1 試驗材料與方法
1.1 試驗裝置
試驗裝置如圖 1 所示 ，MICR 由 3 根 D 80 mm× 1 000 mm 的有機(jī)玻璃管串聯(lián)而成，總有效容積為 12.81 L，分為 1#、2#、3# 反應(yīng)室。各反應(yīng)室均設(shè) 3 個孔徑為 8 mm 的取樣口，取樣口分別位于距離 反應(yīng)室底部 100、350、700 mm 處，并用恒溫水浴槽控制試驗溫度為(35±1 ) ℃。 廢水從高位槽向 1# 反應(yīng)室底部注入，然后由上部出水口經(jīng)溢流堰順管道進(jìn)入 2# 反應(yīng)室底部，依次推進(jìn)，經(jīng)過 3# 反應(yīng)室之后排出 。各反應(yīng)室的氣體在集氣罩下方匯集，以泥水混合液的形式經(jīng)提升管進(jìn)入氣液分離器，氣體從排氣口排出，泥水混合液經(jīng)回流管回流至反應(yīng)室底部，形成液體內(nèi)部循環(huán) 。
圖 1 試驗裝置
1.2 接種污泥
所用污泥取自廣西大學(xué)實驗室處理淀粉廢水的厭氧顆粒污泥，粒徑在 2.0 ～3.5 mm 之間，黑色，污泥容積指數(shù)(SVI) 為 19.1 mL/g，沉降性能良好。污泥經(jīng)淘洗備用，污泥接種量為反應(yīng)室容積的 1/2。
1.3 試驗用水
試驗所用乳品廢水取自廣西皇氏甲天下乳業(yè)股份有限公司 ( 主要水質(zhì)參數(shù)見表 1 )，并根據(jù)需要添加了適量純牛奶，以提高 CODCr，以尿素為氮源 、磷酸二氫鉀為磷源，保持 m (CODCr) ∶ m (N) ∶ m (P) = 300 ∶5∶1 。為促進(jìn)污泥馴化，適量添加含有 Fe、Ca、 Mn、Zn、Co、K 等微量元素的營養(yǎng)液。
1.4 試驗方法
啟動試驗采用自制的淀粉廢水與乳品廢水進(jìn)行混合作為進(jìn)水，控制 CODCr 為1 000 mg/L左右，保持 HRT= 24 h 不變，逐步提高進(jìn)水中乳品廢水的比例 ，直至進(jìn)水完全是乳品廢水。
MICR 啟動成功后，即進(jìn)入運(yùn)行特性研究。首先保持進(jìn)水CODCr 不變，以每次 4 h 的梯度逐步縮短 HRT; 隨后保持 HRT 不變，以每次 500 mg/L 的梯度逐步提高進(jìn)水的 CODCr。 通過這兩種方式增加進(jìn)水的容積負(fù)荷 ，并對整個運(yùn)行過程中出水的 CODCr、pH、SS、VFA、產(chǎn) CH4 量等進(jìn)行分析。
1.5 分析方法及儀器
試驗中對 CODCr、pH、SS、VFA、產(chǎn) CH4 量進(jìn)行測定 ，具體方法參照文獻(xiàn)〔2〕、〔3〕。 其中 CODCr 采用微波消解法測定 ，pH 用玻璃電極法測定 ，SS 采用重量法測定 ，VFA 用比色測定法，CH4 采用自制血清瓶液體置換系統(tǒng)測定 ( 以質(zhì)量分?jǐn)?shù) 3% 的 NaOH 溶液吸收去除其中的 CO2，剩余氣體即 CH4)。
儀器： WMX 型微波密封消解 COD 速測儀，汕頭市環(huán)海工程總公司 ; pHS-3C 型精密 pH 計，上海雷磁儀器廠; CS-122 型恒溫箱 ，重慶試驗設(shè)備廠 ; 自制蒸餾裝置。
2 結(jié)果與分析
2.1 MICR 的抗沖擊特性
2.1.1 進(jìn)水容積負(fù)荷對 CODCr 去除率的影響
經(jīng)過近 40 d 的培養(yǎng)馴化，當(dāng)進(jìn)水 CODCr 為 1 100 mg/L，HRT 為 24 h 時 ，CODCr 去 除 率 穩(wěn) 定 在 92% 左右，進(jìn)入運(yùn)行特性試驗階段，該過程分 2 個階段提高進(jìn)水容積負(fù)荷 。 CODCr 去除率隨進(jìn)水容積 負(fù)荷的變化情況見圖 2。
圖 2 CODCr 去除率隨進(jìn)水容積負(fù)荷的變化
第 1 階段保持 CODCr 為 1 000 mg/L，逐步縮短 HRT。 由圖 2 可見 ，CODCr 容積負(fù)荷 <3.0 kg/(m3· d)時，每次提高容積負(fù)荷 CODCr 去除率均呈現(xiàn)先下降后回升的趨勢 ，最高都在 88% 左右 ，例如容積負(fù)荷從 1.0 kg/(m3· d) 升至 1.2 kg/(m3· d) 時，CODCr 去除率由 91.4%降到 80.1%，之后又升到 87.2%。 主要原因是容積負(fù)荷的增加使得甲烷菌增殖速率滯后于產(chǎn)酸菌 ，導(dǎo)致有機(jī)酸發(fā)生積累 ，代謝產(chǎn)物增多 ，從而抑制了甲烷菌對有機(jī)物的降解活性; 待微生物開始適應(yīng)新的環(huán)境，其降解活性得以恢復(fù)。
當(dāng) CODCr 容積負(fù)荷提高到3.0 kg/(m3· d) 時，CODCr 去除率相對較低 ，最高只恢復(fù)到 84.4%，并呈下降趨勢 ，特 別 是 當(dāng) HRT =4 h，相 應(yīng) 的 容 積 負(fù) 荷 為 6.0 kg/(m3· d) 時，CODCr 去除率一直在 78%的較低水平，表明此時進(jìn)水容積負(fù)荷已經(jīng)超過 MICR 的抗沖擊負(fù)荷能力 ，原因可能是 HRT 較短使得世代時間較長的產(chǎn)甲烷菌被“沖出 ”。
第 2 階段保持 HRT =8 h 不變，以 500 mg/L 的梯度逐步提高 CODCr 質(zhì)量濃度 。 當(dāng)進(jìn)水 CODCr 提高到 1 500 mg/L 時 ，CODCr 去 除 率 回 升 到 84.5% ; 進(jìn) 水 CODCr 提高到 2 000 mg/L 時 ，CODCr 去除率先略微降低后逐漸升高，并最終穩(wěn)定在 85.6%左右。 可見運(yùn)行 50 余天后 ，當(dāng) HRT =8 h，進(jìn)水 CODCr 為 2 000 mg/L，相應(yīng)的容積 負(fù) 荷 為 6.0 kg/(m3· d) 時 ，MICR 具 有 最優(yōu)的運(yùn)行效能。
2.1.2 pH 對 CODCr 去除率的影響
pH 是影響厭氧反應(yīng)器處理效果的最重要因素之一 〔4〕。圖 3 為進(jìn)、 出水 pH 隨時間的變化情況。
圖 3 進(jìn)、出水 pH 及 CODCr 去除率隨運(yùn)行時間的變化
由圖 3 可見，經(jīng)過前期的污泥馴化之后 ，當(dāng)進(jìn)水 pH 保持在 7.0 ～7.6 時，出水 pH 也穩(wěn)定在 7.5 左右 。當(dāng)進(jìn)水 pH 突然增大至 8.16(A 點 ) 時 ，出水 pH 也隨之升高到 8.44，CODCr 去除率即由 88%降至 80%，及時 降 低 進(jìn) 水 pH 至 8.0 后 ，CODCr 去 除 率 恢 復(fù) 到 82.1% ; 當(dāng)進(jìn)水 pH 突然減小到 6.47 (B 點 ) 時 ，出水 pH 隨 之 降 到 7.16，CODCr 去 除 率 由 84.4% 降 至 77.5%，及時提高進(jìn)水 pH 至 6.71 后 ，CODCr 去除率恢復(fù)至 82.5%。 這主要是因為微生物對 pH 非常敏感，pH 的突然改變會引起細(xì)胞膜發(fā)生變化 ，影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而大大降低細(xì)菌活性; 而及時調(diào)節(jié)進(jìn)水 pH 后 CODCr 去除率的迅速恢復(fù) ，表明顆粒污泥結(jié)構(gòu)為內(nèi)層產(chǎn)甲烷菌提供了保護(hù)和隔離作用 ，使得厭氧顆粒污泥對短時的 pH 變化具有一定的緩沖能力 ，能夠很好地適應(yīng)環(huán)境的改變，迅速恢復(fù)活性。
2.1.3 HRT 對 SS 去除率的影響
研究表明 HR T 對 SS 去除率有重要影響 〔5〕。 圖 4 為進(jìn)、 出水 SS 及 SS 去除率隨運(yùn)行時間的變化情況。
圖 4 進(jìn)、出水 SS 及 SS 去除率隨運(yùn)行時間的變化
由圖4 可知，隨著 HRT 的增加 ，系統(tǒng)出水的 SS 逐漸降低 ，SS 去除率逐漸升高。 HRT >8 h 時，出水 SS 均 <40 mg/L，SS 去除率保持在 78.8% ～88.7%之間 。 當(dāng) HRT 減小至 4 h 時 ，出水 SS 增至 60 mg/L，SS 去除率則降至 69.7%。 可見，若要保證出水 SS ≤ 40 mg/L， HRT 至少應(yīng) >4 h。 實驗過程中進(jìn)水 SS 在 180 ～210 mg/L 之間變化，但出水 SS 受其影響較小 ，仍表現(xiàn)出上述變化規(guī)律，且具有較高的 SS 去除率 ，這主要受益于 MICR 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ： 內(nèi)設(shè)的集氣罩很好地截留了污泥和懸浮物，同時多相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得大量懸浮物在第 1 格室被吸附分解，在最后格室沉淀，因此該系統(tǒng)對 SS 的去除效果明顯 。
2.2 相分離特性
2.2.1 各反應(yīng)室出水VFA 的變化規(guī)律
在厭氧消化過程中 ，甲烷菌主要利用 VFA 形成甲烷，因此 VFA 的積累程度及變化規(guī)律能夠很好地表征厭氧反應(yīng)器的相分離狀態(tài)〔6〕。圖 5 為各反應(yīng)室出水的 VFA 隨運(yùn)行時間的變化情況。
圖 5 各反應(yīng)室 VFA 隨運(yùn)行時間的變化
由圖 5 可以看出 ，1# 反應(yīng)室出水的 VFA 最多，總體在 2.0 mmol/L 以上，并隨著進(jìn)水容積負(fù)荷的增加 而 增 大 ( 隨 運(yùn) 行 時 間 延 長 進(jìn) 水 容 積 負(fù) 荷 逐 漸 加大 )，VFA 最高達(dá)到 7.0 mmol/L; 2#、3# 反應(yīng)室出水的 VFA 沒有明顯差異 ，均較低 ，在 0.25～0.75 mmol/L 之間變化。 說明 1# 反應(yīng)室以產(chǎn)酸菌為主，2#、3# 反應(yīng)室以產(chǎn)甲烷菌為主。1# 反應(yīng)室中 ，隨著進(jìn)水容積負(fù)荷的逐漸增大 ，大量有機(jī)物為代謝速率高 、 適應(yīng)能力強(qiáng)的產(chǎn)酸菌提供了適宜的生長環(huán)境 ，產(chǎn)酸菌大量生長繁殖 ，有機(jī)物被產(chǎn)酸菌迅速轉(zhuǎn)化為脂肪酸 ，而產(chǎn)甲烷菌適應(yīng)環(huán)境較慢且代謝能力弱 ，無法將產(chǎn)生的脂肪酸及時吸收利用 ，致使脂肪酸大量積累 ，出水 VFA 較高 ; 在 2#、3# 反應(yīng)室中 ，產(chǎn)甲烷菌開始適應(yīng)環(huán)境并迅速生長繁殖，而此時產(chǎn)酸菌由于底物不足，活性變差，與產(chǎn)甲烷菌的生長達(dá)到平衡，其產(chǎn)生的脂肪酸能夠及時被產(chǎn)甲烷菌利用 ，出 水 VFA 較 低 。 此 外 ， MICR 的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)可增強(qiáng)泥水的混合 ，加快各種厭氧菌種的代謝活動 ，從而達(dá)到良好的相分離效果 。
2.2.2 各反應(yīng)室產(chǎn) CH4 量的變化
試驗過程中對各反應(yīng)室產(chǎn)生的 CH4 氣體單獨(dú)收集測定 ，以考察反應(yīng)室厭氧菌種的生長情況。 各反應(yīng)室的產(chǎn) CH4 量如圖 6 所示。
圖 6 各反應(yīng)室的產(chǎn) CH4 量隨運(yùn)行時間的變化
由圖 6 可見，2# 反應(yīng)室產(chǎn)生的 CH4 最多，容積產(chǎn)氣率 >0.153 m3/(m3· d)，最高達(dá) 0.397 m3/(m3· d)，并隨著容積負(fù)荷的 增加而增大 ( 隨運(yùn)行時間延長容積負(fù)荷增加 )，表明 2# 反應(yīng)室以產(chǎn)甲烷菌為主。 1# 反應(yīng)室產(chǎn)生的 CH4 量受進(jìn)水容積負(fù) 荷的影響不大 ，總體保持在 0.103～ 0.137 m3/(m3· d) 的水平 ，表明 1# 反應(yīng)室主要起水解和酸化作用 ，以產(chǎn)酸菌為主，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制 ，而且受進(jìn)水容積負(fù)荷的直接沖擊，CH4 產(chǎn)量呈現(xiàn)小幅度的波動 。 3# 反應(yīng)室與 2# 反應(yīng)室一樣 ，產(chǎn) CH4 量隨著容積負(fù)荷的增加而增大 ，但 產(chǎn) CH4 量 始 終 很 低 ，其 容 積 產(chǎn) 氣 率 最 大 為 0.071 m3/(m3· d)，表明 3# 反應(yīng)室也以產(chǎn)甲烷菌為主 ，但由于廢水流至 3# 反應(yīng)室時剩余的有機(jī)物很少 ，底物不足，因此 CH4 量很少 。
3 結(jié)論
(1)MICR 對乳品廢水有穩(wěn)定高效的處理效果 。當(dāng) HRT=8 h、 進(jìn)水 CODCr 為 2000 mg/L、 相應(yīng)的容積負(fù)荷為 6.0 kg/(m3· d) 時 ，MICR 具 有 最 優(yōu) 的 運(yùn) 行 效能 ，CODCr 去除率可穩(wěn)定在 85.6%左右 。 MICR 底部污泥對 pH 驟變有較好的抗沖擊能力 ，能夠隨 pH 的穩(wěn)定很快恢復(fù)活性，提高 CODCr 去除率。 MICR 獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計對 SS 有較高的去除率 ，當(dāng) HRT>8 h 時出水 SS<40 mg/L，SS 去除率保持在 78.8%～88.7%。
(2)MICR 存在產(chǎn)酸相與甲烷相分離現(xiàn)象。 1# 反應(yīng)室出水 VFA 在 2.0 mmol/L 以上，2#、3# 反應(yīng)室出水 VFA 僅在 0.25～0.75 mmol/L 之間變化 ; 2# 反應(yīng)室產(chǎn)生 CH4 最多 ，容積產(chǎn)氣率最高可達(dá) 0.397 m3/(m3· d)，研究表明 2# 、3# 反應(yīng)室以產(chǎn)甲烷菌為主 ，1# 反應(yīng)室以產(chǎn)酸菌為主。
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