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乳制品废水主要来源于容器 、管道 、设备 、车间的清洗过程，以及冷却水和部分生活污水。其主要污染成分为乳蛋白 、乳糖、乳脂以及酸、碱等 ，CODCr 在 800～2 500 mg/L，BOD5 为 600～1 500 mg/L，B/C>0.5，具有易生化处理、pH 变化大、容易起泡沫等特点 。目前处理乳品废水应用较多的工艺有单独好氧处理工艺、 气浮+好氧处理工艺 、水解酸化+好氧处理工艺以及厌氧+好氧处理工艺等。而多相串联内循环厌氧反应器(MICR) 针对乳品废水的特点，采用多相厌氧反应、 管道进水和增设内循环等方式，提高了反应器的容积负荷，可以达到更好的处理效果 。笔者在成功培养驯化颗粒污泥的基础上，对 MICR 处理乳品废水时的抗冲 击特性和相分离特性进行了研究，旨在为该反应器的实际应用和工艺优化提供一定的理论指导 。
1 试验材料与方法
1.1 试验装置
试验装置如图 1 所示 ，MICR 由 3 根 D 80 mm× 1 000 mm 的有机玻璃管串联而成，总有效容积为 12.81 L，分为 1#、2#、3# 反应室。各反应室均设 3 个孔径为 8 mm 的取样口，取样口分别位于距离 反应室底部 100、350、700 mm 处，并用恒温水浴槽控制试验温度为(35±1 ) ℃。 废水从高位槽向 1# 反应室底部注入，然后由上部出水口经溢流堰顺管道进入 2# 反应室底部，依次推进，经过 3# 反应室之后排出 。各反应室的气体在集气罩下方汇集，以泥水混合液的形式经提升管进入气液分离器，气体从排气口排出，泥水混合液经回流管回流至反应室底部，形成液体内部循环 。
图 1 试验装置
1.2 接种污泥
所用污泥取自广西大学实验室处理淀粉废水的厌氧颗粒污泥，粒径在 2.0 ～3.5 mm 之间，黑色，污泥容积指数(SVI) 为 19.1 mL/g，沉降性能良好。污泥经淘洗备用，污泥接种量为反应室容积的 1/2。
1.3 试验用水
试验所用乳品废水取自广西皇氏甲天下乳业股份有限公司 ( 主要水质参数见表 1 )，并根据需要添加了适量纯牛奶，以提高 CODCr，以尿素为氮源 、磷酸二氢钾为磷源，保持 m (CODCr) ∶ m (N) ∶ m (P) = 300 ∶5∶1 。为促进污泥驯化，适量添加含有 Fe、Ca、 Mn、Zn、Co、K 等微量元素的营养液。
1.4 试验方法
启动试验采用自制的淀粉废水与乳品废水进行混合作为进水，控制 CODCr 为1 000 mg/L左右，保持 HRT= 24 h 不变，逐步提高进水中乳品废水的比例 ，直至进水完全是乳品废水。
MICR 启动成功后，即进入运行特性研究。首先保持进水CODCr 不变，以每次 4 h 的梯度逐步缩短 HRT; 随后保持 HRT 不变，以每次 500 mg/L 的梯度逐步提高进水的 CODCr。 通过这两种方式增加进水的容积负荷 ，并对整个运行过程中出水的 CODCr、pH、SS、VFA、产 CH4 量等进行分析。
1.5 分析方法及仪器
试验中对 CODCr、pH、SS、VFA、产 CH4 量进行测定 ， 其中 CODCr 采用微波消解法测定 ，pH 用玻璃电极法测定 ，SS 采用重量法测定 ，VFA 用比色测定法，CH4 采用自制血清瓶液体置换系统测定 ( 以质量分数 3% 的 NaOH 溶液吸收去除其中的 CO2，剩余气体即 CH4)。
仪器： WMX 型微波密封消解 COD 速测仪，汕头市环海工程总公司 ; pHS-3C 型精密 pH 计，上海雷磁仪器厂; CS-122 型恒温箱 ，重庆试验设备厂 ; 自制蒸馏装置。
2 结果与分析
2.1 MICR 的抗冲击特性
2.1.1 进水容积负荷对 CODCr 去除率的影响
经过近 40 d 的培养驯化，当进水 CODCr 为 1 100 mg/L，HRT 为 24 h 时 ，CODCr 去 除 率 稳 定 在 92% 左右，进入运行特性试验阶段，该过程分 2 个阶段提高进水容积负荷 。 CODCr 去除率随进水容积 负荷的变化情况见图 2。
第 1 阶段保持 CODCr 为 1 000 mg/L，逐步缩短 HRT。 由图 2 可见 ，CODCr 容积负荷 <3.0 kg/(m3· d)时，每次提高容积负荷 CODCr 去除率均呈现先下降后回升的趋势 ，最高都在 88% 左右 ，例如容积负荷从 1.0 kg/(m3· d) 升至 1.2 kg/(m3· d) 时，CODCr 去除率由 91.4%降到 80.1%，之后又升到 87.2%。 主要原因是容积负荷的增加使得甲烷菌增殖速率滞后于产酸菌 ，导致有机酸发生积累 ，代谢产物增多 ，从而抑制了甲烷菌对有机物的降解活性; 待微生物开始适应新的环境，其降解活性得以恢复。
当 CODCr 容积负荷提高到3.0 kg/(m3· d) 时，CODCr 去除率相对较低 ，最高只恢复到 84.4%，并呈下降趋势 ，特 别 是 当 HRT =4 h，相 应 的 容 积 负 荷 为 6.0 kg/(m3· d) 时，CODCr 去除率一直在 78%的较低水平，表明此时进水容积负荷已经超过 MICR 的抗冲击负荷能力 ，原因可能是 HRT 较短使得世代时间较长的产甲烷菌被“冲出 ”。
第 2 阶段保持 HRT =8 h 不变，以 500 mg/L 的梯度逐步提高 CODCr 质量浓度 。 当进水 CODCr 提高到 1 500 mg/L 时 ，CODCr 去 除 率 回 升 到 84.5% ; 进 水 CODCr 提高到 2 000 mg/L 时 ，CODCr 去除率先略微降低后逐渐升高，并最终稳定在 85.6%左右。 可见运行 50 余天后 ，当 HRT =8 h，进水 CODCr 为 2 000 mg/L，相应的容积 负 荷 为 6.0 kg/(m3· d) 时 ，MICR 具 有 最优的运行效能。
2.1.2 pH 对 CODCr 去除率的影响
pH 是影响厌氧反应器处理效果的最重要因素之一 〔4〕。图 3 为进、 出水 pH 随时间的变化情况。
由图 3 可见，经过前期的污泥驯化之后 ，当进水 pH 保持在 7.0 ～7.6 时，出水 pH 也稳定在 7.5 左右 。当进水 pH 突然增大至 8.16(A 点 ) 时 ，出水 pH 也随之升高到 8.44，CODCr 去除率即由 88%降至 80%，及时 降 低 进 水 pH 至 8.0 后 ，CODCr 去 除 率 恢 复 到 82.1% ; 当进水 pH 突然减小到 6.47 (B 点 ) 时 ，出水 pH 随 之 降 到 7.16，CODCr 去 除 率 由 84.4% 降 至 77.5%，及时提高进水 pH 至 6.71 后 ，CODCr 去除率恢复至 82.5%。 这主要是因为微生物对 pH 非常敏感，pH 的突然改变会引起细胞膜发生变化 ，影响微生物对营养物质的吸收，从而大大降低细菌活性; 而及时调节进水 pH 后 CODCr 去除率的迅速恢复 ，表明颗粒污泥结构为内层产甲烷菌提供了保护和隔离作用 ，使得厌氧颗粒污泥对短时的 pH 变化具有一定的缓冲能力 ，能够很好地适应环境的改变，迅速恢复活性。
2.1.3 HRT 对 SS 去除率的影响
研究表明 HR T 对 SS 去除率有重要影响 〔5〕。 图 4 为进、 出水 SS 及 SS 去除率随运行时间的变化情况。
由图4 可知，随着 HRT 的增加 ，系统出水的 SS 逐渐降低 ，SS 去除率逐渐升高。 HRT >8 h 时，出水 SS 均 <40 mg/L，SS 去除率保持在 78.8% ～88.7%之间 。 当 HRT 减小至 4 h 时 ，出水 SS 增至 60 mg/L，SS 去除率则降至 69.7%。 可见，若要保证出水 SS ≤ 40 mg/L， HRT 至少应 >4 h。 实验过程中进水 SS 在 180 ～210 mg/L 之间变化，但出水 SS 受其影响较小 ，仍表现出上述变化规律，且具有较高的 SS 去除率 ，这主要受益于 MICR 的内部结构 ： 内设的集气罩很好地截留了污泥和悬浮物，同时多相串联的结构使得大量悬浮物在第 1 格室被吸附分解，在最后格室沉淀，因此该系统对 SS 的去除效果明显 。
2.2 相分离特性
2.2.1 各反应室出水VFA 的变化规律
在厌氧消化过程中 ，甲烷菌主要利用 VFA 形成甲烷，因此 VFA 的积累程度及变化规律能够很好地表征厌氧反应器的相分离状态。图 5 为各反应室出水的 VFA 随运行时间的变化情况。
由图 5 可以看出 ，1# 反应室出水的 VFA 最多，总体在 2.0 mmol/L 以上，并随着进水容积负荷的增加 而 增 大 ( 随 运 行 时 间 延 长 进 水 容 积 负 荷 逐 渐 加大 )，VFA 最高达到 7.0 mmol/L; 2#、3# 反应室出水的 VFA 没有明显差异 ，均较低 ，在 0.25～0.75 mmol/L 之间变化。 说明 1# 反应室以产酸菌为主，2#、3# 反应室以产甲烷菌为主。1# 反应室中 ，随着进水容积负荷的逐渐增大 ，大量有机物为代谢速率高 、 适应能力强的产酸菌提供了适宜的生长环境 ，产酸菌大量生长繁殖 ，有机物被产酸菌迅速转化为脂肪酸 ，而产甲烷菌适应环境较慢且代谢能力弱 ，无法将产生的脂肪酸及时吸收利用 ，致使脂肪酸大量积累 ，出水 VFA 较高 ; 在 2#、3# 反应室中 ，产甲烷菌开始适应环境并迅速生长繁殖，而此时产酸菌由于底物不足，活性变差，与产甲烷菌的生长达到平衡，其产生的脂肪酸能够及时被产甲烷菌利用 ，出 水 VFA 较 低 。 此 外 ， MICR 的内循环系统可增强泥水的混合 ，加快各种厌氧菌种的代谢活动 ，从而达到良好的相分离效果 。
2.2.2 各反应室产 CH4 量的变化
试验过程中对各反应室产生的 CH4 气体单独收集测定 ，以考察反应室厌氧菌种的生长情况。 各反应室的产 CH4 量如图 6 所示。
由图 6 可见，2# 反应室产生的 CH4 最多，容积产气率 >0.153 m3/(m3· d)，最高达 0.397 m3/(m3· d)，并随着容积负荷的 增加而增大 ( 随运行时间延长容积负荷增加 )，表明 2# 反应室以产甲烷菌为主。 1# 反应室产生的 CH4 量受进水容积负 荷的影响不大 ，总体保持在 0.103～ 0.137 m3/(m3· d) 的水平 ，表明 1# 反应室主要起水解和酸化作用 ，以产酸菌为主，产甲烷菌的活性受到抑制 ，而且受进水容积负荷的直接冲击，CH4 产量呈现小幅度的波动 。 3# 反应室与 2# 反应室一样 ，产 CH4 量随着容积负荷的增加而增大 ，但 产 CH4 量 始 终 很 低 ，其 容 积 产 气 率 最 大 为 0.071 m3/(m3· d)，表明 3# 反应室也以产甲烷菌为主 ，但由于废水流至 3# 反应室时剩余的有机物很少 ，底物不足，因此 CH4 量很少 。
3 结论
(1)MICR 对乳品废水有稳定高效的处理效果 。当 HRT=8 h、 进水 CODCr 为 2000 mg/L、 相应的容积负荷为 6.0 kg/(m3· d) 时 ，MICR 具 有 最 优 的 运 行 效能 ，CODCr 去除率可稳定在 85.6%左右 。 MICR 底部污泥对 pH 骤变有较好的抗冲击能力 ，能够随 pH 的稳定很快恢复活性，提高 CODCr 去除率。 MICR 独特的结构设计对 SS 有较高的去除率 ，当 HRT>8 h 时出水 SS<40 mg/L，SS 去除率保持在 78.8%～88.7%。
(2)MICR 存在产酸相与甲烷相分离现象。 1# 反应室出水 VFA 在 2.0 mmol/L 以上，2#、3# 反应室出水 VFA 仅在 0.25～0.75 mmol/L 之间变化 ; 2# 反应室产生 CH4 最多 ，容积产气率最高可达 0.397 m3/(m3· d)，研究表明 2# 、3# 反应室以产甲烷菌为主 ，1# 反应室以产酸菌为主。