1、前言
肉類加工屠宰廢水具有顏色深、懸浮物及有機物含量高的特點。由于該類廢水主要來自生豬的屠宰和加工環節，因此存在大量的豬血、油脂、碎肉等污染物，且這類有機質不易降解，導致其處理困難。目前，處理難降解有機物的厭氧工藝比較多，包括IC反應器、厭氧折流板反應器和UASB反應器等。厭氧處理污水的過程比較復雜，被廣泛認可的“三階段理論”，即污水先后經過水解酸化菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌作用才能被處理，產甲烷菌作用是厭氧過程的關鍵階段，也是受外在條件影響最大的階段，主要體現在只有較大分子物質經產氫產乙酸菌轉換成乙酸、H2和CO2之后才能被產甲烷菌群代謝利用。然而，水解酸化菌、產氫產乙酸菌和產甲烷菌都有各自對應的生存條件，因此Ghosh和Pohland提出兩相厭氧發酵原理，即在一個反應器內將產酸和產甲烷兩階段串聯，并形成兩相厭氧發酵系統，這類兩相分離的反應器提高了廢水處理能力，已經被廣泛應用。
因此，基于兩相厭氧發酵的研究基礎，提出研制一種新型的高效厭氧反應器——多段內循環厭氧反應器(multi-internal-circleanaerobic reactor)，其基本原理是在反應器垂直方向上設三個反應室，每個反應室分別進行產酸、產氫產乙酸、產甲烷反應，且通過設計折板使反應室內自動形成液體內循環，保證顆粒污泥處于膨脹流化狀態，提高泥水間的傳質作用。我課題組已根據氣液流場模擬的實驗得到結構設計參數并已加工生產。本文作者以屠宰廢水為處理對象，研究本反應器處理中高濃度有機廢水的可行性。
2、材料與方法
2.1 實驗裝置
多段內循環厭氧反應器由有機玻璃制成，垂向圓柱形，總規格為800mm×4000mm(φ×H)，其有效容積為1.75m3，內部設置3個反應室，由上至下分別為產酸反應室(第一反應室)、產氫產乙酸反應室(第二反應室)和產甲烷反應室(第三反應室)，有效容積比為1∶1∶1.5，且各段反應室的上部設置廢水取樣口，底部設置污泥取樣口。各段反應室的頂部都帶有微孔曝氣盤，裝置頂部有排氣口。本裝置的結構已根據氣液流場模擬的結果進行了優化。實驗裝置示意圖見圖1。
2.2 廢水水質
試驗原水取自深圳市某屠宰場，進水COD濃度分布在800~3500mg/L之間，波動性較大。由于對COD去除效果的評價是本試驗的重要參數，因此在試驗的特定階段內利用稀釋法保持COD濃度接近。
2.3 接種污泥
接種污泥取自該屠宰場的污泥濃縮池。接種污泥體積按照反應器有效體積的50%來計算，第一、二、三反應室接種的污泥體積分別為0.25、0.25和0.38m3。
2.4 水質分析
測定各反應室的COD、pH、溫度、VFA和收集產氣量。COD：重鉻酸鉀法；pH：便攜式pH計；溫度：溫度計；VFA：蒸餾法；氣體：濕式氣流計。
2.5 試驗方法
厭氧反應器的試驗分三階段。第一階段采用低負荷啟動，控制COD容積負荷為0.5kgCOD/(m3•d)；啟動成功后，進入第二階段，通過降低水力停留時間提高COD容積負荷，從而確定最佳水力停留時間；第三階段，在一定水力停留時間下計劃性地提高進水COD濃度，同時測定各反應室的COD去除率、VFA及產氣量。
3、結果與分析
3.1 啟動階段
啟動階段溫度分布在36~38℃，控制總進水COD濃度為1000mg/L，HRT為48h，COD容積負荷為0.5kgCOD/(m3•d)，連續運行16d。圖1是啟動期間COD每天的總去除率情況。在前3天，COD總去除率低于40%，考慮到水力停留時間長，污水有機物可能被污泥物理吸附、截留，可以推斷反應器厭氧效果幾乎為零。隨著啟動時間的延長，COD總去除率逐漸增加，到了啟動期的第9天，COD總去除率達到了60%，隨后幾天COD總去除率提高的幅度增加，第14天去除率達到75%，并且增長呈緩慢趨勢，到第16天去除率達到83%�？紤]到，在低負荷的環境下，厭氧微生物可以利用的有機物有限，且由于長時間的水力停留時間可能無法提供有效的水力攪動的作用，容易導致污泥堆積沉降。因此在16天后停止低負荷環境運行反應器，即進入第二階段。
3.2 不同水力停留時間對COD去除率的影響
控制總進水COD濃度為1000mg/L，逐步減少HRT，HRT分別為35，30，25，20，15和12h，對應的COD容積負荷分別為0.69，0.80，0.96，1.21，1.58和2.0kgCOD/(m3•d)。本研究階段溫度分布在36~38℃內，每2天測定一次COD。經統計，HRT為35h，COD容積負荷0.69kgCOD/(m3•d)時，共運行24天，COD總去除率由33%提高到81%，且仍然有上升的趨勢，因此從25天開始將HRT減少至30h，由于進水量的突然增大，厭氧微生物適應性較弱，使得在前幾天COD去除能力降低到60%以下，隨著時間的延長，厭氧微生物又恢復較強的活性，經過22天的運行時間，COD總去除率達到了88%。隨后，進一步將HRT降低至25h，本階段反應器共運行22d，在第22d時COD總去除率達到了91%，相比HRT=30h，該階段對應的COD去除率的增長速率明顯較快，這可能是由于較高的水力負荷，創造了較好的流態，為厭氧污泥與污水的充分接觸提供了基礎。當HRT突然縮短至20d，容積負荷為1.2kgCOD/(m3•d)時，COD去除率也驟減至76%，相比前幾個階段，此時的厭氧污泥抗沖擊能力明顯加強，且COD去除率能夠穩定達到93%。為了進一步驗證較高的水力負荷有利于反應器的運行，將HRT減少至15h，此時出現了相反的實驗現象，COD去除率降低到75%，且去除率不穩定。當HRT降低到12h時，COD去除率進一步降低且逐漸下降，這說明該水力負荷下已不適合反應器的運行，結合現場實際情況，當HRT=12h時，反應器的出水攜帶了部分污泥，說明反應器存在污泥流失的現象。
因此，該階段試驗得到最佳的水力停留時間為20h，當COD容積負荷為1.21kgCOD/(m3•d)時，COD去除率穩定達到93%。
3.3 不同COD容積負荷對COD去除率的影響
由于第二階段存在污泥流失的現象，各反應室重新接種了適量的污泥，并控制HRT為20h，進水COD濃度為1000mg/L，反應器的恢復過程耗時27天。第三階段的溫度為34~36℃，分別研究進水COD濃度為1400，2000，2600，3000和3400mg/L(各階段COD容積負荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d))的條件下，各反應室對COD的去除能力和總產氣量及第三段反應室的VFA含量。
圖4是不同COD容積負荷下各反應室對COD的去除率及總去除率。當容積負荷為1.68kgCOD/(m3•d)時，COD總去除率為94%，此時第一、第二和第三反應室的去除率分別為32%、30%和32%。隨著容積負荷的提高，COD總去除率呈現下降的趨勢，當容積負荷為3.12kgCOD/(m3•d)時，COD總去除率為89%；當容積負荷提高到4.00kgCOD/(m3•d)時，COD總去除率下降至80%。進一步結合各反應室的COD去除率情況，當COD容積負荷提高時，第一反應室對COD的去除能力沒有什么影響，但第二反應室和第三反應室均呈現下降的趨勢。同時結和第三反應室的VFA數據，VFA濃度分布在60~80mg/L之間，說明反應器運行良好，產甲烷階段未出現酸化階段。因此，COD去除率的下降因素可能在于污染物在第二反應室的酸化反應不夠徹底，因此影響到第三反應室的產甲烷反應。
反應器單位產氣率如圖5所示。COD容積負荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)時，對應的產氣率分別為0.9，1.4，1.00，1.9和2.1m3/(m3•d)。結合圖4里的COD總去除率，得到去除單位COD的產生的氣體體積分布在0.29~0.33m3/kgCOD之間。
4、結論
(1)在溫度為36~38℃，COD容積負荷為0.5kgCOD/(m3•d)的環境下，多段厭氧反應器運行16天后，COD的總去除率達到83%，實現了反應器的快速啟動。
(2)通過控制總進水COD濃度為1000mg/L，并逐步減少水力停留時間，得到最佳的水力停留時間為20h，COD容積負荷為1.21kgCOD/(m3•d)時，COD總去除率穩定達到93%。
(3)固定水力停留時間在20h，隨著COD容積負荷的增加，反應器去除COD的總能力逐漸下降，但當COD容積負荷為4.00kgCOD/(m3•d)時，反應器對COD的總去除率仍有80%。隨著COD容積負荷的增加，第一反應室幾乎未受影響，第二、第三室的運行效果呈現下降趨勢。
(4)試驗溫度為34~36℃，COD容積負荷為1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)時，單位反應器容積的產氣率分別為0.90，1.40，1.00，1.90和2.10m3/(m3•d)，去除單位COD產生的氣體體積分布在0.29~0.33m3/kgCOD之間。（來源：深圳市清研環境科技有限公司深圳，深圳清華大學研究院，廣東省環境微生物資源開發與應用工程技術研究中心）
