多种复合材料固定化反应器的对比研究

付远鹏

（厦门孚克环保科技有限公司，福建 厦门 361100）

多种复合材料固定化反应器的对比研究

付远鹏

（厦门孚克环保科技有限公司，福建 厦门 361100）

选用活性炭、海砺壳2种材料作为固定化载体，对改良型UASB系统去除COD的性能进行研究，结果表明选择既高柱又循环且增加载体填充体积的系统，可有效去除高浓度有机废水的COD，但当填充载体过高时，循环系统难以实现，并存在憋气的可能。

厌氧微生物反应器；固定化；复合材料

1 引言

生物细胞固定化技术是指利用化学或物理的手段将酶、微生物细胞、动植物细胞、细胞器等生物催化剂自然固定或定位于限定的空间区域内，保持其重复和连续使用[1]。1916年，Nelson和Griffin[2]发现蔗糖酶吸附在骨炭微粒上仍保持与游离酶同样的活性。随后，人们为了更有效地利用酶，积极地进行了各种固定化技术的研究和开发。近年来，固定化生物技术一直是水处理领域的研究热点。固定化细胞技术已用于BOD与COD的去除、硝化-反硝化、脱磷、去酚、氰的降解、LAS降解、重金属离子的去除与回收以及印染废水的脱色处理等。

生物细胞固定方法可以分以下几种[2]：1）载体法，包括有机载体和无机载体法；2）吸附法，分为表面吸附法和细胞聚集法；3）包埋法，包括凝胶包埋法和微胶包埋法；4）共价结合法；5）交联法，即利用多功能试剂产生交联。理想的固定化细胞载体材料应具有对微生物无毒性、传质性能好、性质稳定、寿命长、价格低廉等特性。就目前在固定化技术中所使用的载体材料而言，主要分为四大类[8]：有机高分子载体、无机载体、复合载体和新型载体材料。

有机高分子载体材料又分为天然高分子凝胶载体和合成有机高分子凝胶载体。天然高分子载体材料一般对生物无毒，传质性能好，但强度较低，在厌氧条件下易被微生物分解，寿命短。常见的此类载体有琼脂、角叉莱胶、海藻酸钠等。而合成有机高分子凝胶载体一般强度较大，但传质性能较差，在进行细胞固定时对细胞活性有影响，常见的此类载体有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇、光硬化树脂、聚丙烯酸凝胶等。

无机载体具有机械强度高、对微生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特性，因而是一类重要的载体材料。无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效应，从而把微生物固定。常见的几种无机载体中，活性炭和红砖碎粒来源广、成本低、易制造，有较大的应用前景。

由于有机载体材料和无机载体材料各有优缺点，而两类材料在许多性能方面互补，因此，可将这两类载体材料结合，组成复合载体材料，以改进材料的性能。

2 试验材料和设备

2.1 固定化材料

本实验选择的载体填料有海蛎壳、活性炭。将2种固定化载体活性炭、海砺壳清洗，晾干后，研磨，过筛，筛选出大小介于80～100目之间的颗粒，两种载体按体积比1∶1混合后备用。

2.2 污泥预处理

本实验所使用的活性污泥取自集美青岛啤酒厂的UASB排出剩余污泥。首先除去污泥中沙子和纤维类杂质，然后放置沉淀30分钟后除去上清液，备用。

2.3 实验装置

本实验所采用的改良型UASB装置（见图1），选用的反应器是由圆柱形有机玻璃做成，内径80mm，有效高度1300mm，有效容积6.5L。

图1 实验装置图

2.4 载体和污泥接种

载体与污泥的装柱方法采用湿式加注法。

2.5 试验运行

废水储存在水箱内，由计量泵抽水，经过进水管道，流到反应器底部，处理后的水经管道流到液封瓶，再排出到废液桶，产生的沼气经液封瓶由顶部排出，最后排入大气。控制系统的进水停留时间为24h。

（1）温度控制和pH控制

将加热循环系统置于反应器中，加热，保持恒温。温度控制在30℃～35℃。

pH控制在6.8～7.5，通过补充日进水碱度来控制，即投加无水碳酸钠。若是所配原水酸化，则直接在原水中调节碱度；若发现各系统柱中出现严重酸化情况，则需从系统柱的出水管中直接加入计量好的碳酸钠溶液（1mol/L），并停止进水几分钟，待其混合均匀。

（2）回流膨胀

床层膨胀率是反映反应器内生物载体流态化程度的参数，根据实验情况，循环柱采用出水回流的方式使得反应器内的载体膨胀流化。

2.6 结果与分析

本试验研究对象为3根改良型UASB装置，其中：1号柱为载体填充量正常（40cm），每日循环一次的改良型UASB系统；2号柱为载体填充量正常（40cm），无循环的改良型UASB系统；3号柱为载体填充量两倍（80cm），无循环的改良型UASB系统。

系统每提升一次负荷即为一个阶段，则：系统进水COD为500mg/L时，实验为第一阶段；系统进水COD为1000mg/L时，实验为第二阶段；系统进水COD为1500mg/L时，实验为第三阶段；系统进水COD为2000mg/L时，实验为第四阶段；系统进水COD为2750mg/L时，实验为第五阶段；系统进水COD为3750mg/L时，实验为第六阶段；系统进水COD为5000mg/L时，实验为第七阶段。

2.6.1 正常循环1号柱与正常不循环2号柱的效果对比

正常循环1号柱与正常不循环2号柱的效果对比见图2。

图2 1号柱和2号柱COD去除对比实验

表1 1号柱和2号柱COD去除对比实验数据

通过表1可看出，在其他工况相同的情况下，将载体填充量正常（40cm）、有循环系统的1号柱和载体填充量正常（40cm）、无循环系统的2号柱进行对比，在系统进水COD分别为500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三个阶段下，1号柱的平均去除率分别为61.06%、84.35%、82.98%，均明显优于2号柱。并且在三个阶段下，1号柱所能达到的最优去除率分别为93.65%、97.60%、94.80%，也明显优于2号柱所能达到的最优去除率。

在稳定性上，在启动的第一阶段，1号柱和2号柱均需要20天的波动时间来稳定系统。但在第二阶段，1号柱仅需6天的波动时间就能使系统快速达到稳定，而2号柱却需要13天。进入第三阶段，虽然两个柱子的稳定性均有下降，但1号柱波动了10天后，系统还是能够进入稳定状态，而2号柱却在波动20多天后仍未见稳定。因此，在稳定性的对比上，1号柱明显优于2号柱。

2.6.2 正常不循环2号柱和高柱不循环3号柱的效果对比

正常不循环2号柱和高柱不循环3号柱的效果对比见图3。

表2 2号柱和3号柱COD去除对比实验数据

从表2可看出，在其他工况相同的情况下，将载体填充量正常（40cm）、无循环系统的2号柱和载体填充量两倍（80cm）、无循环系统的3号柱进行对比，在系统进水COD分别为500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三个阶段下，3号柱的平均去除率分别为58.79%、91.22%、88.71%，均明显优于2号柱的平均去除率。在实验启动20天左右时，由于3号柱系统需要进一步填充高度，使得3号柱的进水管上移，处理效果下降；在约40天左右时，将高柱的进水改为直接由下部进水，因而在处理效果上，第一阶段的3号柱所能达到的最优去除率为76.19%，略差于2号柱所能达到的最优去除率79.37%，但在后两个阶段下，3号柱恢复后，其所能达到的最优去除率为97.60%、97.87%，明显优于2号柱。

在稳定性上，在启动的第一阶段，2号柱和3号柱均需要20天的波动时间来稳定系统。但在第二阶段中，3号柱仅需要6天的波动就能使系统快速达到稳定，而2号柱却需要13天。同时，由于是在第二阶段负荷提升时将3号柱的进水系统修复，可从图2、图3中看出，在第二阶段时，3号柱的波动幅度不是很大，因而可以得出，进水位置的不同也是影响系统去除率的因素之一。所以在后期进水时，3柱均改为下部直接进水，即无需进水管伸入系统中。进入第三阶段，3号柱波动了7天，与第二阶段的波动6天相差无几，而2号柱却在波动了20多天后仍未见稳定。因此在稳定性的对比上，3号柱明显优于2号柱。

图3 2号柱和3号柱COD去除对比实验

2.6.3 正常循环1号柱和高柱不循环3号柱的效果对比

正常循环1号柱和高柱不循环3号柱的效果对比见图4。

图4 1号柱和3号柱COD去除对比实验

表3 1号柱和3号柱COD去除对比实验数据

通过表3可看出，在其他工况相同的情况下，将载体填充量正常（40cm）、有循环系统的1号柱和载体填充量两倍（80cm）、无循环系统的3号柱进行对比，在系统进水COD分别为500mg/L、1000mg/L、1500mg/L的三个阶段下，1号柱的平均去除率分别为61.06%、84.35%、 82.98%，而3号柱的平均去除率分别为58.79%、91.22%、88.71%，第一阶段3号柱的平均去除率略差于1号柱的平均去除率。但在恢复进水问题后，可以看出，3号柱在第二阶段和第三阶段的平均去除率均优于1号柱的平均去除率。在三个阶段下，1号柱所能达到的最优去除率分别为93.65%、97.60%、94.80%，而3号柱所能达到的最优去除率分别为76.19%、97.60%、97.87%。除去第一阶段不具对比性外，第二、三阶段1号柱和3号柱能达到的最优去除率相差无几。

而在稳定性上，从系统的波动情况可以看出，3号柱的稳定性略优于1号柱的稳定性。

综上各项分析可以看出，1号柱和3号柱相对于2号柱来说，对高浓度有机废水的处理效果均有提高，因而最优反应器的选择应该为既高柱又循环，且增加载体填充体积使得系统更加稳定。但当填充载体过高时，循环系统难以实现，并可能存在憋气。因而综合考虑，选择了高柱不循环的3号柱作为最优反应器进行后续试验研究。

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Contrast Study on Fixation Reactor of Multi-Composite Materials

FU Yuan-peng
(Xiamen Fuke Environmental Protection Technology Co., Ltd, Xiamen Fujian 361100, China)

Select two kinds of active carbon and oyster shell materials as fxation carrier and makes study on capability of COD removal in UASB system. The result shows that when the system for high columniation, circulation and increase of carrier flling volume is selected, then COD with high concentration organic wastewater can be wiped off. But when the flling carrier is higher, the circulating system is hard to realize and there exists possibility of suffocation.

anaerobe microbe reactor; fxation; composite material

X703

A

1006-5377（2014）08-0055-05