為糖蜜廢水厭氧發(fā)酵的實(shí)例還鮮見報(bào)道。鑒于以上問(wèn)題，以實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行為基礎(chǔ)，探討了該系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行特性，分析了其對(duì)進(jìn)水COD負(fù)荷沖擊的響應(yīng)，并借助掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的菌群多樣性和數(shù)量進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，以期為糖蜜廢水的厭氧生物處理提供適宜的工程控制技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)如圖1所示，主要由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)設(shè)氣-液-固三相分離器，反應(yīng)區(qū)和沉淀區(qū)為一體化結(jié)構(gòu)，反應(yīng)區(qū)有效容積為14.73 L。進(jìn)水由配水箱泵入該系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)保證進(jìn)水恒定。設(shè)有出水口和集氣口，發(fā)酵氣經(jīng)過(guò)水封裝置，采用濕式氣體流量計(jì)測(cè)定發(fā)酵氣產(chǎn)氣速率。該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，使泥水充分混合接觸，提高傳質(zhì)效率。同時(shí)通過(guò)水封和軸封保證微生物生長(zhǎng)所需要的厭氧環(huán)境。一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，將電熱絲纏繞在反應(yīng)器外壁上進(jìn)行加熱，并通過(guò)溫控儀將溫度控制在(35±1) ℃。

圖1 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated CSTR anaerobic digestion system

1.2 試驗(yàn)廢水

甜菜制糖廠的糖蜜廢水稀釋后作為試驗(yàn)廢水。在配制試驗(yàn)廢水時(shí)，投加一定量的農(nóng)用復(fù)合肥，使廢水中的C、N、P元素的質(zhì)量比大約保持在200～500∶5∶1，以保證微生物在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)N、P營(yíng)養(yǎng)元素的需求，通過(guò)投加碳酸氫鈉調(diào)節(jié)進(jìn)水pH和堿度，從而將一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的pH維持在6.5～7.5。

1.3 接種污泥與運(yùn)行控制

接種污泥取自當(dāng)?shù)啬称【茝U水污水處理車間中二沉池排放并經(jīng)脫水后的剩余污泥。經(jīng)淘洗、過(guò)濾后置入一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)。污泥接種量為5.5 g/L，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)、混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量比(MLVSS/MLSS)為0.407。在HRT為18 h、COD為2 000 mg/L的條件下開始啟動(dòng)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)42 d的運(yùn)行后，保持HRT不變，依次將進(jìn)水COD增加到4 000、7 000 mg/L，以考察一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在不同進(jìn)水COD濃度下的運(yùn)行特性。為便于分析，將該系統(tǒng)在進(jìn)水COD為2 000、4 000、7 000 mg/L的運(yùn)行階段分別稱為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段。

1.4 分析項(xiàng)目

pH、堿度(以碳酸鈣計(jì))、COD、MLSS、MLVSS等常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目參考文獻(xiàn)[17]測(cè)定；揮發(fā)性有機(jī)酸(VFAs)以及乙醇采用SP-6890氣相色譜儀測(cè)定，發(fā)酵氣組分采用SP-6801T氣相色譜儀測(cè)定，測(cè)定條件參考文獻(xiàn)[18]。污泥微生物采用S-4500 SEM觀察，其觀察方法與文獻(xiàn)[19]相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)氣速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)

在厭氧消化工藝中，含碳有機(jī)物在厭氧微生物的作用下被礦化為甲烷和二氧化碳，因此，產(chǎn)氣速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的運(yùn)行性能具有重要的指示意義。一般而言，厭氧消化系統(tǒng)在具有較高的處理效率時(shí)，產(chǎn)甲烷速率隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而遞增。但當(dāng)厭氧消化系統(tǒng)受沖擊負(fù)荷后，因產(chǎn)甲烷菌群活性受限而致使產(chǎn)甲烷速率下降，系統(tǒng)的處理效率呈惡化趨勢(shì)。一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在3個(gè)階段的產(chǎn)氣、產(chǎn)甲烷速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化情況如圖2所示。在初始啟動(dòng)階段，污泥中的微生物菌群對(duì)厭氧環(huán)境需要一個(gè)逐漸適應(yīng)的過(guò)程，產(chǎn)氣速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)較低且波動(dòng)較為明顯，經(jīng)歷10 d左右的運(yùn)行后，厭氧微生物菌群特別是產(chǎn)甲烷菌群的活性開始增強(qiáng)，發(fā)酵氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)也開始呈現(xiàn)迅速增加的趨勢(shì)。運(yùn)行至19 d時(shí)，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了39.6%，并在Ⅰ階段(1～42 d)后期的運(yùn)行中基本保持較高的甲烷體積分?jǐn)?shù)。在Ⅰ階段的運(yùn)行中，因厭氧微生物菌群大量繁殖，產(chǎn)氣速率呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，運(yùn)行至42 d時(shí)，產(chǎn)氣速率達(dá)到了9.2 L/d。在Ⅱ階段(43～88 d)的運(yùn)行中，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度由2 000 mg/L上升到4 000 mg/L，在提升有機(jī)負(fù)荷初期，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)因受沖擊負(fù)荷，產(chǎn)甲烷菌群活性受到一定抑制，甲烷體積分?jǐn)?shù)下降，但運(yùn)行至48 d時(shí)，甲烷體積分?jǐn)?shù)又迅速升至45.0%左右，與Ⅰ階段相近，這說(shuō)明厭氧微生物菌群活性較高，自我調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。因COD濃度的增加，產(chǎn)氣速率在Ⅱ階段的運(yùn)行初期呈現(xiàn)出迅速上升的趨勢(shì)，直至65 d趨于穩(wěn)定，維持在17.5 L/d左右。進(jìn)入到Ⅲ階段(89～130 d)運(yùn)行時(shí)，COD升高到7 000 mg/L，產(chǎn)氣速率波動(dòng)較大。發(fā)酵氣中的甲烷體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，運(yùn)行至130 d時(shí)，下降至25.0%左右，表明在繼續(xù)提升有機(jī)負(fù)荷后，產(chǎn)甲烷菌群活性不能恢復(fù)至Ⅱ階段的水平。這可能是由于在Ⅱ階段的運(yùn)行后，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在遭受第二次沖擊負(fù)荷時(shí)，因微生物菌群自我調(diào)節(jié)能力有限，難以達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，在進(jìn)水COD為4 000 mg/L時(shí)，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)能達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，產(chǎn)氣速率及甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為17.4 L/d、42.9%；而在進(jìn)水COD為7 000 mg/L時(shí)，產(chǎn)甲烷菌群活性較低，該系統(tǒng)難以高效運(yùn)行。

圖2 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)氣、產(chǎn)甲烷速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)變化情況Fig.2 Variation of biogas and methane production rate and methane volume fraction of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.2 進(jìn)出水COD與COD去除率

一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在3個(gè)階段的進(jìn)出水COD及COD去除率的變化情況如圖3所示。在Ⅰ階段，進(jìn)出水COD濃度及COD去除率均表現(xiàn)出微生物的不適應(yīng)性。因所接種的污泥并非厭氧污泥，對(duì)厭氧環(huán)境還未適應(yīng)，活性較低，在開始運(yùn)行的7 d內(nèi)，COD去除率還不到10.0%；進(jìn)出水COD濃度基本相同，但運(yùn)行至9 d時(shí)，COD去除率開始增加，在10～33 d時(shí)，COD去除率在24.0%以下來(lái)回波動(dòng)。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，污泥逐漸得到馴化，其活性上升。當(dāng)分別運(yùn)行至35、42 d時(shí)，COD去除率分別達(dá)到了46.8%、51.4%。自43 d開始進(jìn)入Ⅱ階段，進(jìn)水COD增加到4 000 mg/L，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)因遭受沖擊負(fù)荷，COD去除率迅速下降，但運(yùn)行至55 d時(shí)，COD去除率開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)運(yùn)行至65 d時(shí)，出水COD及COD去除率相對(duì)穩(wěn)定，分別為1 843.3 mg/L、54.6%。運(yùn)行89 d后進(jìn)入Ⅲ階段，進(jìn)水COD提升至7 000 mg/L，出水COD濃度大幅上升，COD去除能力顯著下降，在110～130 d時(shí)，COD去除率在20.0%左右波動(dòng)。由此可知，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)適宜的進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為4 000 mg/L，COD去除率為54.6%。

圖3 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的進(jìn)出水COD和 COD去除率情況Fig.3 Influent and effluent COD and COD removal efficiency of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.3 出水VFAs

VFAs作為厭氧發(fā)酵過(guò)程的中間代謝產(chǎn)物，其組分的變化能反映出微生物的活性及演替規(guī)律。VFAs還能反映運(yùn)行工況，也常被用作厭氧反應(yīng)器的指示指標(biāo)。圖4為運(yùn)行期間的出水VFAs變化情況。由圖4可見，出水中的VFAs以乙酸、丙酸為主，丁酸、戊酸及乳酸含量較低。在COD為2 000 mg/L的Ⅰ階段，1～13 d可能為接種污泥對(duì)反應(yīng)體系的適應(yīng)過(guò)程，發(fā)酵產(chǎn)酸作用較弱，COD水解酸化程度較低，VFAs總量變化不大。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境，活性開始增強(qiáng)，VFAs總量開始上升。在運(yùn)行至30 d時(shí)，乙酸達(dá)到峰值(947 mg/L)后開始下降，而丙酸在17 d達(dá)到峰值(494 mg/L)后也開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。這可能是由于一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)中各類微生物生理生態(tài)習(xí)性的差異所致。在厭氧消化過(guò)程中，丙酸在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌作用下被轉(zhuǎn)化為乙酸，此過(guò)程的反應(yīng)速率較慢[20]，所以出水乙酸含量的下降相對(duì)滯后于丙酸。從43 d開始，進(jìn)水COD提高到4 000 mg/L，出水中丁酸、戊酸及乳酸含量基本保持不變，而乙酸、丙酸均先表現(xiàn)出迅速增加再緩慢下降，最后趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程。在65～85 d的穩(wěn)定運(yùn)行期，出水中乙酸、丙酸分別保持在535、310 mg/L左右，與階段Ⅰ運(yùn)行后期相近，這表明在分階段提高有機(jī)負(fù)荷的啟動(dòng)方式下，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)中各類微生物相互協(xié)調(diào)，食物鏈較為完善，且能高效運(yùn)行，保持出水VFAs和COD處于較低水平。然而，當(dāng)進(jìn)水COD進(jìn)一步提升至7 000 mg/L后，出水VAFs總量上升幅度較大，由Ⅱ階段后期的800～1 000 mg/L升高至Ⅲ階段后期的3 500～3 900 mg/L。其中，丙酸增幅最為明顯，在運(yùn)行120～130 d時(shí)，丙酸質(zhì)量濃度達(dá)到1 246 mg/L，為Ⅱ階段穩(wěn)定運(yùn)行期的近3倍?？梢姡?dāng)進(jìn)水COD為7 000 mg/L時(shí)，因VAFs積累，產(chǎn)甲烷菌群活性受限，污泥中的非產(chǎn)甲烷菌群和產(chǎn)甲烷菌群的代謝平衡被打破。

圖4 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的出水VFAs變化情況Fig.4 Variation of VFAs in effluent of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.4 pH與堿度

對(duì)于產(chǎn)甲烷菌群而言，pH宜控制在6.5～7.5。在運(yùn)行過(guò)程中，因進(jìn)水COD濃度增加會(huì)引發(fā)VFAs增加，為此，在提高進(jìn)水COD濃度的同時(shí)，通過(guò)加大碳酸氫鈉的投加量，保證pH控制在6.5～7.5，為產(chǎn)甲烷菌群提供有利環(huán)境。如圖5所示，在3個(gè)階段的運(yùn)行中，出水pH波動(dòng)較小，基本維持在7.5左右，而出水堿度卻呈現(xiàn)出明顯的起伏。在Ⅱ階段的運(yùn)行中，進(jìn)水COD為4 000 mg/L，出水堿度經(jīng)歷了一個(gè)先上升后下降再趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程，這可能與出水VAFs的變化有關(guān)。當(dāng)進(jìn)水COD升至4 000 mg/L后，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)受到?jīng)_擊負(fù)荷，VAFs大量積累，因而堿度有所上升，但當(dāng)該系統(tǒng)中的產(chǎn)甲烷菌群活性逐漸增強(qiáng)時(shí)，VAFs開始被轉(zhuǎn)化，含量減少，堿度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，直至該系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行穩(wěn)定期，此時(shí)非產(chǎn)甲烷菌群和產(chǎn)甲烷菌群的代謝達(dá)到平衡狀態(tài)，VAFs含量相對(duì)恒定，出水堿度也趨于穩(wěn)定，約為2 800 mg/L。在Ⅲ階段的運(yùn)行中，因進(jìn)水中碳酸氫鈉的積累，進(jìn)水堿度增加到接近3 500 mg/L，出水堿度基本保持在4 100 mg/L。

圖5 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)進(jìn)出水pH和堿度的變化情況Fig.5 Variation of pH and alkalinity of the influent and effluent of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.5 MLVSS與MLSS

在啟動(dòng)初始階段，污泥接種量為5.5 g/L。如圖6所示，在Ⅰ階段，MLVSS僅有小幅度增加，但MLVSS/MLSS增幅較大，這主要是由于接種污泥來(lái)源于好氧環(huán)境，當(dāng)轉(zhuǎn)化為厭氧環(huán)境時(shí)，污泥中不適應(yīng)環(huán)境且活性低的微生物會(huì)隨出水而流出，而存活下來(lái)的微生物能連續(xù)利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。進(jìn)入Ⅱ階段，隨著營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的增加，厭氧微生物大量繁殖，MLVSS與MLSS均增長(zhǎng)明顯，MLVSS由7.0 g/L增加到7.4 g/L，MLSS由11.3 g/L增加到12.1 g/L，而MLVSS/MLSS基本不變，保持在0.6左右。進(jìn)入Ⅲ階段后，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)繼續(xù)增加，但MLVSS反而有所下降，在反應(yīng)器運(yùn)行110、125 d時(shí)，MLVSS分別為8.0、7.7 g/L的水平，MLSS均保持在12.0 g/L。這可能是由于進(jìn)水COD提升至7 000 mg/L后，產(chǎn)氣速率較高(見圖2)，泥水混合更為劇烈和充分；此外，污泥因夾帶氣體而導(dǎo)致其沉降性能下降，一定程度上限制了一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)對(duì)生物量的持有能力。

圖6 一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)生物量的變化情況Fig.6 Variation of biomass of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.6 污泥微生物觀察

在進(jìn)水COD為2 000 mg/L的條件下經(jīng)過(guò)近40 d的運(yùn)行后，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)的厭氧微生物菌群活性和自我調(diào)節(jié)能力均較強(qiáng)，在遭受第1次沖擊負(fù)荷(進(jìn)水COD為4 000 mg/L)時(shí)，甲烷菌群活性較高，發(fā)酵氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)能達(dá)到42.9%，COD去除率達(dá)到54.6%，仍表現(xiàn)出較好的處理效率。但該系統(tǒng)遭受第2次沖擊負(fù)荷(進(jìn)水COD進(jìn)一步提升至7 000 mg/L)時(shí)，因該系統(tǒng)的生物量持有能力有限，產(chǎn)甲烷菌群數(shù)量和活性均較低，發(fā)酵氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)、COD去除率分別僅為25.0%、20.0%。為了分析該系統(tǒng)內(nèi)微生物菌群在各階段的變化特征，分別在運(yùn)行40、85、125 d時(shí)取出污泥，代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段，利用SEM進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3個(gè)不同運(yùn)行階段下一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)中污泥的SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM profiles of sludge in integrated CSTR anaerobic digestion system at three different stages

由圖7可以看出：在Ⅰ階段，污泥中的厭氧微生物主要以團(tuán)聚的形式存在，以絲狀菌為主，存在一定數(shù)目的產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcin)；在Ⅱ階段，微生物菌群種類豐富，多樣性顯著增加，且厭氧微生物菌群中，絲狀菌仍占據(jù)主導(dǎo)地位，同時(shí)存在少量的短桿菌、螺旋絲菌及鏈球菌等；進(jìn)入Ⅲ階段，污泥中的厭氧微生物多樣性下降，僅能見到絲狀菌。以上結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)進(jìn)水COD提升至4 000 mg/L時(shí)，微生物的多樣性及活性均顯著增加，但當(dāng)進(jìn)水COD進(jìn)一步提升至7 000 mg/L時(shí)，因該系統(tǒng)的生物量持有能力有限，污泥流失，微生物多樣性下降較為明顯，很難觀察到產(chǎn)甲烷八疊球菌，因此該系統(tǒng)產(chǎn)甲烷能力降低，這可能也是該系統(tǒng)在Ⅲ階段不能穩(wěn)定運(yùn)行的直接原因。

3 結(jié) 論

(1) 以啤酒廢水污水處理車間的剩余污泥為接種污泥，在污泥接種量為5.5 g/L，溫度為(35±1) ℃，HRT為18 h，pH保持在6.5～7.5的條件下，提升進(jìn)水COD質(zhì)量濃度至4 000 mg/L，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)在運(yùn)行65 d 時(shí)完成污泥的馴化。

(2) 在進(jìn)水COD為4 000 mg/L時(shí)，一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)內(nèi)微生物多樣性豐富、活性較強(qiáng)，在運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，COD去除率為54.6%，產(chǎn)氣速率和甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為17.4 L/d和42.9%。

(3) 因一體化CSTR厭氧消化系統(tǒng)生物量持有能力有限，當(dāng)進(jìn)水COD為7 000 mg/L時(shí)，COD去除率僅為20.0%，發(fā)酵氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)也僅為25.0%。

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TheoperationperformanceofstartingupintegratedCSTRanaerobicdigestionsystem

CHANGSheng1,LIUFeng2.

(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090)

In order to improve the efficiency and stability of anaerobic biological treatment,an integrated continuous stirred tank reactor (CSTR) with gas-liquid-solid 3-phase separator was developed. Trough treating sugar refinery wastewater,the operation performance of starting up integrated CSTR anaerobic digestion system was explored to provide appropriate engineering control parameters to the actual engineering applications. The integrated CSTR anaerobic digestion system was inoculated with excess sewage sludge of 5.5 g/L from the brewery wastewater treatment plant. The integrated CSTR anaerobic digestion system run under hydraulic retention time (HRT) of 18 h,temperature of (35±1) ℃ and pH within 6.5-7.5,with the influent COD from 2 000 mg/L to 4 000 mg/L,finally to 7 000 mg/L. The results showed that the most optimum COD concentration for integrated CSTR anaerobic digestion system was 4 000 mg/L,gaining the COD removal efficiency at 54.6% and the biogas production rate and methane volumn fraction at 17.4 L/d and 42.9%,respectively. However,the COD removal efficiency and methane volumn fraction only arrived at 20.0% and 25.0%,respectively,when the influent COD reached 7 000 mg/L,which might be attributed to the poor ability of holding biomass in this state.

CSTR; anaerobic digestion; organic loading; COD removal efficiency; activation of the methanogenic bacteria

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.006

2016-01-23)

昌 盛，男，1983年生，博士，助理研究員，研究方向?yàn)樗廴究刂婆c飲用水安全保障技術(shù)。

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51508539)；國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(No.2014ZX07405-001)。