1、前言
肉类加工屠宰废水具有颜色深、悬浮物及有机物含量高的特点。由于该类废水主要来自生猪的屠宰和加工环节，因此存在大量的猪血、油脂、碎肉等污染物，且这类有机质不易降解，导致其处理困难。目前，处理难降解有机物的厌氧工艺比较多，包括IC反应器、厌氧折流板反应器和UASB反应器等。厌氧处理污水的过程比较复杂，被广泛认可的“三阶段理论”，即污水先后经过水解酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌作用才能被处理，产甲烷菌作用是厌氧过程的关键阶段，也是受外在条件影响最大的阶段，主要体现在只有较大分子物质经产氢产乙酸菌转换成乙酸、H2和CO2之后才能被产甲烷菌群代谢利用。然而，水解酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌都有各自对应的生存条件，因此Ghosh和Pohland提出两相厌氧发酵原理，即在一个反应器内将产酸和产甲烷两阶段串联，并形成两相厌氧发酵系统，这类两相分离的反应器提高了废水处理能力，已经被广泛应用。
因此，基于两相厌氧发酵的研究基础，提出研制一种新型的高效厌氧反应器——多段内循环厌氧反应器(multi-internal-circleanaerobic reactor)，其基本原理是在反应器垂直方向上设三个反应室，每个反应室分别进行产酸、产氢产乙酸、产甲烷反应，且通过设计折板使反应室内自动形成液体内循环，保证颗粒污泥处于膨胀流化状态，提高泥水间的传质作用。我课题组已根据气液流场模拟的实验得到结构设计参数并已加工生产。本文作者以屠宰废水为处理对象，研究本反应器处理中高浓度有机废水的可行性。
2、材料与方法
2.1 实验装置
多段内循环厌氧反应器由有机玻璃制成，垂向圆柱形，总规格为800mm×4000mm(φ×H)，其有效容积为1.75m3，内部设置3个反应室，由上至下分别为产酸反应室(第一反应室)、产氢产乙酸反应室(第二反应室)和产甲烷反应室(第三反应室)，有效容积比为1∶1∶1.5，且各段反应室的上部设置废水取样口，底部设置污泥取样口。各段反应室的顶部都带有微孔曝气盘，装置顶部有排气口。本装置的结构已根据气液流场模拟的结果进行了优化。实验装置示意图见图1。
2.2 废水水质
试验原水取自深圳市某屠宰场，进水COD浓度分布在800~3500mg/L之间，波动性较大。由于对COD去除效果的评价是本试验的重要参数，因此在试验的特定阶段内利用稀释法保持COD浓度接近。
2.3 接种污泥
接种污泥取自该屠宰场的污泥浓缩池。接种污泥体积按照反应器有效体积的50%来计算，第一、二、三反应室接种的污泥体积分别为0.25、0.25和0.38m3。
2.4 水质分析
测定各反应室的COD、pH、温度、VFA和收集产气量。COD：重铬酸钾法；pH：便携式pH计；温度：温度计；VFA：蒸馏法；气体：湿式气流计。
2.5 试验方法
厌氧反应器的试验分三阶段。第一阶段采用低负荷启动，控制COD容积负荷为0.5kgCOD/(m3•d)；启动成功后，进入第二阶段，通过降低水力停留时间提高COD容积负荷，从而确定最佳水力停留时间；第三阶段，在一定水力停留时间下计划性地提高进水COD浓度，同时测定各反应室的COD去除率、VFA及产气量。
3、结果与分析
3.1 启动阶段
启动阶段温度分布在36~38℃，控制总进水COD浓度为1000mg/L，HRT为48h，COD容积负荷为0.5kgCOD/(m3•d)，连续运行16d。图1是启动期间COD每天的总去除率情况。在前3天，COD总去除率低于40%，考虑到水力停留时间长，污水有机物可能被污泥物理吸附、截留，可以推断反应器厌氧效果几乎为零。随着启动时间的延长，COD总去除率逐渐增加，到了启动期的第9天，COD总去除率达到了60%，随后几天COD总去除率提高的幅度增加，第14天去除率达到75%，并且增长呈缓慢趋势，到第16天去除率达到83%。考虑到，在低负荷的环境下，厌氧微生物可以利用的有机物有限，且由于长时间的水力停留时间可能无法提供有效的水力搅动的作用，容易导致污泥堆积沉降。因此在16天后停止低负荷环境运行反应器，即进入第二阶段。
3.2 不同水力停留时间对COD去除率的影响
控制总进水COD浓度为1000mg/L，逐步减少HRT，HRT分别为35，30，25，20，15和12h，对应的COD容积负荷分别为0.69，0.80，0.96，1.21，1.58和2.0kgCOD/(m3•d)。本研究阶段温度分布在36~38℃内，每2天测定一次COD。经统计，HRT为35h，COD容积负荷0.69kgCOD/(m3•d)时，共运行24天，COD总去除率由33%提高到81%，且仍然有上升的趋势，因此从25天开始将HRT减少至30h，由于进水量的突然增大，厌氧微生物适应性较弱，使得在前几天COD去除能力降低到60%以下，随着时间的延长，厌氧微生物又恢复较强的活性，经过22天的运行时间，COD总去除率达到了88%。随后，进一步将HRT降低至25h，本阶段反应器共运行22d，在第22d时COD总去除率达到了91%，相比HRT=30h，该阶段对应的COD去除率的增长速率明显较快，这可能是由于较高的水力负荷，创造了较好的流态，为厌氧污泥与污水的充分接触提供了基础。当HRT突然缩短至20d，容积负荷为1.2kgCOD/(m3•d)时，COD去除率也骤减至76%，相比前几个阶段，此时的厌氧污泥抗冲击能力明显加强，且COD去除率能够稳定达到93%。为了进一步验证较高的水力负荷有利于反应器的运行，将HRT减少至15h，此时出现了相反的实验现象，COD去除率降低到75%，且去除率不稳定。当HRT降低到12h时，COD去除率进一步降低且逐渐下降，这说明该水力负荷下已不适合反应器的运行，结合现场实际情况，当HRT=12h时，反应器的出水携带了部分污泥，说明反应器存在污泥流失的现象。
因此，该阶段试验得到最佳的水力停留时间为20h，当COD容积负荷为1.21kgCOD/(m3•d)时，COD去除率稳定达到93%。
3.3 不同COD容积负荷对COD去除率的影响
由于第二阶段存在污泥流失的现象，各反应室重新接种了适量的污泥，并控制HRT为20h，进水COD浓度为1000mg/L，反应器的恢复过程耗时27天。第三阶段的温度为34~36℃，分别研究进水COD浓度为1400，2000，2600，3000和3400mg/L(各阶段COD容积负荷为1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d))的条件下，各反应室对COD的去除能力和总产气量及第三段反应室的VFA含量。
图4是不同COD容积负荷下各反应室对COD的去除率及总去除率。当容积负荷为1.68kgCOD/(m3•d)时，COD总去除率为94%，此时第一、第二和第三反应室的去除率分别为32%、30%和32%。随着容积负荷的提高，COD总去除率呈现下降的趋势，当容积负荷为3.12kgCOD/(m3•d)时，COD总去除率为89%；当容积负荷提高到4.00kgCOD/(m3•d)时，COD总去除率下降至80%。进一步结合各反应室的COD去除率情况，当COD容积负荷提高时，第一反应室对COD的去除能力没有什么影响，但第二反应室和第三反应室均呈现下降的趋势。同时结和第三反应室的VFA数据，VFA浓度分布在60~80mg/L之间，说明反应器运行良好，产甲烷阶段未出现酸化阶段。因此，COD去除率的下降因素可能在于污染物在第二反应室的酸化反应不够彻底，因此影响到第三反应室的产甲烷反应。
反应器单位产气率如图5所示。COD容积负荷为1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)时，对应的产气率分别为0.9，1.4，1.00，1.9和2.1m3/(m3•d)。结合图4里的COD总去除率，得到去除单位COD的产生的气体体积分布在0.29~0.33m3/kgCOD之间。
4、结论
(1)在温度为36~38℃，COD容积负荷为0.5kgCOD/(m3•d)的环境下，多段厌氧反应器运行16天后，COD的总去除率达到83%，实现了反应器的快速启动。
(2)通过控制总进水COD浓度为1000mg/L，并逐步减少水力停留时间，得到最佳的水力停留时间为20h，COD容积负荷为1.21kgCOD/(m3•d)时，COD总去除率稳定达到93%。
(3)固定水力停留时间在20h，随着COD容积负荷的增加，反应器去除COD的总能力逐渐下降，但当COD容积负荷为4.00kgCOD/(m3•d)时，反应器对COD的总去除率仍有80%。随着COD容积负荷的增加，第一反应室几乎未受影响，第二、第三室的运行效果呈现下降趋势。
(4)试验温度为34~36℃，COD容积负荷为1.68，2.40，3.12，3.60和4.00kgCOD/(m3•d)时，单位反应器容积的产气率分别为0.90，1.40，1.00，1.90和2.10m3/(m3•d)，去除单位COD产生的气体体积分布在0.29~0.33m3/kgCOD之间。（来源：深圳市清研环境科技有限公司深圳，深圳清华大学研究院，广东省环境微生物资源开发与应用工程技术研究中心）
