隨著城市的擴(kuò)張和工業(yè)的快速發(fā)展，有機(jī)廢水的數(shù)量急劇增加，已成為水污染的重要來源。為了滿足中國環(huán)境規(guī)劃和發(fā)展的需要，有必要不斷開發(fā)和利用新型高效反應(yīng)堆。

就目前的研究和應(yīng)用而言，還存在一些問題，如內(nèi)循環(huán)(IC)反應(yīng)器和厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)，其應(yīng)用領(lǐng)域還比較狹窄，需要在其他領(lǐng)域發(fā)展。升流式厭氧流化床(UBF)和ic反應(yīng)器與升流式厭氧污泥床(UASB)相比，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，要求更高，施工安裝難度更大。目前，國內(nèi)對UBF、IC反應(yīng)器和厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)的研究主要集中在運(yùn)行性能方面，對工藝設(shè)計和運(yùn)行控制的研究不多。因此，如何改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)使其更好地運(yùn)行，如何控制反應(yīng)器的運(yùn)行過程將是今后研究的重點(diǎn)問題。

下流式厭氧污泥床(DASB)反應(yīng)器作為一種新型厭氧處理工藝，結(jié)合了第二代反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，克服了厭氧濾池所需濾料成本高、UASB要求配水系統(tǒng)和三相分離器復(fù)雜等缺點(diǎn)。DASB的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，成本低。此外，DASB還具有生物攔截能力強(qiáng)、生物污泥與進(jìn)水基質(zhì)接觸混合效果好、運(yùn)行管理方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，作為好氧法的替代或預(yù)處理工藝可能更為合理。然而，DASB反應(yīng)器仍處于實驗研究階段，其處理有機(jī)廢水的研究尚未見報道。作為一種新型反應(yīng)器，DASB反應(yīng)器在實際運(yùn)行過程中仍有許多問題需要解決，如:啟動過程中的具體條件、酸化后的自恢復(fù)能力、處理造紙脫墨廢水的條件和能力以及相應(yīng)工藝設(shè)計參數(shù)的確定等。

因此，針對上述問題，本文擬對DASB反應(yīng)器處理造紙脫墨廢水時化學(xué)需氧量(COD)的質(zhì)量濃度、COD去除率、pH值、混合液懸浮固體(MLSS)的質(zhì)量濃度以及厭氧污泥的特性進(jìn)行研究，以了解DASB反應(yīng)器在常溫下的啟動過程，更好地控制反應(yīng)器的運(yùn)行。

1.材料和方法

1.1原水的選擇

實驗所用原水為湖南岳陽某造紙廠原處理工藝中調(diào)節(jié)池的脫墨廢水。脫墨廢水來源于廢紙制漿過程，包括廢紙碎解、篩選、凈化、脫墨、洗滌、濃縮和熱熔處理過程，尤其是碎解、凈化和脫墨過程。廢水中含有大量的油墨、脫墨劑、短纖維、礦物油或植物油、松香、膠料、顏料、表面活性劑等化學(xué)添加劑等難降解物質(zhì)，可生化性不理想。COD、BOD5、ss的質(zhì)量濃度分別為1900 ~ 2100 mg/L、960 ~ 1080 mg/L，色度≤250倍，pH值為7 ~ 10。

由于脫墨廢水中氮充足而磷不足，為了將COD、N、P的比例調(diào)節(jié)到200∶5∶1左右，需要加入磷即磷酸鈉，用量為10mg/L，微量元素鐵、鎳、鈷即FeCl2、NiCl2、CoCl2，用量分別為0.41。另外，為了維持反應(yīng)器內(nèi)的pH值，避免酸化，根據(jù)試驗出水的pH值，向進(jìn)水中加入適量的碳酸氫鈉。

1.2接種污泥的選擇

接種污泥取自湖南岳陽某造紙廠改性UASB的厭氧活性污泥和農(nóng)村沼氣池的厭氧活性污泥。污泥具有良好的性質(zhì)。為了去除污泥中大的雜質(zhì)和有毒成分，用3mm孔徑的篩子過濾掉大的無機(jī)物，靜置沉淀去除上清液，然后均勻加入到四個隔室中。改良UASB中接種污泥的MLSS質(zhì)量濃度為52g/L，容積為400L；農(nóng)村沼氣池接種污泥的MLSS質(zhì)量濃度為36g/L，容積為200L?；旌虾?，接種污泥的平均質(zhì)量濃度約為46.7 g/L

1.3測試布局和設(shè)備選擇

試驗裝置由四個碳鋼制成的圓形容器串聯(lián)而成，裝置的內(nèi)外表面均經(jīng)過防腐處理。上部為圓柱形，直徑50厘米，高250厘米；；底部呈錐形，高18cm。單個集裝箱容積約550L，有效容積約475L。DASB反應(yīng)器的橫截面圖如圖1所示。計量泵采用MiltonRoy)G系列M型，污泥循環(huán)泵采用韓邦LW型。

在結(jié)構(gòu)上，DASB反應(yīng)器通過導(dǎo)流管將幾個獨(dú)立的反應(yīng)器串聯(lián)起來，每個反應(yīng)室是一個相對獨(dú)立的下流式污泥床厭氧反應(yīng)器，其中污泥可以以顆粒形式或絮狀形式存在。運(yùn)行時，廢水自上而下通過反應(yīng)室內(nèi)的污泥床，在水流和產(chǎn)氣的攪拌作用下，進(jìn)水基質(zhì)與生物污泥充分混合接觸，然后在導(dǎo)流管的引導(dǎo)下，廢水在后續(xù)反應(yīng)室中繼續(xù)與生物污泥混合，從而降解水中的有機(jī)物。第四反應(yīng)室中的污泥按照一定的污泥回流比回流至第一反應(yīng)室。污泥回流可以保證反應(yīng)器中有足夠的、穩(wěn)定的生物污泥，同時污泥回流有利于保證每個反應(yīng)室內(nèi)的污泥處于懸浮狀態(tài)。保持這種懸浮狀態(tài)的關(guān)鍵是整個反應(yīng)器內(nèi)生物的不斷遷移。

從工藝上看，在單個反應(yīng)室中，水力特性接近全混式；整體來說，類似于塞流。這種活塞流的變化使得優(yōu)勢微生物種群生長繁殖良好，廢水中的污染物在不同的反應(yīng)室中得到降解，因此系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和處理效果。

1.4測試內(nèi)容和方法

根據(jù)試驗的要求和目的，試驗的主要分析項目、頻率、方法和儀器見表1。其中ρCOD為COD的質(zhì)量濃度；ρMLSS是MLSS的質(zhì)量濃度。

2.結(jié)果和討論

2.1 DASB處理后脫墨廢水中COD的去除規(guī)律

在啟動過程中，以造紙脫墨廢水為進(jìn)水基質(zhì)。向進(jìn)水中加入適量的磷酸鈉、FeCl2、NiCl2和CoCl2，進(jìn)水COD濃度約為2000mg/L，進(jìn)水流量為30L/h，初始容積負(fù)荷約為0.76kg/(m3 & # 8226；d)通過控制進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度和逐漸縮短水力停留時間(HRT)來逐漸增加容積負(fù)荷，直至運(yùn)行結(jié)束。整個過程歷時90天，包括兩個階段:啟動期和負(fù)荷運(yùn)行期。

本實驗將COD的去除作為重要考察對象，也是判斷水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放的較重要依據(jù)之一。圖2是整個實驗階段進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度和COD去除率的變化規(guī)律。圖3是試驗過程中容積負(fù)荷和COD去除率的曲線。

啟動期

在試驗的初始階段，應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)器的操作，這對順利啟動至關(guān)重要。啟動期的主要目的是將菌種從休眠狀態(tài)恢復(fù)到營養(yǎng)細(xì)胞狀態(tài)，將接種的污泥逐步培養(yǎng)馴化成高活性的厭氧污泥以適應(yīng)待處理的水質(zhì)，使反應(yīng)器進(jìn)入“工作”狀態(tài)。

在試驗的初始階段，反應(yīng)器被控制在低負(fù)荷。在前25天，COD容積負(fù)荷為0.76kg/(m3 & # 8226；d)、進(jìn)水質(zhì)量濃度控制在2000mg/L左右，進(jìn)水體積為30l/h，當(dāng)COD去除率能穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，反應(yīng)器的容積負(fù)荷會增加。啟動第一天，COD去除率較低，僅為32%。原因如下:一方面，污泥活性尚未完全恢復(fù)，有機(jī)物未進(jìn)入正常轉(zhuǎn)化路徑；另一方面，由于污泥的流失，出水懸浮物濃度高。第6天，出水COD質(zhì)量濃度高達(dá)1464mg/L，COD去除率僅為24%。隨著運(yùn)行的繼續(xù)，污泥的活性開始上升，DASB反應(yīng)器對COD的去除率逐漸增加。在運(yùn)行的第20天，DASB反應(yīng)堆首次達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。在第20 ~ 25天的穩(wěn)定運(yùn)行期間，COD的去除率分別為42%、42%、40%、42%、43%和42%。

在第26天，反應(yīng)器的容積負(fù)荷增加到1.01kg/(m3 & # 8226；d)出水COD質(zhì)量濃度不穩(wěn)定，COD去除率在42% ~ 31%之間波動。隨著系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行，COD去除率迅速上升，第30天達(dá)到45%。第35天，系統(tǒng)達(dá)到第二穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，第30 ~ 40天，COD平均去除率為50%。

第41天，容積負(fù)荷增加到1.65kg/(m3 & # 8226；d)，增幅為39%，COD去除率變化較大。在接下來的3天內(nèi)，反應(yīng)器對COD的去除率從50%下降到35%左右，出水中COD的質(zhì)量濃度高達(dá)1300mg/L，但隨著向?qū)嶒炦M(jìn)水中加入NaHCO3，經(jīng)過幾天的運(yùn)行后，COD的質(zhì)量濃度逐漸提高。系統(tǒng)在第51天達(dá)到第三個穩(wěn)定狀態(tài)。第51天至第59天穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水COD質(zhì)量濃度為733 ~ 763 mg/L，COD去除率在62% ~ 63%之間波動。在這個容積負(fù)荷階段，較大的COD去除率為65%，出現(xiàn)在第53天。

系統(tǒng)運(yùn)行59天后，進(jìn)水質(zhì)量濃度約為2000mg/L，進(jìn)水體積為65L/h，水力停留時間為29.2h，容積負(fù)荷為1.65kg/(m3 & # 8226；d)、COD去除率穩(wěn)定在62%左右，啟動成功。

2.1.2負(fù)荷運(yùn)行期

在負(fù)荷運(yùn)行期間，為了使反應(yīng)器盡快達(dá)到較高的負(fù)荷并正常運(yùn)行，需要仔細(xì)控制反應(yīng)器的運(yùn)行狀態(tài)，考察其處理效率。

反應(yīng)器成功啟動后，從第60天開始，反應(yīng)器進(jìn)入增加負(fù)荷的運(yùn)行階段，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水來實現(xiàn)，COD容積負(fù)荷增加到2.15kg/(m3 & # 8226；d)在隨后的3天內(nèi)，DASB反應(yīng)器對COD的去除率有所下降。64 ~ 76天，出水COD質(zhì)量濃度基本保持在737 ~ 805mg/L之間，COD去除率穩(wěn)定在61% ~ 63%之間。

為了進(jìn)一步增加反應(yīng)器負(fù)荷，考察DASB反應(yīng)器的運(yùn)行效果，在第77天，進(jìn)水增加到100L/h，容積負(fù)荷增加到2.53kg/(m3 & # 8226；d)，再運(yùn)行14天后，COD去除率穩(wěn)定在56%。停止測試。

2.2 the值的變化規(guī)律

PH值是影響厭氧消化過程的重要因素。許多研究結(jié)果和實際運(yùn)行經(jīng)驗表明，厭氧消化需要一個相對穩(wěn)定的pH范圍。通常，對于以產(chǎn)甲烷菌為主要目的的厭氧生物處理，pH值范圍為6.5至7.5，優(yōu)選6.8至7.2。因此，在厭氧生物處理中，合理控制pH值是非常重要的。圖4和圖5顯示了測試入口和出口水以及每個隔室的pH值的變化規(guī)律。

從圖3和圖4可以看出，實驗中使用的脫墨廢水的pH值在6.86-7.42之間。實驗初期，反應(yīng)器運(yùn)行正常，反應(yīng)器內(nèi)pH值穩(wěn)定在6.76-7.45之間。在運(yùn)行的第26天，反應(yīng)器各隔室和出水的pH值從第25天的7.24、7.10、7.15、7.30和7.30下降到7.05、6.98、7.02、6.95和6.91，系統(tǒng)的pH值呈下降趨勢，但在系統(tǒng)本身緩沖系統(tǒng)的調(diào)解下，很快又恢復(fù)到原來的水平。

在實驗的第41天，各隔室和出水的pH值下降到6.70、6.64、6.61、6.52和6.55，反應(yīng)器處于酸化狀態(tài)。為了消除酸化，通過向進(jìn)料水中加入碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的pH值。經(jīng)過7天的調(diào)整，反應(yīng)器很快穩(wěn)定下來，各隔室和出水的pH值分別為7.31、7.24、7.15、7.35和7.41。當(dāng)實驗進(jìn)行到第60天時，體系的pH值也呈下降趨勢，仍然采用向試驗水中加入NaHCO3的方式，增強(qiáng)消化液的緩沖能力，以維持體系的酸堿平衡。

經(jīng)過分析，pH值下降的原因大致有兩個:第一個原因是容積負(fù)荷過高，導(dǎo)致產(chǎn)酸菌占優(yōu)勢生長，產(chǎn)甲烷菌被抑制，有機(jī)脂肪酸不能及時轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致有機(jī)酸積累，pH值下降；第二個原因是傳質(zhì)效果不好。顆粒污泥本身是厭氧環(huán)境中存在的一個小型厭氧系統(tǒng)。以顆粒狀態(tài)生長的產(chǎn)甲烷菌多集中在深部，顆粒內(nèi)部存在濃度梯度。如果厭氧過程的中間產(chǎn)物不能很好地擴(kuò)散到顆粒中被產(chǎn)甲烷菌利用，底物就會轉(zhuǎn)化為更多的有機(jī)酸，破壞系統(tǒng)的酸堿平衡，降低pH值?？梢?，pH的變化實際上反映了傳質(zhì)效果的好壞。因此，保持系統(tǒng)良好的酸堿環(huán)境是反應(yīng)器運(yùn)行的必要條件。

2.3 mlss的變化規(guī)律

圖6顯示了DASB反應(yīng)器運(yùn)行過程中各室ρMLSS的變化規(guī)律。

污泥濃度對反應(yīng)器的處理能力有很大影響。一般來說，污泥濃度越高，即單位有效容積中微生物越多，反應(yīng)器的有機(jī)物轉(zhuǎn)化率和處理負(fù)荷率越高。

從圖5可以看出，隨著運(yùn)行時間的推移，各隔室的污泥濃度經(jīng)歷了先降低后升高的過程。在啟動初期，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度先逐漸下降，各隔室的ρMLSS從啟動時的19.8、19.2、18.8和18.5g/L分別下降到第13天的14.3、15.0、14.6和13.1g/L，這是由于接種污泥中部分不能滿足本實驗反應(yīng)控制條件的微生物被消除所致。之后，在一段時間的運(yùn)行中，各隔室的污泥濃度緩慢上升。到第73天，各隔室的生物量分別為24.6、22.5、23.2和21.6克/升。這可能是因為污泥有一個適應(yīng)過程。隨著負(fù)荷的增加，細(xì)污泥隨出水流出反應(yīng)器，污泥洗滌量增加，污泥濃度降低。經(jīng)過一段時間的適應(yīng)，污泥濃度增加。在接下來的17天內(nèi)，污泥濃度趨于穩(wěn)定，沒有增加的趨勢。

在試運(yùn)行過程中可以發(fā)現(xiàn)，每個階段都可以觀察到污泥流失的現(xiàn)象，只是具體情況有所不同。在啟動階段，反應(yīng)器低負(fù)荷運(yùn)行，污泥流失主要是污泥本身沉降性能差造成的，是棄渣的自然流失。流失的污泥大部分是細(xì)污泥，但也有大顆粒污泥，估計是大顆粒污泥形成的空腔使污泥上浮造成的。較大的顆粒污泥由于其內(nèi)部氣體無法釋放，容易上浮，導(dǎo)致密度降低，浮力增大。

留在反應(yīng)器中的污泥逐漸改變其形狀和性質(zhì)。在負(fù)荷運(yùn)行期間，反應(yīng)器負(fù)荷增加，反應(yīng)器中的氣體產(chǎn)量增加。由于水流的剪切力和氣體載體的浮力，部分污泥上浮流失。這些漂浮污泥具有相對較好的沉降性能，漂浮損失與沉降性能較差的污泥損失是有區(qū)別的。

2.4厭氧顆粒污泥的特性

表2對實驗前后DASB反應(yīng)器中活性污泥的生態(tài)特性進(jìn)行了簡單的對比分析。其中，sludgevolumeindex (SVI)，其物理意義是曝氣池出口混合液經(jīng)30min靜態(tài)沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的體積，單位為毫升(mL)。一般在顆粒污泥厭氧反應(yīng)器中，當(dāng)活性污泥的SVI為15 ~ 20 ml/g時，可以認(rèn)為污泥具有良好的沉降性能。

無論是在實驗前期還是后期，用顯微鏡觀察顆粒污泥都發(fā)現(xiàn)顆粒污泥表面有很多孔洞。這些孔是底物和營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入顆粒的通道，顆粒內(nèi)部細(xì)菌產(chǎn)生的氣體也從這個通道逸出。不同類型的細(xì)菌以微小群落的形式隨機(jī)分布在顆粒污泥中。顆粒污泥內(nèi)部疏松，以絲狀菌為主，在顆粒污泥形成過程中起到包埋和纏繞細(xì)菌的作用。粒徑較大的顆粒污泥中往往存在空隙。這是因為在廢水處理過程中，基質(zhì)轉(zhuǎn)化首先在顆粒污泥外層進(jìn)行，內(nèi)部擴(kuò)散有限。顆粒中的底物低得多，濃度低到一定程度。由于細(xì)胞自溶，顆粒中的微生物生物量減少，形成較大的空腔。大而空的顆粒污泥容易破碎，其碎片可成為新污泥的核心。

3.結(jié)論

采用DASB反應(yīng)器處理廢紙脫墨廢水。試驗中添加了適量的磷酸鈉、FeCl2、NiCl2和CoCl2營養(yǎng)物質(zhì)。通過控制進(jìn)水COD質(zhì)量濃度和逐漸縮短HRT啟動時間，容積負(fù)荷逐漸增加。啟動效果良好，COD去除率穩(wěn)定至實驗結(jié)束。

通過增加進(jìn)水流量來提高COD容積負(fù)荷。DASB反應(yīng)器具有很強(qiáng)的緩沖能力，但當(dāng)容積負(fù)荷過高時，污泥的生物吸附接近飽和，COD去除率下降。

當(dāng)反應(yīng)器處于酸化狀態(tài)時，通過向進(jìn)水中加入碳酸氫鈉來調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的pH值。經(jīng)過一段時間的調(diào)整，酸化現(xiàn)象得到有效控制。

DASB反應(yīng)器運(yùn)行過程中，各隔室污泥質(zhì)量濃度經(jīng)歷了先降低、后升高、再穩(wěn)定的過程。(來源:上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院)

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