复合厌氧折流板反应器处理啤酒废水的效能及微生物群落演替的研究

摘要

基于传统的厌氧折流板反应器(ABR)发展而来的新型高效厌氧生物反应器——复合式厌氧折流板反应器(HABR)在处理高浓度工业废水的启动模式优化、运行特性和微生物学特性等方向尚存空白、丞待研究。为此本论文采用一种五隔室HABR处理模拟啤酒废水,分别在进水平均有机负荷率(OLR)约为1.2,2.4,4.8和5.6kgCOD/(m3·d)的条件下运行了33,36,21和19d,水力停留时间(HRT)在启动期和稳定运行期分别固定为20h和15h。
　　 启动期运行结果表明,采用在HABR中接种厌氧颗粒污泥,采用较长的HRT和保持较低的进水OLR,有利于污泥颗粒化的快速实现,通过33天的时间驯化污泥,即可保证HABR系统的成功启动。投加的碱度有效地增强了反应体系对挥发酸增加导致的pH值降低的缓冲能力,保证了体系内微生物生存环境的pH值,反应器内微生物活性恢复很快,对不良环境的抵抗能力增强。后端隔室内VFAs浓度的浮动趋于平缓,说明HABR前端隔室内VFAs的生成与后段隔室内VFAs的消耗过程达到了平衡状态,表现出产甲烷菌对VFAs有效地消耗和转化。因此,在HABR的启动过程中,可将VFAs的变化作为判断反应器内部环境平衡的依据。在该阶段HABR的产气量和出水VFAs浓度呈负相关关系,表明产酸菌会先于产甲烷菌适应周围环境,而完成了驯化的产甲烷菌使得系统产气量的持续增加。
　　 在整个实验阶段内反应器的处理效率呈升高-降低-恢复-升高的周期性变化,HABR表现出了较为优越的运行效能和较好的稳定性。前端隔室pH值随着负荷提高呈下降趋势的,说明随着COD冲击负荷会逐渐波及后续隔室,从而导致酸化隔室亦有沿程向后扩散的趋势,最终将造成HABR所有隔室完全酸化,甚至是反应器运行失败。只要进水pH值能够恢复到最适范围内,pH值的暂时细微的改变对HABR的运行造成的冲击影响会很快消失。各隔室VFAs的时序变化总体上与COD浓度的变化一致。当隔室内COD浓度较高时,相应的该隔室内VFAs浓度也会有所增加。各隔室VFAs的组成变化,是与VFAs的逐级降解过程一致的。各隔室产气量沿程逐渐降低,但生物气中的甲烷含量却沿程逐渐升高。HABR中的砾石填料能够有效截留生物量,使得系统不致发生污泥流失现象。填料还可以促使生物絮体与气泡分离,为最终形成颗粒污泥创造了必要条件。
　　 运行结果表明,HABR内存在着明显的生物相分离现象。在1、2隔室内,产酸发酵菌占优势地位;产氢产乙酸菌在3隔室内演替为优势菌群;而4、5隔室内的产甲烷菌在代谢活性、生物量及生态位竞争能力等方面则体现出明显优势。
　　 在HABR启动阶段,1隔室内MLVSS一开始有所降低,之后又因为产酸菌完成了对环境的适应过程而稳步上升;由于3隔室内的一直维持了最适宜微生物生长的条件,因此其污泥活性增幅最大;4、5隔室因受到前端隔室的缓冲作用的保护,污泥活性一直缓慢增加。在稳定运行期,各隔室内VSS均随随着OLR提升都逐渐增加,这反映出了HABR对污泥物理特性的改善;同一有机负荷下各隔室VSS浓度都表现出沿流程递减的规律性,这与稳定运行期COD去除率所得的实验结果一致。
　　 在实验结束时,HABR各隔室均出现了外观和形状不同的颗粒污泥,这与进入各隔室的有机负荷、以及各隔室内的混合程度及传质均匀与否密切相关。产酸隔室内颗粒污泥外观呈现为黄白色或棕色,并因其传质阻力大而令原接种的污泥颗粒逐渐解体而呈浆状;产甲烷隔室内颗粒污泥粒径最小,要求的基质浓度梯度较小,污泥颗粒内的厌氧细菌生长与代谢很容易能够维持在正常的状态。
　　 在HABR中,由前端向后推移各隔室中颗粒污泥优势微生物菌属呈现出杆菌→球菌(双球菌、八叠球菌及多叠球菌)→丝状菌变化趋势,HABR内存在着较为明显的生态演替过程。沿着流程方向产甲烷菌的数量超过产酸发酵细菌逐渐成为优势菌属,4隔室内形成两种产甲烷菌共存的状态,5隔室内甲烷丝状菌成为优势菌属。