1、前言
肉類加工屠宰廢水具有顏色深、懸浮物及有機(jī)物含量高的特點(diǎn)。由于該類廢水主要來自生豬的屠宰和加工環(huán)節(jié)，因此存在大量的豬血、油脂、碎肉等污染物，且這類有機(jī)質(zhì)不易降解，導(dǎo)致其處理困難。目前，處理難降解有機(jī)物的厭氧工藝比較多，包括IC反應(yīng)器、厭氧折流板反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器等。厭氧處理污水的過程比較復(fù)雜，被廣泛認(rèn)可的“三階段理論”，即污水先后經(jīng)過水解酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌作用才能被處理，產(chǎn)甲烷菌作用是厭氧過程的關(guān)鍵階段，也是受外在條件影響最大的階段，主要體現(xiàn)在只有較大分子物質(zhì)經(jīng)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)換成乙酸、H2和CO2之后才能被產(chǎn)甲烷菌群代謝利用。然而，水解酸化菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌都有各自對(duì)應(yīng)的生存條件，因此Ghosh和Pohland提出兩相厭氧發(fā)酵原理，即在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)將產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩階段串聯(lián)，并形成兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，這類兩相分離的反應(yīng)器提高了廢水處理能力，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。
因此，基于兩相厭氧發(fā)酵的研究基礎(chǔ)，提出研制一種新型的高效厭氧反應(yīng)器——多段內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(multi-internal-circleanaerobic reactor)，其基本原理是在反應(yīng)器垂直方向上設(shè)三個(gè)反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室分別進(jìn)行產(chǎn)酸、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷反應(yīng)，且通過設(shè)計(jì)折板使反應(yīng)室內(nèi)自動(dòng)形成液體內(nèi)循環(huán)，保證顆粒污泥處于膨脹流化狀態(tài)，提高泥水間的傳質(zhì)作用。我課題組已根據(jù)氣液流場(chǎng)模擬的實(shí)驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)并已加工生產(chǎn)。本文作者以屠宰廢水為處理對(duì)象，研究本反應(yīng)器處理中高濃度有機(jī)廢水的可行性。
2、材料與方法
2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
多段內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，垂向圓柱形，總規(guī)格為800mm×4000mm(φ×H)，其有效容積為1.75m3，內(nèi)部設(shè)置3個(gè)反應(yīng)室，由上至下分別為產(chǎn)酸反應(yīng)室(第一反應(yīng)室)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)室(第二反應(yīng)室)和產(chǎn)甲烷反應(yīng)室(第三反應(yīng)室)，有效容積比為1∶1∶1.5，且各段反應(yīng)室的上部設(shè)置廢水取樣口，底部設(shè)置污泥取樣口。各段反應(yīng)室的頂部都帶有微孔曝氣盤，裝置頂部有排氣口。本裝置的結(jié)構(gòu)已根據(jù)氣液流場(chǎng)模擬的結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖1。
2.2 廢水水質(zhì)
試驗(yàn)原水取自深圳市某屠宰場(chǎng)，進(jìn)水COD濃度分布在800~3500mg/L之間，波動(dòng)性較大。由于對(duì)COD去除效果的評(píng)價(jià)是本試驗(yàn)的重要參數(shù)，因此在試驗(yàn)的特定階段內(nèi)利用稀釋法保持COD濃度接近。
2.3 接種污泥
接種污泥取自該屠宰場(chǎng)的污泥濃縮池。接種污泥體積按照反應(yīng)器有效體積的50%來計(jì)算，第一、二、三反應(yīng)室接種的污泥體積分別為0.25、0.25和0.38m3。
2.4 水質(zhì)分析
測(cè)定各反應(yīng)室的COD、pH、溫度、VFA和收集產(chǎn)氣量。COD：重鉻酸鉀法；pH：便攜式pH計(jì)；溫度：溫度計(jì)；VFA：蒸餾法；氣體：濕式氣流計(jì)。
2.5 試驗(yàn)方法
厭氧反應(yīng)器的試驗(yàn)分三階段。第一階段采用低負(fù)荷啟動(dòng)，控制COD容積負(fù)荷為0.5kgCOD/(m3•d)；啟動(dòng)成功后，進(jìn)入第二階段，通過降低水力停留時(shí)間提高COD容積負(fù)荷，從而確定最佳水力停留時(shí)間；第三階段，在一定水力停留時(shí)間下計(jì)劃性地提高進(jìn)水COD濃度，同時(shí)測(cè)定各反應(yīng)室的COD去除率、VFA及產(chǎn)氣量。
3、結(jié)果與分析
3.1 啟動(dòng)階段
啟動(dòng)階段溫度分布在36~38℃，控制總進(jìn)水COD濃度為1000mg/L，HRT為48h，COD容積負(fù)荷為0.5kgCOD/(m3•d)，連續(xù)運(yùn)行16d。圖1是啟動(dòng)期間COD每天的總?cè)コ是闆r。在前3天，COD總?cè)コ实陀?/span>40%，考慮到水力停留時(shí)間長，污水有機(jī)物可能被污泥物理吸附、截留，可以推斷反應(yīng)器厭氧效果幾乎為零。隨著啟動(dòng)時(shí)間的延長，COD總?cè)コ手饾u增加，到了啟動(dòng)期的第9天，COD總?cè)コ蔬_(dá)到了60%，隨后幾天COD總?cè)コ侍岣叩姆仍黾樱?/span>14天去除率達(dá)到75%，并且增長呈緩慢趨勢(shì)，到第16天去除率達(dá)到83%。考慮到，在低負(fù)荷的環(huán)境下，厭氧微生物可以利用的有機(jī)物有限，且由于長時(shí)間的水力停留時(shí)間可能無法提供有效的水力攪動(dòng)的作用，容易導(dǎo)致污泥堆積沉降。因此在16天后停止低負(fù)荷環(huán)境運(yùn)行反應(yīng)器，即進(jìn)入第二階段。
3.2 不同水力停留時(shí)間對(duì)COD去除率的影響
控制總進(jìn)水COD濃度為1000mg/L，逐步減少HRT，HRT分別為35，30，25，20，15和12h，對(duì)應(yīng)的COD容積負(fù)荷分別為0.69，0.80，0.96，1.21，1.58和2.0kgCOD/(m3•d)。本研究階段溫度分布在36~38℃內(nèi)，每2天測(cè)定一次COD。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，HRT為35h，COD容積負(fù)荷0.69kgCOD/(m3•d)時(shí)，共運(yùn)行24天，COD總?cè)コ视?/span>33%提高到81%，且仍然有上升的趨勢(shì)，因此從25天開始將HRT減少至30h，由于進(jìn)水量的突然增大，厭氧微生物適應(yīng)性較弱，使得在前幾天COD去除能力降低到60%以下，隨著時(shí)間的延長，厭氧微生物又恢復(fù)較強(qiáng)的活性，經(jīng)過22天的運(yùn)行時(shí)間，COD總?cè)コ蔬_(dá)到了88%。隨后，進(jìn)一步將HRT降低至25h，本階段反應(yīng)器共運(yùn)行22d，在第22d時(shí)COD總?cè)コ蔬_(dá)到了91%，相比HRT=30h，該階段對(duì)應(yīng)的COD去除率的增長速率明顯較快，這可能是由于較高的水力負(fù)荷，創(chuàng)造了較好的流態(tài)，為厭氧污泥與污水的充分接觸提供了基礎(chǔ)。當(dāng)HRT突然縮短至20d，容積負(fù)荷為1.2kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD去除率也驟減至76%，相比前幾個(gè)階段，此時(shí)的厭氧污泥抗沖擊能力明顯加強(qiáng)，且COD去除率能夠穩(wěn)定達(dá)到93%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證較高的水力負(fù)荷有利于反應(yīng)器的運(yùn)行，將HRT減少至15h，此時(shí)出現(xiàn)了相反的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，COD去除率降低到75%，且去除率不穩(wěn)定。當(dāng)HRT降低到12h時(shí)，COD去除率進(jìn)一步降低且逐漸下降，這說明該水力負(fù)荷下已不適合反應(yīng)器的運(yùn)行，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，當(dāng)HRT=12h時(shí)，反應(yīng)器的出水?dāng)y帶了部分污泥，說明反應(yīng)器存在污泥流失的現(xiàn)象。
因此，該階段試驗(yàn)得到最佳的水力停留時(shí)間為20h，當(dāng)COD容積負(fù)荷為1.21kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD去除率穩(wěn)定達(dá)到93%。
3.3 不同COD容積負(fù)荷對(duì)COD去除率的影響
由于第二階段存在污泥流失的現(xiàn)象，各反應(yīng)室重新接種了適量的污泥，并控制HRT為20h，進(jìn)水COD濃度為1000mg/L，反應(yīng)器的恢復(fù)過程耗時(shí)27天。第三階段的溫度為34~36℃，分別研究進(jìn)水COD濃度為1400，2000，2600，3000和3400mg/L(各階段COD容積負(fù)荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d))的條件下，各反應(yīng)室對(duì)COD的去除能力和總產(chǎn)氣量及第三段反應(yīng)室的VFA含量。
圖4是不同COD容積負(fù)荷下各反應(yīng)室對(duì)COD的去除率及總?cè)コ省．?dāng)容積負(fù)荷為1.68kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD總?cè)コ蕿?/span>94%，此時(shí)第一、第二和第三反應(yīng)室的去除率分別為32%、30%和32%。隨著容積負(fù)荷的提高，COD總?cè)コ食尸F(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)容積負(fù)荷為3.12kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD總?cè)コ蕿?/span>89%；當(dāng)容積負(fù)荷提高到4.00kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD總?cè)コ氏陆抵?/span>80%。進(jìn)一步結(jié)合各反應(yīng)室的COD去除率情況，當(dāng)COD容積負(fù)荷提高時(shí)，第一反應(yīng)室對(duì)COD的去除能力沒有什么影響，但第二反應(yīng)室和第三反應(yīng)室均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。同時(shí)結(jié)和第三反應(yīng)室的VFA數(shù)據(jù)，VFA濃度分布在60~80mg/L之間，說明反應(yīng)器運(yùn)行良好，產(chǎn)甲烷階段未出現(xiàn)酸化階段。因此，COD去除率的下降因素可能在于污染物在第二反應(yīng)室的酸化反應(yīng)不夠徹底，因此影響到第三反應(yīng)室的產(chǎn)甲烷反應(yīng)。
反應(yīng)器單位產(chǎn)氣率如圖5所示。COD容積負(fù)荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)時(shí)，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)氣率分別為0.9，1.4，1.00，1.9和2.1m3/(m3•d)。結(jié)合圖4里的COD總?cè)コ剩玫饺コ龁挝?/span>COD的產(chǎn)生的氣體體積分布在0.29~0.33m3/kgCOD之間。
4、結(jié)論
(1)在溫度為36~38℃，COD容積負(fù)荷為0.5kgCOD/(m3•d)的環(huán)境下，多段厭氧反應(yīng)器運(yùn)行16天后，COD的總?cè)コ蔬_(dá)到83%，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器的快速啟動(dòng)。
(2)通過控制總進(jìn)水COD濃度為1000mg/L，并逐步減少水力停留時(shí)間，得到最佳的水力停留時(shí)間為20h，COD容積負(fù)荷為1.21kgCOD/(m3•d)時(shí)，COD總?cè)コ史�(wěn)定達(dá)到93%。
(3)固定水力停留時(shí)間在20h，隨著COD容積負(fù)荷的增加，反應(yīng)器去除COD的總能力逐漸下降，但當(dāng)COD容積負(fù)荷為4.00kgCOD/(m3•d)時(shí)，反應(yīng)器對(duì)COD的總?cè)コ嗜杂?/span>80%。隨著COD容積負(fù)荷的增加，第一反應(yīng)室?guī)缀跷词苡绊懀诙⒌谌业倪\(yùn)行效果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。
(4)試驗(yàn)溫度為34~36℃，COD容積負(fù)荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)時(shí)，單位反應(yīng)器容積的產(chǎn)氣率分別為0.90，1.40，1.00，1.90和2.10m3/(m3•d)，去除單位COD產(chǎn)生的氣體體積分布在0.29~0.33m3/kgCOD之間。（來源：深圳市清研環(huán)境科技有限公司深圳，深圳清華大學(xué)研究院，廣東省環(huán)境微生物資源開發(fā)與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心）
