随着我国工业化和城市化的不断发展，高浓度的工业有机废水排放量日益增加，其对水体污染非常严重。对高浓度有机废水的处理一般采用厌氧生物处理工艺。厌氧生物处理工艺从最初的厌氧接触工艺到上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，再到以内循环厌氧反应器(IC厌氧反应器)为代表的第3代厌氧技术，无论是处理效率，还是运行负荷均有大幅提高，被广泛应用于啤酒生产、造纸、食品加工、柠檬酸等行业〔1〕。
IC厌氧反应器是由荷兰PAQUES公司于20世纪80年代中期在UASB基础上开发成功的第3代高效厌氧反应器〔2〕，具有容积负荷高、能耗低、抗冲击能力强、造价低、占地面积小、附加值高等诸多优点〔3〕，是目前高浓度有机废水厌氧处理的主流技术，可以称得上目前世界上处理效果最好的厌氧反应器〔4〕。虽然IC厌氧反应器作为主流的厌氧技术为高浓度有机废水的处理做出了巨大贡献，但在实际运行过程中仍然存在运行不稳定的问题，其关键原因是反应器内部的布水布气系统存在缺陷，导致反应器效率低下。对此，本公司对传统厌氧反应器布水布气系统的关键设备进行了改造，形成了具有自主知识产权的上旋流厌氧反应器。
为了更好地了解上旋流厌氧反应器的运行性能，便于对实际生产作出指导及技术推广，本研究以安徽省某生化有限公司酒精废水为研究对象，研究了上旋流厌氧反应器的处理效果及启动影响因素。
1 材料与方法
1.1 试验用水
试验废水取自安徽省某生化有限公司，该废水为酒精生产过程中产生的高浓度有机废水，并掺杂少量柠檬酸废水。将2股废水在调节池内进行混合，以调节池内混合充分的高浓度有机废水作为试验用水。试验用水水质：COD 8 000～10 000 mg/L，BOD5 2 000～2 500 mg/L，SS 800 mg/L，pH 4～6，温度40 ℃。
1.2 试验装置及方法
1.2.1 试验工艺流程
试验工艺流程如图 1所示。
图 1 工艺流程
本试验以实际工程为依托，将车间生产排放的酒精废水和柠檬酸废水在调节池内进行混合，调解池有效容积为800 m3。调节池出水由泵提升进入水解酸化池(有效容积为1 600 m3)，对废水进行水解预酸化。水解酸化池出水由泵提升进入上旋流厌氧反应器，经过厌氧反应处理后，大部分有机物被转化为沼气释放。上旋流厌氧反应器出水一部分回流至水解酸化池用于调节进水水量，其余部分进入后续好氧处理单元。
1.2.2 试验装置及主要参数
本试验的主体装置为上旋流厌氧反应器，直径为14.5 m，高为22 m，有效容积3 500 m3，碳钢材质，其基本结构如图 2所示。
图 2 上旋流厌氧反应器基本结构
上旋流厌氧反应器主要由布水器、提升装置、三相分离器、气液分离器及出水装置等组成。相对于传统的IC反应器，上旋流厌氧反应系统中使用了研制的新型布水器、优化后的内循环沼气提升系统和改进型三相分离器。
研制的新型布水器采用倒锥形上旋流布水设计，反应器进水沿倒锥形布水盘片进入后形成旋流并与回流液充分混合，提高了布水的均匀度;沉积在锥形底部的高密度污泥可通过排泥管及时排出，防止了污泥沉积造成的布水死区。
内循环沼气提升系统做了如下优化改进：增加提升管直径，改变提升管分配位置，加强沼气提升管在气体收集系统的埋深。通过优化可以减小气水混合物的提升阻力，提高气水混合物的提升量，从而加大内循环量，提高反应器的水力负荷，促进更有效的传质。
改进型三相分离器增加了上三相分离器覆盖面积，改变了三相分离器挡泥板角度，增加了沼气通道管径。通过优化可以增加沼气与混合液接触面积、沼气释放量、收集面积，提高泥水、气水、泥气的三相分离效果和沼气收集率。
1.3 接种污泥
厌氧反应器的启动是通过污泥接种和培养，最终实现高负荷稳定运行的过程〔5〕。本试验采用酒精废水厌氧颗粒污泥作为接种污泥，污泥接种量为1 200 m3(TSS为90 g/L，VSS为63 g/L)，占反应器总容积的34.3%。
1.4 系统调试
利用现有厌氧反应器出水将上旋流厌氧反应器注满，直至升温至35 ℃。因为现有厌氧反应器出水SCOD=2 000 mg/L，非常适合提高温度驯化污泥。经过3 d时间，反应器温度由25 ℃升至35 ℃，反应器内有少量沼气产生。此时开始泵入高浓度有机废水，以5 kg/(m3·d)的COD容积负荷开始启动调试。系统调试时，严格控制进水pH在6.0～7.5，温度在35～40 ℃，并检测各项运行指标。当同时满足SCOD去除率>80%、出水VFA<600 mg/L、出水pH>6.8时，逐步提高运行负荷并保持运行稳定。经过35 d的调试，系统运行COD容积负荷达到22 kg/(m3·d)，SCOD去除率>82%。
1.5 主要分析项目及方法
主要分析项目包括SCOD、VFA、pH、TSS和VSS，分析方法参照参考文献〔6〕。
2 结果与分析
2.1 污泥量的变化
在调试过程中，对污泥量和污泥TSS、VSS进行了检测，结果如图 3所示。
图 3 调试过程中颗粒污泥量及VSS/TSS的变化
从图 3可知，随着调试时间的延长，颗粒污泥体积出现了先减少后增长的趋势，污泥中VSS/TSS逐渐增高至70%左右，污泥活性比启动时明显增强。
在驯化阶段，由于污泥对水力负荷和环境尚未适应，出现了污泥洗出的现象，污泥量有所减少。运行至第14天时，污泥量出现明显增长，且污泥VSS/TSS由64%增加至70%，活性成分比例明显增加。到调试完成时，颗粒污泥体积增加至1 710 m3，约占厌氧反应器体积的49%，已经满足运行污泥量要求。
2.2 SCOD去除情况
经过35 d的调试，完成了上旋流厌氧反应器的启动，期间系统进出水SCOD的变化如图 4所示。
图 4 进出水SCOD的变化
由图 4可以看出，调试过程中，上旋流厌氧反应器对SCOD去除效果明显，且整个试验期间运行基本稳定。酒精综合废水的SCOD一般在8 000～10 000 mg/L，均值为8 946 mg/L，经过上旋流厌氧反应器处理后，出水SCOD在1 412 mg/L，SCOD去除率均值为84%。
2.3 容积负荷对SCOD去除率的影响
调试过程中，发现SCOD去除率与容积负荷有很大关系，如图 5所示。
图 5 容积负荷对SCOD去除率的影响
由图 5可知，COD容积负荷的提高分4个阶段，第1—7天为启动驯化阶段，COD容积负荷均值为4 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值为77%，低于80%，且波动较大，这与颗粒污泥尚未适应新环境，活性较低有关。第8—14天为恢复阶段，此时污泥活性已经基本恢复，COD容积负荷均值为10 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值提高至86%，此阶段运行结束时，颗粒污泥已经完全适应新的环境，开始有新的颗粒污泥形成。第15—28天为负荷提高阶段，在此阶段，污泥活性非常强，微生物增长迅速，有大量新生颗粒污泥形成，COD容积负荷逐步提高至16 kg/(m3·d)，SCOD去除率均值为86%。第29—35天为达标运行阶段，COD容积负荷均值提高至21 kg/(m3·d)，在该阶段，SCOD去除率均值为84%，虽然有所降低，但是达到了设计指标，且去除率数据波动不大，运行稳定。
2.4 污泥负荷对SCOD去除率的影响
相关研究表明，污泥负荷对SCOD去除率有明显影响。调试过程中，通过分析不同污泥负荷下的SCOD去除率发现，当COD污泥负荷(以VSS计，下同)不超过0.55 kg/(kg·d)时，SCOD去除率较高，见图 6。
图 6 污泥负荷对SCOD去除率的影响
从图 6可以看出，启动阶段虽然COD污泥负荷较低，但是SCOD去除率并不是很高，这与污泥活性低，尚未适应新的环境有关，此阶段如果COD污泥负荷较高，容易造成SCOD去除率明显降低，从而导致反应器启动失败。完成启动后，COD污泥负荷提高至0.5～0.55 kg/(kg·d)，随着污泥活性的增加，SCOD去除率达到86%，而当COD污泥负荷>0.55 kg/(kg·d)时，SCOD去除率迅速降至84%。
2.5 容积负荷对出水VFA的影响
VFA是厌氧消化过程中有机物降解的中间产物，有机物经水解反应后产生VFA，产甲烷菌利用VFA产生甲烷。所以，VFA在厌氧反应器中的变化能反映出产甲烷菌的活性状态。试验过程中对上旋流厌氧反应器中VFA的变化进行了连续监测，发现VFA的波动与运行容积负荷有密切关系，如图 7所示。
图 7 容积负荷对出水VFA的影响
根据有关研究，当出水VFA<300 mg/L时，表明厌氧反应器运行效果非常好〔7〕，而根据实际工程经验，上旋流厌氧反应器出水VFA<600 mg/L且保持稳定，即表明系统运行正常。从图 7可以看出，在调试过程中，随着COD容积负荷的增加，出水VFA出现了先高后低再高的趋势，最高不超过650 mg/L，且浮动范围稳定，说明上旋流厌氧反应器运行比较稳定。在启动驯化阶段，由于污泥活性尚未完全恢复，出水VFA达到了500 mg/L。随着污泥活性恢复和污泥量的增加，当COD容积负荷为10～17 kg/(m3·d)时，出水VFA稳定在400 mg/L左右，表明反应器运行效果比较好。当COD容积负荷提高至20 kg/(m3·d)以上后，出水VFA增加到500 mg/L以上，出水VFA保持稳定，没有出现酸累积现象。
调试运行的第23天和第29天，出现出水VFA迅速升高的情况，是由于进水水质波动较大，进水COD突然增加造成的，当水质平稳后，VFA很快就恢复稳定，这也说明上旋流厌氧反应器有较强的耐负荷冲击能力。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
通过本试验研究结果可以看出，以颗粒污泥为接种污泥，采用上旋流厌氧反应器处理酒精综合废水，可以实现厌氧反应器的快速启动。
(1)调试过程中，颗粒污泥体积出现了先减少后增长的趋势，且污泥中VSS比例逐渐增高，污泥活性逐渐越强。到调试完成时，颗粒污泥体积增加至1 710 m3，约占厌氧反应器体积的49%，满足运行污泥量要求。
(2)上旋流厌氧反应器对SCOD去除效果明显，且整个试验期间运行基本稳定。经过上旋流厌氧反应器处理后，酒精综合废水的SCOD去除率均值为84%。
(3)通过分析不同容积负荷下的SCOD去除率发现，稳定运行阶段，COD容积负荷提高到20kg/(m3·d)以上时，SCOD去除率为84%，虽然较负荷提高阶段的SCOD去除率有所降低，但是达到了设计指标，且运行稳定。
(4)调试过程中，通过分析不同污泥负荷下的SCOD去除率发现，当COD污泥负荷不超过0.55 kg/(kg·d)时，SCOD去除率较高，SCOD去除率可达86%。
(5)上旋流厌氧反应器出水VFA与容积负荷有密切联系，当COD容积负荷达到20 kg/(m3·d)时，出水VFA增加到500 mg/L以上，但系统运行稳定，没有出现酸累积现象。