二相厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)及影響因素研究

1、二相厭氧反應(yīng)器快速啟動(dòng)及影響因素研究1、問題的提出 國內(nèi)外對于高濃度有機(jī)廢水的處理，常常采用厭氧消化工藝，但厭氧消化工藝存在著處理效果差，管理復(fù)雜 ,基建投資大，特別是對于有毒廢水難以穩(wěn)定運(yùn)行等問題。近年來對于高濃度有機(jī)廢水的生物處理，致力于尋找新的既節(jié)能又高效的處理工藝，開發(fā)出各種新型厭氧消化工藝和設(shè)備。本次實(shí)驗(yàn)主要研究二相厭氧處理技術(shù)酸化反應(yīng)啟動(dòng)方法及啟動(dòng)的影響因素。2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中，我們采用二相厭氧反應(yīng)器（產(chǎn)酸反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器）的水力停留時(shí)間依靠進(jìn)入反應(yīng)器的廢水量來調(diào)節(jié)。有機(jī)物容積負(fù)荷的變化采用控制進(jìn)水COD濃度來調(diào)節(jié)。1 配水槽  2 循環(huán)泵

2、  3 蠕動(dòng)泵 4 產(chǎn)酸反應(yīng)器 5 中間穩(wěn)定槽 6 產(chǎn)甲烷反應(yīng)器  7 水封   8濕式氣體流量計(jì)   9出水                      圖1 實(shí)驗(yàn)工藝流程圖Fig1 Experiment technics process表1 實(shí)驗(yàn)裝置基本情況Table1 Basic Instance of Experiment

3、 Equipment參  數(shù)產(chǎn)酸反應(yīng)器（1#）產(chǎn)甲烷反應(yīng)器（2#）直徑（mm）50/100（反應(yīng)區(qū)/沉淀區(qū)）75/120（反應(yīng)區(qū)/沉淀區(qū)）高度（mm）13001300反應(yīng)區(qū)容積1.65  L3.2  L沉淀區(qū)容積1.35  L2.8  L反應(yīng)器總?cè)莘e3  L6  L反應(yīng)器型式普通厭氧反應(yīng)器UASB2.2實(shí)驗(yàn)水樣對廢水中污染物的成分分析，中成藥生產(chǎn)廢水中含有各種天然有機(jī)污染物，其主要成分有糖類、甙類、蒽醌、木質(zhì)素、生物堿、鞣質(zhì)、蛋白質(zhì)、色素及它們的水解產(chǎn)物。廢水中水質(zhì)水量變化系數(shù)較大，其中，CODcr最高可達(dá)20000mg/L

4、，BOD5最高可達(dá)8000mg/L。本次實(shí)驗(yàn)研究是以重慶太極集團(tuán)的中成藥兒康寧和急支糖漿的生產(chǎn)廢水為試樣，其污染物的含量見表2。表2   實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)表Table2  Experiment Water pollution concentration 序  號污 染 物平均含量備     注1CODcr（mg/L）2200最大值：63502BOD5（mg/L）976最大值：27803SS（mg/L）310最大值：7134NH3-N(mg/L）21  5TP （mg/L）15  6pH6 

5、 7色度（倍）200  2.3污泥接種及馴化2在進(jìn)行厭氧污泥的培養(yǎng)和馴化之前，首先需要對二相厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)酸反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，在確保氣密性良好的情況下進(jìn)行厭氧污泥的接種。厭氧活性污泥可以取自正在工作的厭氧反應(yīng)器或江河湖泊沼澤底部、下水道及污水集積腐臭處等厭氧環(huán)境中的污泥。本次實(shí)驗(yàn)污泥取自啤酒廠生產(chǎn)廢水厭氧處理消化池，接種污泥量為反應(yīng)器有效容積的30%。本次實(shí)驗(yàn)污泥接種比例較大，這樣有利于啟動(dòng)時(shí)間的縮短，同時(shí)接種污泥中所含微生物種類的比例也相對協(xié)調(diào)。在接種過程中，保持反應(yīng)器溫度處于27±2范圍內(nèi)，使微生物的增殖處于最佳的環(huán)境狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)接種的污泥是灰黑色的成熟

6、污泥，帶有輕微的焦油氣，無硫化氫臭，pH值在6.9。消化污泥培養(yǎng)正常時(shí)的指標(biāo)和參數(shù)見表2。表3 消化污泥培養(yǎng)正常時(shí)的指標(biāo)和參數(shù)Table3 Index Parameter of Digested Sludge in Gear Time項(xiàng)       目允許范圍最佳范圍pH6.47.86.57.5氧化還原電位ORP/mV-490-550-520-530揮發(fā)性VFA/（mg/l，以乙酸計(jì)）50250050500堿度ALK/（mg/l，以CaCO3計(jì)）1000500015003000VFA/ALK0.10.50.10.3沼氣中CH4含量（體

7、積比）/%>55>66沼氣中CO2含量（體積比）/%<40<352.3 二相厭氧反應(yīng)器相分離的方法3 41) 在酸化反應(yīng)器中通過某種條件對產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行選擇性的抑制，如適量投加 CCl4、CH3 、Cl2控制微量氧，調(diào)節(jié)氧化還原電位和pH值等。2) 對產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行滲析分離。3) 通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)來控制 ,如控制有機(jī)負(fù)荷、水力停留時(shí)間等。一般負(fù)荷越高產(chǎn)酸菌繁殖越快，有機(jī)酸濃度越高，對甲烷菌的抑制作用也越強(qiáng)，從而達(dá)到有效相分離的目的。控制有機(jī)負(fù)荷是一種最簡便、最有效的方法。本文在試驗(yàn)中，采用控制有機(jī)負(fù)荷參數(shù)和化學(xué)法投加CCl4，將反應(yīng)器控制在酸化階段。2.4 酸化程度的

8、判斷2    本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用酸化率來衡量二相厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)的狀況。在酸化反應(yīng)器中，對溶解性底物，一般容易降解，在短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到滿意的酸化，然后隨HRT的增加，酸化率增長緩慢，這時(shí)pH值很低，甲烷菌受到嚴(yán)重抑制，產(chǎn)酸菌己被充分利用，因此再增加HRT,有機(jī)酸也不會有太大的增加。但一般情況下總難免有甲烷菌生長繁殖，隨著HRT的增加 ,甲烷菌的活性逐漸恢復(fù)，使一部分有機(jī)酸得以降解，這時(shí)就會出現(xiàn)曲線中的虛線部分。我們可以認(rèn)為此時(shí) (tc)所對應(yīng)的酸化率為最大。對于非溶解性底物，由于水解速度相當(dāng)慢，相應(yīng)的酸化速率也慢，曲線比較平滑，同時(shí)一般反應(yīng)器的pH值較高，甲烷菌充

9、分，故酸化率也不太高。 從圖2中可以看出，由于實(shí)驗(yàn)廢水易于酸化，在很短的時(shí)間內(nèi)即可獲得很好的酸化效果。一定時(shí)間后R達(dá)到最大，我們稱此時(shí)為本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的臨界酸化時(shí)間（tc），在tc以后，隨著酸化時(shí)間的增長，R下降。這說明本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的進(jìn)水濃度還達(dá)不到超高負(fù)荷，產(chǎn)生的有機(jī)酸不能對甲烷菌產(chǎn)生嚴(yán)重抑制。所以隨著酸化時(shí)間的增長，甲烷菌的活性恢復(fù)，有機(jī)酸得以分解，致使R下降。這也證明了厭氧啟動(dòng)時(shí)我們采用高有機(jī)負(fù)荷加化學(xué)方法抑制甲烷菌的必要性。這一現(xiàn)象可以用Monod動(dòng)力學(xué)方程式解釋，即式中：-有機(jī)酸的轉(zhuǎn)化率；Vmax最大污泥比基質(zhì)降解速率（d-1）；X污泥濃度（VSS表示，mg/l）；S有機(jī)物量（以COD

10、表示，mg/l）；KS常數(shù)。從上式中可以看出，當(dāng)酸化達(dá)到最大程度時(shí)，有機(jī)負(fù)荷已經(jīng)很高，此時(shí)有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸的量不再取決于進(jìn)入反應(yīng)器的有機(jī)物量，而只與反應(yīng)器內(nèi)的生物量（即污泥量）有關(guān)。3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1 啟動(dòng)期COD及COD去除率的變化在厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)階段，我們對二相厭氧反應(yīng)器中產(chǎn)酸反應(yīng)器的進(jìn)出水和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的出水的COD、pH和VFA進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測（頻率為每天一次），以觀察反應(yīng)器的啟動(dòng)狀況。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在110天，微生物處于適應(yīng)階段，其產(chǎn)酸反應(yīng)器COD的平均去除率為16.45%左右，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器COD的平均去除率為31.78%，二相厭氧反應(yīng)器COD的平均去除率約為43.0%。在1

11、123天，微生物處于恢復(fù)階段，其產(chǎn)酸反應(yīng)器COD的平均去除率為30.03%左右，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器COD的平均去除率為31.57%，二相厭氧反應(yīng)器COD的平均去除率約為52.12%。出水COD值趨于穩(wěn)定。在2430天，微生物處于穩(wěn)定增殖階段，其產(chǎn)酸反應(yīng)器COD的平均去除率為40.0%左右，產(chǎn)甲烷反應(yīng)器COD的平均去除率為35.56%，二相厭氧反應(yīng)器COD的平均去除率約為61.30%。出水COD值基本穩(wěn)定。4、影響因素討論4.1溫度對厭氧酸化啟動(dòng)過程的影響本文進(jìn)行了溫度為 2 5和 3 5下的相同內(nèi)容試驗(yàn)，試驗(yàn)表明 2 5和 3 5時(shí)兩者酸化率相差很小 (圖5)。從圖5可以看出 ,低溫時(shí)產(chǎn)酸菌的活性有

12、所降低，但仍能維持較高的酸化率。說明溫度對產(chǎn)酸菌的影響不如對甲烷菌那么明顯，對整個(gè)酸化過程影響不大。因此 ,生產(chǎn)上在常溫下進(jìn)行厭氧酸化處理是可行的。4.2 p H值對酸化反應(yīng)器啟動(dòng)的影響Zottemeyer R. J.認(rèn)為溫度在 3 0時(shí)5，pH值控制在 6.0左右時(shí)酸化過程的負(fù)荷最高，效果最好。但他的實(shí)驗(yàn)是在完全混合反應(yīng)器中進(jìn)行的，并不斷加NaOH進(jìn)行pH調(diào)節(jié)。本文試驗(yàn)沒有進(jìn)行 pH的人工調(diào)節(jié)，由于隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，廢水的不斷酸化，pH自然要降低。而且發(fā)現(xiàn)厭氧酸化可以在很低的 pH條件下進(jìn)行，即使 pH值在 4.5左右，產(chǎn)酸菌仍有相當(dāng)?shù)幕钚?，說明產(chǎn)酸菌的 pH值適應(yīng)范圍較寬。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，宜將 pH值控制在5.06.5范圍內(nèi)。4.3 有機(jī)負(fù)荷的控制對酸化反應(yīng)器的啟動(dòng)的影響在實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)階段，我們采用較低的初始負(fù)荷