DASB反应器对脱墨废水降解的影响

随着城市的扩张和工业的快速发展，有机废水的数量急剧增加，已成为水污染的重要来源。为了满足中国环境规划和发展的需要，有必要不断开发和利用新型高效反应堆。

就目前的研究和应用而言，还存在一些问题，如内循环(IC)反应器和厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)，其应用领域还比较狭窄，需要在其他领域发展。升流式厌氧流化床(UBF)和ic反应器与升流式厌氧污泥床(UASB)相比，结构也更复杂，要求更高，施工安装难度更大。目前，国内对UBF、IC反应器和厌氧折流板反应器(ABR)的研究主要集中在运行性能方面，对工艺设计和运行控制的研究不多。因此，如何改进反应器结构使其更好地运行，如何控制反应器的运行过程将是今后研究的重点问题。

下流式厌氧污泥床(DASB)反应器作为一种新型厌氧处理工艺，结合了第二代反应器的优点，克服了厌氧滤池所需滤料成本高、UASB要求配水系统和三相分离器复杂等缺点。DASB的优点是工艺简单，成本低。此外，DASB还具有生物拦截能力强、生物污泥与进水基质接触混合效果好、运行管理方便、性能可靠等优点，作为好氧法的替代或预处理工艺可能更为合理。然而，DASB反应器仍处于实验研究阶段，其处理有机废水的研究尚未见报道。作为一种新型反应器，DASB反应器在实际运行过程中仍有许多问题需要解决，如:启动过程中的具体条件、酸化后的自恢复能力、处理造纸脱墨废水的条件和能力以及相应工艺设计参数的确定等。

因此，针对上述问题，本文拟对DASB反应器处理造纸脱墨废水时化学需氧量(COD)的质量浓度、COD去除率、pH值、混合液悬浮固体(MLSS)的质量浓度以及厌氧污泥的特性进行研究，以了解DASB反应器在常温下的启动过程，更好地控制反应器的运行。

1.材料和方法

1.1原水的选择

实验所用原水为湖南岳阳某造纸厂原处理工艺中调节池的脱墨废水。脱墨废水来源于废纸制浆过程，包括废纸碎解、筛选、净化、脱墨、洗涤、浓缩和热熔处理过程，尤其是碎解、净化和脱墨过程。废水中含有大量的油墨、脱墨剂、短纤维、矿物油或植物油、松香、胶料、颜料、表面活性剂等化学添加剂等难降解物质，可生化性不理想。COD、BOD5、ss的质量浓度分别为1900 ~ 2100 mg/L、960 ~ 1080 mg/L，色度≤250倍，pH值为7 ~ 10。

由于脱墨废水中氮充足而磷不足，为了将COD、N、P的比例调节到200∶5∶1左右，需要加入磷即磷酸钠，用量为10mg/L，微量元素铁、镍、钴即FeCl2、NiCl2、CoCl2，用量分别为0.41。另外，为了维持反应器内的pH值，避免酸化，根据试验出水的pH值，向进水中加入适量的碳酸氢钠。

1.2接种污泥的选择

接种污泥取自湖南岳阳某造纸厂改性UASB的厌氧活性污泥和农村沼气池的厌氧活性污泥。污泥具有良好的性质。为了去除污泥中大的杂质和有毒成分，用3mm孔径的筛子过滤掉大的无机物，静置沉淀去除上清液，然后均匀加入到四个隔室中。改良UASB中接种污泥的MLSS质量浓度为52g/L，容积为400L；农村沼气池接种污泥的MLSS质量浓度为36g/L，容积为200L。混合后，接种污泥的平均质量浓度约为46.7 g/L

1.3测试布局和设备选择

试验装置由四个碳钢制成的圆形容器串联而成，装置的内外表面均经过防腐处理。上部为圆柱形，直径50厘米，高250厘米；；底部呈锥形，高18cm。单个集装箱容积约550L，有效容积约475L。DASB反应器的横截面图如图1所示。计量泵采用MiltonRoy)G系列M型，污泥循环泵采用韩邦LW型。

在结构上，DASB反应器通过导流管将几个独立的反应器串联起来，每个反应室是一个相对独立的下流式污泥床厌氧反应器，其中污泥可以以颗粒形式或絮状形式存在。运行时，废水自上而下通过反应室内的污泥床，在水流和产气的搅拌作用下，进水基质与生物污泥充分混合接触，然后在导流管的引导下，废水在后续反应室中继续与生物污泥混合，从而降解水中的有机物。第四反应室中的污泥按照一定的污泥回流比回流至第一反应室。污泥回流可以保证反应器中有足够的、稳定的生物污泥，同时污泥回流有利于保证每个反应室内的污泥处于悬浮状态。保持这种悬浮状态的关键是整个反应器内生物的不断迁移。

从工艺上看，在单个反应室中，水力特性接近全混式；整体来说，类似于塞流。这种活塞流的变化使得优势微生物种群生长繁殖良好，废水中的污染物在不同的反应室中得到降解，因此系统具有良好的稳定性和处理效果。

1.4测试内容和方法

根据试验的要求和目的，试验的主要分析项目、频率、方法和仪器见表1。其中ρCOD为COD的质量浓度；ρMLSS是MLSS的质量浓度。

2.结果和讨论

2.1 DASB处理后脱墨废水中COD的去除规律

在启动过程中，以造纸脱墨废水为进水基质。向进水中加入适量的磷酸钠、FeCl2、NiCl2和CoCl2，进水COD浓度约为2000mg/L，进水流量为30L/h，初始容积负荷约为0.76kg/(m3 & # 8226；d)通过控制进水COD的质量浓度和逐渐缩短水力停留时间(HRT)来逐渐增加容积负荷，直至运行结束。整个过程历时90天，包括两个阶段:启动期和负荷运行期。

本实验将COD的去除作为重要考察对象，也是判断水质达标排放的较重要依据之一。图2是整个实验阶段进出水COD质量浓度和COD去除率的变化规律。图3是试验过程中容积负荷和COD去除率的曲线。

启动期

在试验的初始阶段，应严格控制反应器的操作，这对顺利启动至关重要。启动期的主要目的是将菌种从休眠状态恢复到营养细胞状态，将接种的污泥逐步培养驯化成高活性的厌氧污泥以适应待处理的水质，使反应器进入“工作”状态。

在试验的初始阶段，反应器被控制在低负荷。在前25天，COD容积负荷为0.76kg/(m3 & # 8226；d)、进水质量浓度控制在2000mg/L左右，进水体积为30l/h，当COD去除率能稳定运行一段时间后，反应器的容积负荷会增加。启动第一天，COD去除率较低，仅为32%。原因如下:一方面，污泥活性尚未完全恢复，有机物未进入正常转化路径；另一方面，由于污泥的流失，出水悬浮物浓度高。第6天，出水COD质量浓度高达1464mg/L，COD去除率仅为24%。随着运行的继续，污泥的活性开始上升，DASB反应器对COD的去除率逐渐增加。在运行的第20天，DASB反应堆首次达到稳定运行状态。在第20 ~ 25天的稳定运行期间，COD的去除率分别为42%、42%、40%、42%、43%和42%。

在第26天，反应器的容积负荷增加到1.01kg/(m3 & # 8226；d)出水COD质量浓度不稳定，COD去除率在42% ~ 31%之间波动。随着系统的连续运行，COD去除率迅速上升，第30天达到45%。第35天，系统达到第二稳定运行状态，第30 ~ 40天，COD平均去除率为50%。

第41天，容积负荷增加到1.65kg/(m3 & # 8226；d)，增幅为39%，COD去除率变化较大。在接下来的3天内，反应器对COD的去除率从50%下降到35%左右，出水中COD的质量浓度高达1300mg/L，但随着向实验进水中加入NaHCO3，经过几天的运行后，COD的质量浓度逐渐提高。系统在第51天达到第三个稳定状态。第51天至第59天稳定运行期间，出水COD质量浓度为733 ~ 763 mg/L，COD去除率在62% ~ 63%之间波动。在这个容积负荷阶段，较大的COD去除率为65%，出现在第53天。

系统运行59天后，进水质量浓度约为2000mg/L，进水体积为65L/h，水力停留时间为29.2h，容积负荷为1.65kg/(m3 & # 8226；d)、COD去除率稳定在62%左右，启动成功。

2.1.2负荷运行期

在负荷运行期间，为了使反应器尽快达到较高的负荷并正常运行，需要仔细控制反应器的运行状态，考察其处理效率。

反应器成功启动后，从第60天开始，反应器进入增加负荷的运行阶段，通过调节进水来实现，COD容积负荷增加到2.15kg/(m3 & # 8226；d)在随后的3天内，DASB反应器对COD的去除率有所下降。64 ~ 76天，出水COD质量浓度基本保持在737 ~ 805mg/L之间，COD去除率稳定在61% ~ 63%之间。

为了进一步增加反应器负荷，考察DASB反应器的运行效果，在第77天，进水增加到100L/h，容积负荷增加到2.53kg/(m3 & # 8226；d)，再运行14天后，COD去除率稳定在56%。停止测试。

2.2 the值的变化规律

PH值是影响厌氧消化过程的重要因素。许多研究结果和实际运行经验表明，厌氧消化需要一个相对稳定的pH范围。通常，对于以产甲烷菌为主要目的的厌氧生物处理，pH值范围为6.5至7.5，优选6.8至7.2。因此，在厌氧生物处理中，合理控制pH值是非常重要的。图4和图5显示了测试入口和出口水以及每个隔室的pH值的变化规律。

从图3和图4可以看出，实验中使用的脱墨废水的pH值在6.86-7.42之间。实验初期，反应器运行正常，反应器内pH值稳定在6.76-7.45之间。在运行的第26天，反应器各隔室和出水的pH值从第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，系统的pH值呈下降趋势，但在系统本身缓冲系统的调解下，很快又恢复到原来的水平。

在实验的第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，反应器处于酸化状态。为了消除酸化，通过向进料水中加入碳酸氢钠来调节反应器中的pH值。经过7天的调整，反应器很快稳定下来，各隔室和出水的pH值分别为7.31、7.24、7.15、7.35和7.41。当实验进行到第60天时，体系的pH值也呈下降趋势，仍然采用向试验水中加入NaHCO3的方式，增强消化液的缓冲能力，以维持体系的酸碱平衡。

经过分析，pH值下降的原因大致有两个:第一个原因是容积负荷过高，导致产酸菌占优势生长，产甲烷菌被抑制，有机脂肪酸不能及时转化，导致有机酸积累，pH值下降；第二个原因是传质效果不好。颗粒污泥本身是厌氧环境中存在的一个小型厌氧系统。以颗粒状态生长的产甲烷菌多集中在深部，颗粒内部存在浓度梯度。如果厌氧过程的中间产物不能很好地扩散到颗粒中被产甲烷菌利用，底物就会转化为更多的有机酸，破坏系统的酸碱平衡，降低pH值。可见，pH的变化实际上反映了传质效果的好坏。因此，保持系统良好的酸碱环境是反应器运行的必要条件。

2.3 mlss的变化规律

图6显示了DASB反应器运行过程中各室ρMLSS的变化规律。

污泥浓度对反应器的处理能力有很大影响。一般来说，污泥浓度越高，即单位有效容积中微生物越多，反应器的有机物转化率和处理负荷率越高。

从图5可以看出，随着运行时间的推移，各隔室的污泥浓度经历了先降低后升高的过程。在启动初期，反应器内污泥浓度先逐渐下降，各隔室的ρMLSS从启动时的19.8、19.2、18.8和18.5g/L分别下降到第13天的14.3、15.0、14.6和13.1g/L，这是由于接种污泥中部分不能满足本实验反应控制条件的微生物被消除所致。之后，在一段时间的运行中，各隔室的污泥浓度缓慢上升。到第73天，各隔室的生物量分别为24.6、22.5、23.2和21.6克/升。这可能是因为污泥有一个适应过程。随着负荷的增加，细污泥随出水流出反应器，污泥洗涤量增加，污泥浓度降低。经过一段时间的适应，污泥浓度增加。在接下来的17天内，污泥浓度趋于稳定，没有增加的趋势。

在试运行过程中可以发现，每个阶段都可以观察到污泥流失的现象，只是具体情况有所不同。在启动阶段，反应器低负荷运行，污泥流失主要是污泥本身沉降性能差造成的，是弃渣的自然流失。流失的污泥大部分是细污泥，但也有大颗粒污泥，估计是大颗粒污泥形成的空腔使污泥上浮造成的。较大的颗粒污泥由于其内部气体无法释放，容易上浮，导致密度降低，浮力增大。

留在反应器中的污泥逐渐改变其形状和性质。在负荷运行期间，反应器负荷增加，反应器中的气体产量增加。由于水流的剪切力和气体载体的浮力，部分污泥上浮流失。这些漂浮污泥具有相对较好的沉降性能，漂浮损失与沉降性能较差的污泥损失是有区别的。

2.4厌氧颗粒污泥的特性

表2对实验前后DASB反应器中活性污泥的生态特性进行了简单的对比分析。其中，sludgevolumeindex (SVI)，其物理意义是曝气池出口混合液经30min静态沉降后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的体积，单位为毫升(mL)。一般在颗粒污泥厌氧反应器中，当活性污泥的SVI为15 ~ 20 ml/g时，可以认为污泥具有良好的沉降性能。

无论是在实验前期还是后期，用显微镜观察颗粒污泥都发现颗粒污泥表面有很多孔洞。这些孔是底物和营养物质进入颗粒的通道，颗粒内部细菌产生的气体也从这个通道逸出。不同类型的细菌以微小群落的形式随机分布在颗粒污泥中。颗粒污泥内部疏松，以丝状菌为主，在颗粒污泥形成过程中起到包埋和缠绕细菌的作用。粒径较大的颗粒污泥中往往存在空隙。这是因为在废水处理过程中，基质转化首先在颗粒污泥外层进行，内部扩散有限。颗粒中的底物低得多，浓度低到一定程度。由于细胞自溶，颗粒中的微生物生物量减少，形成较大的空腔。大而空的颗粒污泥容易破碎，其碎片可成为新污泥的核心。

3.结论

采用DASB反应器处理废纸脱墨废水。试验中添加了适量的磷酸钠、FeCl2、NiCl2和CoCl2营养物质。通过控制进水COD质量浓度和逐渐缩短HRT启动时间，容积负荷逐渐增加。启动效果良好，COD去除率稳定至实验结束。

通过增加进水流量来提高COD容积负荷。DASB反应器具有很强的缓冲能力，但当容积负荷过高时，污泥的生物吸附接近饱和，COD去除率下降。

当反应器处于酸化状态时，通过向进水中加入碳酸氢钠来调节反应器中的pH值。经过一段时间的调整，酸化现象得到有效控制。

DASB反应器运行过程中，各隔室污泥质量浓度经历了先降低、后升高、再稳定的过程。(来源:上海理工大学环境与建筑学院)

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