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厭氧折流板反應(yīng)器(anaerobicbaffledreactor,ABR)是由美國(guó)斯坦福大學(xué)的MCCARTY等于80年初提出的一種高效厭氧反應(yīng)器,其在對(duì)高濃度有機(jī)廢水和有毒難降解廢水的處理中具有特殊的優(yōu)勢(shì),譬如,在處理畜禽養(yǎng)殖廢水方面取得了較好的效果。對(duì)于ABR反應(yīng)器來(lái)說(shuō),顆粒污泥是決定ABR反應(yīng)器高負(fù)荷處理能力的關(guān)鍵因素。ABR啟動(dòng)的目的就是形成成熟的厭氧顆粒污泥,這個(gè)過(guò)程一般需要2~8個(gè)月,傳統(tǒng)的ABR啟動(dòng)方式一般有2種:分別為固定進(jìn)水基質(zhì)濃度而逐步縮短HRT的啟動(dòng)方式和固定HRT而逐步增大進(jìn)水基質(zhì)濃度啟動(dòng)方式,采用前一種方式啟動(dòng)的ABR在COD去除率、運(yùn)行穩(wěn)定性和污泥流失量等方面均優(yōu)于后一種方式。姜瀟研究ABR時(shí)采用第二種啟動(dòng)方式,接種污泥取自北京某污水處理廠的中溫消化池污泥和少量的厭氧顆粒污泥,由于在操作的過(guò)程中遇到意外情況時(shí)均保持原來(lái)的操作條件,從而導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)到300d;李文昊采用接種未馴化的非顆粒污泥,逐步提高進(jìn)水負(fù)荷和降低HRT相結(jié)合的方式,并投加顆?；钚蕴考铀兕w粒污泥形成,控制反應(yīng)溫度在35℃,終有機(jī)容積負(fù)荷達(dá)到8.00kgCOD·(m3·d)-1條件下,ABR啟動(dòng)時(shí)間為70d。針對(duì)反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過(guò)采用一些強(qiáng)化措施促進(jìn)UASB中污泥顆?；^(guò)程,加速反應(yīng)器的啟動(dòng),相應(yīng)的技術(shù)方法包括:添加多價(jià)陽(yáng)離子(Ca2+、Mg2+、Al3+和Fe2+)、天然高分子物質(zhì)(甲殼素、竹炭顆粒以及各種植物提取物)、人工合成高分子物質(zhì)(陽(yáng)離子高分子AA180H等)、有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化高分子物質(zhì)和惰性材料(聚乙烯醇凝膠球、聚乙烯塊),使用零價(jià)鐵床等。研究表明,這些強(qiáng)化技術(shù)均在各自的優(yōu)化條件下大多縮短了顆粒污泥的適應(yīng)和生長(zhǎng)時(shí)間,但并不一定能夠提高反應(yīng)器的COD去除效果。

上述強(qiáng)化技術(shù)主要應(yīng)用在UASB的啟動(dòng)中,但針對(duì)ABR加速啟動(dòng)的系統(tǒng)研究較少。本文擬借鑒UASB的加速啟動(dòng)方式,即采用接種成熟顆粒污泥的方法進(jìn)行ABR的加速啟動(dòng),探討ABR處理模擬畜禽養(yǎng)殖廢水的啟動(dòng)過(guò)程以及合適的操作條件。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)器的長(zhǎng)×寬×高=550mm×102mm×255mm,超高35.39mm,有效容積12.32L。第1格室(160mm×102mm×255mm)的容積是2、3、4和5格室(80mm×102mm×255mm)的2倍,能更有效的去處懸浮物,而第5格室后加60°的傾角的沉降格室。

1.2實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

1.2.1實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)所用進(jìn)水為人工配制的模擬畜禽養(yǎng)殖廢水,COD∶N=(10~25)∶1,以葡萄糖為碳源,氯化銨Mg、K以及Al、Co、Fe、Cu、Mo、Ni、Zn等微量元素以保證污泥的正常生長(zhǎng),本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。

1.2.2接種污泥

ABR各格室的接種污泥為UASB反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥,接種體積占ABR各格室體積的1/3左右。該接種污泥呈橢圓球狀,表面光滑,表1給出了其基本性質(zhì)?？梢?jiàn),這些厭氧顆粒污泥中位直徑為0.89mm,結(jié)構(gòu)較為密實(shí)。

表1接種污泥的基本性質(zhì)

1.3實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)接種厭氧顆粒污泥后的ABR,采用逐步升高負(fù)荷的方式進(jìn)行啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中,固定停留時(shí)間為24h,調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度,反應(yīng)器溫度在20~35℃之間,當(dāng)出水COD去除率達(dá)到60%以上時(shí),再穩(wěn)定運(yùn)行5~7d,確保出水中VFA和pH分別在0~0.2和6.8~7.5之間,然后逐步提高有機(jī)負(fù)荷30%左右,繼續(xù)上述啟動(dòng)過(guò)程;當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷為5.7,COD去除率在80%以上,即可認(rèn)為ABR啟動(dòng)完成。在上述啟動(dòng)過(guò)程,定期測(cè)定ABR各格室和進(jìn)出水的相關(guān)指標(biāo)。COD使用COD快速測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定(CTL-12,華通,河北承德),VFA采用氣相色譜法(SP3420A,北分瑞利)測(cè)定,DO使用溶解氧電極進(jìn)行測(cè)定(DO-958-S,China)。混合液懸浮固體濃度(MLSS)、揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)、污泥沉降比(SV)和污泥體積指數(shù)(SVI)參照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。污泥的粒度使用激光粒度儀測(cè)定。反應(yīng)器啟動(dòng)成功后,測(cè)定污泥微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性按照文獻(xiàn)中程序和方法進(jìn)行,主要包括:提取DNA、細(xì)菌16的PCR擴(kuò)增、PCR產(chǎn)物的變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析、DGGE圖譜中優(yōu)勢(shì)條帶的回收與測(cè)序以及序列片段分析等步驟。在ABR操作條件的優(yōu)化過(guò)程中,采用單因子實(shí)驗(yàn)方法,通過(guò)比較不同的水力停留時(shí)間或溫度條件下ABR的處理效果,獲得反應(yīng)器的條件。

2結(jié)果分析與討論

2.1ABR的快速啟動(dòng)過(guò)程

2.1.1有機(jī)污染物的去除效果

圖2為ABR啟動(dòng)過(guò)程中出水COD及其去除率的變化曲線。如圖所示,ABR啟動(dòng)過(guò)程可以分為5個(gè)階段,每個(gè)階段平均運(yùn)行時(shí)間為兩周左右。在第1階段(1~13d),ABR進(jìn)水COD控制在2000mg·L-1,對(duì)應(yīng)的有機(jī)負(fù)荷(OLR)為2.0kgCOD·(m3·d)-1;起初,ABR在常溫下運(yùn)行,出水COD在1000mg·L-1以上,然后控制反應(yīng)器溫度在32℃左右,ABR出水的COD逐步下降到500mg·L-1以下,去除率終大于75%。在第2階段(14~26d)中設(shè)定OLR為2.5kgCOD·(m3·d)-1,ABR進(jìn)水COD控制在2500mg·L-1左右,其去除率在80%左可達(dá)90%以上。進(jìn)入第3階段(27~44d),ABR進(jìn)水COD控制在3250mg·L-1,由于反應(yīng)器保溫設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定,導(dǎo)致該階段ABR的COD去除率不穩(wěn)定;出水COD在啟動(dòng)32d左右開(kāi)始突然上升,相應(yīng)的COD去除率甚至出現(xiàn)低于40%的現(xiàn)象,盡管如此,ABR出水pH保持在6.7~7.2之間,VFA低于3.0mmol·L-1,表明反應(yīng)器并沒(méi)有發(fā)生酸化;這種現(xiàn)象一直持續(xù)到第4階段(45~56d)結(jié)束,當(dāng)進(jìn)水COD在4400mg·L-1時(shí),ABR的COD去除率仍然較低(<60%)。為了改善這種情況,在此階段后期對(duì)ABR的保溫設(shè)施進(jìn)行維修,以確保反應(yīng)器的運(yùn)行溫度控制在32~35℃,在第5階段(57~64d),ABR有機(jī)負(fù)荷設(shè)定為5.7kgCOD·(m3·d)-1,進(jìn)水COD在5700mg·L-1,反應(yīng)器的出水COD逐步降低,COD的去除率終穩(wěn)定在98%左右,表明ABR啟動(dòng)成功。

上述結(jié)果表明,采用接種成熟顆粒污泥的方法可以在保持高負(fù)荷處理能力的條件下成功啟動(dòng)ABR。徐金蘭等采用接種厭氧消化污泥的方法啟動(dòng)ABR,其容積負(fù)荷從0.85kgCOD·(m3·d)-1提高到1.50kgCOD·(m3·d)-1運(yùn)行了60d左右;李文昊(2010)采用顆?；钚蕴考铀賳?dòng)厭氧消化污泥及接種下水道污泥混合物的方式啟動(dòng)ABR,其容積負(fù)荷達(dá)到8.00kgCOD·(m3·d)-1、COD去除率超過(guò)80%運(yùn)行了70d的時(shí)間?？梢?jiàn),采用成熟顆粒污泥接種或者其他加速啟動(dòng)的方式均可縮短ABR的啟動(dòng)時(shí)間。

2.1.2VFA與甲烷產(chǎn)生量的變化特征

圖3給出了ABR啟動(dòng)過(guò)程中VFA和出水pH的變化曲線。由圖3(a)可見(jiàn),隨著ABR的啟動(dòng),第1格室的VFA變化幅度較大(0.1~1.1mg·L-1);同時(shí),出水中VFA隨著ABR的啟動(dòng)進(jìn)程整體上逐漸降低并趨于穩(wěn)定,終低于0.2mg·L-1,證明本研究中的ABR在啟動(dòng)過(guò)程中運(yùn)行狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定。此外,VFA的組分分析表明:其主要成分為乙酸、丙酸和丁酸,幾乎未發(fā)現(xiàn)異戊酸和戊酸組分;其中丙酸組分占VFA的比例超過(guò)50%,說(shuō)明丙酸發(fā)酵是ABR水解酸化的主要過(guò)程。ABR啟動(dòng)初期,出水的pH持續(xù)下降并接近5.5(見(jiàn)圖3(b)),相應(yīng)的VFA濃度在0.4mg·L-1左右(見(jiàn)圖3(a)),并且ABR對(duì)COD的去除效果很差(見(jiàn)圖2),這是由于反應(yīng)器進(jìn)水堿度不足(1000mg·L-1,以CaO計(jì)),其酸化環(huán)境不適宜ABR各格室中的厭氧微生物的活動(dòng)。通過(guò)及時(shí)提高進(jìn)水堿度至1500mg·L-1(以CaO計(jì)),ABR出水的pH在6.5~7.5之間波動(dòng)。

ABR啟動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)氣量如圖4所示。在圖4(a)中,總產(chǎn)氣量隨著ABR的啟動(dòng)總體呈上升趨勢(shì),在50~60d期間由于反應(yīng)器溫度降低而出現(xiàn)明顯下降;啟動(dòng)成功后,總產(chǎn)氣量超過(guò)25L·d-1。圖4(b)中各格室的產(chǎn)氣量排序?yàn)?Ⅰ>Ⅱ>Ⅳ>Ⅴ>Ⅲ,第1格室的產(chǎn)氣量是第2格室的4倍左右,表明通過(guò)接種顆粒污泥同步啟動(dòng)ABR處理模擬畜禽養(yǎng)殖廢水,并未*實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相的有效分離,這一結(jié)果與以前的研究結(jié)果不一致。在本研究中,采用的是接種厭氧顆粒污泥啟動(dòng)反應(yīng)器,進(jìn)水有機(jī)物為易降解的葡萄糖,且第1格室的污泥濃度相對(duì)較高、體積較大,所以模擬廢水進(jìn)入第1格室后迅速被降解為單分子有機(jī)酸,然后被產(chǎn)甲烷菌繼續(xù)反應(yīng)生成甲烷氣體。