分段组合式厌氧反应器的运行性能季军远

第27卷第11期农业工程学报Vol.27No.112522011年11月TransactionsoftheCSAENov.2011分段组合式厌氧反应器的运行性能季军远，郑平，张吉强，陆慧锋（浙江大学环境工程系，杭州310058）摘要：为研发高效厌氧生物反应器，采用模拟有机废水，对分段组合式厌氧反应器的运行性能进行了研究。试验结果表明：该反应器具有很高容积效能，容积负荷可达110.97g/(L·d)，容积负荷去除率可达84.35g/(L·d)，容积产气率可达57.00L/(L·d)。该反应器内的基质浓度及中间产物浓度较高，平均化学需氧量和挥发性有机酸浓度分别是常效反应器相应值的18.49倍与37.52倍，可提供较大的反应推动力。该反应器具有良好的运行性能，但趋近满负荷时性能参数波动较大，易导致反应器工况失稳。关键词：废水处理，厌氧消化，设备，高负荷，运行性能，挥发性有机酸（VFA）doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.11.048中图分类号：X703.1文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-11-0252-05季军远，郑平，张吉强，等.分段组合式厌氧反应器的运行性能[J].农业工程学报，2011，27(11)：252－256.JiJunyuan,ZhengPing,ZhangJiqiang,etal.Performanceofcompartmentalizedanaerobicreactor[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(11):252－256.(inChinesewithEnglishabstract)0引言厌氧消化技术具有无需供氧、产生沼气、减排污泥等诸多优点[1-2]，已在环境和能源工程中广泛应用[3]。厌氧反应器是厌氧消化技术的核心载体，高效厌氧反应器的不断研发一次又一次地推动了厌氧消化技术的向前发展[4]。以容积有机负荷（organicloadingrate,OLR）为指标，现有生产性厌氧反应器的OLR已达5～10kg/(m3·d)，有的高达20～40kg/(m3·d)。内循环反应器（internalcirculation，IC）就是高效厌氧反应器的杰出代表。若以工程上已经实现的最高OLR水平为标准，可将OLR大于40kg/(m3·d)的厌氧反应器称为超高效厌氧反应器。超高效厌氧反应器的深入研发将进一步提升厌氧消化技术的效能水平。厌氧消化技术是一类混菌发酵技术，其对有机物的转化作用主要由水解产酸菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群协同完成。水解产酸菌群产生挥发性有机酸（volatilefattyacids，VFA），可引起反应液pH降低；产氢产乙酸菌群将VFA转化为乙酸，可引起反应液pH继续降低；反之，产甲烷菌群将乙酸转化为甲烷，则能逆转反应液pH不断降低的态势，制止反应系统酸败。但是，3个厌氧消化菌群的生理差异很大，各生物反应之间的平衡十分脆弱，所致的厌氧消化过程不稳曾长期困拢该技术的发展和应用。两相厌氧消化技术将厌氧消化过程分为产酸段和产气段，对其中的产酸菌群（水解产酸菌群和产氢产乙酸收稿日期：2011-01-04修订日期：2011-09-05基金项目：国家高技术研究发展计划“863”滚动支撑项目（No.2009AA06Z311）；浙江省重大科技专项（No.2010C13001）资助。作者简介：季军远（1980—），男，山东烟台，博士生，主要从事废水生物处理与资源化利用研究。杭州浙江大学环境工程系，310058。Email:[e-mail]菌群）与产甲烷菌群进行分别控制，增强了厌氧消化过程的稳定性，提高了厌氧消化技术的容积效能[5]。然而，将厌氧消化过程分开在不同反应器中进行，难以实现产酸反应器与产气反应器之间容积配置的自然优化；产酸段需加碱中和，产气段又需加酸调节，操作相对复杂，成本也相对较高。IC反应器是目前容积效率最高的厌氧反应器。在构型上，IC反应器采用两个上流式污泥床（up-flowanaerobicsludgebed，UASB）装置纵向串联，两个装置相对独立，吸纳了两相厌氧消化技术的优点；两个装置纵向贯通，又给产酸段和产气段之间容积配置的自然优化创造了条件。但是，IC反应器内产气驱动的颗粒污泥内部循环，给功能菌群的生态稳定带来了巨大冲击，特别是对于高度超过20m的IC反应器，颗粒污泥上下迁移过程中的静水压大幅变化，可对功能菌细胞造成损伤，甚至导致细胞爆裂。平推流反应器是一种理想反应器，可完全避免反应液返混，限制功能菌群频繁迁移，优化功能菌群生态，实现反应高效；全混合反应器是另一种理想反应器，可使反应液完全混匀，均衡区段间容积负荷，发挥反应器整体效能。据此并兼蓄两相厌氧消化技术和IC反应器技术的优点，本研究提出了以反应器区室化来稳定功能菌群生态，以反应液循环来调配容积负荷的高效厌氧反应器研发理念，籍以突破制约高效厌氧反应器发展的技术瓶颈。基于这一理念，本课题组自主研发了分段组合式厌氧反应器（compartmentalizedanaerobicreactor，CAR），通过运行试验，取得了较高的容积效能。1材料与方法1.1模拟废水本研究采用模拟废水，其组成成分为蔗糖、乙醇、第11期季军远等：分段组合式厌氧反应器的运行性能253NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、营养液、微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ（见表1）等物质（其中C:N:P按300:5:1配制），营养液及微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ加入量均为1ml/L，NaHCO3加入量根据出水pH值调节。表1营养浓缩液、微量元素Ⅰ与Ⅱ的化学组成Table1Compositionofthenutrientsolution,traceelementsⅠandⅡmg/L营养浓缩液微量元素Ⅰ溶液微量元素Ⅱ溶液成分质量浓度成分质量浓度成分质量浓度成分质量浓度酵母膏1200EDTA5000EDTA15000MnCl2x4H2O990牛肉膏1200FeSO45000ZnSO4x7H2O430NaMoO4x2H2O220蛋白胨3600CuSO4x5H2O250NaSeO4x10H2O210CaCl2220NiCl2x6H2O190MgSO4220H3BO4140KH2PO47540CoClx6H2O240注：数据来自文献[6]。1.2接种污泥1.接种颗粒污泥取自浙江某造纸厂的IC厌氧反应器，SS（suspendedsolids,悬浮固体）质量浓度为51.0g/L，VSS（volatilesuspendedsolids,挥发性悬浮固体）质量浓度为40.3g/L，VSS/SS为0.72。1.3试验系统本研究所采用的试验系统如图1所示，厌氧反应器呈圆柱状，内径为5cm，高度为120cm，反应区容积2L。模拟废水由反应器布水区（底部）进入，经由反应区（中部）反应，由三相分离区（顶部）进行气液固分离后经出水口排出。反应区各段之间以分隔板隔开，但以分隔板上的连通管沟通。反应区各段产生的沼气由各自气体通路外排，均接入三相分离区上部的气室内，统一收集经湿式气体流量计计数后排出。反应器工作温度为（30±1）℃。1.进水箱2.蠕动泵3.回流泵4.分段组合式厌氧反应器5.气体通路6.出水箱7.湿氏气体流量计8,9,10.取样口Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ图1分段组合式厌氧反应器系统Fig.1Schematicdiagramofcompartmentalizedanaerobicreactor1.4分析项目及方法化学需氧量（COD）：重铬酸钾法；SS、VSS：称质量法；pH值：玻璃电极法；挥发性脂肪酸：气相色谱测定法；气体流量：BSD0.5型湿式气体流量计测定法。2结果与分析2.1反应器的常效运行性能2.1.1启动过程在反应器启动过程中，投入2L接种污泥，设定初始水力停留时间（HRT）为7h，初始进水COD浓度为（2886±187）mg/L。保持HRT恒定，以等步幅增加进水COD浓度的方式逐步提高反应器容积负荷，运行结果见图2与图3。当COD浓度由（2886±187）mg/L提升至（5218±329）mg/L时，反应器容积负荷由（9.90±0.58）g/(L·d)增至（17.89±1.13）g/(L·d)，COD去除率保持在95%以上，容积去除率由（9.52±0.58）g/(L·d)增至（17.54±1.07）g/(L·d)，容积产气率由（4.87±0.18）L/(L·d)增至（8.58±0.42）L/(L·d)。据文献报道[7]，实验室厌氧反应器的OLR一般为10～20g/(L·d)。在本研究中，反应器运行至第9天时，OLR即已达19.82g/(L·d)，表明分段组合式厌氧反应器具有良好的启动性能。图2启动过程中的进出水化学需氧量（COD）浓度及COD去除率Fig.2InfluentandeffluentCODconcentrationandCODremovalefficiencyduringstart-upstage图3启动过程中的容积负荷、容积负荷去除率和容积产气率Fig.3Organicloadingrate,volumetricCODremovalrateandvolumetricgasproductionduringstart-upstage农业工程学报2011年2542.1.2常效运行过程在反应器启动完成后，继续通过等步幅增加进水COD浓度提高反应器容积负荷，运行结果见图4与图5。进水COD浓度由（5218±329）mg/L增加至（11595±373）mg/L，反应器容积负荷由（17.89±1.13）g/(L·d)增至（39.75±1.28）g/(L·d)，出水COD浓度由（103±26）mg/L升高至（184±39）mg/L，COD去除率保持在97.60%以上，容积去除率由（17.54±1.07）g/(L·d)增至（39.12±1.24）g/(L·d)，容积产气率由（8.58±0.42）L/(L·d)增至（19.02±0.62）L/(L·d)。反应器达到设定的高效OLR标准，即OLR＝40g/(L·d)。图4常效运行过程中的进出水COD浓度及COD去除率Fig.4InfluentandeffluentCODconcentrationandCODremovalefficiencyduringcommon-loadingstage图5常效运行过程中的容积负荷、容积负荷去除率和容积产气率Fig.5Organicloadingrate,volumetricCODremovalrateandvolumetricgasproductionduringcommon-loadingstage2.1.3常效运行特性反应器常效运行中的出水VFA浓度见图6。进水COD浓度由（2886±187）mg/L提至（11595±373）mg/L，增幅301.77%；出水VFA浓度由（38.57±2.25）mg/L增至（70.89±8.51）mg/L，增幅83.80%，低于同类废水处理技术的文献报道值[8]，也低于VFA对厌氧消化作用的抑制浓度（4500mg/L）[9]。VFA是厌氧消化的中间产物，同时也是厌氧消化菌的抑制物，其浓度的高低不仅反映了产酸段和产气段的协作状况，也指示着厌氧消化过程的工作性能。相对于进水COD浓度增幅，VFA浓度增幅不大且低于抑制浓度，据此认为分段组合式反应器具有良好的常效运行性能。图6常效运行中的出水挥发性有机酸（VFA）浓度Fig.6EffluentVolatilefattyacids(VFA)concentrationduringcommon-loadingstage2.2反应器的高效运行性能2.2.1高效运行过程反应器达到高效OLR标准，即OLR＝40g/(L·d)后，继续保持HRT恒定，等步幅增加进水COD浓度，试验反应器满负荷下的运行性能，结果见图7与图8。进水COD浓度由（11595±373）mg/L提升至（20690±465）mg/L，出水COD浓度由(184±39)mg/L增至（360±65）m