IC 反应器处理低浓度有机废水试验参数相关性研究

李海华，邢 静，李孝明，刘 飞，张建华，王焕成

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2.河南省工程咨询中心，河南 郑州 450008;3.河南省南天种畜有限公司，河南 汝南 463300)

低浓度有机废水主要来源包括农业面源污染［1－2］、生活污水、食品废水等.目前对低浓度有机废水的厌氧处理工艺的研究还较少.内循环(Internal Circulation，IC)厌氧反应器是80 年代中期荷兰PAQUES 公司研究开发成功的第三代超高效厌氧反应器，1986 年以后该公司迅速把此项技术应用到生产中［3－5］.IC 反应器的主要特点是反应器内部能够形成液体内循环，加强了有机物与颗粒污泥的传质过程，从而反应器的处理能力得到了提高［6－8］，其还具有容积负荷率高、处理容积大、投资少、占地面积小、启动快等优点［9－11］.但是，对于IC 反应器的研究还主要集中在中、高浓度及易降解有机废水的处理上，对低浓度有机废水的研究还仅仅停留在理论研究阶段［12－19］.笔者主要针对IC 反应器处理低浓度有机废水过程中pH 值、VFA 和碱度的相关性进行了试验研究.

1 试验材料、装置与方法

1.1 试验材料

IC 反应器、曝气池、滤网、潜污泵、污水箱、蠕动泵、沉淀池、调节池、污泥回流泵.

1.2 试验装置

IC 反应器装置如图1 所示.

图1 IC 反应器的构造

反应器采用有机玻璃制造，其直径为15 cm、高为130 cm、有效容积为17.6 L.整个反应器内被分隔成上、下两个反应区，每个反应区的高度相同，每个反应区均有采样口.试验所取污水为华北水利水电大学学生6 号宿舍楼生活污水.试验工艺流程如图2 所示.

图2 试验流程

1.3 IC 反应器的启动

反应器启动的试验用水采用人工合成葡萄糖水，同时投加尿素、(NH4)CO3、KH2PO4，满足营养比例为200∶5∶1，采用NaHCO3调节进水pH.其人工配水成分见表1.

表1 IC 反应器处理人工配水成分表

图3 进、出水pH 值随采样时间的变化曲线

接种的厌氧污泥取自河南省奥克啤酒厂厌氧池，呈黑色、絮状，接种量为15 L，其MLSS，MLVSS密度分别为0.5，0.3 g/L，密度满足MLVSS/MLSS=0.6.采用间歇方式多次少量进水，进水总体积为5.3 L，水力 停留时 间(Hydraulic Retention Time，HRT)为3 d.7 d 后进水量开始加大，进水总体积为8.84 L，HRT 为2 d.经过20 d 的培养驯化后出水COD 值低于300 mg/L，系统对COD 的去除率接近58%，趋于稳定.由此可知，颗粒污泥已基本能适应新的水质.此后，开始渐次引入生活污水，使之接近人工合成葡萄糖水水质，COD 低于600 mg/L，回流比150 左右，并保持系统对COD 的去除率维持稳定.直至全部引入校园生活污水，此时，反应器启动成功.

1.4 测定方法［20］

pH 的测定:便携式pH 计法.碱度和挥发性脂肪酸的测定:碳酸氢盐碱度和VFA 分析的联合滴定法.COD 的测定:标准重铬酸钾法.

2 结果与讨论

2.1 进、出水pH 值、VFA、碳酸氢盐碱度和COD的变化

IC 厌氧反应器接种颗粒污泥后以葡萄糖合成废水启动.待处理效率稳定后渐次引入校园生活污水并逐渐取代合成废水，直至启动成功.在启动过程中，为了能使污泥适应新水质，采用逐步提高流量增加反应器的容积负荷的方法，开始阶段进水流量为2 L/h，HRT 约为9 h，逐步增加进水流量和缩短HRT，系统对COD 的去除率趋于稳定，反应器的启动期历时37 d，启动成功后反应器进水的COD 浓度为470 mg/L，HRT 为4.2 h.待系统运行稳定后综合考虑IC 反应器进出水pH 值、VFA、碳酸氢盐碱度和COD 的变化情况，设定采样时间为17 d，每隔24 d采样一次.试验结果如图3—6 所示.

图4 进、出水VFA 值随采样时间的变化曲线

图5 进、出水碳酸氢盐碱度随采样时间的变化曲线

由图3—6 可以看出，进水pH 值为6.50～8.15时，经IC 反应器处理后，出水pH 基本能稳定在7.0以上.进水VFA 值为1.6～5.0 mmol/L 时，出水VFA 值为1～4 mmol/L，从数据中看出大部分VFA的出水浓度都低于3 mmol/L，反应器运行状况良好.而进水碳酸氢盐碱度为1.53～4.00 mmol/L 时，出水碳酸氢盐碱度为2.92～5.13 mmol/L，高于进水碳酸氢盐碱度，因为厌氧微生物代谢产物中包含二氧化碳等碱性物质，又由于反应器进水使用的是普通的校园生活污水，有机物较少，酸化后产生的VFA 也较少，所以出水反应器出现酸化的危险并不大.进水COD 值为182.32～680.00 mg/L，出水COD值110.35～316.80 mg/L.经计算不同时期的COD去除率不同，前期COD 去除率较高，可达78.5%，后期的去除处理效率稳定在40%左右，这说明反应器内的活性污泥的处理能力有了较大的提高，但是如果想要达到更好的出水效果，就必须作后续的处理，这也验证了厌氧处理技术处理低浓度废水的局限性.

图6 进、出水COD 值随采样时间的变化曲线

2.2 相关性分析

根据研究时间内反应器的试验数据，对进水pH值、VFA 值、碳酸氢盐碱度值与COD 去除率两两相关性进行分析，分析结果见表2.

表2 Pearson 简单相关分析

2.2.1 SPSS 软件两两相关性分析

由表2 中的Pearson 简单相关系数可以看出，COD 去除率与进水pH 值之间的相关系数为0.044，具有正向相关性，相关性较弱;COD 去除率与进水VFA 值之间的相关系数为－0.168，具有负相关性;COD 去除率与进水碳酸氢盐碱度之间的相关系数为0.259，具有正向相关性，这也同时说明了反应器在处理废水时产酸会对系统的处理效率产生抑制作用，适当的碳酸氢盐碱度能够提高反应器的处理效率.因此，IC 反应器运行正常与否的监控离不开对挥发性脂肪酸(VFA)的分析，同时根据IC 反应器的运行条件，调控pH 值，控制反应器内碱度，使甲烷菌在一个适宜的条件下生长，保证反应器具有良好的处理效率.

2.2.2 利用灰色绝对关联度分析

灰色关联度分析(Grey Relational Analysis，GRA)是根据系统内若干因素之间发展趋势来衡量因素间关联程度的方法.这种因素分析实质上就是对灰色系统随时间而变化的若干有关数列及其曲线进行分析比较.曲线的几何形状整体上越接近，则发展趋势越接近，关联度也就越大.按照因素的时间序列曲线变化态势的接近程度来计算关联度，其计算方法如下:

式中:k=1，2，…，n－1;i=0，1，2，…，m.

运用灰色关联度分析方法对IC 反应器处理低浓度有机废水试验结果进行分析，分析结果见表3.

表3 灰色绝对关联度分析结果

由表3 可以看出，COD 去除率与进水VFA 值之间的灰色关联度系数为0.601 9，灰色关联度较大;COD 去除率与进水碳酸氢盐碱度的灰色关联度系数为0.613 2，COD 去除率与进水碳酸氢盐碱度灰色关联度较COD 去除率与进水VFA 更大，此分析结果与Pearson 简单相关分析结果基本吻合.

3 结语

1)根据Pearson 简单相关系数法和灰色关联度分析，可以得到COD 去除率与进水pH 值之间的相关系数为0.044，相关性较弱，灰色关联度系数为0.507 7;COD 去除率与进水VFA 值之间的相关系数为－0.168，具有负相关性，灰色关联度系数为0.601 9;COD 去除率与进水碳酸氢盐碱度之间的相关系数为0.259，具有正向相关性，灰色关联度系数为0.613 2.IC 反应器运行正常与否的监控离不开对挥发性脂肪酸(VFA)的分析，同时根据IC 反应器的运行条件，调控pH 值，控制反应器内碱度，使甲烷菌在一个适宜的条件下生长，保证反应器具有良好的处理效率.

2)通过对VFA 的监测，可以预测IC 反应器中可能出现的问题，以便及时解决，一般IC 反应器的进水VFA 和COD 的比值应该保持在0.3 以上，才能保证出水水质和系统内pH 值维持在正常的范围内.IC 反应器系统基本达到最佳运行状态时，应该保证出水碳酸氢盐碱度与VFA 的比值大于2 且VFA 的浓度小于3 mmol/L.

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