隨著我國工業化和城市化的不斷發展，高濃度的工業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最初的厭氧接觸工藝到上流式厭氧污泥床反應器(UASB)，再到以內循環厭氧反應器(IC厭氧反應器)為代表的第3代厭氧技術，無論是處理效率，還是運行負荷均有大幅提高，被廣泛應用于啤酒生產、造紙、食品加工、檸檬酸等行業〔1〕。
IC厭氧反應器是由荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代中期在UASB基礎上開發成功的第3代高效厭氧反應器〔2〕，具有容積負荷高、能耗低、抗沖擊能力強、造價低、占地面積小、附加值高等諸多優點〔3〕，是目前高濃度有機廢水厭氧處理的主流技術，可以稱得上目前世界上處理效果最好的厭氧反應器〔4〕。雖然IC厭氧反應器作為主流的厭氧技術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定的問題，其關鍵原因是反應器內部的布水布氣系統存在缺陷，導致反應器效率低下。對此，本公司對傳統厭氧反應器布水布氣系統的關鍵設備進行了改造，形成了具有自主知識產權的上旋流厭氧反應器。
為了更好地了解上旋流厭氧反應器的運行性能，便于對實際生產作出指導及技術推廣，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，該廢水為酒精生產過程中產生的高濃度有機廢水，并摻雜少量檸檬酸廢水。將2股廢水在調節池內進行混合，以調節池內混合充分的高濃度有機廢水作為試驗用水。試驗用水水質：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，將車間生產排放的酒精廢水和檸檬酸廢水在調節池內進行混合，調解池有效容積為800 m3。調節池出水由泵提升進入水解酸化池(有效容積為1 600 m3)，對廢水進行水解預酸化。水解酸化池出水由泵提升進入上旋流厭氧反應器，經過厭氧反應處理后，大部分有機物被轉化為沼氣釋放。上旋流厭氧反應器出水一部分回流至水解酸化池用于調節進水水量，其余部分進入后續好氧處理單元。
1.2.2 試驗裝置及主要參數
本試驗的主體裝置為上旋流厭氧反應器，直徑為14.5 m，高為22 m，有效容積3 500 m3，碳鋼材質，其基本結構如圖 2所示。
圖 2 上旋流厭氧反應器基本結構
上旋流厭氧反應器主要由布水器、提升裝置、三相分離器、氣液分離器及出水裝置等組成。相對于傳統的IC反應器，上旋流厭氧反應系統中使用了研制的新型布水器、優化后的內循環沼氣提升系統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計，反應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。
內循環沼氣提升系統做了如下優化改進：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的埋深。通過優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，從而加大內循環量，提高反應器的水力負荷，促進更有效的傳質。
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
厭氧反應器的啟動是通過污泥接種和培養，最終實現高負荷穩定運行的過程〔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)，占反應器總容積的34.3%。
1.4 系統調試
利用現有厭氧反應器出水將上旋流厭氧反應器注滿，直至升溫至35 ℃。因為現有厭氧反應器出水SCOD=2 000 mg/L，非常適合提高溫度馴化污泥。經過3 d時間，反應器溫度由25 ℃升至35 ℃，反應器內有少量沼氣產生。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試。系統調試時，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定。經過35 d的調試，系統運行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 結果與分析
2.1 污泥量的變化
在調試過程中，對污泥量和污泥TSS、VSS進行了檢測，結果如圖 3所示。
圖 3 調試過程中顆粒污泥量及VSS/TSS的變化
從圖 3可知，隨著調試時間的延長，顆粒污泥體積出現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境尚未適應，出現了污泥洗出的現象，污泥量有所減少。運行至第14天時，污泥量出現明顯增長，且污泥VSS/TSS由64%增加至70%，活性成分比例明顯增加。到調試完成時，顆粒污泥體積增加至1 710 m3，約占厭氧反應器體積的49%，已經滿足運行污泥量要求。
2.2 SCOD去除情況
經過35 d的調試，完成了上旋流厭氧反應器的啟動，期間系統進出水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，調試過程中，上旋流厭氧反應器對SCOD去除效果明顯，且整個試驗期間運行基本穩定。酒精綜合廢水的SCOD一般在8 000～10 000 mg/L，均值為8 946 mg/L，經過上旋流厭氧反應器處理后，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
調試過程中，發現SCOD去除率與容積負荷有很大關系，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新環境，活性較低有關。第8—14天為恢復階段，此時污泥活性已經基本恢復，COD容積負荷均值為10 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值提高至86%，此階段運行結束時，顆粒污泥已經完全適應新的環境，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，但是達到了設計指標，且去除率數據波動不大，運行穩定。
2.4 污泥負荷對SCOD去除率的影響
相關研究表明，污泥負荷對SCOD去除率有明顯影響。調試過程中，通過分析不同污泥負荷下的SCOD去除率發現，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，尚未適應新的環境有關，此階段如果COD污泥負荷較高，容易造成SCOD去除率明顯降低，從而導致反應器啟動失敗。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物，有機物經水解反應后產生VFA，產甲烷菌利用VFA產生甲烷。所以，VFA在厭氧反應器中的變化能反映出產甲烷菌的活性狀態。試驗過程中對上旋流厭氧反應器中VFA的變化進行了連續監測，發現VFA的波動與運行容積負荷有密切關系，如圖 7所示。
圖 7 容積負荷對出水VFA的影響
根據有關研究，當出水VFA<300 mg/L時，表明厭氧反應器運行效果非常好〔7〕，而根據實際工程經驗，上旋流厭氧反應器出水VFA<600 mg/L且保持穩定，即表明系統運行正常。從圖 7可以看出，在調試過程中，隨著COD容積負荷的增加，出水VFA出現了先高后低再高的趨勢，最高不超過650 mg/L，且浮動范圍穩定，說明上旋流厭氧反應器運行比較穩定。在啟動馴化階段，由于污泥活性尚未完全恢復，出水VFA達到了500 mg/L。隨著污泥活性恢復和污泥量的增加，當COD容積負荷為10～17 kg/(m3·d)時，出水VFA穩定在400 mg/L左右，表明反應器運行效果比較好。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保持穩定，沒有出現酸累積現象。
調試運行的第23天和第29天，出現出水VFA迅速升高的情況，是由于進水水質波動較大，進水COD突然增加造成的，當水質平穩后，VFA很快就恢復穩定，這也說明上旋流厭氧反應器有較強的耐負荷沖擊能力。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
3 結論
通過本試驗研究結果可以看出，以顆粒污泥為接種污泥，采用上旋流厭氧反應器處理酒精綜合廢水，可以實現厭氧反應器的快速啟動。
(1)調試過程中，顆粒污泥體積出現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。到調試完成時，顆粒污泥體積增加至1 710 m3，約占厭氧反應器體積的49%，滿足運行污泥量要求。
(2)上旋流厭氧反應器對SCOD去除效果明顯，且整個試驗期間運行基本穩定。經過上旋流厭氧反應器處理后，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去除率發現，穩定運行階段，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，但是達到了設計指標，且運行穩定。
(4)調試過程中，通過分析不同污泥負荷下的SCOD去除率發現，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)上旋流厭氧反應器出水VFA與容積負荷有密切聯系，當COD容積負荷達到20 kg/(m3·d)時，出水VFA增加到500 mg/L以上，但系統運行穩定，沒有出現酸累積現象。
