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常温下内循环厌氧反应器的启动研究 ＊ 宋 倩 马邕文 华南理工大学环境科学与工程学院, 广州 510006 摘要 研究了内循环厌氧反应器 I C反应器 在常温下处理葡萄糖配水的启动特性。 结果表明 在运行温度为 25 ～ 35 ℃的条件下, 反应器经 70 d 启动完成, 且 I C反应器具有较好的处理效果, 反应器内能形成大量的颗粒污泥。 启动 完成后, 进水 C O D浓度在3 000 m g /L 左右时, C O D去除率一直保持在 95以上, 出水 C O D浓度维持在 200 m g /L 左右。 当 H R T 为 5. 8h , 容积负荷为 11. 9 k g / m 3 d 时, 出水 V F A低于 200mg /L , 产气量为 33 L /d , 反应器运行正常。 关键词 内循环厌氧反应器; 启动 ; 容积负荷; 挥发酸 V F A S T U D YO NT H ES T A R T - U PO FT H EI N T E R N A LC I R C U L A T I O NA N A E R O B I C R E A C T O RU N D E RN O R MA LT E MP E R A T U R E S o n gQ i a n MaY o n g w e n C o l l e g eo f E n v i r o n me n t a l S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g , S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y , G u a n g z h o u510640, C h i n a Ab s t r a c t T h es t a r t - u pc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n t e r n a l c i r c u l a t i o n I C a n a e r o b i cr e a c t o r w e r es t u d i e da t n o r ma l t e m p e r a t u r e . T h er e s u l t ss h o w e dt h a t s t a r t - u po f I Cr e a c t o r w a s f i n i s h e da f t e r70da t 25～ 35 ℃, a n dt h eI Cr e a c t o r w a s c a p a b l eo f r e m o v i n g p o l l u t a n t sf r o mt h ew a s t e w a t e r .Al a r g ea mo u n t o f g r a n u l a r s l u d g ew a s f o r me di nt h er e a c t o r .A f t e r f i n i s h i n gs t a r t - u p , t h ei n f l u - e n t c o n t a i n e dC O D 3 000 m g /L , t h eC O Dr e mo v a l r a t ew a so v e r95, C O Dw a sa b o u t200 mg /Li ne f f l u e n t .Wh e nh y - d r a u l i cr e t e n t i o nt i me H R T a n dt h ec o r r e s p o n d i n gC O Dv o l u mel o a dw e r e5. 8 ha n d11. 9 k g / m 3 d , V F Ac o n t e n t w a s l e s st h a n200 m g /L , g a sp r o d u c t i o nw a s33L /d , a n dt h er e a c t o r r u nn o r ma l l y . Ke y wo r d s i n t e r n a l c i r c u l a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r s ;s t a r t - u p ;C O Dv o l u m el o a d ;v o l a t i l ef a t t ya c i d ＊广东省节能减排重大专项 2008A 080800003 。 0 引言 内循环厌氧反应器是继 U A S B 、E G S B 之后的一 种新型高效厌氧反应器, 由荷兰 P A Q U E S 公司于 20 世纪 80年代中期在 U A S B反应器的基础上开发成 功 。较之其他高效厌氧反应器 ,具有占地面积少、基 建投资省、 水力停留时间短及抗流量 、p H 冲击能力强 等优点 [ 1] 。目前国内 厌氧研究 条件主要以 中温 33～ 36 ℃ 居多 [ 2-6] 。中 、 高温厌氧消化所能达到的 处理负荷高 ,但为维持较高的反应器温度所需消耗的 能量也相对较高 。常温运行虽然会使厌氧反应速率、 反应器的运行负荷降低, 但是可以节省运行能耗, 降 低运行成本 。因此, 采用常温 I C 工艺处理中低浓度 的废水 ,具有一定的研究意义。 本试验研究了内循环厌氧反应器在常温条件下 处理中等浓度人工配水的启动特性 。 1 材料与方法 1. 1 试验装置 试验采用的 I C 反应器是自行设计安装、有机玻 璃加工制作而成的,为圆柱型。其直径为 200 m m ,有 效容积为 25 L , 总高度约 1 272 c m , 沿柱高设置 5个 取样口 ,分别为 500, 700, 920, 1 090, 1 260 m m 。I C 反 应器分为第一反应区 、 第二反应区、 进水区 、 出水区和 内循环系统 。第一反应区与第二反应区容积比为 4∶1。 I C 反应器工艺流程见图 1。 1. 2 试验用水 试验用水采用葡萄糖自配水样, 同时投加尿素、 磷酸二氢钾调节 ρ C ∶ρ N ∶ρ P 为 200∶5∶1, 同时加入 C a 、M g 、F e 、N i 、C o 等微量元素 。用碳酸氢 钠调节进水 p H 。 14 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 1配水箱; 2恒流泵; 3 I C 反应器; 4湿式流量计; 5集气瓶 图 1 I C 反应器工艺流程 1. 3 接种污泥 接种污泥取自猎德污水处理厂浓缩池污泥, ρ V S S /ρ S S 0. 34。接种量为 8 L , 反应器内污泥 浓度约为 71. 7 g /L 。 1. 4 试验方法 启动前将污泥用 C O D 浓度为 3 000 m g /L 的葡萄 糖废水浸泡 24 h 激活污泥。整个启动过程反应器维 持进水 C O D 浓度为 3 000 m g /L 左右, p H经调节后为 7 ～ 7. 9。启动前期维持 H R T 为 24 h , 相应理论容积 负荷为 3 k g / m 3 d ,当 C O D 去除率达 80且产气 稳定时 ,通过提高进水流量来提高容积负荷, 每次提 高 20 ～ 30。 2 结果与讨论 2. 1 反应器的启动运行结果 启动过程共运行 70 d 。按容积负荷运行情况分 为适应阶段 第 1 ～ 25天 和负荷提高阶段 第 26 ～ 70天 。适应阶段, 保持进水流量 1. 05 L /h , H R T 为 24 h , 经 25 d 驯化,出水 C O D 稳定在 200 m g /L 左右。 容积负荷提高阶段,以逐步提高进水流量的方式提高 容积负荷,最终 H R T 缩短到 4. 8 h , 且出水 C O D 低至 100 m g /L 左右, 但是高的上升速度导致出水颗粒污 泥增多 , V F A积累 , 同时产气也不稳定。试验得出, 常温下 H R T 为 5. 8 h 时 ,系统运行良好 。 2. 2 C O D 去除效果及内循环 反应器的进 、 出水 C O D 浓度和 C O D 去除率变化 情况如图 2。 启动初期,接种污泥处于适应和驯化阶段, 厌氧 反应器的容积负荷不应太高 , 以使反应器逐渐进入 “工作”状态 。在适应阶段, I C 厌氧反应器的运行温 度为 30 ～ 35 ℃。开始阶段 C O D 去除率不高, 但很快 污泥适应环境 , C O D去除率上升 , 容积负荷从 1. 55 k g / m 3 d 增加到 2. 74 k g / m3 d , 基本接近理论 容积负荷 [ 3 k g / m 3 d ] 。这说明驯化阶段后期, 系统已有很高处理效率, C O D 去除率可稳定在 95 以上。该阶段有大量絮状污泥被洗出反应器, 没有观 察到明显的内循环现象。 图 2 进、出水 C O D 浓度变化 容积负荷提高阶段 , H R T 最终降低到 4. 8 h , 容 积负荷从 2. 74 k g / m 3 d 增加到 14. 41 k g / m 3 d 。第 26 ～ 53天反应器运行温度在 30 ～ 35 ℃,反应 器运行良好 , 4 d 基本处于稳定状态, 没出现酸化现 象 。第 53～ 70天运行温度在 28 ～ 32 ℃, 虽然 C O D 去除率仍很高,但温度的下降和容积负荷的增加使得 系统有酸化的趋势, 此时 ,产甲烷菌受温度影响活性 受到抑制, 由葡萄糖转化成的 V F A 不能有效转化成 甲烷和二氧化碳 ,造成 V F A 积累 。温度下降时 ,应适 当延长 H R T 或降低容积负荷。第 32天 ,在反应器中 发现小直径的颗粒污泥,在第 70天前 ,仍有较多絮状 污泥被洗出 , 70 d 后, 随着污泥颗粒化和容积负荷的 提高,有少量沉降性能不好的颗粒污泥被洗出 。在该 阶段末期, 内循环现象十分明显, 循环之间的间隔越 来越短 ,由于处理废水的 C O D负荷较低 , 且常温运 行 ,没有形成连续的内循环 。 2. 3 产气量变化 产气量是厌氧消化过程运行状态的一个重要指 标 ,产气量能够迅速地反映出反应器的运行状态。反 应器负荷没有变化时, 产气量突然减少 ,说明运行不 正常导致甲烷菌活性的降低。启动过程, 产气量随容 积负荷的变化见图 3。 启动开始的第 1天即有少量的沼气产出, 随后产 气量逐渐上升,说明经 1 d 的浸泡接种污泥已由休眠 状态进入活化期 。图 3 表明 , 容积负荷在 1. 55 ～ 14. 41 k g / m 3 d 变化时 ,产气量为 4. 5 ～ 45. 1 L /d 。 15 环 境 工 程 2010年 2月第 28卷第 1期 图 3 产气量与容积负荷的关系 当增加容积负荷时, 产气量会有所下降 ,但稳定后产 气量会随容积负荷的增加而增加。第 55 ～ 57天, 由 于容积负荷的提高,系统有酸化趋势 ,降低容积负荷, 产气量上升到 40. 9 L /d , 运行后期 ,产气出现不稳定。 试验结果表明, 产气量与容积负荷有明显的相关性, 由于进水流量上升速度高时会使颗粒污泥冲出反应 器 ,所以进水 C O D 浓度对产气量也有影响。该试验 没有涉及进水 C O D 浓度变化的运行, 故反应器所产 气量不足以产生连续的内循环 。 2. 4 出水 p H 的变化 p H是废水厌氧处理中一个重要的因素, 其变化 直接影响产甲烷菌的活性, 在厌氧处理中 ,产甲烷菌 对 p H的变化非常敏感,适应范围为 6. 5 ～ 7. 8,当 p H 值为 6. 8 ～ 7. 2时产甲烷菌活性最高 。运行过程中 V F A 和出水 p H关系见图 4。进水时使用 N a H C O3调 节 p H为 7. 5左右, 但葡萄糖废水易自身降解酸化, 导致进水 p H 值发生变化, 一般出水 p H值要低。在 第 0 ～ 54天系统出水 p H 基本能稳定在 6. 5以上。第 54天 , H R T 为 5. 8 h , 出水 p H迅速下降, 第 57天时, p H下降到 6. 1。降低容积负荷使 H R T 为 7 h 时 , p H 值回升 ,然后再次缩短 H R T , 当 H R T 为 4. 8 h 时, 出 水 p H 下降至 6. 2左右 ,系统有酸化趋势。 图 4 出水 V F A与出水 p H的关系 2. 5 出水 V F A 变化 V F A 是 I C 反应器等厌氧反应器运行中一项重要 的控制参数。在正常情况下 , 底物由酸化菌转化为 V F A ,然后由甲烷菌将 V F A转化为甲烷。甲烷菌的 活性没有受到抑制时, 反应器出水中的 V F A 浓度较 低 。当出水 V F A 在 200 m g /L 下时, 反应器的运行状 态最为良好 。 从图 4可知 ,在启动初期出水 V F A 维持较低水 平 ,随容积负荷的增加 ,出水 V F A 浓度呈不断升高的 趋势。第 57天 V F A 为 250. 6 m g /L , 相应出水 p H仅 6. 3,系统不稳定并有酸化趋势 。降低容积负荷, V F A 降低, 系统再次稳定。当 H R T 为 4. 8 h , 相应容积负 荷为 14. 41 k g / m 3 d 时 , 出水 p H为 6. 2左右, V F A 达 382 m g /L , V F A 的积累, 影响了产甲烷的活 性 。在启动后期 ,环境温度的降低在一定程度上影响 了反应器的运行稳定性, 抑制了产甲烷菌的活性, 导 致 V F A 的积累,致使 p H 降低。 3 结论 1 试验过程中, H R T 由 24 h 降到 4. 8 h ,容积负 荷在 1. 55 ～ 14. 41 k g / m 3 d 变化 , C O D 去除率最 终稳定在 95以上 。 2常 温 下 , 由 于 进 水C O D 浓 度 较 低 3 000 m g /L ,产气量不足以产生连续的内循环, 最 大产气量为 45 L /d 。 H R T 为 4. 8 h 时 ,产气不稳定, 在 32～ 45 L /d 变化,少量颗粒污泥被冲出反应器 ,系 统有酸化趋势,出水 V F A 达 382 m g /L , p H 低于 6. 5。 3 H R T 为 5. 8 h 时, 系统运行良好, C O D去除率 稳定在 95 以上, V F A 低于 200 m g /L ,产气稳定。 参考文献 [ 1 ] 胡纪萃. 试论内循环厌氧反应器[ J ] . 中国沼气, 1999, 17 2 3- 6. 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