厌氧半固定床生物膜反应器抗冲击性能研究

华 斌，于宁宁，王 管，魏 云，郭 勇

(四川大学化学工程学院，四川成都 610065)

厌氧半固定床生物膜反应器抗冲击性能研究

华 斌，于宁宁，王 管，魏 云，郭 勇*

(四川大学化学工程学院，四川成都 610065)

采用自主研发的以生物带作为载体的厌氧半固定床生物膜反应器处理人工模拟废水，探究其抗冲击性能。结果表明，在容积负荷提升30%至5.25 kgCODom-3·d-1，同时将温度由35±2 ℃降至26℃左右的双重冲击条件下，运行一周后，COD去除率、出水pH值和容积产气率分别由88%、8.0、和2.27 m3·m-3·d-1降低至最低值67%、6.76和1.76 m3·m-3·d-1，出水挥发性脂肪酸(VFA)、VFA/碱度分别由309.11 mg/L、0.26升至最高值638.60 mg/L、0.61，反应器出现轻微酸化趋势；容积负荷维持不变，温度恢复至35±2℃，仅历时11天，COD去除率、容积产气率、出水VFA、VFA/碱度和pH值迅速恢复并分别稳定在88%、2.2 m3·m-3·d-1、320mg/L、0.26和7.58左右，反应器较快地恢复正常性能，证明该反应器具有较强的抗冲击能力。

厌氧半固定床反应器；生物带；抗冲击能力

近来，化石能源快速消耗，伴随而来的污染问题日趋严重，同时限制了经济的发展。厌氧处理技术作为一种把环境保护与能源回收结合起来的低成本废水处理技术，因其具备能耗低、产泥量少、能回收沼气等优势，得到了极大的关注和重视，已经被成功运用于各种废水的处理[1]。

厌氧反应器是废水厌氧处理技术的核心，然而常规厌氧反应器存在启动时间长、抗冲击能力弱、发酵效率低等弱点。已有研究证明，厌氧生物膜反应器能将厌氧微生物固定在载体上形成生物膜，能很大程度上提高反应器内微生物浓度，同时能有效减少产甲烷菌等厌氧微生物的流失，从而可提升反应器的抗冲击能力和发酵效率，已经被成功地应用于各类废水处理[2]。尽管具备诸多优点，其仍有一些不足之处。同厌氧固定床生物膜反应器相比，厌氧流动床生物膜反应器需要机械搅拌、回流或者曝气来维持载体流化状态，能耗较高且操作复杂，而厌氧固定床生物膜反应器较流动床，传质作用较弱，有机物去除率较低且易发生堵塞[3]。

本课题组在现有两类厌氧生物膜反应器的基础上，致力于开发处理效果好、抗冲击能力强、产气效率高、能耗低的厌氧处理技术。针对目前厌氧生物膜反应器存在的问题，结合两类生物膜反应器的优势，自主开发了以在水中呈水草型摇摆状态的生物带作为半固定载体的厌氧半固定床生物膜反应器，以人工模拟废水为处理对象，在上升流速为0.104～0.124 m/h的条件下，进行运行试验研究，探究新型厌氧反应器的抗冲击性能。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

厌氧半固定床生物膜反应器有效容积为10L，在距离反应器底部175mm的位置处均匀竖直固定了实密度为0.912的 9条水草型设计的生物带载体。生物带载体密度小于水，底端固定，在水流和气流的扰动作用下，会呈水草型摇摆状态，不易产生生物膜粘连堵塞的问题。试验在中温条件下进行，通过加热棒将温度控制在35±2 ℃。试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

1.2 试验用水与接种污泥

本试验采用人工合成配水，以葡萄糖为主要基质，添加各种营养物质使COD：N：P =(300 ～ 500)：5：1，同时还加入供微生物生长所需的微量元素。接种污泥取自某猪粪废水处理厂的厌氧消化池，其初始MLVSS/MLSS 的值为0.58。

1.3 试验方法与过程

反应器从接种污泥开始运行71天，完成载体挂膜和负荷启动阶段，COD去除率、出水VFA、碱度、VFA/碱度分别稳定在88%、310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右。为研究反应器抗冲击能力，试验第72天时，停止加热，反应器温度下降至室温26 ℃左右，同时将容积负荷提升30%至5.25 kgCOD·m-3·d-1，随后测定COD、出水VFA 、碱度和pH 值随时间的变化情况。

1.4 分析项目

分析项目见表1。

表1 分析项目及方法

注：VFA以乙酸计，碱度以碳酸钙计。

2 结果与分析

2.1 COD进、出水浓度及去除率变化

从第72天起，开始抗冲击实验。从图2可见，COD去除率由88%迅速降低至80%，至第78天，COD去除率降低至69%，反应器出现酸化倾向。第79天，维持负荷不变，仅将反应器温度恢复至35±2 ℃后， COD去除率迅速回升，历经11天COD去除率由最低的67%升高并稳定在88%左右，即反应器较快地恢复了正常处理水平，证明该反应器具有较强的抗冲击能力。

图2 进、出水COD 和COD去除率随运行时间的变化

Fig.2 Variation of influent COD, effluent COD and COD removal rate with running time

2.2 出水pH值、VFA、碱度的变化

图3 出水pH值、VFA、碱度、VFA/碱度随运行时间的变化Fig.3 Variation of effluent pH ,VFA , alkalinity and VFA/alkalinity with running time

出水pH值、VFA和碱度是影响厌氧消化过程的三个重要因素，可根据其变化情况判断厌氧反应是否正常运行[6-7]。

由图3知，抗冲击试验前，出水VFA、碱度、VFA/碱度分别稳定在310 mg/L、1200 mg/L和0.26左右，按试验方案进行抗冲击试验一周后，出水VFA、VFA/碱度分别升高至623.9 mg/L和0.53，出水碱度、pH值则分别下降至1069.65 mg/L和6.92。反应器恢复正常温度后第二天出水VFA和VFA/碱度继续升高分别达到最高值638.60 mg/L和0.61，第81天时，pH值下降至最低值6.76。由于pH值的变化要滞后于VFA 的变化，故pH值最低值出现的时间晚于VFA最高值。

通常，厌氧反应器中pH值保持在7 ～ 8的范围时，微生物的活性最高[8]。出水VFA/碱度被用来衡量厌氧系统的稳定性，VFA/碱度小于0.5 ～ 0.6时，系统几乎没有酸化的风险[9]。张琪[10]等研究新型厌氧反应器处理高浓度有机废水时，发现负荷从2.4 kgCOD·m-3·d-1提升至3.6 kgCOD·m-3·d-1时，VFA连续4 天高于480 mg/L，系统出现酸化危险，之后耗时40 天才恢复正常状态。本试验经适当调整进水碳酸氢钠浓度和恢复运行温度后，出水碱度、pH值迅速升高、出水VFA、VFA/碱度迅速降低。5天后，COD去除率和出水pH值分别回升至80.18%和7.36，出水VFA、VFA/碱度分别降低至370.18 mg/L和0.28，11天之后COD去除率、出水VFA、VFA/碱度和pH值分别稳定在88%、320mg/L、0.26和7.58左右，即反应器较快地恢复正常运行状态。温度是影响厌氧消化的重要因素之一，温度的突然下降会严重影响厌氧消化效果，抑制产甲烷菌的活性。该反应器在冲击负荷和室温条件下运行一周，出现酸化趋势，仅历时11天即恢复正常性能，表明其有很强的抗冲击负荷和不利环境冲击能力。分析原因是生物带载体上形成的生物膜，能有效地截留厌氧菌，可有效防止反应器条件恶化时，发生膨胀而大量流失，一旦条件转好，在水中呈水草型摇摆状态的生物带上的生物膜能迅速恢复活性，且其有序摆动能创造了较为适宜的水力条件，增强生物带上的生物膜与废水中的有机物的传质作用，促使反应器尽快恢复正常性能。

产气量可以作为反应器运行状态的监测指标，能够获得运行过程中反应器内微生物生理活动特征以及反应器OLR过高时引起微生物生理活性紊乱的信息[11]。

由图4可知，第73天时，反应器容积产气率由稳定阶段的1.75 m3·m-3·d-1迅速升至2.27 m3·m-3·d-1，分析原因是，一方面此时温度才初步降至26 ℃左右，温度降低的负面作用影响较小；另一方面，负荷的提升促使产气反应增加[12]。随后容积产气率呈现逐渐减小的趋势。第81天时，容积产气率降至最低值1.76 m3·m-3·d-1，晚于pH值最低值的发生时间，这同李杰[13]等的固定载体卧式厌氧反应器处理糖蜜废水的试验研究结果一致，原因是pH值最低时，VFA大量积累，导致产甲烷菌的活性降低，产气速率减慢。但期间产气量下降的幅度并不太大，表明该反应器有较强的抗冲击能力。随着反应器恢复正常温度，历时仅11天，容积产气率回升并稳定至2.2 m3·m-3·d-1左右，这是由于生物带上形成的生物膜，在不利的运行条件下，仍能有效地固定产甲烷微生物，且条件好转时能迅速恢复活性，促使产气率快速地恢复。

2.3 容积产气率的变化

图4 容积产气率随运行时间的变化

Fig.4 Variation of volume gas production rate with running time

本试验当进水容积负荷为5.25 kgCOD·m-3·d-1左右时，稳定运行时容积产气率为2.2 m3·m-3·d-1左右。Sowmeyan[14]等采用厌氧流化床反应器处理以人工模拟高浓度废水，容积负荷为35 kgCOD·m-3·d-1，容积产气率为13.22 m3·m-3·d-1。赵洪颜[15]等采用炭纤维膜为载体固定床厌氧反应器处理糖蜜废水，负荷为6.7 kgCOD·m-3·d-1，容积产气率为2.1 m3·m-3·d-1左右。可见，该反应器产沼气气能力较强。究其原因是，生物带载体有效地固定了大量产甲烷菌等厌氧微生物形成活性很高的生物膜，且其有序摆动，创造了较为适宜的水利条件，利于载体上生物膜与废水中有机物的充分接触，增强传质，同时起到均匀水流的作用，促进溶解性沼气的逸出，推动产甲烷反应的进一步进行。

3 结论

该厌氧反应器在温度冲击与负荷冲击的双重作用下运行一周，出现酸化趋势，维持容积负荷不变，只恢复正常运行温度，仅历时11天，反应器即恢复正常处理水平，表现出很好的抗冲击性能。

以生物带作为半固定载体，能有效地截留和固定大量产甲烷菌等厌氧微生物形成活性很高的生物膜，可有效防止反应器条件恶化时发生膨胀而大量流失，一旦条件好转能迅速恢复活性，且其有序摆动能创造较为适宜的水力条件，增强生物膜与废水中的有机物的传质作用，同时均匀水流促进溶解性沼气的逸出，从而促使反应器尽快恢复正常性能。

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(本文文献格式：华 斌，于宁宁，王 管，等.厌氧半固定床生物膜反应器抗冲击性能研究[J].山东化工，2017，46(14)：192-195.)

Study on Impact Resistance of Anaerobic Semi-fixed Bed Biofilm Reactor

HuaBin,YuNingning,WangGuan,WeiYun,GuoYong

(School of Chemical Engineer, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The self-designed anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor with biological belt as the semi-fixed carrier was used to treat the synthetic wastewater to study its impact resistance. The results showed that when the rector was operated for a week under the double impact conditions where the volume load rate increased by 30% to 5.25 kgCOD·m-3·d-1and the temperature dropped from 35±2 ℃ to about 26 ℃, the COD removal rate, effluent pH and volumetric gas production rate decreased from 88%, 8.0, and 2.27 m3·m-3·d-1to minimum value of 67%, 6.76 and 1.76 m3·m-3·d-1, and the effluent volatile fatty acids (VFA) and VFA/alkalinity increased from 309.11 mg/L and 0.26 to the highest value of 638.60 mg/L and 0.61 respectively. So slight acidification trend occurred. When the temperature returned to 35±2 ℃ while the volumetric load rate remained unchanged, the COD removal rate, volumetric gas production rate, effluent VFA, VFA/alkalinity and pH were rapidly restored and stabilized at 88%, 2.2 m3·m-3·d-1, 320 mg/L, 0.26 and 7.58 after 11 days. The reactor returned to normal performance quickly, showing that it had a strong impact resistance.

anaerobic semi-fixed bed biofilm reactor; biological belt; impact resistance

2017-05-11

成都市软科学研究项目(2014-RK00-00141-ZF)

华 斌(1990—)，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为废水处理过程与设备；通信作者：郭 勇(1971—)，副教授，主要从事废水处理工艺及设备研究。

X703.3

A

1008-021X(2017)14-0192-04