UBF反应器启动及运行特性研究李斗

第4卷第5期2009年5月353UBF反应器启动及运行特性研究李斗1，李东伟1,2，高先萍3，马华平4（1.重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030；2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆400030；3.重庆市固体废物管理服务中心，重庆400013；4.重庆市九龙坡区环境保护局，重庆400050）摘要：采用上流式厌氧复合床(UBF)反应器以某化工厂生产废水（含大量环己烷、环己醇及少量硫酸钠）为处理对象对反应器的启动和运行特性进行了试验研究，结果表明当COD容积负荷(VLR)为2.12kg/m3·d时，其COD去除率最高(82%)，反应器中形成厌氧颗粒污泥。试验验证了UBF在处理高浓度难降解废水时，具有启动快和运行稳定的特点。关键词：环境科学；上流式厌氧复合床(UBF)；启动；运行；厌氧颗粒污泥中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1673－7180(2009)05－0353－4StudyoncharacteristicsofUBFduringstart-upandrunLiDou1，LiDongwei1,2，GaoXianping3，MaHuaping4(1.CollegeofResourceandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China;2.TheKeyLaboratoryoftheExploitationofSouthwestResources&theEnvironmentalHazardsControlEngineering,MinistryofEducation,Chongqing400030,China;3.ChongqingSolidWasteManagementServiceCenter,Chongqing400013,China;4.ChongqingJiulongpoEnvironmentalProtectionBureau,Chongqing400050,China)Abstract:AnexperimentalstudyonthecharacteristicsofUBFduringstart-upandrunfortreatingachemical-industrialwastewater(withcyclohexanol,cyclohexaneandalittleNa2SO4)wascarriedout.ResultsindicatethattheCODremovalefficiencyreachedthehighest(82%)whentheVLRofCODincreasedto2.12kg/m3·d.TheanaerobicgranulesludgewasformedintheUBFreactor.TheexperimenteducesthecharactersofUBFthatitcanstartupquicklyandrunstablyfordisposingrefractoryorganicwastewater.Keywords:environmentalsciences；UBF；start-up；run；anaerobicgranulesludge0引言近年来，废水厌氧生物处理技术作为一种低成本的废水处理技术在国内外得到了广泛的应用，而厌氧反应器作为厌氧生物处理技术中的核心部分起着至关重要的作用。上流式厌氧复合床(UBF)反应器由于结合了上流式厌氧污泥床(UASB)和厌氧生物滤池(AF)的优点越来越受到国内外研究机构和专家学者的关注。UBF反应器是由加拿大学者Guiot于1984年开发[1]，对制药、化工[2]、造纸及食品加工废水的处理效果极佳。新加坡南洋理工大学的Yu和Gu[3]研究了UBF处理酿酒废水时的甲烷化作用，结果发现其产生的甲烷量极具利用价作者简介：李斗，(1983－)，男，博士研究生通信联系人：李东伟，教授，[e-mail]中国科技论文在线SciencepaperOnline第4卷第5期2009年5月354中国科技论文在线SciencepaperOnline值。香港大学的Fang等[4]比较了UASB、UBF、厌氧流化床(AFB)和厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)处理高浓度废水时的启动特性，实验数据表明UASB和UBF的启动效果最好。UBF反应器具有如下优点：1)有机负荷高，占地少；2)生物量大，生物活性高，抗冲击负荷能力强；3)上部的填料层可以有效地阻止污泥的流失，还能够起到三相分离的作用，因此结构较UASB简单；4)反应器中的填料有利于颗粒污泥的快速生成[5-7]。本文以某化工厂生产废水（含大量环己烷、环己醇及少量硫酸钠）为处理对象，对自制UBF的启动和运行特征进行了研究。1试验设计1.1试验装置本试验所用UBF反应器为玻璃材质，设计尺寸150mm×150mm×1200mm，填料层215mm（活性炭颗粒），具体尺寸如图1所示。1.2试验过程本试验被设计成启动和运行两部分，各部分的废水组成、水力停留时间(tHR)、容积负荷(VLR)、进水pH和反应器温度(θ)等设计参数见表1。1.3试验用水水质启动部分试验用水为淀粉溶液和化工废水的混合溶液，运行部分试验用水完全采用化工废水，水质成分见表2。图1试验用UBF反应器设计简图Fig.1DesignchartofUBFforexperiment表1试验设计参数Table1Designparametersofexperiment设计参数废水组成tHR/hVLR(COD)/（kg/m3·d）进水pH反应器温度θ/(℃)10%化工废水，90%淀粉溶液480.457.0～8.030～3520%化工废水，80%淀粉溶液480.657.0～8.030～3540%化工废水，60%淀粉溶液480.857.0～8.030～3560%化工废水，40%淀粉溶液481.057.0～8.030～35启动部分80%化工废水，20%淀粉溶液481.157.0～8.030～35100%化工废水481.307.0～8.030～35100%化工废水481.397.0～8.030～35100%化工废水481.807.0～8.030～35100%化工废水482.127.0～8.030～35100%化工废水482.807.0～8.030～35100%化工废水363.957.0～8.030～35运行部分100%化工废水364.507.0～8.030～35表2试验用水水质Table2Waterqualityofexperimentalinfluent进水水质参数ρ(COD)/(mg/L)废水主要成分启动阶段900～2600淀粉((C6H10O5)n)、环己烷、环己醇、Na2SO4运行阶段2780～6750环己烷、环己醇、Na2SO4第4卷第5期2009年5月3552试验及结果分析2.1UBF启动试验本试验装置的接种污泥采用啤酒厂厌氧消化池污泥，启动阶段初始进水以淀粉溶液为主，并逐渐添加化工废水，直至UBF反应器中的厌氧污泥完全被驯化为该化工废水的专性污泥。启动部分试验共进行32d，试验结果见图2。图2UBF启动阶段的COD去除效率Fig.2CODremovalefficiencyinstartupphaseofUBF从图2可以看出，随着VLR的提高，以及进水中化工废水的比例加大，UBF反应器的COD去除率呈下降趋势（去除率从90%降到80%以下），表明化工废水中环己烷和环己醇等难降解有机物抑制了厌氧微生物的代谢过程。COD去除率随着反应器中厌氧微生物的逐渐适应而最终稳定于75%左右，UBF反应器启动成功。为更好地揭示启动阶段VLR对UBF反应器COD去除率的影响，绘制了VLR与COD去除率的关系图，如图3所示。从图3可以看出，当VLR(COD)从0.45kg/m3·d上升至1.30kg/m3·d时，其COD去除率从90.095%降至75.06%，表明随着VLR的增加，其COD去除率随之降低。图3不同VLR水平下的COD去除率Fig.3CODremovalefficiencyunderdifferentVLR2.2UBF运行试验UBF运行试验采用连续运行方式，在UBF反应器启动基本达到稳定后逐步提高容积负荷。运行试验结果见图4。图4UBF反应器运行阶段COD去除效率Fig.4CODremovalefficiciencyinrunningphaseofUBF从图4可看出，在初始阶段，随着VLR的逐渐提高，COD去除率也随之提高，当VLR(COD)为2.12kg/m3·d时，其COD去除率为82%。但是，当VLR(COD)继续增加时，COD去除率开始下降，之后稳定在65%左右。该现象表明反应器中的厌氧微生物已经达到其耐受毒性的极限，继续提高负荷只会抑制其生长。通过显微镜观察可发现UBF中已形成性状较好的厌氧颗粒污泥，见图5。图5UBF颗粒污泥照片(×400)Fig.5PhotographsofgranulesludgeinUBF(×400)2.3试验结果分析本试验中UBF采用的填料为活性炭，活性炭具有较强吸附有机物的能力，因此启动初期COD去除率较高可能归因于活性炭的吸附作用，待其吸附饱和后，厌氧微生物开始发挥主导作用对废水中的有机物进行降解。活性炭是一种含碳量高，具有耐酸、耐碱和疏水性的多孔介质。本实验采用的是颗粒状活性炭（柱形炭）。活性炭的吸附能力与其微孔结构、化学组成、碳表的各种官能团及非碳原子的存在有直接关系。在活性炭表面上的吸附能力主要取决于范德华力中的色散力及微晶炭层的结构[8]。活性炭吸附、浓缩了废水中所含的营养物，并且其粗糙凹处具有遮挡水流的剪断作用力，有利UBF反应器启动及运行特性研究第4卷第5期2009年5月356中国科技论文在线SciencepaperOnline于微生物的繁殖。这种方法不仅可以提高处理效果，而且能大幅度延长活性炭的使用周期。试验用废水中含有环己醇和环己烷等难降解有机物质，这些难降解有机污染物的生物降解过程是涉及多种环境因素和自身特性的复杂的转化过程，因难降解有机污染物本身的物质特殊性（结构的复杂特殊性和生物毒性）所致，其生物代谢作用的主导类型是共代谢降解，即难降解有机污染物的降解是依靠同时存在于同一系统中的易于被微生物利用的基质为其提供碳源和能源作为支持实现的。难降解有机污染物的共降解反应是由微生物活性酶（关键酶）决定的。难降解有机物的降解难点就在于可利用的难降解有机物的关键酶的缺乏和生物抑制作用，而关键酶存在着诱导合成、自然老化、毒性抑制和自我恢复等一系列行为过程。国内外研究证实，绝大多数有机物不能直接被微生物利用作为生长基质，但是它们可以通过共代谢而改变其结构被其他微生物降解，因此，为了降解某一种难降解有机物，可以利用一种合适的生长基质来诱导所需的酶以及产生足够的能量来驱动难降解有机物的最初转化[9]。3结论启动实验中COD的去除率随VLR(COD)的提高而降低，VLR(COD)的冲击太大使得反应器中的微生物暂时适应不了而受到抑制，但COD去除率最终趋于稳定，厌氧微生物已开始被驯化。运行实验阶段初期，UBF反应器中污泥松散，沉降性较差，易悬浮，颗粒污泥数量少；UBF反应器运行正常后，颗粒污泥大量形成，出水水质明显好转。本文的启动和运行试验表明，UBF反应器在处理高浓度难降解有机废水上具有启动快和运行稳定的优势。[参考文献](References)[1]GuiotsR,vandenBergL.Performanceandbiomassretentionofanupflowanaerobicreactorcombiningasludgeblanketandfilter[J].BiotechnologyLetters,1984,6(3):161-164.[2]HeXiaoman,LiDongwei,XuZhonghui.Applicationresearchofanaerobicbio