分段组合式厌氧反应器预警性能

季军远，郑平，张吉强，陆慧锋

浙江大学环境工程系，杭州 310058

厌氧消化技术具有无需供氧、产生沼气、减排污泥等诸多优点[1-5]，已在环境和能源工程中广泛应用。厌氧反应器是厌氧消化技术的核心载体，高效厌氧反应器的研发推动了厌氧消化技术的发展[6]。若以工程上已实现的最高容积有机负荷 (OLR) 为标准，可将OLR大于40 kg COD/(m3·d) 的厌氧反应器称为超高效厌氧反应器，超高效厌氧反应器的研发将进一步推动厌氧消化技术的发展。

厌氧消化技术为混菌发酵技术，其对有机物的转化过程主要由水解产酸菌群、产氢产乙酸菌群、产甲烷菌群协作完成[7-9]。各菌群的生长和代谢性能不同，转化过程容易失衡。高效厌氧反应器在高速度下运行，需要高反应推动力，各反应物 (包括中间产物——挥发性有机酸 (VFA)) 浓度较高。但是，VFA具有生物毒性并可降低反应液pH，一旦超过临界浓度，可强烈抑制厌氧消化过程中的产甲烷作用而引发反应系统酸败。

在高效厌氧反应器运行过程中，厌氧消化性状和效能呈现规律性变化，探明厌氧反应器性状与效能之间的关系，可为厌氧反应器工况提供早期预警，从而保证厌氧反应器的高效稳定运行。本文研究了自主研发的分段组合式厌氧反应器 (Compartmentalized anaerobic reactor，CAR) 的预警性能。

1 材料与方法

1.1 模拟废水

本研究采用模拟废水，其组成成分为蔗糖、乙醇、NH4Cl、NaHCO3、营养液、微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ (表1) 等物质[10]，微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ加入量均为1 mL/L，NaHCO3加入量根据出水pH值调节。

1.2 接种污泥

接种颗粒污泥取自浙江某造纸厂的 IC厌氧反应器，SS为51.0 g/L，VSS为40.3 g/L，VSS/SS为0.72。

1.3 试验系统

本研究所采用的试验系统如图1所示，厌氧反应器呈圆柱状，内径为5 cm，高度为120 cm，反应区容积2 L。反应器由布水区、反应区和三相分离区组成。反应区各段之间以分隔板隔开，但以分隔板上的连通管沟通。反应区各段产生的沼气分别收集，均接入三相分离区上部的气室内，通过气室集中外排。反应器工作温度为 (30±1) ℃。

1.4 分析项目及方法

COD：重铬酸钾法[11]；SS、VSS：重量法[11]；pH：玻璃电极法；挥发性脂肪酸：比色法[12]；气体流量：BSD 0.5型湿式气体流量计测定法。

2 结果与分析

2.1 厌氧反应器的运行性能

2.1.1 常效厌氧反应器的运行性能

在常效反应器运行过程中，设定初始水力停留时间 (HRT) 为7 h，初始进水COD浓度为(2 886±187) mg/L。保持HRT恒定，以等步幅增加进水COD浓度的方式逐步提高反应器容积负荷，运行结果见图2~4。由图可知，进水COD浓度由(2 886±187) mg/L增至 (11 595±373) mg/L时，反应器容积负荷由 (9.90±0.58) g COD/(L·d) 增至(39.75±1.28) gCOD/(L·d)，容积去除率由 (9.52± 0.58) g COD/(L·d) 增至 (39.12±1.24) g COD/(L·d)，容积产气率由 (4.87±0.18) L/(L·d) 增至 (19.02± 0.62) L/(L·d)；出水COD浓度由 (111±26) mg/L增至(184±39) mg/L，COD去除率由 (96.18±0.77)%升至(98.41±0.32)%，出水 COD浓度低于其他厌氧反应器处理同类废水的文献报道值[13-14]；出水VFA浓度由 (38.57±2.25) mg/L升至 (70.89±8.51) mg/L，出水VFA浓度低于临界抑制浓度[15]；出水pH保持在7.51左右，适宜厌氧消化作用。

表1 营养液的物质组成[10]Table 1 Composition of nutrient solution

图1 分段组合式厌氧反应器系统Fig. 1 Schematic diagram of CAR. 1: influent tank; 2: peristaltic pump; 3: recirculation pump; 4: anaerobic reactor; 5: biogas; 6: effluent tank; 7: wet gas meter; 8,9,10: sampling portsⅠ, Ⅱ, Ⅲ , respectively.

COD是有机物数量的度量指标，COD浓度可以指示反应系统对有机物的去除状况；VFA是厌氧消化过程的中间产物，VFA浓度可以指示反应系统中VFA的产生和转化状况；以出水COD和VFA浓度作为指标，可以评估厌氧反应器的运行工况。常效运行过程中CAR的稳定性评估结果见表2。从相对标准偏差看，出水COD浓度 (平均相对标准偏差为24.57%) 和出水 VFA浓度 (平均相对标准偏差为23.03%) 基本上与进水 COD浓度 (平均相对标准偏差为 23.92%) 的增幅同步，但相对于进水 COD浓度的大幅提升 (最大标准偏差为1 875.38 mg/L)，出水COD浓度和出水VFA浓度的变幅较小 (最大标准偏差分别为36.70和15.62 mg/L)，表明在常效运行过程中CAR具有良好的稳定性。

图2 常效运行过程中的容积负荷、容积去除率和容积产气率Fig. 2 Organic loading rate, volumetric COD removal rate and volumetric gas production at common loading rate.

图3 常效运行过程中的进出水COD浓度及COD去除率Fig. 3 Influent and effluent COD concentration and COD removal efficiency at common loading rate.

图4 常效运行过程中的出水pH与挥发性脂肪酸浓度Fig. 4 Effluent pH and volatile fatty acids (VFA) concentration at common loading rate.

表2 基质浓度波动对常效厌氧反应器稳定性的影响Table 2 Effect of substrate concentration fluctuation on performance stability at common loading rate

2.1.2 高效厌氧反应器的运行性能

在反应器达到高效 OLR标准(OLR= 40 g COD/(L·d)) 后，仍保持HRT恒定，继续以增加进水 COD浓度方式提高容积负荷，运行结果见图5~7。由图可知，进水COD浓度由 (11 595±373) mg/L提升至 (29 300±200) mg/L，容积负荷由 (39.75± 1.28) g COD/(L·d) 增至 (100.46±0.69) g COD/(L·d)，容积去除率由 (39.12±1.24) g COD/(L·d) 增至最大容积去除率 (84.35±1.58) g COD/(L·d)，容积产气率由 (19.02±0.62) L/(L·d) 增至最大产气率 (57.00± 0.56) L/(L·d)；出水COD浓度由 (184±39) mg/L增至 (4 700±342) mg/L， COD 去 除 率 则 由(98.41±0.32)%降至 (83.96±1.22)%；出水VFA浓度由 (70.89±8.51) mg/L增至 (3 323.71±330.24) mg/L，出水 pH 由 (8.14±0.07) 降至 (7.65±0.05)。进水COD浓度进一步提升至 (32 367±252) mg/L时，尽管容积负荷增至 (110.97±0.86) g COD/(L·d)，但容积去除率降至 (82.19±2.16) g COD/(L·d)，容积产气率降至 (56.47±0.66) L/(L·d)；出水COD浓度剧增至(8 393±479) mg/L，COD去除率降至 (74.06±1.58)%；出水VFA浓度跃升至 (6 304.18±231.78) mg/L，出水pH降至 (7.16±0.15)。

图5 高效运行过程中的容积负荷、容积去除率和容积产气率Fig. 5 Volumetric loading rate, volumetric COD removal rate and volumetric gas production at high loading rate.

图6 高效运行过程中的进出水COD浓度及COD去除率Fig. 6 Influent and effluent COD concentration and COD removal efficiency at high loading rate.

图7 高效运行过程中的出水pH与挥发性脂肪酸浓度Fig. 7 Effluent pH and VFA concentration at high loading rate.

高效运行过程中CAR的稳定性评估结果见表3。从相对标准偏差对比可知，出水COD浓度 (平均相对标准偏差为32.95%) 和出水VFA浓度 (平均相对标准偏差为40.46%) 的波动幅度大大高于进水COD浓度 (平均相对标准偏差为8.08%) 的提升幅度。相对进水COD浓度的提升 (标准偏差1 347.14~1 745.51 mg/L)，出水COD浓度和出水VFA浓度的变幅较大 (标准偏差分别为 48.83~ 1 986.87 mg/L和21.07~1 634.01 mg/L)。这组结果表明高效运行过程中CAR的稳定性减弱。

2.2 厌氧反应器的预警性

2.2.1 厌氧反应器的负荷饱和度

进水浓度和进水流速 (或 HRT) 是厌氧反应器的常用操作参数，两者的联合效应可用容积负荷反映。容积去除率和容积产气率是厌氧反应器的主要效能指标，反应器的综合效能可用这两个效能指标表征。建立厌氧反应器容积负荷与容积效能之间的关系，可为厌氧反应过程提供预警。厌氧反应器容积负荷与容积去除率和容积产气率的关系见图 8。当容积负荷达 (100.46±0.69) g COD/(L·d) 时，容积去除率和容积产气率达最高值，分别为 (84.35± 1.58) g COD/(L·d) 与 (57.00±0.56) L/(L·d)。以最大容积去除率和最大容积产气率作为效能指标，可根据图8关系曲线确定厌氧反应器的最大容积负荷。

若以承担容积负荷 (VLR) 与最大容积负荷(VLRm) 之比来定义容积负荷饱和度 (SVLR)，则可将SVLR小于1、等于1和大于1的工况分别称为常负荷、满负荷和超负荷工况。容积负荷饱和度与容积效能的关系如图 9所示。当容积负荷饱和度为0.1≤SVLR＜1时，容积去除率和容积产气率逐渐提高；容积负荷饱和度为SVLR=1时，容积去除率和容积产气率达到最大；容积负荷饱和度为SVLR＞1时，容积去除率和容积产气率降低。容积负荷饱和度与COD去除率和出水COD浓度的关系如图10所示。容积负荷饱和度为0.1≤SVLR≤0.7时，COD去除率相对稳定，出水COD浓度小幅度增高；容积负荷饱和度为0.7＜SVLR≤0.89时，COD去除率小幅降低，出水COD增幅变大；容积负荷饱和度为0.89＜SVLR≤1时，COD去除率大幅降低，出水COD浓度大幅升高；容积负荷饱和度为SVLR＞1时，COD去除率急剧降低，出水COD浓度急剧升高。

表3 基质浓度波动对高效厌氧反应器稳定性的影响Table 3 Effect of substrate concentration fluctuation on performance stability at high loading rate

图8 容积去除率、容积产气率与容积负荷关系Fig. 8 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and volumetric loading rate.

图9 容积去除率、容积产气率与容积负荷饱和度关系Fig. 9 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and saturation of volumetric loading rate (SVLR).

图10 出水COD浓度、COD去除率与容积负荷饱和度关系Fig. 10 Relationship between effluent COD concentration, COD removal efficiency and saturation of volumetric loading rate (SVLR).

2.2.2 厌氧反应器的VFA饱和度

VFA是厌氧消化过程的中间产物，提高VFA浓度可以加速中间产物的转化速度，但是VFA具有生物毒性，高VFA浓度又会抑制厌氧消化菌的代谢活性。若以最大容积去除率和容积产气率作为效能指标，可确定厌氧反应器的最大允许VFA浓度。若以瞬时 VFA浓度 (VFA) 与最大允许 VFA浓度(VFAm) 之比来定义 VFA饱和度 (SVFA)，则可用VFA饱和度指示常负荷、满负荷和超负荷时的反应器工况特征。VFA饱和度与容积效能的关系如图11所示。当VFA饱和度＜1时，容积去除率和容积产气率逐渐提高；VFA饱和度为1时，容积去除率和容积产气率达到最大；VFA饱和度超过1时，容积去除率和容积产气率降低。VFA饱和度与COD去除率和出水COD浓度的关系如图12所示。当VFA饱和度0.01≤SVFA＜0.03时，COD去除率相对稳定，出水 COD浓度小幅增高；VFA饱和度 0.03≤SVFA＜0.40时，COD去除率略有降低，但出水COD浓度增幅较大；VFA饱和度 0.40≤SVFA＜1时，COD去除率大幅降低，出水 COD浓度成倍增加；VFA饱和度SVFA≥1时，COD去除率急剧降低，出水COD浓度急剧升高，反应器功能失稳。

图11 容积去除率、容积产气率与挥发性脂肪酸饱和度关系Fig. 11 Relationship between volumetric COD removal rate, volumetric gas production and VFA saturation (SVFA).

图12 出水COD浓度、COD去除率与挥发性脂肪酸饱和度关系Fig. 12 Relationship between effluent COD concentration, COD removal efficiency and VFA saturation (SVFA).

3 结论

分段组合式厌氧反应器高效运行稳定性低于常效运行稳定性。在常效工况下，进水COD浓度的提升 (平均相对标准偏差为 23.92%) 基本上与出水COD浓度 (平均相对标准偏差为 24.57%) 和出水VFA浓度 (平均相对标准偏差为23.03%) 的增大同步，而在高效工况下，进水 COD浓度的小幅提升(平均相对标准偏差为 8.08%) 可引起进出水 COD浓度 (平均相对标准偏差为 32.95%) 和出水 VFA浓度 (平均相对标准偏差为40.46%) 的大幅增加。

高效厌氧反应器的负荷饱和度和VFA饱和度具有预警性。容积负荷饱和度和VFA饱和度分别低于0.89与 0.40时 (即常负荷工况)，反应运行性能稳定；容积负荷饱和度和VFA饱和度趋近1时 (即满负荷工况)，反应运行性能波动增大；容积负荷饱和度和VFA饱和度超过1时 (即超负荷工况)，反应运行性能恶化。

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