高效厌氧反应器处理高浓度生活废水启动研究

贺 凯，李胜男

（1.黑龙江水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090）

高效厌氧反应器处理高浓度生活废水启动研究

贺 凯1，李胜男2

（1.黑龙江水利水电勘测设计研究院，哈尔滨150080；2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090）

针对处理高浓度生活废水（COD＝1000mg／L）的特点，采用具有相同处理对象的厌氧污泥接种启动，在启动期内，反应器的运行温度控制在30（±2）℃。为尽快提高反应器内污泥浓度，保证反应器的启动成功，刚启动时，保持进水COD浓度不变，待达到COD去除率稳定之后，再采用逐步减少水力停留时间的方法提高有机负荷率。水力停留时间从24 h减少到12 h，相应地有机负荷率从初始的1.0 kg·COD／（m3／d）提高到2.0 kg·COD／（m3／d）。

厌氧反应器；生活废水；试验装置；启动

0 引 言

近年来，利用厌氧技术处理生活废水已成为废水处理领域的一个新的热点。相对于好氧处理，厌氧处理不但能源需求很少，而且能产生大量的能源，其处理设备负荷高，占地少，产生的剩余污泥少，而且处理比好氧污泥容易［1］。

实践表明，一个成功的反应器必须是：

1）具备良好的截留污泥的性能，以保证拥有足够的生物量。

2）生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质［2］。

本研究试图设计出一种结构合理、混合效果好、处理成本低的高效厌氧反应器，并针对该反应器处理高浓度生活废水进行了启动过程研究。

1 试验装置

1.1 试验装置特点

该反应装置由有机玻璃制成，反应器长740 mm，宽100 mm，有效高900 mm，保护高100 mm，有效容积54.8 L。反应装置采用四个独立的隔室，每个隔室的容积比为3∶1∶5∶5，前两个隔室主要进行产酸过程，后两个隔室主要进行产甲烷过程。反应器将传统厌氧折流板反应器的平面折板设计成一系列的夹角为120°的异波折板，波高为2 cm，用水浴箱加热保温控制反应器内的温度为30（±2）℃，采用恒流蠕动泵控制进水流量，在每个隔室内上部1／2处设置弹性立体填料。

与传统厌氧反应器相比，此高效厌氧反应器具有以下特点［3］：

1.1.1 结构简单

反应器运行无需消耗动力的搅拌设备、复杂的三相分离器、布水系统等，废水在反应器内沿着折板做推流运动，在与污泥中微生物的接触中得到降解，避免了因辅助设施的增加而带来运行管理的复杂化。

1.1.2 微生物数量大

在每个隔室内上部二分之一处设置弹性立体填料，能够截流大量的絮状污泥。由于填料挂膜成功后表面可以形成良好的丝状结构，以利于厌氧菌的附着生长，使废水在流经反应器没有污泥的上半部分也能得到一定的降解。

1.1.3 混合程度高

通过改变折板结构，将传统厌氧折流板反应器的平面折板设计成异波折板，水流由各室底部流入，在上升的过程中连续不断地在异波折板之间缩放流动，产生湍流，使泥水混合充分；增大了折板的有效长度，使泥水混合接触时间增多，增强了处理效率。

1.1.4 微生物相分离明显

根据产酸菌和产甲烷菌各自的世代停留时间确定酸化阶段（第一室、第二室）和产甲烷阶段（第三室、第四室）的容积比，将反应器设计成不等距形式，使新型反应器能够充分发挥两相反应器的优点。

1.2 人工合成废水

试验采用人工配制的模拟高浓度生活废水（COD＝1000mg／L），以葡萄糖做碳源，添加（NH4）2SO4和KH2PO4来补充厌氧细菌生长所需的氮和磷，控制COD∶N∶P＝250∶5∶1，并投加适量的无水NaHCO3调节碱度使进水pH值为6.5～7.2。其它营养物质的组成如下：CoCl2·6H2O 2.2 mg／L；ZnSO4·7H2O 2.14 mg／L；CaCl210 mg／L；MgCl2·6H2O 12.5 mg／L；MnCl2·6H2O 0.2mg／L；FeSO4·6H2O 10mg／L。

1.3 接种污泥及启动工况

试验接种污泥取自哈尔滨华润雪花啤酒厂的厌氧处理塔。该污泥为黑灰色絮体，有轻微臭味，pH值为6.9±0.2。种泥经沉淀4 h后过滤掉上清液，在每个隔室添加至有效容积的50%，污泥浓度为15 g（VSS）／L。

厌氧反应器初次启动过程缓慢，这是因为厌氧细菌增殖较慢，且多数厌氧微生物为球菌和杆菌，不易附着生长，易随出水流出反应器。根据丝状微生物的生理、生化和生态特征，若创造有利于其增长的条件，丝状菌即可快速生长并附着形成网状机构，为其他微生物的生长提供栖息地［4］。

1.4 试验过程

整个启动过程分为4个阶段，采用保持进水COD浓度为1 000 mg／L，逐步缩短HRT的方法进行。

首先，将HRT控制在24 h，相应的OLR为1.0 kg·COD／（m3／d），然后逐步缩短HRT为20 h，16 h，12 h，相应的OLRs为1.2，1.5 and 2.0 kg·COD／（m3／d）。

整个启动过程进行了42 d，启动阶段运行工况见表1。

表1 厌氧反应器启动阶段运行工况

2 结果与讨论

在整个反应器启动期间，对反应器挂膜过程、及出水COD去除率进行观察和测定。

2.1 挂膜过程与分析

取5L接种污泥，分别由4个隔室上部倒入反应器。厌氧污泥在重力作用下下沉，下沉过程中受到弹性立体填料的阻隔，各个隔室填料上挂满黑灰色污泥絮体。

启动初期由于反应器接种污泥中的微生物还没有适应新的生存环境，因此挂膜过程进行的十分缓慢，要保证足够长的HRT使细菌附着在填料上完成挂膜。

启动刚开始时各隔室填料上的絮体呈黑灰色，3 d后第一隔室填料上部的污泥絮体开始泛白，同时观察到部分污泥絮体脱落，考虑微生物的优胜劣汰，一部分不适应反应器上部液面大气复氧的厌氧微生物逐渐脱离填料。

此后几天，第一隔室和第二隔室内填料上的污泥絮体由上向下依次转化为乳白色的酸化菌，第三隔室和第四隔室的填料紧随其后挂满了黑色絮体，填料上的絮体颜色由第一隔室至第四隔室逐渐加深。

启动7 d后，经第三隔室和第四隔室下部取样口取泥观察，看出此阶段的污泥呈细小颗粒状，隔天取样观察有逐渐变大的趋势。

虽然在ABR反应器中即便不形成颗粒污泥也能获得良好的处理效果，但是本实验与许多实验的结果相同，在反应器启动过程中形成了颗粒污泥［5］。

厌氧反应器内填料的挂膜过程也是厌氧微生物的驯化过程。接种污泥加入反应器后，由于反应器上部存在大气复氧，使得附着在填料上的好氧、兼性细菌得以生长，其中专属厌氧菌很快死亡、脱落［6－7］。

由于好氧、兼性细菌的增殖速率比底部的厌氧细菌快，所以填料上部的生物膜比下部的厚。由于丝状菌比表面积大、易附着，代谢速率快且不易随水流出反应器，并且在启动初期，创造了有利于其生长的条件，即较长的HRT，使得丝状菌快速生长繁殖并附着在弹性立体填料上形成网状结构。

由此可以看出，填料上的丝状微生物不仅能很好的适应环境，而且是生物相形成的先行者，与后来陆续附着的微生物一起共同完成污水的净化作用。

2.2 COD去除率

厌氧反应器COD云除率如图1所示。

图1 厌氧反应器COD云除率

由图1可见，启动的最初阶段，反应器在较低的OLR下运行，主要完成了种泥的培养。启动前三天，反应器出水COD浓度逐渐升高，COD去除率逐渐降低，主要原因是由于污泥没有适应新的环境使活性受到抑制。

3 d之后，反应器出水COD浓度开始降低，COD去除率逐渐升高，说明适应期对于细菌种群的生长是至关重要的。

第一阶段在对厌氧活性污泥驯化15 d后，反应器运行稳定，COD去除率达到了88.5%。

第二阶段当OLR从1.0 kg·COD／（m3／d）迅速增加到1.2 kg·COD／（m3／d）的过渡期间，反应器COD去除率出现了大幅回落，降低至78.4%，第二天迅速爬升至81.5%，此后去除率持续升高，在运行至第24 d时已达到90.2%。

第三阶段当OLR从1.2 kg·COD／（m3／d）增加到1.5 kg·COD／（m3／d）的过渡期间，COD去除率亦出现了大幅回落，但是之后表现为缓慢爬升，至第33 d达到86.7%。

第四阶段OLR从1.5 kg·COD／（m3d）增加到2.0 kg·COD／（m3d），COD去除率变现与前一阶段表现相近，最后稳定在85%以上。

当减少HRT，过渡期间由于增加OLR导致VFA积累和COD去除率下降容易发生酸化现象，但是不必采用任何措施几天之后COD去除率就会得到改善。

这一结果表明，此高效反应系统可以承受较高的冲击负荷，可以在较高的OLR下处理废水。

3 结 论

1）该高效厌氧反应器克服了各种传统厌氧反应器的不足，其构造简单，在生物相分离、传质和保留生物量方面均具有优势。

2）优化了反应器尺寸，使不同种群的微生物在各自最优条件下发挥活性。

3）启动试验结果表明，经过42 d的污泥驯化，反应器COD去除率基本保持在85%以上且运行稳定，各室微生物活性高。

［1］马建勇.低浓度废水厌氧处理的研究进展［J］.环境污染治理技术与设备，2002（08）：63－66.

［2］黄永恒.折流式厌氧反应器的工艺特性及其运用［J］.中国给水排水，1999（15）：18－20.

［3］宋铁红.不等距异波复合厌氧反应器高效机理及水力特性研究［D］.长春：吉林大学，2008.

［4］何强.预挂膜加速厌氧生物膜反应器启动的试验研究［J］.给水排水，2001（27）：27－29.

［5］芦家娟.ABR反应器的启动及颗粒污泥特征的研究［J］.环境化学，2007（01）：10－16.

［6］宿程远.EGSB处理中药废水过程中厌氧颗粒污泥特性变化［J］.化工学报，2014（09）：3647－3653.

［7］叶长兵.异波折板水解酸化反应装置启动试验研究［J］.哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2007（22）：32－35.

X703

A

1007－7596（2015）05－0024－03

2014－10－31

贺凯（1984－），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，从事市政给水排水勘察设计工作；李胜男（1983－），女，黑龙江哈尔滨人，从事水处理技术与应用方面的研究工作。