成都市UASB厭氧反應器
厭氧反應器內(nèi)出現(xiàn)泡沫、化學沉淀等不良現(xiàn)象的原因?
厭氧反應器中時會產(chǎn)生大量泡沫，泡沫呈半液半固狀，嚴重時可充滿相空間并帶入沼管道，導致沼的困難。
產(chǎn)生泡沫的主要原因是厭氧不穩(wěn)定，因為泡沫主要是由于CO2產(chǎn)量太大形成的，當反應器內(nèi)溫度波動或負荷發(fā)生突變等情況發(fā)生時，均可導致的不穩(wěn)定和CO2的產(chǎn)量增加，進而導致泡沫的產(chǎn)生。如果將不穩(wěn)定因素及時除，泡沫現(xiàn)象一般也會隨之消失。在厭氧污泥培養(yǎng)初期，由于CO2產(chǎn)量大而甲烷產(chǎn)量少，也會出現(xiàn)泡沫，隨著甲烷菌的培養(yǎng)成熟，CO2產(chǎn)量減少，泡沫一般也會逐漸消失。進水中含蛋白質是產(chǎn)生泡沫的一個原因，而微生物本身新陳代謝過程中產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物也會降低水的表面張力而生成泡。厭氧生物處理過程中大量產(chǎn)會產(chǎn)生類似好氧處理的曝而形成泡問題，負荷突然升高所帶來的產(chǎn)量突然增加也可能出現(xiàn)泡沫問題。
碳酸鈣(CaCO3)沉淀：處理廢水鈣含量高或利用石灰補充堿度，都會增加產(chǎn)生碳酸鈣沉淀的可能性。高濃度的碳酸氫鹽和磷酸鹽都利于鈣的沉淀。
鳥糞石(MgNH4PO4)沉淀：進水中含較高濃度的溶解性正磷酸鹽、氨氮和 鎂離子時，就會生成鳥糞石沉淀。厭氧處理鳥糞石沉淀主要在管道彎頭、水泵入口和二沉池進出口等處出現(xiàn)。
厭氧生物處理的三個階段是怎樣的?
理論研究認為三個階段，即厭氧消化過程分為水解發(fā)酵階段、產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫階段、產(chǎn)甲烷階段三部分。
水解發(fā)酵階段和產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫階段又可合稱為酸性發(fā)酵階段。在這個階段，污水中的復雜機物，在酸性腐化菌或產(chǎn)酸菌的下，分解成簡單的機物，如機酸，醇類等，以及CO2、NH3和H2S等機物。由于機酸的積累，污水的pH值下降到6以下。此后，由于機酸和含氮化合物的分解，產(chǎn)生碳酸鹽和氨等使酸性減退，pH值回升到6.6～6.8左右。
?、?水解酸化階段。污水中復雜的大分子、不溶性的機物在細胞外酶的下水解為小分子、溶解性機物，然后滲入細胞體內(nèi)，水解產(chǎn)生揮發(fā)性機酸、醇類及醛類等。
?、?產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌的下，各種機酸分解轉化為乙酸、氫和二氧化碳。
?、?產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷菌將乙酸、氫及二氧化碳轉化為甲烷。
厭氧反應器為什么會“酸化”?該如何進行恢復?
pH是沼發(fā)酵重要的影響因素，超過pH范圍時，會引起更嚴重的后果。低于pH下限并持續(xù)過久時，會導致產(chǎn)甲烷菌活力喪失殆盡，而產(chǎn)乙酸菌大量繁殖，引起反應的“酸化”，嚴重酸化發(fā)生后，反應難以恢復至原狀態(tài)。對此，本文對“酸化”的原因現(xiàn)象進行了簡單，并就其恢復措施進行了探討。
一、厭氧反應器三個重要參數(shù)
1、堿度(ALK)
厭氧處理中，較強的酸堿緩沖體系能夠降低pH的變化幅度，而與酸堿平衡關的共軛酸堿對包括：H2CO3/HCO3-、HCO3-/CO32-、NH4+/NH3、H2S/HS-、HS-/S2-和HAc/Ac-等。當廢水中的pH發(fā)生變化時，這些酸堿對的濃度也會發(fā)生相應的變化。
理論上，總堿度將包括水中的[HS-]、[CO32-]、[NH3]、[HCO3-]、[Ac-]、[OH-]和[S2-]等，常稱之為“揮發(fā)性酸堿度”，也稱“VFA”，因為一般厭氧體系的pH值為6.0~8.0，上述致堿物質中的[OH-]和[S2-]的濃度會相對較小，可以忽略不計。
廢水中足夠的堿度時，能夠通過控制反應器的pH來監(jiān)控VFA的積累，只在厭氧體系中足夠的碳酸氫鹽堿度才能穩(wěn)定的pH值環(huán)境。PAQUES認為：水解酸化池的出水堿度必須保持至少在600~900mg/L(該數(shù)值為低限，在高濃度廢水中，堿度要高出此許多)，這樣可防止當揮發(fā)性脂肪酸積累的情況下反應器的pH值驟然下降。
2、酸化度(VFA/COD)
在厭氧工藝的研究中，將酸化度(VFA/COD)作為廢水酸化程度的指標，但查閱相應的厭氧處理技術資料后發(fā)現(xiàn)，明確提出將酸化度(VFA/COD)作為厭氧反應器進水的一項重要水質指標的并不多。穆軍等將揮發(fā)酸產(chǎn)率(VFA/COD)作為廢水處理中的一個重要性質，研究了蔗糖-蛋白胨人工配水的酸化過程，在此基礎上提出和定義了廢水可酸化性和酸化度的概念，并構建了廢水厭氧酸化過程的評判規(guī)準。
部分學者認為機廢水完預酸化對厭氧反應是害的，因為預酸化出水中含細小的發(fā)酵產(chǎn)酸菌污泥，這些污泥會置換出反應器中的部分產(chǎn)甲烷菌，使產(chǎn)甲烷菌過多流失，使污泥增長速度變慢，嚴重時會導致反應器“酸化”。所以，建議在厭氧處理前采用輕微的預酸化，酸化率為20~40%，時甚至更低就可以達到要求。
PAQUES認為：厭氧反應器進水COD達到至少30%的預酸化度是必要的，這能夠使反應器內(nèi)部的酸化菌和產(chǎn)甲烷菌達到良好的混合比率。而預酸化程度過低(<30%)或過高(>50%)都會改變這些細菌的種群比例，從而影響顆粒污泥的結構。一般情況下，可以通過延長預處理中的調節(jié)池或預酸化池的水力停留停留時間或添加堿性藥劑提高pH值以達到較高的預酸化度。
3、VFA/ALK
VFA表示厭氧處理內(nèi)的揮發(fā)性機酸的含量，ALK則表示厭氧處理內(nèi)的堿度。厭氧消化正常時，VFA一般在50~2500mg/L之間，ALK一般在1000~5000mg/L(以CaCO3計)之間，必須維持堿度和揮發(fā)性機酸濃度之間的平衡，才能保持消化液pH值在6.5~7.5的范圍內(nèi)。
VFA/ALK反映了厭氧處理內(nèi)的中間代謝產(chǎn)物的積累程度，正常的厭氧處理裝置的VFA/ALK一般在0.3以下。如果VFA/ALK突然升高，往往表明中間代謝產(chǎn)物不能被甲烷及時分解利用，即已經(jīng)出現(xiàn)異常，需要采取措施進行解決。
如果VFA/ALK剛剛超過0.3，在一定時間內(nèi)，還不不會導致pH下降，還時間分析造成VFA/ALK升高的原因以進行控制;如果VFA/ALK超過0.5，沼中CO2含量開始升高，如果不及時采取措施控制，會很快導致pH下降，使甲烷菌的活動受到抑制;如果VFA/ALK超過0.8，厭氧反應器內(nèi)pH開始下降，沼中甲烷的含量往往只42%~45%，沼不能燃燒;如果pH持續(xù)下降到5以下，甲烷菌將部失去活性，需要重新培養(yǎng)厭氧污泥。
成都市UASB厭氧反應器
二、“酸化”現(xiàn)象原因及表象
1、酸化的產(chǎn)生
厭氧消化中非產(chǎn)甲烷菌降解機物的過程可產(chǎn)生大量的VFA和CO2，明顯降低pH;而產(chǎn)甲烷菌則在利用乙酸、甲酸、氫形成甲烷的過程中消耗機酸和CO2。兩者的共同可使反應體系內(nèi)pH穩(wěn)定在一個適宜的范圍內(nèi)，并使廢水中COD順利地降解為甲烷、CO2而去除。
然而，相對于非產(chǎn)甲烷菌而言，產(chǎn)甲烷菌對溫度、pH、氧化還原電位(ORP)、堿度及毒物質等均很敏感，各種生態(tài)因子的生態(tài)幅均較窄，對生態(tài)因子的要求更加苛刻。所以當中溫度、pH、ORP等生態(tài)因子或機負荷劇烈變化時，產(chǎn)甲烷菌的活性會受到一定程度抑制，而非產(chǎn)甲烷菌活性所受的影響較小，其產(chǎn)生的VFA不能部被產(chǎn)甲烷菌利用，使得厭氧體系內(nèi)VFA大量積累，兩大類細菌的代謝平衡被破壞。因而溫度、pH、ORP、機負荷等條件均導致厭氧酸化現(xiàn)象的產(chǎn)生。
此外，溝流問題也常會導致厭氧反應器的酸化現(xiàn)象。當厭氧反應器內(nèi)污泥粒度過細、密度大、液流分布不均勻時會出現(xiàn)溝流現(xiàn)象，由于活性污泥不能與進水效接觸，易造成反應器局部VFA的大量積累，進而導致反應器酸化;而酸化會降低產(chǎn)量、加大污泥黏度、增大反應器“死區(qū)”體積，導致溝流問題進一步惡化。
2、酸化的表象
(1) 沼產(chǎn)量下降;
(2) 沼中甲烷含量降低;
(3) 消化液VFA增高;
(4) 機物去除率下降;
(5) 消化液pH值下降;
(6) 碳酸鹽堿度與總堿度間差值明顯增加;
(7) 洗出的顆粒污泥顏色變淺沒光澤;
(8) 反應器出水產(chǎn)生明顯異味;
(9) ORP(氧化還原電位)值上升等;
(10) 微生物種群“畸變”或減少。
三、厭氧反應器“酸化”恢復措施
1、化學恢復法
1)、投加氫氧化物
投加NaOH、Ca(OH)2等氫氧化物可效提升反應器pH，實現(xiàn)短期內(nèi)厭氧體系中pH的恢復。然而投加的氫氧化物如Ca(OH)2大多被碳酸鹽所消耗，由于缺乏酸堿緩沖能力，厭氧反應器內(nèi)pH會出現(xiàn)大幅震蕩過程，難以保持穩(wěn)定，不利于耗氫產(chǎn)乙酸菌及產(chǎn)甲烷菌的活性恢復，部分情況下甚至會導致反應器崩潰;其次，氫氧化物會消耗產(chǎn)甲烷過程中所需的CO2，破壞產(chǎn)甲烷的進行，對產(chǎn)甲烷菌的恢復不利，因此這種方法目前已不常用。
2)、投加NaHCO3
僅從理論角度講，NaHCO3的投加能夠在不干擾微生物敏感的理化平衡的情況下平穩(wěn)地將pH調節(jié)到理想狀態(tài)，且不影響CO2的含量，pH的波動相對其他化學也較小;但NaHCO3飽和溶液的pH值僅為8.2，在不考慮NaHCO3隨出水流失以及與VFA反應的消耗量，將容積為800m3反應器的pH值從6.0提升到7.0需固體NaHCO3質量為12t，況且將反應器中pH值和VFA都恢復正常并不是一兩天的事，需要一定的恢復期，所以可能需要投加NaHCO3。顯然，這是一個相當沉重的負擔，雖然試驗中較好的效果，但在工程實際中，不宜采用NaHCO3。
2、物理恢復法
1)、提高混合程度
通過增加反應器水力停留時間(HRT)，或改進反應器的設計，可提高厭氧反應器混合程度，降低“死區(qū)”范圍，進而抑制或減少溝流現(xiàn)象。例如，改變ABR導流擋板的角度與安插方向，可促進水流在反應器底部的均勻分布，大限度地增加反應器的混合程度。此種方法通常用于預防酸化或對酸化進行輔助恢復。
2)、降低進水濃度
通過降低進水濃度(通常<2000mg/L)，進而降低反應器的機負荷，是實現(xiàn)酸化反應器恢復的常用方法。但單獨采用這種方法的恢復效果并不明顯，通常要配合堿液投加方法一起使用。例如，采用降低進水濃度同時配合加入一定NaHCO3的方法將酸化反應器的pH從4.5調至7.0，9d后UASB的出水pH從初被酸化時的5.4回升到6.5。
3)、處理出水回流
處理出水回流是厭氧反應器進水負荷的條件下，降低其進水濃度的一種效措施。采用該方法，回流水中產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)生的堿度，可在酸化階段被充分利用，大幅降低了反應器進水堿度的需求。此外，該方法不會引起反應器內(nèi)CO2含量的劇烈變化，可以平穩(wěn)地提升反應器pH;由于回流水溫度與反應器溫度基本，容易實現(xiàn)反應器溫度的恒定;回流水溶解氧較低，不會對反應器內(nèi)厭氧顆粒污泥產(chǎn)生不良影響，因而恢復效果明顯。研究表明：輕度酸化后采用該方法，厭氧反應器pH僅需36h，即可恢復至6.5，因而該方法比較適用于厭氧反應器的酸化恢復。
4)、處理出水置換
處理出水置換是利用儲存的反應器出水一次性置換反應器內(nèi)含高濃度機酸的污水。由于反應器正常出水中較高的堿度，在換水的同時相當于加入大量的堿，因而該方法既不需要額外的投資(加堿的)，也不需要考慮加堿量，是一種較的恢復辦法。研究顯示，采用該方法僅8d，反應器出水pH就可以從酸化時的5.35回升到6.58，體產(chǎn)量上升，出水中揮發(fā)酸含量恢復到反應器正常水平。
3、生物恢復法
1)、加顆粒污泥
投加新鮮、成熟的顆粒污泥可以快速補充反應器中微生物數(shù)量，降低污染負荷，因而是一種時間短、的酸化恢復方法。然而，由于缺乏必要的厭氧顆粒物污泥活性保持技術的，顆粒污泥投加常伴隨高昂的成本，因而該方法目前多局限于實驗研究。隨著厭氧顆粒污泥活性快速恢復及活性激活技術的逐漸發(fā)展及推廣，該技術望在實際工程中得到。
2)、投加關鍵微生物種群
厭氧反應器的過渡酸化直接來源于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌法及時降解VFA而導致VFA積累，因而通過采取一定的工程措施，使厭氧消化中的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸獲得生長，提高VFA轉化為乙酸的效率，使后續(xù)的產(chǎn)甲烷菌群獲得更多可直接利用的營養(yǎng)底物，將助于加快厭氧消化鏈反應的恢復。
總結
對比研究顯示，僅僅采用降低COD的自然恢復法，酸化反應器需要近3個月才能重新正常，這與重新接種、馴化并培養(yǎng)污泥的時間接近。單獨采用堿性藥劑投加法很難實行，法達到恢復酸化的。而采用投加堿液+降低COD、間歇稀釋進水+加堿、出水回流稀釋、投加顆粒污泥法和換水法5種恢復方法結果表明，這5種方法均能促進反應器快速恢復正常，其中投加顆粒污泥法和換水法效果較好，其次為出水回流稀釋法和投加堿液+降低COD法。
pH值是影響厭氧消化過程的重要因素，厭氧消化需要一個相對穩(wěn)定的pH值范圍。如果生長環(huán)境的pH值過低，而出現(xiàn)“酸化”現(xiàn)象，產(chǎn)甲烷菌的生長代謝和繁殖就會受到抑制，進而對整個厭氧消化過程產(chǎn)生不利影響。因此當厭氧反應器出現(xiàn)“酸化”現(xiàn)象時，要分析其產(chǎn)生的原因，并及時采取一定的措施對反應器進行調節(jié)和控制，以厭氧消化穩(wěn)定的環(huán)境。
