丁麗麗，任洪強(qiáng)，華兆哲，陳堅(jiān)
(無(wú)錫輕工大學(xué)生物工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫　214036)

　　摘　要：以實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)為研究對(duì)象，考察了其運(yùn)行狀況和影響運(yùn)行的特征參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)水容積負(fù)荷為24.9～37.52kgCOD/(m³·d)時(shí)對(duì)COD的去除率達(dá)83.2%～92.8%，其中Ⅰ室的去除率為60%～70%，Ⅱ室的去除率為20%～30%；進(jìn)水的上升流速高(2.65～4.35m/h)有利于反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行；在較高的容積負(fù)荷[35.0kgCOD/(m3·d)]、進(jìn)水pH值為8.5時(shí)反應(yīng)器具有最大的COD去除率。
　　關(guān)鍵詞：IC反應(yīng)器；中溫；運(yùn)行特性
　　中圖分類號(hào)：X703.1
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)11-0046-03

　　內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation,簡(jiǎn)稱IC)是在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出的第三代超高效厭氧反應(yīng)器，其特征是在反應(yīng)器中裝有兩級(jí)三相分離器，反應(yīng)器下半部分可在極高的負(fù)荷條件下運(yùn)行。整個(gè)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷也較高，并可實(shí)現(xiàn)液體內(nèi)部的無(wú)動(dòng)力循環(huán)，從而克服了UASB反應(yīng)器在較高的上升流速度下顆粒污泥易流失的不足^[1～3]。筆者在實(shí)驗(yàn)室對(duì)小型IC反應(yīng)器(25 L)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要考察了反應(yīng)器在中溫條件下的運(yùn)行特性及其影響因素，驗(yàn)證了IC反應(yīng)器在UASB基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)處理效能的促進(jìn)作用。

1　試驗(yàn)裝置和方法

1.1　試驗(yàn)裝置
　　IC反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成，有效容積為25L，反應(yīng)器總高度為1500mm，沿柱高設(shè)置多個(gè)取樣孔。將反應(yīng)器安裝在恒溫箱內(nèi)，用WMZK-01溫控儀和熱源構(gòu)成自動(dòng)溫控系統(tǒng)，將溫度控制在(35±1)℃。工藝流程見(jiàn)圖1。
　　試驗(yàn)配水首先進(jìn)入Ⅰ室被降解，產(chǎn)生的沼氣由Ⅰ室的集氣罩收集，大量沼氣攜帶Ⅰ室的泥水混合液沿著提升管上升至反應(yīng)器頂部的氣液分離器，沼氣在此處逸出反應(yīng)器，而泥水混合液則沿下降管返回到Ⅰ室的底部。Ⅰ室出水自動(dòng)進(jìn)入Ⅱ室繼續(xù)處理，隨后經(jīng)Ⅱ室的三相分離器排出反應(yīng)器外。

1.2　試驗(yàn)用水
　　采用人工合成的葡萄糖廢水，并加入適量微量元素(見(jiàn)表1)。
1.3　接種污泥
　　接種污泥采用無(wú)錫獅王太湖水啤酒有限公司UASB反應(yīng)器中的顆粒污泥，污泥的TSS為72.2g/L，VSS為56.6g/L。接種前先將污泥顆粒進(jìn)行篩洗處理，再用COD為500mg/L的人工配水連續(xù)(8～10h)進(jìn)行漂洗和活化。

表1　人工合成葡萄糖廢水的組分及含量 組分 含量 組分 含量 葡萄糖(mg/L) 2000 CaCl₂(mg/L) 4 (NH₄)₂CO₃(mg/L) 40 MgSO₄(mg/L) 8 KH₂PO₄(mg/L) 40 NaHCO₃(mg/L) 660 NH₄Cl(mg/L) 40 酵母膏(mg/L) 80 FeCl₃·4H₂O(μg/L) 80 CoCl₂·6H₂O(μg/L) 80 MnCl₂·4H₂O(μg/L) 20 ZnCl₂(μg/L) 2 NiCl₂·6H₂O(μg/L) 2 CuCl₂·2H₂O(μg/L)[ 1.2 EDTA(μg/L) 40 H₃BO₃(μg/L) 2 (NH₄)₆Mo7O₂₄·4H₂O(μg/L) 3.6 36%HCl(μg/L) 0.04

1.4　分析方法
　　COD：重鉻酸鉀法；pH值：玻璃電極法；SS和VSS：稱重法。

2　結(jié)果與討論

2.1　運(yùn)行結(jié)果
　　IC反應(yīng)器的試驗(yàn)條件和運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　運(yùn)行結(jié)果 試驗(yàn)階段 第一階段 第二階段 第三階段 時(shí)間(d) 1～29 30～59 60～90 溫度(℃) 35 進(jìn)水pH 7.5～8.0 7.8～8.9 8.5～8.9 進(jìn)水COD(mg/L) 1 865～2 587 3 885～4 877 8 023～11092 v(m/h) 2.65 3.22 4.35 OLR[gCOD/(L·d)] 15.0～24.9 27.3～36.96 33.88～37.52 SLR[gCOD/(gVSS·d)] 0.73～1.60 1.47～2.48 1.87～2.50 COD去除率(%) 83.2～91.8 83.9～89.8 89.3～92 .8 出水COD(mg/L) 184.6～386.6 447.1～658.9 575.0～1120.3 出水SS(mg/L) 159～377 342～552 501～780 階段描述 提高負(fù)荷期 提高負(fù)荷期 穩(wěn)定運(yùn)行期 注：OLR為反應(yīng)器的COD容積負(fù)荷；SLR為反應(yīng)器的COD污泥負(fù)荷；v為上升流速。

　?、佗袷?br> 　　IC反應(yīng)器Ⅰ室在高負(fù)荷下運(yùn)行，其COD去除率為60%～70%。反應(yīng)器的初始容積負(fù)荷為31.25kgCOD/(m³·d)，COD去除率為62.3%。第29天容積負(fù)荷升至50.8kgCOD/(m³·d)，COD去除率為59.8%。在第55天反應(yīng)器進(jìn)水COD濃度為4500mg/L，污泥負(fù)荷為3.99gCOD/(gVSS·d)，COD去除率為61%。第89天容積負(fù)荷和污泥負(fù)荷分別為76.83kgCOD/(m³·d)、3.97gCOD/(gVSS·d)，COD去除率為64.3%。
　?、冖蚴?br> 　　與Ⅰ室相比，Ⅱ室的運(yùn)行負(fù)荷相對(duì)較低，以Ⅱ室進(jìn)水COD濃度計(jì)算則Ⅱ室的COD去除率為60%～85%，去除的COD占反應(yīng)器進(jìn)水COD的20%～30%。Ⅱ室的初始負(fù)荷為10.9kgCOD/(m³·d)，COD去除率為61.0%；第57天有機(jī)負(fù)荷達(dá)到最大[28.8kgCOD/(m³·d)]，COD去除率為73.15%。
2.2　影響因素分析
　　在控制反應(yīng)器溫度為(35±1)℃、試驗(yàn)用水為葡萄糖配水的條件下，主要研究了容積負(fù)荷、升流速度、進(jìn)水COD濃度和進(jìn)水pH值的影響。
　?、偃莘e負(fù)荷
　　UASB反應(yīng)器在處理中、高濃度廢水時(shí)最大容積負(fù)荷只能達(dá)到10～20 kgCOD/(m³·d)，因容積負(fù)荷過(guò)高會(huì)導(dǎo)致顆粒污泥流失^[2]，而IC反應(yīng)器的最大容積負(fù)荷可達(dá)36.96～37.52kgCOD/(m³·d)(見(jiàn)表2)，這是因?yàn)?0%～70%的有機(jī)物在Ⅰ室得到降解，產(chǎn)生的大量沼氣被一級(jí)三相分離器收集后排出反應(yīng)器，因此不會(huì)在Ⅱ室中產(chǎn)生很高的氣體上升流速，對(duì)顆粒污泥的流失影響較小。?
　　IC反應(yīng)器在高負(fù)荷下運(yùn)行仍能達(dá)到很高的COD去除率(見(jiàn)表2)，這與反應(yīng)器具有液體內(nèi)循環(huán)密切相關(guān)。經(jīng)分析可知，當(dāng)容積負(fù)荷升高時(shí)產(chǎn)生的沼氣量增加，推動(dòng)液體形成的內(nèi)循環(huán)流量增大，進(jìn)水得到了更大程度的稀釋和調(diào)節(jié)，Ⅰ室內(nèi)液固充分接觸，傳質(zhì)速率增加，使有機(jī)物易于得到降解。
　?、诨旌弦旱纳仙魉?br> 　　一般認(rèn)為，以顆粒污泥為主體的UASB的混合液上升流速宜控制在0.5～1.5m/h，而IC反應(yīng)器的混合液上升流速為2.5～10m/h^[3](在一定程度上改善了基質(zhì)與微生物間的傳質(zhì)過(guò)程)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在2.65～4.35m/h的上升流速下Ⅰ室的沼氣產(chǎn)量明顯增加，造成氣提管中的液體通量明顯增大和中間回流管的流量加快，這說(shuō)明通過(guò)增加進(jìn)水量的方式可明顯提高反應(yīng)器中的循環(huán)比例(一方面可改善反應(yīng)器底部對(duì)進(jìn)水COD負(fù)荷的承受能力，提高反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力；另一方面可提高流速而強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，避免了反應(yīng)中可能出現(xiàn)的局部基質(zhì)濃度過(guò)高現(xiàn)象，確保了反應(yīng)器能正常穩(wěn)定地運(yùn)行)。
　?、圻M(jìn)水COD濃度
　　在進(jìn)水COD濃度分別為1300mg/L(A)、2000mg/L(B)、4500mg/L(C)、9897mg/L(D)的條件下，控制反應(yīng)器的上升流速為4.0 m/h，沿反應(yīng)器高度取樣并測(cè)定COD濃度，結(jié)果見(jiàn)圖2。

　　從圖2可以看出，在不同的進(jìn)水濃度條件下反應(yīng)器中的COD濃度在高度上呈梯度分布，Ⅰ室中COD濃度下降較快，而Ⅱ室中COD濃度變化相對(duì)緩慢。因此，在設(shè)計(jì)IC反應(yīng)器時(shí)要充分考慮進(jìn)水濃度、上升流速和反應(yīng)器高度間的關(guān)系。
　　④進(jìn)水pH值
　　研究了反應(yīng)器在較高容積負(fù)荷[35.0kgCOD/(m³·d)]、不同進(jìn)水pH值條件下的COD去除率。當(dāng)進(jìn)水pH＜8.0時(shí)COD去除率為65%～75%，在pH=8.5時(shí)COD去除率達(dá)到最大值(89%)，隨著pH值的進(jìn)一步升高則COD去除率逐步下降，但至pH=8.9時(shí)下降幅度趨緩。筆者得到的進(jìn)水最佳pH值(8.5)顯然高于普通厭氧反應(yīng)器中的最佳pH值(7.5～7.8)，這是由于當(dāng)IC反應(yīng)器的容積負(fù)荷(以總體積計(jì)算)為35 kgCOD/(m³·d)時(shí)Ⅰ室的容積負(fù)荷(以Ⅰ室的體積計(jì)算)高達(dá)72.0kgCOD/(m³·d)，雖然進(jìn)水在布水系統(tǒng)處得到稀釋和緩沖，但仍會(huì)使產(chǎn)酸菌產(chǎn)生過(guò)多的有機(jī)酸，在此區(qū)域內(nèi)對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性會(huì)產(chǎn)生一定程度的抑制作用，導(dǎo)致反應(yīng)器底部pH值明顯下降(見(jiàn)圖3)。與進(jìn)水pH=7.5時(shí)相比，pH=8.5的進(jìn)水之pH值下降速度慢，最低下降到7.1，隨后趨于穩(wěn)定，因此IC反應(yīng)器的處理效果明顯優(yōu)于普通厭氧反應(yīng)器。

3　結(jié)論

　?、僭谶M(jìn)水容積負(fù)荷為24.9～37.52 kgCOD/(m³·d)時(shí)，IC反應(yīng)器Ⅰ室對(duì)進(jìn)水COD的去除率為60%～70%，而Ⅱ室的去除率為20%～30%，對(duì)COD的總?cè)コ蔬_(dá)83.2%～92.8%。
　?、谠摲磻?yīng)器可承受較高的有機(jī)負(fù)荷，對(duì)于低濃度(COD為1865～2587mg/L)、中等濃度(COD為3885～4877mg/L)和高濃度(COD為8023～11092mg/L)的進(jìn)水都具有很好的處理效果。
　?、蹖?duì)于IC反應(yīng)器，較高的混合液上升流速(2.65～4.35m/h)有利于反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行；在容積負(fù)荷為35.0kgCOD/(m³·d)和進(jìn)水pH值為8.5時(shí)，反應(yīng)器具有最大的COD去除率；在設(shè)計(jì)IC反應(yīng)器時(shí)要充分考慮反應(yīng)器進(jìn)水濃度、上升流速和反應(yīng)器高度間的關(guān)系。

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　　收稿日期：2002-05-19