摘 要:文章考察了糖蜜酒精廢水二相UASB處理工藝的酸化段特征，試驗結果表明酸化段的容積負荷達到30　kgCOD/m3時，系統仍能正常運行，TOC去除率在35%以上，酸化段的SO42-去除率在70%。糖蜜酒精廢水酸化率在50%，二相厭氧生物處理系統并未將產酸微生物與產甲烷微生物截然分開，在產酸相中仍含有一定數量的產甲烷菌。
關鍵字：二相UASB 糖蜜酒精廢水;厭氧生物處

    兩相厭氧消化法是根據參與酸性發酵和甲烷發酵的微生物不同，分別在兩個反應器內完成這兩個過程的方法。但二相厭氧生物處理工藝自1971年提出以后，由于學術界大多認為相分離會破壞厭氧發酵過程中各類菌群之間的協同作用，會對厭氧發酵產生不利影響，因此這一研究發展緩慢。目前，許多研究表明該法在處理富硫酸鹽有機廢水是有效的［1-4］。為了探討二相厭氧UASB工藝處理糖蜜酒精廢水的相分離特性，本文對產酸相的效能、運行狀況、有機物的去除及微生物群體的組成等方面作了研究分析。

1　試驗裝置及方法

1.1　試驗裝置

　　本試驗酸化段UASB反應器采用有機玻璃管制成，內徑15　cm，高2　m，總有效容積為28.5　L，其中三相分離器容積為4　L，高度方向上每間隔10　cm設置一個采樣口，以觀測反應器中的情況。反應器夾套水保溫在35±2℃左右。處理水經計量泵由底部進入反應器，在反應器頂部溢流出水。產氣經脫硫后，由濕式氣體流量計計量產氣量。出水進入下一段處理裝置。

1.2　接種污泥

　　接種污泥采自酒精廠EGSB反應器高溫處理玉米酒精糟液的顆粒污泥，污泥濃度18.8　g/L，VSS/SS為0.93，接種量為18　L。

1.3　廢水性質

　　本試驗用水來自廣西某糖廠的糖蜜酒精糟液，其水質特征如表1所示。

表1　原水水質指標

1.4　分析項目及方法

　　TOC：TOC-10B
　　pH：精密pH計
　　堿度：滴定法
　　揮發酸：氣相色譜法
　　硫酸根：重量法
　　硫化物：離子選擇電極法

1.5　試驗條件控制

　　試驗中，原水經過稀釋后進水。通過調節進水流量來控制進水COD容積負荷；通過加入Na2CO3調節pH值；實驗中不再另外加入各種營養鹽。

2　結果與討論

2.1　試驗結果

　　在最初的15　d里，進水TOC控制在10　000　mg/L左右，但去除率直線下降。調整進水TOC至6　000　mg/L，連續運行50　d，負荷逐步提高，去除率逐漸上升，到第60　d，穩定在30%左右，同時，產氣量也上升至80　L/d。繼續提高進水濃度，到第87　d，達到17　000　mg/L，容積負荷達到30　kg　COD/m3，系統仍能正常運行，去除率在35%以上，產氣達到100　L/d以上。試驗中，即使SO42->1　600　mg/L,出水中的硫化物也只有80　mg/L，所以在本試驗中沒有發現H2S的抑制作用。酸化段的SO42-去除率在70%左右。根據氣相色譜檢測，酸化段產氣中，CH4和CO2組分各占50%，證明在酸化段中，也發生產甲烷反應。
　　另外，隨系統運行，體系的緩沖能力增強，系統的穩定性較好，即使進水pH在5.2左右，出水pH一直維持在7.7。

2.2　酸化反應器的運行效能分析

　　一般認為，厭氧生物處理的限速步驟是產甲烷階段，但現在已經認識到產酸階段對厭氧生物系統的成敗也起著關鍵的作用［5］。一方面產酸相發酵速率要快，并盡可能消除由于有機酸的大量產生而抑制或阻礙了產酸菌的活性；另一方面，因為產酸相的發酵產物將作為甲烷相的底物，所以提供易于被產甲烷菌利用、并且減少丙酸含量和可能轉化為丙酸的底物，是保證產甲烷相高效、穩定運行的重要因素。
2.2.1　酸化率
　　酸化段是將污水中大分子和不易生物降解的有機物降解為易生物降解的小分子有機物。酸化過程是溶解性有機物被轉化為以揮發性脂肪酸為主的末端產物的過程。研究結果表明，酸化的末端產物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。對兩相厭氧處理的第一步，糖作為主要底物，則末端產物將是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氫氣的混合物。
　　本試驗用水為糖蜜酒精廢水，基質中糖的含量很高，達20g/L，糖為主要底物之一，一級UASB反應器的操作控制按酸化反應器運行條件運行，試驗進程中揮發酸測定結果列于表2。結果顯示，出水中揮發性脂肪酸有乙酸、丙酸、丁酸、戊酸四種，其中乙酸和丁酸的量最大，乙酸最高達3　796　mg/L，丁酸達4　436　mg/L，揮發酸的濃度與進水TOC濃度有相關性。原水中已含有較高濃度的揮發酸，其中乙酸濃度在1　000　mg/L以上，如果扣除進水揮發酸后計算酸化率，則酸化率數值較低，基本上都小于30%，且該數值波動較大，這可能與進水水質波動有關。但出水揮發酸卻能占總TOC的50%，盡管該值有所波動，但基本上仍算比較穩定。這一數值說明，對糖蜜酒精廢水酸化率在50%左右，較好時能達到70%。此外，據試驗推斷當酸化末端產物揮發酸的濃度達到一定數值后，酸化過程很難再深入進行。對于本試驗乙酸、丁酸最高濃度均能達到占進水TOC的30%，但二者不能同時達到最大值。

表2　酸化反應器揮發酸測定結果

　注：酸化率=（TOC出-TOC進）/TOC總　TOC出：出水中揮發酸折合的TOC，TOC進進水中揮發酸折合的TOC，TOC總：進水中總TOC；揮發酸百分率=出水中揮發酸折合的TOC/進水總TOC2.2.2　酸化段TOC的去除率、產氣量及微生物群體組成分析

　　本試驗最初酸化段對TOC雖有去除，但去除率不大，僅在10%左右，產氣量也不大。但隨著運行時間的延長，反應器對TOC的去除率開始增加，最后穩定在40%左右，單位體積產氣量逐漸增加，酸化段產氣中，CH4約占氣體組成的50%，這可能是反應器內產甲烷菌已適應了環境，活性增加，從而消耗更多的乙酸來產生甲烷，從而使乙酸濃度降低，丁酸進一步水解產生的乙酸可補充一部分削耗掉的乙酸。試驗結果表明乙酸下降程度要比丁酸小得多。TOC去除率及單位體積產氣量見圖1。

圖1　TOC去除率、產氣量與運行天數的關系

　　本試驗結果是，隨著系統運行時間的延長，TOC的去除率及產氣量有加大的趨勢，說明產甲烷菌的數目在加大，并且二者有較好的相關性。穩定運行后，酸化段TOC去除率趨于穩定，為40%左右，單位體積產氣量穩定在5.0　L/d。
　　微生物的厭氧發酵過程呈階段性［5,6］，參與整個厭氧發酵過程的微生物也因代謝功能不同分為水解、發酵細菌，產氫產乙酸細菌，同型產乙酸菌，產甲烷菌等主要菌群。根據試驗結果和資料分析［7－11］，對二相厭氧消化過程中各大菌群的分布提出如圖2所示的示意圖。

圖2　二相厭氧消化過程中各大類菌群的位置示意圖。

　　由圖2可見通過動力學控制實現相分離并不意味著產酸發酵菌群與產甲烷菌群的完全分離。如Gil-Pena［12］的研究結果表明在酸化反應器的厭氧污泥中，產甲烷菌含量約為104個/毫升。表3是張錄等［10］人的研究結果，從表3中可以看出，二相厭氧生物處理系統并未將產酸微生物與產甲烷微生物截然分開，只是通過對有關運行參數的控制限制了產酸相中甲烷菌的增殖，強化了水解發酵菌群功能。因此，在產酸相中仍含有一定數量的產甲烷菌，由于產甲烷菌也消耗有機物，所以酸化段可以對COD有一定的去除率。

表3　產酸槽與產甲烷槽各菌群計數結果

3　結論

3.1　酸化段的容積負荷達到30　kg　COD/m3時，系統仍能正常運行，TOC去除率在35%以上，酸化段的SO42-去除率在70%左右。
3.2　糖蜜酒精廢水酸化率在30%以下，出水揮發酸卻能占總TOC的50%左右，較好時可能達到70%。當酸化末端產物揮發酸的濃度達到一定數值后，酸化過程很難再深入進行。對于本試驗乙酸、丁酸最高濃度均能達到占進水TOC的30%，但二者不能同時達到最大值。
3.3　兩相厭氧生物處理系統并未將產酸微生物與產甲烷微生物截然分開，只是通過對有關運行參數的控制限制了產酸相中甲烷菌的增殖，強化了水解發酵菌群功能。因此，在產酸相中仍含有一定數量的產甲烷菌，由于產甲烷菌對有機物的消耗，所以酸化段可以對TOC有一定的去除率。