处理豆制品加工废水的UASB反应器重新启动过程的监测

杨丽政 吴旭 吴子安 李思琪 叶楠 朱红建

摘要：研究了处理豆制品加工废水的上流式厌氧污泥床反应器（UASB）的重新启动。在重启期间化学需氧量（COD）去除率和气体产率都增加。厌氧污泥比产甲烷速率从0.31g CH4·g-1 VSS·d-1增加到0.81 g CH4·g-1 VSS·d-1；出水辅酶F420的荧光值从153提高到313。各种运行参数中挥发性脂肪酸（VFA）和CH4含量最先达到稳定故用其作为反应器重启过程主要参数。出水辅酶F420浓度和污泥比产甲烷速率有相似变化趋势。因此出水辅酶F420荧光值可用于确定厌氧反应器产甲烷活性。

关键词：辅酶F420；三维荧光；荧光光谱；重新启动；上流式厌氧污泥床

上流式厌氧污泥床（UASB）是最受欢迎的污水厌氧处理反应器之一[1]。产甲烷微生物的高敏感性造成UASB启动和重启操作非常繁琐。产甲烷菌对有机负荷变化和其他外部扰动非常敏感，因而UASB厌氧系统经常发生种群变化和过程失稳。

食品工业的季节性生产特点造成处理其废水的污水厂常无法连续运行。因此厌氧反应器常需季节性重启，UASB中颗粒污泥生物活性良好可缩短重新启动所需时间。探究UASB重启过程监测参数的文献较少，所以本研究主要目的是找出可以反映重启过程中监测反应器状态的关键参数。厌氧反应器重启可采用挥发性脂肪酸（VFA）、化学需氧量（COD）去除率、CH4含量和产量、出水悬浮性固体（SS）进行监测，然而重启过程中监测所有的参数不现实，需提出一种可敏感精确反映厌氧反应器状态的参数。

反应器中须有足够的产甲烷菌种群才能保证重启成功，因此需要使用切实可行的技术手段监测产甲烷菌活性变化，比产甲烷速率测定方法被广泛应用于测定产甲烷活性。辅酶F420可表征产甲烷菌活性。本研究使用三维激发-发射矩阵（EEM）荧光光谱法测定UASB反应器出水中辅酶F420的光谱特性。实验装置为实验室规模UASB反应器，探究反应器重启是为了给实际工程处理食品废水提供稳定高效的监测工具，提出了一个敏感的重启过程参数作为厌氧反应器稳定运行的早期指示参数。此外还提出检测出水辅酶F420的荧光检测方法。

1.材料与方法

1.1实验计划

实验装置是实验室规模有机玻璃UASB反应器，分反应区和三相分离区两部分，有效容积2.0 L。利用加热夹层保持35±1℃。种泥取自处理柠檬酸废水的厌氧反应器，pH和挥发性悬浮固体（VSS）为7.1和40.1 g·L-1。反应器以豆制品加工废水为基质稳定运行6个月后停止运行4个月。停止运行期间反应器中颗粒污泥维持在14-16℃使其无明显解体以保证颗粒污泥活性，停止运行期满后进行重启。重启期间将豆制品加工废水稀释三倍，基质浓度稳定在约10 g COD·L-1。水力停留时间24 h，有机负荷率10 kg COD·m-3·d-1。碳酸氢钠提供缓冲能力，初始浓度1500 mg·L-1，第10天降低到500 mg·L-1，15天后不再添加。进水COD浓度8980-10250 mg·L-1，悬浮性固体浓度150-210 mg·L-1，蛋白质浓度2437-2758 mg·L-1，碳水化合物浓度5607-5781 mg·L-1。

1.2SMA实验和辅酶F420检测

向100mL小瓶接种厌氧污泥，用磷酸盐缓冲溶液稀释到10 ml，保证污泥浓度大约为5g VSS·L-1，加入豆制品加工废水或乙酸使初始COD浓度为5 g·L-1，用N2吹扫后放入35 ℃转速100 rpm的摇床中培养26 h。累积生物气产量和甲烷含量每小时测定一次。试验结束测定每个小瓶VSS，绘制实验过程中甲烷产量随时间的累积曲线，其斜率除以VSS即为比产甲烷速率。

三维荧光光谱用荧光分光光度计（LS-55，珀金埃尔默公司）测定。X轴是300 nm ～ 590 nm发射光谱，Y轴是250 nm ～ 450 nm激发波长。第三维40条等高线代表每个荧光光谱荧光密度，每条等高线间隔10 nm。

1.3其他分析方法

生物气体积用自制裝置测定，生物气中甲烷含量用气相色谱仪（SP-6800A，鲁南公司）分析，VFA用气相色谱仪（6890NT，安捷伦公司）测定，蛋白质浓度用Lowry–Folin法测定，COD用标准方法测定。

2.结果与讨论

2.1基质降解

反应器重启期间出水COD变化如图1所示。前24天出水COD 浓度在2538 ～ 7800 mg·L-1 间波动下降。25天至第35天反应器COD去除率从71.7%提高到89.4%，表明厌氧污泥活性逐渐提高。第35天后COD去除率达87.0%，说明污泥生物活性得到恢复。

重启期间污水中碳水化物去除率超过并稳定在99.5%。表明反应器停止运行4个月后产酸活性仍很高。由图1可知前11天出水中蛋白质的浓度在2538 mg·L-1 ～ 7800 mg·L-1间波动，初始蛋白质去除率18.2%，第11天提高至45%。第12天至第14天蛋白质去除率从38.9%迅速提高到76.4%，第14天后蛋白质去除率稳定在70%以上，第21天达到最高90.6%。蛋白质厌氧降解过程涉及多种微生物种群，首先被蛋白水解酶水解成多肽和氨基酸，多肽和氨基酸被酸化成VFA、氢气，VFA被产乙酸菌进一步转化成乙酸、H2和CO2，最终转化成CH4。

2.2气相和液相产物

CH4和CO2是反应器主要气体产物，结合图1和图2可看出总生物气产生速率随COD去除率提高而提高。第1天生物气产生速率为613 ml·L-1·d-1，第27天提高至2230 ml·L-1·d-1。整个重启期间累积产甲烷量和甲烷含量与气体产生速率有类似的变化趋势。

前27天气体产量波动较大，之后CH4产率超过0.25 m3·kg-1 CODremoval，甲烷含量稳定为65% ～ 71%，表明反应器重启成功。

反应器启动后，前10天出水总VFA先累积后迅速消耗，总VFA在499 mg·L-1 ～ 3991 mg·L-1间剧烈波动，各VFA组成成分与总VFA变化趋势一致，乙酸占总VFA52.8 ～ 68.8%；出水中高浓度的VFA表明产甲烷作用是整个产甲烷过程的限速步骤。第15至25天期间温控发生故障，总VFA出现显著增长，第19天达到峰值2946 mg·L-1。此严重波动后VFA浓度开始下降并在27天后保持在310 mg·L-1以下。总VFA中乙酸占比超过60%，丙酸占比1.01%～33.1%，也含少量丁酸、戊酸、异戊酸。

2.3SMA和辅酶F420测定

表1列出反应器中颗粒污泥SMA值，基质为乙酸和豆制品加工废水。整个重启过程中污泥产甲烷活性是逐渐恢复的。仅一个月后以乙酸为底物的污泥SMA从最初的0.56 g CH4·g-1 VSS·d-1提高至0.88 g CH4·g-1 VSS·d-1。以豆制品加工废水为底物的污泥SMA从最初的 0.31 g CH4·g-1 VSS·d-1提高至0.81 g CH4·g-1 VSS·d-1。

反應器出水初始EEM荧光光谱如图4所示。根据激发/发射坐标275/350 nm和420/470 nm处两个峰的位置可区分混合物中不同物质。坐标275/350 nm处物质是蛋白质[10]，坐标420/470 nm处物质是辅酶F420。辅酶F420荧光强度可反映辅酶F420浓度。辅酶F420荧光强度值最初为153，第三天增加至313。整个重启阶段辅酶F420荧光强度值和污泥SMA变化趋势相似。

3.讨论

本研究比较了几个不同参数，包括COD去除率、VFA含量、CH4产量和含量。运行35天后反应器COD去除率稳定在87%以上。CH4产量和含量在重启期间变化趋势相似，波动时CH4含量比CH4产量更敏感。第15-25天反应器VFA发生剧烈波动，第25天后总VFA开始下降，并在第27天后保持稳定；第27天后，CH4含量也开始变得平稳，反应器达到稳定。从实验监测可知总VFA和CH4含量首先达到稳定，可把总VFA和CH4含量作为反应器重启的主要参数。

SMA实验是确定厌氧污泥产甲烷活性的有效方法但较耗时且单一。辅酶F420是广泛分布于产甲烷菌中的酶，可代表产甲烷菌活性从而应用于产甲烷活性检测。通常是将辅酶F420从厌氧污泥中提取出来使用荧光分光光度计测定。本研究发现出水也含辅酶F420且和污泥SMA变化趋势相似。图5显示了两者的相关性，EEM荧光强度和以豆制品加工废水为底物测定的污泥SMA值线性相关，表明出水辅酶F420的荧光强度可以作为测定产甲烷活性的有效方法。

4.结论

（1）在重启期间首先稳定的参数是总VFA和CH4含量，可以将其作为重新启动的主要参数。

（2）重启过程出水含辅酶F420且其荧光强度和SMA值线性相关，可用出水辅酶F420荧光值表征厌氧反应器产甲烷活性，实现在线监测。

（3）操作得当，UASB可在短时间内完成重启，满足间断运行需要。

（作者单位：1，2合肥工业大学土木与水利工程学院市政工程系；

3，4，5，6.合肥工业大学土木与水利工程学院给排水科学与工程）