一体化完全搅拌槽式反应器厌氧消化系统的启动运行试验研究*

昌 盛 刘 枫

(1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012； 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

一体化完全搅拌槽式反应器厌氧消化系统的启动运行试验研究*

昌 盛1刘 枫2

(1.中国环境科学研究院环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012； 2.哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

为提高废水厌氧生物处理的处理效率和稳定性，开发了一套内置气-液-固三相分离器的一体化完全搅拌槽式反应器(CSTR)，并以糖蜜废水为基质，考察了一体化CSTR厌氧消化系统的启动运行特性，以期为实际工程应用提供适宜的工程控制参数。以啤酒废水污水处理车间的剩余污泥为接种污泥，在污泥接种量为5.5g/L、温度为(35±1) ℃、水力停留时间(HRT)为18h、pH保持在6.5～7.5的条件下，通过逐级提升进水COD质量浓度(2 000、4 000、7 000mg/L)的方式启动一体化CSTR厌氧消化系统。结果发现，一体化CSTR厌氧消化系统的适宜进水COD质量浓度为4 000mg/L，此时COD去除率为54.6%，产气速率达到17.4L/d，发酵气中甲烷体积分数为42.9%。进水COD提高到7 000mg/L时，COD去除率和甲烷体积分数分别仅为20.0%、25.0%，这可能归结于该系统此时的生物量持有能力较低。

完全搅拌槽式反应器 厌氧消化 有机负荷COD去除率 产甲烷菌群活性

糖蜜废水具有浓度高、色度大、硫酸盐含量高等特点，其处理难度较大[1-3]。根据文献报道，糖蜜废水的处理处置方法包括农田灌溉、浓缩、好氧/厌氧生物处理、电絮凝以及生产生物制品和饲料等[4-6],[7]20-23,[8],[9]96-98。根据郑磊[10]4-17的调查研究，糖蜜废水进行厌氧生物处理更适合我国国情，是当前最具推广前景的处理技术。在厌氧消化工艺中，基于颗粒污泥发展起来的上流式厌氧污泥床(UASB)、内循环污泥床(IC)、厌氧污泥固定床(AF)、厌氧污泥流化床(AFB)、颗粒污泥膨胀床(EGSB)等工艺发展迅猛[7]20-22,[9]96-97,[10]16，在工业废水中的应用也十分普遍。然而，对于具有季节性排放特点的废水，这些工艺并不是理想选择[11]。这是因为在处理该类废水时，反应器的重复启动运行不可避免，而基于厌氧颗粒污泥发展而来的工艺因厌氧颗粒污泥的储存和培养技术还未成熟[12]，想保持处理工艺长期经济高效的运行还存在不少问题。传统的全混流厌氧工艺中的絮状污泥易于培养，反应器启动迅速，且絮状污泥比颗粒污泥传质效率高[13]，在处理具有季节性排放特点的废水时具有一定优势。糖蜜废水因甜菜、甘蔗等原料生长的周期性[14]，具有显著的季节性排放特点，因而可能适合采用全混流厌氧工艺来处理。完全搅拌槽式反应器(CSTR)就是全混流厌氧工艺中的一种，但其水力停留时间(HRT)和污泥停留时间(SRT)相同，难以保持较高的污泥浓度，进而限制了对废水的处理效果。本研究开发出了一体化CSTR，通过内设沉降区，将污泥通过污泥缝回流至反应区，实现了HRT与SRT的分离，大幅提升了污泥持有量[15]。然而，根据目前的研究报道，一体化CSTR厌氧消化系统在生物发酵制氢领域的应用较为普遍[16]，而作为糖蜜废水厌氧发酵的实例还鲜见报道。鉴于以上问题，以实验室自主研发的一体化CSTR厌氧消化系统的运行为基础，探讨了该系统的启动运行特性，分析了其对进水COD负荷冲击的响应，并借助扫描电子显微镜(SEM)技术对系统内的菌群多样性和数量进行了动态分析，以期为糖蜜废水的厌氧生物处理提供适宜的工程控制技术参数。

1 材料与方法

1.1 试验装置

一体化CSTR厌氧消化系统如图1所示，主要由有机玻璃制成，内设气-液-固三相分离器，反应区和沉淀区为一体化结构，反应区有效容积为14.73 L。进水由配水箱泵入该系统，通过调节蠕动泵的转速来保证进水恒定。设有出水口和集气口，发酵气经过水封装置，采用湿式气体流量计测定发酵气产气速率。该系统内设有搅拌装置，使泥水充分混合接触，提高传质效率。同时通过水封和轴封保证微生物生长所需要的厌氧环境。一体化CSTR厌氧消化系统运行过程中，将电热丝缠绕在反应器外壁上进行加热，并通过温控仪将温度控制在(35±1) ℃。

图1 一体化CSTR厌氧消化系统示意图Fig.1 Schematic diagram of integrated CSTR anaerobic digestion system

1.2 试验废水

甜菜制糖厂的糖蜜废水稀释后作为试验废水。在配制试验废水时，投加一定量的农用复合肥，使废水中的C、N、P元素的质量比大约保持在200～500∶5∶1，以保证微生物在生长过程中对N、P营养元素的需求，通过投加碳酸氢钠调节进水pH和碱度，从而将一体化CSTR厌氧消化系统的pH维持在6.5～7.5。

1.3 接种污泥与运行控制

接种污泥取自当地某啤酒废水污水处理车间中二沉池排放并经脱水后的剩余污泥。经淘洗、过滤后置入一体化CSTR厌氧消化系统。污泥接种量为5.5 g/L，混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)、混合液悬浮固体(MLSS)质量比(MLVSS/MLSS)为0.407。在HRT为18 h、COD为2 000 mg/L的条件下开始启动运行，经过42 d的运行后，保持HRT不变，依次将进水COD增加到4 000、7 000 mg/L，以考察一体化CSTR厌氧消化系统在不同进水COD浓度下的运行特性。为便于分析，将该系统在进水COD为2 000、4 000、7 000 mg/L的运行阶段分别称为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段。

1.4 分析项目

pH、碱度(以碳酸钙计)、COD、MLSS、MLVSS等常规监测项目参考文献[17]测定；挥发性有机酸(VFAs)以及乙醇采用SP-6890气相色谱仪测定，发酵气组分采用SP-6801T气相色谱仪测定，测定条件参考文献[18]。污泥微生物采用S-4500 SEM观察，其观察方法与文献[19]相同。

2 结果与讨论

2.1 产气速率和甲烷体积分数

在厌氧消化工艺中，含碳有机物在厌氧微生物的作用下被矿化为甲烷和二氧化碳，因此，产气速率和甲烷体积分数对厌氧消化系统的运行性能具有重要的指示意义。一般而言，厌氧消化系统在具有较高的处理效率时，产甲烷速率随着有机负荷的增加而递增。但当厌氧消化系统受冲击负荷后，因产甲烷菌群活性受限而致使产甲烷速率下降，系统的处理效率呈恶化趋势。一体化CSTR厌氧消化系统在3个阶段的产气、产甲烷速率和甲烷体积分数的变化情况如图2所示。在初始启动阶段，污泥中的微生物菌群对厌氧环境需要一个逐渐适应的过程，产气速率和甲烷体积分数较低且波动较为明显，经历10 d左右的运行后，厌氧微生物菌群特别是产甲烷菌群的活性开始增强，发酵气中的甲烷体积分数也开始呈现迅速增加的趋势。运行至19 d时，甲烷体积分数达到了39.6%，并在Ⅰ阶段(1～42 d)后期的运行中基本保持较高的甲烷体积分数。在Ⅰ阶段的运行中，因厌氧微生物菌群大量繁殖，产气速率呈现出逐渐上升的趋势，运行至42 d时，产气速率达到了9.2 L/d。在Ⅱ阶段(43～88 d)的运行中，进水COD质量浓度由2 000 mg/L上升到4 000 mg/L，在提升有机负荷初期，一体化CSTR厌氧消化系统因受冲击负荷，产甲烷菌群活性受到一定抑制，甲烷体积分数下降，但运行至48 d时，甲烷体积分数又迅速升至45.0%左右，与Ⅰ阶段相近，这说明厌氧微生物菌群活性较高，自我调节能力较强。因COD浓度的增加，产气速率在Ⅱ阶段的运行初期呈现出迅速上升的趋势，直至65 d趋于稳定，维持在17.5 L/d左右。进入到Ⅲ阶段(89～130 d)运行时，COD升高到7 000 mg/L，产气速率波动较大。发酵气中的甲烷体积分数呈现逐渐下降趋势，运行至130 d时，下降至25.0%左右，表明在继续提升有机负荷后，产甲烷菌群活性不能恢复至Ⅱ阶段的水平。这可能是由于在Ⅱ阶段的运行后，一体化CSTR厌氧消化系统在遭受第二次冲击负荷时，因微生物菌群自我调节能力有限，难以达到新的平衡状态。因此，在进水COD为4 000 mg/L时，一体化CSTR厌氧消化系统能达到稳定运行状态，产气速率及甲烷体积分数分别为17.4 L/d、42.9%；而在进水COD为7 000 mg/L时，产甲烷菌群活性较低，该系统难以高效运行。

图2 一体化CSTR厌氧消化系统的产气、产甲烷速率和甲烷体积分数变化情况Fig.2 Variation of biogas and methane production rate and methane volume fraction of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.2 进出水COD与COD去除率

一体化CSTR厌氧消化系统在3个阶段的进出水COD及COD去除率的变化情况如图3所示。在Ⅰ阶段，进出水COD浓度及COD去除率均表现出微生物的不适应性。因所接种的污泥并非厌氧污泥，对厌氧环境还未适应，活性较低，在开始运行的7 d内，COD去除率还不到10.0%；进出水COD浓度基本相同，但运行至9 d时，COD去除率开始增加，在10～33 d时，COD去除率在24.0%以下来回波动。但随着运行时间的延长，污泥逐渐得到驯化，其活性上升。当分别运行至35、42 d时，COD去除率分别达到了46.8%、51.4%。自43 d开始进入Ⅱ阶段，进水COD增加到4 000 mg/L，一体化CSTR厌氧消化系统因遭受冲击负荷，COD去除率迅速下降，但运行至55 d时，COD去除率开始呈现上升趋势。当运行至65 d时，出水COD及COD去除率相对稳定，分别为1 843.3 mg/L、54.6%。运行89 d后进入Ⅲ阶段，进水COD提升至7 000 mg/L，出水COD浓度大幅上升，COD去除能力显著下降，在110～130 d时，COD去除率在20.0%左右波动。由此可知，一体化CSTR厌氧消化系统适宜的进水COD质量浓度为4 000 mg/L，COD去除率为54.6%。

图3 一体化CSTR厌氧消化系统的进出水COD和 COD去除率情况Fig.3 Influent and effluent COD and COD removal efficiency of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.3 出水VFAs

VFAs作为厌氧发酵过程的中间代谢产物，其组分的变化能反映出微生物的活性及演替规律。VFAs还能反映运行工况，也常被用作厌氧反应器的指示指标。图4为运行期间的出水VFAs变化情况。由图4可见，出水中的VFAs以乙酸、丙酸为主，丁酸、戊酸及乳酸含量较低。在COD为2 000 mg/L的Ⅰ阶段，1～13 d可能为接种污泥对反应体系的适应过程，发酵产酸作用较弱，COD水解酸化程度较低，VFAs总量变化不大。但随着运行时间的延长，微生物逐渐适应环境，活性开始增强，VFAs总量开始上升。在运行至30 d时，乙酸达到峰值(947 mg/L)后开始下降，而丙酸在17 d达到峰值(494 mg/L)后也开始出现下降趋势。这可能是由于一体化CSTR厌氧消化系统中各类微生物生理生态习性的差异所致。在厌氧消化过程中，丙酸在产氢产乙酸菌作用下被转化为乙酸，此过程的反应速率较慢[20]，所以出水乙酸含量的下降相对滞后于丙酸。从43 d开始，进水COD提高到4 000 mg/L，出水中丁酸、戊酸及乳酸含量基本保持不变，而乙酸、丙酸均先表现出迅速增加再缓慢下降，最后趋于稳定的变化过程。在65～85 d的稳定运行期，出水中乙酸、丙酸分别保持在535、310 mg/L左右，与阶段Ⅰ运行后期相近，这表明在分阶段提高有机负荷的启动方式下，一体化CSTR厌氧消化系统中各类微生物相互协调，食物链较为完善，且能高效运行，保持出水VFAs和COD处于较低水平。然而，当进水COD进一步提升至7 000 mg/L后，出水VAFs总量上升幅度较大，由Ⅱ阶段后期的800～1 000 mg/L升高至Ⅲ阶段后期的3 500～3 900 mg/L。其中，丙酸增幅最为明显，在运行120～130 d时，丙酸质量浓度达到1 246 mg/L，为Ⅱ阶段稳定运行期的近3倍。可见，当进水COD为7 000 mg/L时，因VAFs积累，产甲烷菌群活性受限，污泥中的非产甲烷菌群和产甲烷菌群的代谢平衡被打破。

图4 一体化CSTR厌氧消化系统的出水VFAs变化情况Fig.4 Variation of VFAs in effluent of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.4 pH与碱度

对于产甲烷菌群而言，pH宜控制在6.5～7.5。在运行过程中，因进水COD浓度增加会引发VFAs增加，为此，在提高进水COD浓度的同时，通过加大碳酸氢钠的投加量，保证pH控制在6.5～7.5，为产甲烷菌群提供有利环境。如图5所示，在3个阶段的运行中，出水pH波动较小，基本维持在7.5左右，而出水碱度却呈现出明显的起伏。在Ⅱ阶段的运行中，进水COD为4 000 mg/L，出水碱度经历了一个先上升后下降再趋于稳定的变化过程，这可能与出水VAFs的变化有关。当进水COD升至4 000 mg/L后，一体化CSTR厌氧消化系统受到冲击负荷，VAFs大量积累，因而碱度有所上升，但当该系统中的产甲烷菌群活性逐渐增强时，VAFs开始被转化，含量减少，碱度呈现下降趋势，直至该系统进入运行稳定期，此时非产甲烷菌群和产甲烷菌群的代谢达到平衡状态，VAFs含量相对恒定，出水碱度也趋于稳定，约为2 800 mg/L。在Ⅲ阶段的运行中，因进水中碳酸氢钠的积累，进水碱度增加到接近3 500 mg/L，出水碱度基本保持在4 100 mg/L。

图5 一体化CSTR厌氧消化系统进出水pH和碱度的变化情况Fig.5 Variation of pH and alkalinity of the influent and effluent of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.5 MLVSS与MLSS

在启动初始阶段，污泥接种量为5.5 g/L。如图6所示，在Ⅰ阶段，MLVSS仅有小幅度增加，但MLVSS/MLSS增幅较大，这主要是由于接种污泥来源于好氧环境，当转化为厌氧环境时，污泥中不适应环境且活性低的微生物会随出水而流出，而存活下来的微生物能连续利用营养物质进行生长繁殖。进入Ⅱ阶段，随着营养物质的增加，厌氧微生物大量繁殖，MLVSS与MLSS均增长明显，MLVSS由7.0 g/L增加到7.4 g/L，MLSS由11.3 g/L增加到12.1 g/L，而MLVSS/MLSS基本不变，保持在0.6左右。进入Ⅲ阶段后，营养物质继续增加，但MLVSS反而有所下降，在反应器运行110、125 d时，MLVSS分别为8.0、7.7 g/L的水平，MLSS均保持在12.0 g/L。这可能是由于进水COD提升至7 000 mg/L后，产气速率较高(见图2)，泥水混合更为剧烈和充分；此外，污泥因夹带气体而导致其沉降性能下降，一定程度上限制了一体化CSTR厌氧消化系统对生物量的持有能力。

图6 一体化CSTR厌氧消化系统生物量的变化情况Fig.6 Variation of biomass of integrated CSTR anaerobic digestion system

2.6 污泥微生物观察

在进水COD为2 000 mg/L的条件下经过近40 d的运行后，一体化CSTR厌氧消化系统的厌氧微生物菌群活性和自我调节能力均较强，在遭受第1次冲击负荷(进水COD为4 000 mg/L)时，甲烷菌群活性较高，发酵气中甲烷体积分数能达到42.9%，COD去除率达到54.6%，仍表现出较好的处理效率。但该系统遭受第2次冲击负荷(进水COD进一步提升至7 000 mg/L)时，因该系统的生物量持有能力有限，产甲烷菌群数量和活性均较低，发酵气中甲烷体积分数、COD去除率分别仅为25.0%、20.0%。为了分析该系统内微生物菌群在各阶段的变化特征，分别在运行40、85、125 d时取出污泥，代表Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段，利用SEM进行观察，结果如图7所示。

图7 3个不同运行阶段下一体化CSTR厌氧消化系统中污泥的SEM照片Fig.7 SEM profiles of sludge in integrated CSTR anaerobic digestion system at three different stages

由图7可以看出：在Ⅰ阶段，污泥中的厌氧微生物主要以团聚的形式存在，以丝状菌为主，存在一定数目的产甲烷八叠球菌(Methanosarcin)；在Ⅱ阶段，微生物菌群种类丰富，多样性显著增加，且厌氧微生物菌群中，丝状菌仍占据主导地位，同时存在少量的短杆菌、螺旋丝菌及链球菌等；进入Ⅲ阶段，污泥中的厌氧微生物多样性下降，仅能见到丝状菌。以上结果说明，当进水COD提升至4 000 mg/L时，微生物的多样性及活性均显著增加，但当进水COD进一步提升至7 000 mg/L时，因该系统的生物量持有能力有限，污泥流失，微生物多样性下降较为明显，很难观察到产甲烷八叠球菌，因此该系统产甲烷能力降低，这可能也是该系统在Ⅲ阶段不能稳定运行的直接原因。

3 结 论

(1) 以啤酒废水污水处理车间的剩余污泥为接种污泥，在污泥接种量为5.5 g/L，温度为(35±1) ℃，HRT为18 h，pH保持在6.5～7.5的条件下，提升进水COD质量浓度至4 000 mg/L，一体化CSTR厌氧消化系统在运行65 d 时完成污泥的驯化。

(2) 在进水COD为4 000 mg/L时，一体化CSTR厌氧消化系统内微生物多样性丰富、活性较强，在运行稳定时，COD去除率为54.6%，产气速率和甲烷体积分数分别为17.4 L/d和42.9%。

(3) 因一体化CSTR厌氧消化系统生物量持有能力有限，当进水COD为7 000 mg/L时，COD去除率仅为20.0%，发酵气中甲烷体积分数也仅为25.0%。

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TheoperationperformanceofstartingupintegratedCSTRanaerobicdigestionsystem

CHANGSheng1,LIUFeng2.

(1.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalCriteriaandRiskAssessment,ChineseResearchAcademyofEnvironmentalSciences,Beijing100012;2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,HarbinHeilongjiang150090)

In order to improve the efficiency and stability of anaerobic biological treatment,an integrated continuous stirred tank reactor (CSTR) with gas-liquid-solid 3-phase separator was developed. Trough treating sugar refinery wastewater,the operation performance of starting up integrated CSTR anaerobic digestion system was explored to provide appropriate engineering control parameters to the actual engineering applications. The integrated CSTR anaerobic digestion system was inoculated with excess sewage sludge of 5.5 g/L from the brewery wastewater treatment plant. The integrated CSTR anaerobic digestion system run under hydraulic retention time (HRT) of 18 h,temperature of (35±1) ℃ and pH within 6.5-7.5,with the influent COD from 2 000 mg/L to 4 000 mg/L,finally to 7 000 mg/L. The results showed that the most optimum COD concentration for integrated CSTR anaerobic digestion system was 4 000 mg/L,gaining the COD removal efficiency at 54.6% and the biogas production rate and methane volumn fraction at 17.4 L/d and 42.9%,respectively. However,the COD removal efficiency and methane volumn fraction only arrived at 20.0% and 25.0%,respectively,when the influent COD reached 7 000 mg/L,which might be attributed to the poor ability of holding biomass in this state.

CSTR; anaerobic digestion; organic loading; COD removal efficiency; activation of the methanogenic bacteria

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.02.006

2016-01-23)

昌 盛，男，1983年生，博士，助理研究员，研究方向为水污染控制与饮用水安全保障技术。

*国家自然科学基金资助项目(No.51508539)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(No.2014ZX07405-001)。