二相厌氧反应器快速启动及影响因素研究

二相厌氧反应器快速启动及影响因素研究1、问题的提出国内外对于高浓度有机废水的处理，常常采用厌氧消化工艺，但厌氧消化工艺存在着处理效果差，管理复杂,基建投资大，特别是对于有毒废水难以稳定运行等问题。近年来对于高浓度有机废水的生物处理，致力于寻找新的既节能又高效的处理工艺，开发出各种新型厌氧消化工艺和设备。本次实验主要研究二相厌氧处理技术酸化反应启动方法及启动的影响因素。2、实验设计及过程2.1实验装置设计在实验中，我们采用二相厌氧反应器（产酸反应器和产甲烷反应器）的水力停留时间依靠进入反应器的废水量来调节。有机物容积负荷的变化采用控制进水COD浓度来调节。1配水槽2循环泵3蠕动泵4产酸反应器5中间稳定槽6产甲烷反应器7水封8湿式气体流量计9出水图1实验工艺流程图Fig1Experimenttechnicsprocess表1实验装置基本情况Table1BasicInstanceofExperimentEquipment参数产酸反应器（1#）产甲烷反应器（2#）直径（mm）50/100（反应区/沉淀区）75/120（反应区/沉淀区）高度（mm）13001300反应区容积1.65L3.2L沉淀区容积1.35L2.8L反应器总容积3L6L反应器型式普通厌氧反应器UASB2.2实验水样对废水中污染物的成分分析，中成药生产废水中含有各种天然有机污染物，其主要成分有糖类、甙类、蒽醌、木质素、生物碱、鞣质、蛋白质、色素及它们的水解产物。废水中水质水量变化系数较大，其中，CODcr最高可达20000mg/L，BOD5最高可达8000mg/L。本次实验研究是以重庆太极集团的中成药儿康宁和急支糖浆的生产废水为试样，其污染物的含量见表2。表2实验废水水质表Table2ExperimentWaterpollutionconcentration序号污染物平均含量备注1CODcr（mg/L）2200最大值：63502BOD5（mg/L）976最大值：27803SS（mg/L）310最大值：7134NH3-N(mg/L）215TP（mg/L）156pH67色度（倍）2002.3污泥接种及驯化[2]在进行厌氧污泥的培养和驯化之前，首先需要对二相厌氧反应器的产酸反应器和产甲烷反应器进行气密性试验，在确保气密性良好的情况下进行厌氧污泥的接种。厌氧活性污泥可以取自正在工作的厌氧反应器或江河湖泊沼泽底部、下水道及污水集积腐臭处等厌氧环境中的污泥。本次实验污泥取自啤酒厂生产废水厌氧处理消化池，接种污泥量为反应器有效容积的30%。本次实验污泥接种比例较大，这样有利于启动时间的缩短，同时接种污泥中所含微生物种类的比例也相对协调。在接种过程中，保持反应器温度处于27±2℃范围内，使微生物的增殖处于最佳的环境状态。实验接种的污泥是灰黑色的成熟污泥，带有轻微的焦油气，无硫化氢臭，pH值在6.9。消化污泥培养正常时的指标和参数见表2。表3消化污泥培养正常时的指标和参数Table3IndexParameterofDigestedSludgeinGearTime项目允许范围最佳范围pH6.4～7.86.5～7.5氧化还原电位ORP/mV-490～-550-520～-530挥发性VFA/（mg/l，以乙酸计）50～250050～500碱度ALK/（mg/l，以CaCO3计）1000～50001500～3000VFA/ALK0.1～0.50.1～0.3沼气中CH4含量（体积比）/%5566沼气中CO2含量（体积比）/%40352.3二相厌氧反应器相分离的方法[3][4]1)在酸化反应器中通过某种条件对产甲烷菌进行选择性的抑制，如适量投加CCl4、CH3、Cl2控制微量氧，调节氧化还原电位和pH值等。2)对产酸菌和产甲烷菌进行渗析分离。3)通过动力学参数来控制,如控制有机负荷、水力停留时间等。一般负荷越高产酸菌繁殖越快，有机酸浓度越高，对甲烷菌的抑制作用也越强，从而达到有效相分离的目的。控制有机负荷是一种最简便、最有效的方法。本文在试验中，采用控制有机负荷参数和化学法投加CCl4，将反应器控制在酸化阶段。2.4酸化程度的判断[2]本次实验中，我们采用酸化率来衡量二相厌氧反应器启动的状况。在酸化反应器中，对溶解性底物，一般容易降解，在短时间内即可达到满意的酸化，然后随HRT的增加，酸化率增长缓慢，这时pH值很低，甲烷菌受到严重抑制，产酸菌己被充分利用，因此再增加HRT,有机酸也不会有太大的增加。但一般情况下总难免有甲烷菌生长繁殖，随着HRT的增加,甲烷菌的活性逐渐恢复，使一部分有机酸得以降解，这时就会出现曲线中的虚线部分。我们可以认为此时(tc)所对应的酸化率为最大。对于非溶解性底物，由于水解速度相当慢，相应的酸化速率也慢，曲线比较平滑，同时一般反应器的pH值较高，甲烷菌充分，故酸化率也不太高。从图2中可以看出，由于实验废水易于酸化，在很短的时间内即可获得很好的酸化效果。一定时间后R达到最大，我们称此时为本实验系统的临界酸化时间（tc），在tc以后，随着酸化时间的增长，R下降。这说明本实验系统采用的进水浓度还达不到超高负荷，产生的有机酸不能对甲烷菌产生严重抑制。所以随着酸化时间的增长，甲烷菌的活性恢复，有机酸得以分解，致使R下降。这也证明了厌氧启动时我们采用高有机负荷加化学方法抑制甲烷菌的必要性。这一现象可以用Monod动力学方程式解释，即式中：--有机酸的转化率；Vmax—最大污泥比基质降解速率（d-1）；X—污泥浓度（VSS表示，mg/l）；S—有机物量（以COD表示，mg/l）；KS—常数。从上式中可以看出，当酸化达到最大程度时，有机负荷已经很高，此时有机物被转化为有机酸的量不再取决于进入反应器的有机物量，而只与反应器内的生物量（即污泥量）有关。3、实验结果3.1启动期COD及COD去除率的变化在厌氧反应器启动阶段，我们对二相厌氧反应器中产酸反应器的进出水和产甲烷反应器的出水的COD、pH和VFA进行了连续监测（频率为每天一次），以观察反应器的启动状况。从实验结果可以看出，在1～10天，微生物处于适应阶段，其产酸反应器COD的平均去除率为16.45%左右，产甲烷反应器COD的平均去除率为31.78%，二相厌氧反应器COD的平均去除率约为43.0%。在11～23天，微生物处于恢复阶段，其产酸反应器COD的平均去除率为30.03%左右，产甲烷反应器COD的平均去除率为31.57%，二相厌氧反应器COD的平均去除率约为52.12%。出水COD值趋于稳定。在24～30天，微生物处于稳定增殖阶段，其产酸反应器COD的平均去除率为40.0%左右，产甲烷反应器COD的平均去除率为35.56%，二相厌氧反应器COD的平均去除率约为61.30%。出水COD值基本稳定。4、影响因素讨论4.1温度对厌氧酸化启动过程的影响本文进行了温度为25℃和35℃下的相同内容试验，试验表明25℃和35℃时两者酸化率相差很小(图5)。从图5可以看出,低温时产酸菌的活性有所降低，但仍能维持较高的酸化率。说明温度对产酸菌的影响不如对甲烷菌那么明显，对整个酸化过程影响不大。因此,生产上在常温下进行厌氧酸化处理是可行的。4.2pH值对酸化反应器启动的影响ZottemeyerR.J.认为温度在30℃时[5]，pH值控制在6.0左右时酸化过程的负荷最高，效果最好。但他的实验是在完全混合反应器中进行的，并不断加NaOH进行pH调节。本文试验没有进行pH的人工调节，由于随着试验的进行，废水的不断酸化，pH自然要降低。而且发现厌氧酸化可以在很低的pH条件下进行，即使pH值在4.5左右，产酸菌仍有相当的活性，说明产酸菌的pH值适应范围较宽。实验运行过程中，宜将pH值控制在5.0～6.5范围内。4.3有机负荷的控制对酸化反应器的启动的影响在实验启动阶段，我们采用较低的初始负荷，继而通过逐步增加负荷来完成厌氧反应器的启动。在启动后，通过较大有机负荷的进入，使得VFA富集，致使pH值的降低，抑制产甲烷菌的生长，达到二相厌氧分相的目的。5、结语从以上的分析可以看出，由于实验中药废水中有机物来源于天然植物，且无毒性，因此在严格控制反应器环境温度、pH值和有机负荷的前提下，二相厌氧反应器的启动比较容易。通过本次实验，可以为二相厌氧反应器的工业化应用提供设计参考。