隨著我國工業(yè)化和城市化的不斷發(fā)展，高濃度的工業(yè)有機廢水排放量日益增加，其對水體污染非常嚴重。對高濃度有機廢水的處理一般采用厭氧生物處理工藝。厭氧生物處理工藝從zui初的厭氧接觸工藝到上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)，再到以內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC厭氧反應(yīng)器)為代表的第3代厭氧技術(shù)，無論是處理效率，還是運行負荷均有大幅提高，被廣泛應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、造紙、食品加工、檸檬酸等行業(yè)。

IC厭氧反應(yīng)器是由荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代中期在UASB基礎(chǔ)上開發(fā)成功的第3代厭氧反應(yīng)器，具有容積負荷高、能耗低、抗沖擊能力強、造價低、占地面積小、附加值高等諸多優(yōu)點，是目前高濃度有機廢水厭氧處理的主流技術(shù)，可以稱得上目前世界上處理效果的厭氧反應(yīng)器。雖然IC厭氧反應(yīng)器作為主流的厭氧技術(shù)為高濃度有機廢水的處理做出了巨大貢獻，但在實際運行過程中仍然存在運行不穩(wěn)定的問題，其關(guān)鍵原因是反應(yīng)器內(nèi)部的布水布氣系統(tǒng)存在缺陷，導(dǎo)致反應(yīng)器效率低下。對此，本公司對傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器布水布氣系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備進行了改造，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的上旋流厭氧反應(yīng)器。

　　為了更好地了解上旋流厭氧反應(yīng)器的運行性能，便于對實際生產(chǎn)作出指導(dǎo)及技術(shù)推廣，本研究以安徽省某生化有限公司酒精廢水為研究對象，研究了上旋流厭氧反應(yīng)器的處理效果及啟動影響因素。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗用水

　　試驗廢水取自安徽省某生化有限公司，該廢水為酒精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高濃度有機廢水，并摻雜少量檸檬酸廢水。將2股廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)進行混合，以調(diào)節(jié)池內(nèi)混合充分的高濃度有機廢水作為試驗用水。試驗用水水質(zhì)：COD 8 000～10 000 mg/L，BOD5 2 000～2 500 mg/L，SS 800 mg/L，pH 4～6，溫度40 ℃。

　　1.2 試驗裝置及方法

　　1.2.1 試驗工藝流程

　　試驗工藝流程如圖 1所示。

 圖 1 工藝流程 

　　本試驗以實際工程為依托，將車間生產(chǎn)排放的酒精廢水和檸檬酸廢水在調(diào)節(jié)池內(nèi)進行混合，調(diào)解池有效容積為800 m3。調(diào)節(jié)池出水由泵提升進入水解酸化池(有效容積為1 600 m3)，對廢水進行水解預(yù)酸化。水解酸化池出水由泵提升進入上旋流厭氧反應(yīng)器，經(jīng)過厭氧反應(yīng)處理后，大部分有機物被轉(zhuǎn)化為沼氣釋放。上旋流厭氧反應(yīng)器出水一部分回流至水解酸化池用于調(diào)節(jié)進水水量，其余部分進入后續(xù)好氧處理單元。

　　1.2.2 試驗裝置及主要參數(shù)

　　本試驗的主體裝置為上旋流厭氧反應(yīng)器，直徑為14.5 m，高為22 m，有效容積3 500 m3，碳鋼材質(zhì)，其基本結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

 圖 2 上旋流厭氧反應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)

　　上旋流厭氧反應(yīng)器主要由布水器、提升裝置、三相分離器、氣液分離器及出水裝置等組成。相對于傳統(tǒng)的IC反應(yīng)器，上旋流厭氧反應(yīng)系統(tǒng)中使用了研制的新型布水器、優(yōu)化后的內(nèi)循環(huán)沼氣提升系統(tǒng)和改進型三相分離器。

　　研制的新型布水器采用倒錐形上旋流布水設(shè)計，反應(yīng)器進水沿倒錐形布水盤片進入后形成旋流并與回流液充分混合，提高了布水的均勻度;沉積在錐形底部的高密度污泥可通過排泥管及時排出，防止了污泥沉積造成的布水死區(qū)。

　　內(nèi)循環(huán)沼氣提升系統(tǒng)做了如下優(yōu)化改進：增加提升管直徑，改變提升管分配位置，加強沼氣提升管在氣體收集系統(tǒng)的埋深。通過優(yōu)化可以減小氣水混合物的提升阻力，提高氣水混合物的提升量，從而加大內(nèi)循環(huán)量，提高反應(yīng)器的水力負荷，促進更有效的傳質(zhì)。

　　改進型三相分離器增加了上三相分離器覆蓋面積，改變了三相分離器擋泥板角度，增加了沼氣通道管徑。通過優(yōu)化可以增加沼氣與混合液接觸面積、沼氣釋放量、收集面積，提高泥水、氣水、泥氣的三相分離效果和沼氣收集率。

　　1.3 接種污泥

　　厭氧反應(yīng)器的啟動是通過污泥接種和培養(yǎng)，zui終實現(xiàn)高負荷穩(wěn)定運行的過程〔5〕。本試驗采用酒精廢水厭氧顆粒污泥作為接種污泥，污泥接種量為1 200 m3(TSS為90 g/L，VSS為63 g/L)，占反應(yīng)器總?cè)莘e的34.3%。

　　1.4 系統(tǒng)調(diào)試

　　利用現(xiàn)有厭氧反應(yīng)器出水將上旋流厭氧反應(yīng)器注滿，直至升溫至35 ℃。因為現(xiàn)有厭氧反應(yīng)器出水SCOD=2 000 mg/L，非常適合提高溫度馴化污泥。經(jīng)過3 d時間，反應(yīng)器溫度由25 ℃升至35 ℃，反應(yīng)器內(nèi)有少量沼氣產(chǎn)生。此時開始泵入高濃度有機廢水，以5 kg/(m3·d)的COD容積負荷開始啟動調(diào)試。系統(tǒng)調(diào)試時，嚴格控制進水pH在6.0～7.5，溫度在35～40 ℃，并檢測各項運行指標。當同時滿足SCOD去除率>80%、出水VFA<600 mg/L、出水pH>6.8時，逐步提高運行負荷并保持運行穩(wěn)定。經(jīng)過35 d的調(diào)試，系統(tǒng)運行COD容積負荷達到22 kg/(m3·d)，SCOD去除率>82%。

　　1.5 主要分析項目及方法

　　主要分析項目包括SCOD、VFA、pH、TSS和VSS，分析方法參照參考文獻〔6〕。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 污泥量的變化

　　在調(diào)試過程中，對污泥量和污泥TSS、VSS進行了檢測，結(jié)果如圖 3所示。

 圖 3 調(diào)試過程中顆粒污泥量及VSS/TSS的變化 

　　從圖 3可知，隨著調(diào)試時間的延長，顆粒污泥體積出現(xiàn)了先減少后增長的趨勢，污泥中VSS/TSS逐漸增高至70%左右，污泥活性比啟動時明顯增強。

　　在馴化階段，由于污泥對水力負荷和環(huán)境尚未適應(yīng)，出現(xiàn)了污泥洗出的現(xiàn)象，污泥量有所減少。運行至第14天時，污泥量出現(xiàn)明顯增長，且污泥VSS/TSS由64%增加至70%，活性成分比例明顯增加。到調(diào)試完成時，顆粒污泥體積增加至1 710 m3，約占厭氧反應(yīng)器體積的49%，已經(jīng)滿足運行污泥量要求。

　　2.2 SCOD去除情況

　　經(jīng)過35 d的調(diào)試，完成了上旋流厭氧反應(yīng)器的啟動，期間系統(tǒng)進出水SCOD的變化如圖 4所示。

 圖 4 進出水SCOD的變化 

　　由圖 4可以看出，調(diào)試過程中，上旋流厭氧反應(yīng)器對SCOD去除效果明顯，且整個試驗期間運行基本穩(wěn)定。酒精綜合廢水的SCOD一般在8 000～10 000 mg/L，均值為8 946 mg/L，經(jīng)過上旋流厭氧反應(yīng)器處理后，出水SCOD在1 412 mg/L，SCOD去除率均值為84%。

　　2.3 容積負荷對SCOD去除率的影響

　　調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)SCOD去除率與容積負荷有很大關(guān)系，如圖 5所示。

 圖 5 容積負荷對SCOD去除率的影響

　　由圖 5可知，COD容積負荷的提高分4個階段，第1—7天為啟動馴化階段，COD容積負荷均值為4 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值為77%，低于80%，且波動較大，這與顆粒污泥尚未適應(yīng)新環(huán)境，活性較低有關(guān)。第8—14天為恢復(fù)階段，此時污泥活性已經(jīng)基本恢復(fù)，COD容積負荷均值為10 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值提高至86%，此階段運行結(jié)束時，顆粒污泥已經(jīng)*適應(yīng)新的環(huán)境，開始有新的顆粒污泥形成。第15—28天為負荷提高階段，在此階段，污泥活性非常強，微生物增長迅速，有大量新生顆粒污泥形成，COD容積負荷逐步提高至16 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值為86%。第29—35天為達標運行階段，COD容積負荷均值提高至21 kg/(m3·d)，在該階段，SCOD去除率均值為84%，雖然有所降低，但是達到了設(shè)計指標，且去除率數(shù)據(jù)波動不大，運行穩(wěn)定。

　　2.4 污泥負荷對SCOD去除率的影響

　　相關(guān)研究表明，污泥負荷對SCOD去除率有明顯影響。調(diào)試過程中，通過分析不同污泥負荷下的SCOD去除率發(fā)現(xiàn)，當COD污泥負荷(以VSS計，下同)不超過0.55 kg/(kg·d)時，SCOD去除率較高，見圖 6。

 圖 6 污泥負荷對SCOD去除率的影響 

　　從圖 6可以看出，啟動階段雖然COD污泥負荷較低，但是SCOD去除率并不是很高，這與污泥活性低，尚未適應(yīng)新的環(huán)境有關(guān)，此階段如果COD污泥負荷較高，容易造成SCOD去除率明顯降低，從而導(dǎo)致反應(yīng)器啟動失敗。完成啟動后，COD污泥負荷提高至0.5～0.55 kg/(kg·d)，隨著污泥活性的增加，SCOD去除率達到86%，而當COD污泥負荷>0.55 kg/(kg·d)時，SCOD去除率迅速降至84%。

　　2.5 容積負荷對出水VFA的影響

　　VFA是厭氧消化過程中有機物降解的中間產(chǎn)物，有機物經(jīng)水解反應(yīng)后產(chǎn)生VFA，產(chǎn)甲烷菌利用VFA產(chǎn)生甲烷。所以，VFA在厭氧反應(yīng)器中的變化能反映出產(chǎn)甲烷菌的活性狀態(tài)。試驗過程中對上旋流厭氧反應(yīng)器中VFA的變化進行了連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)VFA的波動與運行容積負荷有密切關(guān)系，如圖 7所示。

 圖 7 容積負荷對出水VFA的影響 

　　根據(jù)有關(guān)研究，當出水VFA<300 mg/L時，表明厭氧反應(yīng)器運行效果非常好〔7〕，而根據(jù)實際工程經(jīng)驗，上旋流厭氧反應(yīng)器出水VFA<600 mg/L且保持穩(wěn)定，即表明系統(tǒng)運行正常。從圖 7可以看出，在調(diào)試過程中，隨著COD容積負荷的增加，出水VFA出現(xiàn)了先高后低再高的趨勢，zui高不超過650 mg/L，且浮動范圍穩(wěn)定，說明上旋流厭氧反應(yīng)器運行比較穩(wěn)定。在啟動馴化階段，由于污泥活性尚未*恢復(fù)，出水VFA達到了500 mg/L。隨著污泥活性恢復(fù)和污泥量的增加，當COD容積負荷為10～17 kg/(m3·d)時，出水VFA穩(wěn)定在400 mg/L左右，表明反應(yīng)器運行效果比較好。當COD容積負荷提高至20 kg/(m3·d)以上后，出水VFA增加到500 mg/L以上，出水VFA保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)酸累積現(xiàn)象。

　　調(diào)試運行的第23天和第29天，出現(xiàn)出水VFA迅速升高的情況，是由于進水水質(zhì)波動較大，進水COD突然增加造成的，當水質(zhì)平穩(wěn)后，VFA很快就恢復(fù)穩(wěn)定，這也說明上旋流厭氧反應(yīng)器有較強的耐負荷沖擊能力。

　　3 結(jié)論

　　通過本試驗研究結(jié)果可以看出，以顆粒污泥為接種污泥，采用上旋流厭氧反應(yīng)器處理酒精綜合廢水，可以實現(xiàn)厭氧反應(yīng)器的快速啟動。

　　(1)調(diào)試過程中，顆粒污泥體積出現(xiàn)了先減少后增長的趨勢，且污泥中VSS比例逐漸增高，污泥活性逐漸越強。到調(diào)試完成時，顆粒污泥體積增加至1 710 m3，約占厭氧反應(yīng)器體積的49%，滿足運行污泥量要求。

　　(2)上旋流厭氧反應(yīng)器對SCOD去除效果明顯，且整個試驗期間運行基本穩(wěn)定。經(jīng)過上旋流厭氧反應(yīng)器處理后，酒精綜合廢水的SCOD去除率均值為84%。

　　(3)通過分析不同容積負荷下的SCOD去除率發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定運行階段，COD容積負荷提高到20kg/(m3·d)以上時，SCOD去除率為84%，雖然較負荷提高階段的SCOD去除率有所降低，但是達到了設(shè)計指標，且運行穩(wěn)定。

　　(4)調(diào)試過程中，通過分析不同污泥負荷下的SCOD去除率發(fā)現(xiàn)，當COD污泥負荷不超過0.55 kg/(kg·d)時，SCOD去除率較高，SCOD去除率可達86%。

　　(5)上旋流厭氧反應(yīng)器出水VFA與容積負荷有密切，當COD容積負荷達到20 kg/(m3·d)時，出水VFA增加到500 mg/L以上，但系統(tǒng)運行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)酸累積現(xiàn)象。