强制循环厌氧反应器的启动特征

杜冬云，方 炯，王 颂

(中南民族大学化学与材料科学学院，武汉430074)

内循环厌氧反应器(IC反应器)是基于UASB反应器基础上而发展起来的一种较为先进的厌氧处理技术［1］，反应器高径比大(达 4 ～8m)［2］，耐冲击负荷能力强，启动周期短，占地面积小，处理效果高［3］，常应用于高浓度的有机工业废水的处理［4］.它作为一种新型超高效厌氧反应器，为解决停留时间长，有机负荷率低，反应器容积大及投资高等问题提供了有效途径［5-7］.但IC反应器的设计、启动规律处于高度保密状态，同时IC反应器还存在诸多缺陷，如结构复杂，维护困难，进水需预处理，出水需后处理，以及在处理低浓度有机废水启动初期，产气量小而不能达到有效传质作用等［8，9］.

为了有效地处理中低浓度有机废水，本文提出了强制循环厌氧反应器(FCR)的概念，它采用可调节流量的附加水外循环系统将第Ⅰ、Ⅱ级反应区和沉淀区的水流打回第Ⅰ级反应室，强制驱动内循环，有别于已报道的强制附加气或附加动力内循环厌氧反应器［9-11］.试验主要研究FCR第1次启动过程，即从配水(按一定比例配制的印染废水和面粉水的混合液)始至连续处理印染废水为结束，其化学需氧量(COD)、出水挥发性脂肪酸(VFA)、pH及污泥的变化特征，验证其处理印染废水的可行性，并与荷兰IC反应器简单对比，为FCR技术的应用提供理论基础.

1 试验部分

1.1 试验装置

强制循环厌氧反应器由钢板制成，有效容积16.8 m3，总高 9.7m，沿柱高每隔 1.2m 距离设置 5个取样口.装置见图1.

图1 强制循环厌氧反应器结构图Fig.1 Structure diagram of FCR

1.2 试验用水

FCR进水前期为模拟面粉废水与印染废水的混合配水，并加入适量营养元素(见表1).后期为湖北省某印染厂的污水.该站污水处理设计能力为3.0×103m3/d，其中废水主要为全棉、涤棉、棉混纺产品的染色废水.

表1 配水中微量元素的组分及含量Tab.1 Composition and content of trace elements in themixed water

1.3 污泥的接种和称重

本次实验接种的污泥为湖北省仙桃市某印染厂污水处理站厌氧水解酸化池中的厌氧污泥(已经过模拟面粉配水阶段的培养)，污泥取自1#取样口处的污泥.用量筒取10mL污泥转移至坩埚内，烘箱内105℃下烘干至恒重，冷却后称量，再放入马弗炉中600℃煅烧至恒重，冷却至室温称量，计算2次恒重的差值，测得该污泥的混合液悬浮固体浓度(mixed liquor suspended solids，MLSS)为 17.0g/L，混合液挥发性悬浮固体浓度(mixed liquor volatile suspended solids，MLVSS)为15.5g/L.

1.4 分析方法与计算公式

COD:重铬酸钾氧化法;pH:酸度计法;温度:温度计法;MLSS和MLVSS:重量法;VFA:滴定分析法.分析方法参照水和废水监测分析方法［12］.

容积负荷q=(S1－S2)×Q/V，S1、S2为进出水COD浓度(kg/m3)，Q为废水流量(m3/d)，V为反应器有效容积(m3).水力停留时间HRT=V/Q，V为反应器有效容积(m3)，Q为废水流量(m3/d).

2 结果与讨论

2.1 FCR进出水COD的变化

反应器的启动运行以0.4m3/h进水流量按配水(1～16d)和印染废水(17～25d)2个阶段进行，共25d，运行结果见表2和图2.如表2所示，配水阶段中印染废水体积占比依17%，33%，50%，67%，83%，100%递增，并经适当的稀释，使其与前期的模拟面粉水培养阶段COD(COD≈600 mg/L)相同.经16d运行，印染废水完全取代模拟面粉水.当溶解性化学需氧量(S-COD)去除率至59.9%时，停止稀释印染废水，使悬浮性化学需氧量(T-COD)浓度约为1995mg/L;当反应器S-COD去除率达79.4%，进入印染废水运行阶段.由图2可见，进水T－COD浓度为 1481.8～1789.2mg/L，其 S－COD 去除率为35.7% ～61.4%，最后出水 S－COD停留在约58%，含量不超过700 mg/L，说明反应器第一次启动结束，可以进入稳定运行阶段.参照1.4公式，反应器最佳状态时的容积负荷q为0.6 kg·COD/(m3·d)，水力停留时间HRT为42 h时，出水S－COD去除率可达61.4%.

表2 混合配水阶段化学需氧量的变化Tab.2 The change of COD in mixed water stage

图2 印染废水运行阶段COD的时间变化图Fig.2 Time-COD change curves of textile dye wastewater in operation stage

2.2 出水VFA的变化

VFA是厌氧消化过程中重要的中间产物，产甲烷菌主要利用VFA形成甲烷，但VFA积累过多会造成反应器运行状况恶化.FCR在厌氧状态下运行时其出水VFA随时间的变化见图3.

图3 出水VFA和pH的时间变化图Fig.3 Time-VFA and pH change curves in effluent

由图3可见，由于有机负荷的提高使产甲烷菌的生长环境改变，活性降低，水解酸化产物不能及时分解，运行中期VFA升高、pH降低，但FCR最后出水VFA控制约在350mg/L，说明FCR较一般厌氧系统抗冲击负荷能力强，前期模拟面粉水培养阶段出现酸化后，经配水阶段能恢复正常.出水pH大体随VFA的增高而降低，故在以后工程运行中，可用出水pH间接判断反应器是否运行正常.

2.3 pH和出水温度的变化

pH值和温度影响微生物生长和活性，故微生物对pH值和温度有一个适应范围，对其波动十分敏感.一般来说，反应器pH值在6.5～7.8，温度32～37℃比较适宜.试验测得反应器pH值和出水温度随时间变化结果见图4.由图4可知，出水pH约在6.8 ～7.8，温度 14 ～31.5℃(无外加加热系统).温度波动较大，难控制，在一定程度上抑制了厌氧菌的活性，制约了该反应器的处理效果.

2.4 MLVSS的变化

图4 出水温度和pH时间的变化图Fig.4 Time-pH and temperature chang cuvers in effluent

MLVSS代表活性微生物量，它反映FCR连续处理印染废水时，反应器里微生物变化情况.图5为污泥指标MLVSS随时间的变化图.由图5可见，在整个实验期间，反应器中的MLVSS值呈下降趋势.在0 ～6 d，MLVSS由约15.5mg/L 降至1.5mg/L;在6～12d，MLVSS 又升至 1.7 mg/L;在 12 ～24d，MLVSS保持在约0.9mg/L.MLVSS下降的主要原因是厌氧菌在生长于环境比较理想的模拟面粉水的培养下增殖到一个极大值，当遇到印染废水时，其中有毒有害物质抑制了厌氧菌的生长，且在无外加泥源时，污泥中较轻的絮状污泥随水流失，使反应器中的污泥流失大于厌氧污泥的增长.

图5 MLVSS时间变化图Fig.5 Time-MLVSS change diagram

2.5 两种IC反应器处理印染废水的对比

IC厌氧反应器最早用于土豆加工废水处理［13］，在处理印染废水报道很少.为判断其处理印染废水效果，将本试验的FCR与荷兰某厂IC反应器［14］相比，结果见表3.由表3可知，FCR在进水流量为0.4～4m3/h，T-COD 浓度为 1481.8 ～ 1789.2mg/L，pH为9～12时处理效果较荷兰大尺寸IC反应器(进水流量为3.2～15 m3/h，COD 浓度为2500～7500mg/L，pH 为6.0～7.8)要好，说明中小尺寸的 FCR 在处理低浓度，低有机负荷，高pH的印染废水表现出一定耐受力和较好的去除率.

表3 FCR和IC反应器处理印染废水的运行结果比较Tab.3 Comparision of the operation results of FCR and IC reactor processing printing and dyeing wastewater

3 结语

通过FCR对混合配水，印染废水两阶段的运行，考察了进出水 COD、出水 VFA、温度、pH和MLVSS的变化，结合现场中试验证了FCR处理印染废水的可行性.结果表明:FCR反应器连续运行25d后，对印染废水COD去除率约维持在58%，VFA保持在较低水平.说明本反应器较一般IC反应器处理中高浓度印染废水去除率高，较一般厌氧系统运行时抗冲击负荷能力更强.

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