生产性内循环（IC）厌氧反应器的启动过程试验

侯玉洁，曾 科

（1.郑州大学国际学院，河南郑州 450052；2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州 450002）

内循环（internal circulation，IC）厌氧反应器是荷兰PAQUES公司于20世纪80年代中期开发的第3代新型高效的厌氧反应器[1]。PAQUES公司于1985年初建成了第1个IC中试反应器,处理高浓度的土豆加工废水[2]。1988年，第一座生产性规模的IC反应器投入运行[3]。近些年，IC反应器在我国厌氧处理多种废水的实践中相继得到了应用[4－9]，但大多是直接进口荷兰PAQUES公司的设备,价格较为昂贵[10]。本试验采用国内自行设计的钢混结构IC反应器处理大豆蛋白废水并对IC反应器的启动过程进行研究。

1 废水的水质和来源

大豆蛋白生产过程中污水产生主要在水洗阶段，此阶段废水呈酸性而且水量较大；还有碱液萃取的几个阶段和灭菌阶段，这几个阶段的废水呈碱性。大豆蛋白废水有以下几个特性：颜色呈乳白色；含较多细小悬移物，易沉降；废水成分单一，有机物浓度高，废水中主要含多聚糖，易酸化，且已酸化程度较高；正常混合废水无微生物代谢毒性；易生化处理[11]。

本试验用水采用某厂大豆蛋白废水。该厂污水处理工程处理规模为 4 800 m3/d，平均为 200 m3/h。其水质特点如表1所示。

表1 进水水质表Tab.1 Quality of Influent

2 工艺流程及IC反应器的设计尺寸

该工程采用IC反应器为主体的工艺流程[12]，如图1所示。

图1 大豆蛋白废水处理工艺流程Fig.1 Flow Chart of Soybean Protein Wastewater Treatment

主体工艺采用8组钢混结构的IC反应器。反应器高13.5 m、底边长8.4 m、有效容积为953 m3。IC反应器由污泥床反应区、精细处理区、布水器、三相分离器、升流管、回流管和气液分离器等组成。池体沿高度方向设有6个取样口，分别为1#、2#、3#、4#、5#、6#取样管，各取样口距池底依次为0.75、2.5、4.25、6、8、10 m。IC 反应器[13]结构如图 2 所示。

图2 IC反应器结构示意图Fig.2 Structure Diagram of IC Reactor

3 IC反应器的接种污泥

8组IC反应器分别采用不同类型的种泥。其中，接种的厌氧颗粒污泥浓度为50 000 mg/L左右；郑州杜邦大豆蛋白污水处理厂的脱水污泥和漯河市污水处理厂脱水污泥含水率均为80%。接种污泥后，反应器的污泥浓度如表2所示。

表2 接种污泥的量和种类Tab.2 Quantity and Types of Inoculation Sludge

接种的厌氧颗粒污泥颜色为黑色、较暗、光滑、有弹性，颗粒粒径为2 mm左右，VSS/SS约80%；郑州杜邦大豆蛋白污水处理厂的脱水污泥颜色为黑色、发亮、活性较高，VSS/SS为70%左右；漯河市污水处理厂的脱水污泥外观亦为黑色、颜色较暗，污泥活性较低VSS/SS为60%左右。8组反应器投入污泥的时间也有所不同，1号反应器在进水前2 d投入颗粒污泥350 m3，投泥后立即开始进水；2、3、4、5号反应器在进水前7 d投入漯河市污水处理厂脱水污泥67.5 m3，进水后第12 d投入郑州杜邦大豆蛋白污水处理厂脱水污泥9 m3，进水后第25 d又投入郑州杜邦大豆蛋白污水处理厂的脱水污泥18 m3；6、7、8号反应器是在进水前5 d投入漯河市污水处理厂脱水污泥55 m3，进水前1 d投入厌氧颗粒污泥50 m3，启动第7 d投入郑州杜邦大豆蛋白污水处理厂脱水污泥30 m3。

4 IC反应器的启动过程及处理效果

因2号、3号、4号、5号反应器启动条件相同；6号、7号、8号反应器启动条件相同；故选取1号、5号、7号反应器为研究对象，研究这3组IC反应器的启动过程。

4.1 1号反应器的启动过程

1号反应器启动共计136 d。由图3可知1号反应器迅速提高进水负荷至4 kgCOD/m3·d后，各项出水指标都很正常。由于生产车间处于调试阶段，31～67 d 进水负荷极不稳定，Nv=1.6～6.9 kgCOD/m3·d，反应器出现酸化现象。分析认为产酸菌比产甲烷菌代谢速度快，进水负荷突然升高时产甲烷菌不能完全代谢掉产酸菌的产物，造成酸积累，引起出水pH值降低[14]。立即采取如下措施：1号反应器立即停止进水，迅速将1号反应器已经酸化的污水排出并加入清水稀释，再向提升加药间投入大量碱片保证进水pH值中性。7 d后逐步恢复进水，1号反应器仍然能够继续稳定运行并很快达到设计负荷6.75 kgCOD/m3·d。1号反应器采用颗粒污泥接种，反应器中污泥浓度MLSS变化不大，开始时为 17 500 mg/L，结束时为 17 280 mg/L；而污泥活性VSS/SS由80%增加至87.55%，颗粒污泥在启动结束时较启动开始时更黑，更亮且用手捏时更具有弹性，外观如图4所示。

图3 1号反应器的启动过程Fig.3 Start－up Process of Reactor No.1

图4 1号IC反应器颗粒污泥的外观图Fig.4 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.1

4.2 5号反应器的启动过程

5号反应器启动共计187 d，启动过程可分为三阶段，如图 5所示。1～56 d，容积负荷 Nv＜2 kg COD/m3·d，出水各项指标逐渐稳定。接种污泥逐步适应大豆蛋白废水水质，并且形成0.5 mm左右的颗粒污泥。56～126 d，容积负荷 Nv=2～3 kgCOD/m3·d，出水VFA＜300 mg/L，pH 值＞6.5，COD 去除率稳定在 96%以上。此阶段是絮状污泥到颗粒污泥的转化过程，形成粒径是1 mm左右的颗粒污泥。该阶段既要防止污泥流失，又要保证进水负荷能够满足颗粒污泥的生长。127～187 d，进水负荷Nv=3～5 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，pH 值在 7 左右，COD 去除率也在95%以上。

5号反应器采用的是絮状脱水污泥接种，颜色为黑色，粒径在0.3 mm以下，启动结束时形成了粒径为2 mm的颗粒污泥，如图6所示。接种时反应器内污泥浓度（MLSS）为18 900 mg/L，启动结束时MLSS减少至13 550 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.82%增加至73.43%。5号IC反应器未能达到设计负荷，分析原因是絮状污泥种泥分批投入5号反应器，投泥时间长导致部分种泥失去活性，投泥量少导致形成的颗粒污泥的浓度不够，故未达到设计负荷。

4.3 7号反应器的启动过程

7号反应器启动共计187 d。启动过程分为四个阶段，启动过程如图7所示。1～17 d是种泥的适应阶段，进水负荷达到1 kgCOD/m3·d，出水VFA从773 mg/L降至 200 mg/L 以下，COD 去除率增至90%。17～127 d，进水负荷稳定期。进水负荷Nv=2～3 kgCOD/m3·d，尽管进水pH值变化很大在3.4～8.1，出水pH值均在6.5以上，出水VFA＜350 mg/L。该阶段是絮状污泥向颗粒污泥转化的关键时期，要控制絮状泥的淘汰速度，确保厌氧出水的SV＜3 %,注意防止污泥流失。128～173 d，进水负荷Nv=3～5.6 kgCOD/m3·d，出水 VFA＜300 mg/L，出水 pH 值在 7左右，COD去除率在95%以上。该阶段反应器内絮状污泥完成了颗粒化，大部分絮状污泥被淘汰。174～187 d，进水负荷 Nv＞6.5 kgCOD /m3·d，出水各项指标均正常。

图5 5号反应器的启动过程Fig.5 Start－up Process of Reactor No.5

图6 5号IC反应器内颗粒污泥的外观图Fig.6 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.5

7号反应器采用的是絮状脱水污泥以及部分颗粒污泥接种，颜色为黑色，絮状污泥粒径小于0.3 mm而颗粒污泥粒径在1～2 mm，启动结束时形成2 mm左右的颗粒污泥，如图8所示。启动开始时反应器内污泥浓度（MLSS）为 19 500 mg/L，启动结束时MLSS减少至16 940 mg/L，而污泥活性VSS/SS由65.63%增加至80.67%。7号反应器最终形成的颗粒污泥较5号多。原因如下：第一，接种的污泥中含有部分颗粒污泥，可以起到核的作用，更容易使絮状污泥转化成颗粒污泥；第二，7号反应器进水负荷较5号大。在一定的细胞产率下，较高的有机负荷会产生更多的颗粒污泥，这是高负荷下污泥保留量高的重要原因。最终7号IC反应器达到设计负荷6.5 kgCOD/m3·d，可见反应器内颗粒污泥的浓度的大小是反应器启动成功与否的关键。

图7 7号IC反应器启动过程Fig.7 Start－up Process of Reactor No.7

图8 7号IC反应器内颗粒污泥的外观图Fig.8 Granular Sludge Appearance Diagram of Reactor No.7

5 小结

（1）在处理高浓度的大豆蛋白废水时，IC反应器能够顺利完成启动过程。采用颗粒污泥接种的1号反应器启动时间为136 d，而采用絮状污泥接种的5号、7号反应器启动时间为187 d。

（2）在启动完成后，1号、7号IC反应器均能达到设计负荷6.5 kgCOD/m3·d。5号IC反应器的进水负荷只能达到5 kgCOD/m3·d，原因是投入5号反应器絮状污泥时间太长，部分种泥失去活性，投泥量少导致最终形成的颗粒污泥的浓度不够，因而未能达到设计负荷。可见，反应器内颗粒污泥的浓度的大小是反应器启动成功与否的关键。

（3）1号IC反应器在进水负荷变化1.5～6.9 kgCOD/m3·d情况下出现了酸化现象。采取相应的措施后顺利完成了启动过程，这说明采用颗粒污泥接种的IC反应器耐冲击负荷能力较大。

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