我國是食糖生產與消費大國，由此產生的制糖廢水成為我國主要工業污染源之一。目前，國內外針對制糖廢水的處理多采用生化法，主要包括厭氧處理法、好氧處理法、厭氧-好氧組合處理工藝、土地處理法等，而厭氧處理法因能耗低、耐沖擊負荷等特點被廣泛采用〔1〕。
食糖精煉廢水的主要成分--糖蜜為原糖精煉時的結晶母液，是制糖工業的一種副產物，含有大量有機或無機物質〔2〕。食糖精煉廢水具有COD高、波動性大、可生化性好等特點，B/C在0.45左右，氮素含量偏低，不含有抑制微生物生長的物質，但刷罐水的排放極易引起較強的沖擊負荷。
山東省某糖業集團新建食糖精煉生產線，產生的廢水具有上述廢水的特點，符合厭氧工藝處理的條件，且附加循環IC反應器在該領域的應用還未見詳細的研究報道，因此筆者從工藝應用角度探討附加循環IC反應器處理食糖精煉廢水的啟動過程。
1 材料與方法
1.1 實驗裝置
根據廢水水質水量特點及出水要求，決定采用以生化處理為主、物化處理為輔的工藝處理廢水，實現中水回用與達標排放。
由于普通IC反應器無法適應食糖精煉廢水的水質水量突變性，實驗采用2座相同的附加循環IC反應器，尺寸為D 9 m×14 m，總容積為850 m3，有效容積500 m3。反應器呈圓柱狀，碳鋼現場制作，并對其進行防腐與保溫處理。實驗裝置如圖 1所示。
圖 1 實驗裝置
工藝流程：附加循環IC反應器與普通IC反應器構造基本相同，結構上均表現為1個反應器中有2個相對獨立的反應室、兩級三相分離器及內循環結構，其獨特之處在于附加循環系統，即通過循環泵將IC反應器第二反應室處理水部分回流，通過底部布水系統注入反應器，形成循環。
廢水經布水系統進入反應器內部，在第一反應室內與回流水和循環水充分混合稀釋，使大部分有機物與微生物充分接觸并被微生物降解，同時釋放出大量沼氣。三相混合液沿反應器上升，經三相分離器阻留后，部分泥水混合液停留在第一反應室，另一部分在沼氣提升作用下進入氣液分離器，實現氣液分離，沼氣排出系統，泥水混合液則沿中心管回流至反應器底部，形成自動的內部循環〔3〕。
廢水經第一反應室處理后自動進入第二反應室，在微生物作用下，廢水中殘存的有機物進一步降解，同時產生沼氣，經三相分離器阻留后，部分泥水混合液停留在第二反應室，另一部分在沼氣提升下進入氣液分離器，實現氣液分離，沼氣排出，泥水混合液回流至第一反應室底部〔4〕。處理后的混合液進入沉淀區，污泥沿回流縫滑落到第二反應室，上清液經集水渠排出〔5〕。在IC反應器進水量小、上升流速低、混合效果差、產氣量不足且反應器不能形成連續內循環的情況下，開啟附加循環系統，將第二反應室部分處理水注入第一反應室內，與進水混合稀釋，能夠減少進水給系統帶來的沖擊，同時增強系統的抗沖擊能力，為微生物創造良好的生存環境。
1.2 實驗用水
實驗所用污水來自廠方的污水處理站，主要為包裝車間、精煉車間、綜合辦公樓等產生的污水，且以生產污水為主。污水外觀呈黃色，略顯渾濁，有輕微的氣味，其水質情況見表 1。
1.3 實驗污泥
實驗啟動時接種的厭氧污泥為顆粒污泥(日照市某生化集團檸檬酸廢水處理中由IC反應器產生的商品泥)。該污泥呈顆粒狀，顏色為黑色，沉降性能良好，主要性能指標如下：混合物中的VS/TS>65%、有效污泥顆粒度>65%、顆粒大小介于0.5～4 mm。此次調試污泥接種量約200 t，后期因排放刷罐水引起較強的沖擊，顆粒污泥部分死亡，含量下降。
1.4 實驗方法
(1)利用附加循環IC反應器處理食糖精煉廢水，觀察、記錄反應器的運行狀況與進出水狀況，每天采集進水混合水樣及出水水樣。(2)每天監測進水混合水樣的COD、溫度、pH，出水的VFA、COD、溫度、pH。(3)根據測定數據及時調整反應器運行參數，保證反應器處于良好的運行狀態，直至系統啟動運行。
2 結果與討論
2.1 反應器的啟動運行情況
反應器啟動時COD容積負荷約為1 kg/(m3·d)。1~20 d為污泥馴化階段。初期由于接種的顆粒污泥進入新環境，產甲烷菌活性較弱，同時接種期間除向反應器內進污水外，未向反應器中補充營養物質，反應器內有少量氣體產生，內循環現象不明顯;第9天~第20天產甲烷菌的活性開始加強，能夠較充分地利用產酸階段產生的可被吸收利用的底物，此時產氣量開始增加，反應器出現明顯的間歇內循環現象，出水顏色發暗，但較透明。
21~50 d為提升負荷階段。第21天～第34天，隨著時間的推移反應器內微生物不斷生長與繁殖，產酸菌與產甲烷菌能充分利用廢水中的有機物且數量上達到一定的平衡，反應器出水水質良好，清澈透明，產氣量明顯增加，內循環現象間隔時間更短且水量更大，COD平均去除率為89.2%。
第35天~第50天反應器COD容積負荷>4kg/(m3·d)，產氣量進一步加大，反應器內在原有條件下被截留下來的大量細小絮狀污泥因無法克服大量細小氣泡及上升流速的頂托作用而被沖出反應器。隨著沉降性能良好的污泥不斷增長及大量細小絮狀污泥的沖出，出水中的污泥逐漸降低。由于容積負荷提升及進水濃度波動較大，COD去除率下降，且最終呈現較平穩趨勢，平均去除率為79.2%，至此認為反應器啟動成功，并且可以正常運行〔6〕。
2.2 反應器啟動數據及其分析
反應器的控制條件：溫度為(30±2)℃，pH為6.52~6.88。為快速啟動反應器的附加循環系統，同時為微生物創造穩定的生存環境，啟動初期向反應器中加入了大量清水，直至從溢流堰溢出為止。啟動期間進出水COD變化情況見圖 2。
圖 2 進出水COD和去除率變化曲線
由圖 2可知，第1天～第8天，由于反應器全天進水量僅為其體積的1/15，且反應器內部加入大量清水，因此此期間COD去除率的測定值與實際值之間存在一定偏差。第9天～第20天，進水COD波動較大，但出水COD整體呈現降低趨勢，由882 mg/L逐步降至394 mg/L，COD去除率整體呈現上升趨勢，最終穩定在95%左右，表明反應器已經初步適應了廢水水質。第21天～第34天，進水COD介于7 325～12 440 mg/L，波動較大，但出水COD較穩定，主要集中在1 000 mg/L左右，去除率基本維持在86.2%以上，進水COD的波動沒有給系統帶來大的影響，系統運行較穩定。第35天～第50天進水COD波動較大，出水COD有所增加，集中在2 000 mg/L左右，最高達到2 693 mg/L，COD去除率主要在72.7%～82.5%，整體呈現先下降后上升最終逐漸平穩的趨勢，這是由于此期間有大量絮狀污泥被洗出，有機物不能被微生物充分地吸收利用，使出水COD升高。隨著時間的推移，反應器內沉降性能良好的污泥有所增加，截留下來的污泥能夠克服上升流速及氣體頂托作用，充分吸收利用廢水中的有機物，COD去除率逐漸上升，最終趨于平穩，這表明反應器基本適應容積負荷變化帶來的影響，能較穩定地運行。
啟動期間COD容積負荷與COD去除率變化情況見圖 3。
圖 3 容積負荷和COD去除率變化曲線
如前所述，第1天～第8天反應器COD去除率測定值與實際值存在一定偏差，不能很好地反映容積負荷與去除率之間的關系。第9天～第20天反應器COD容積負荷在1～2 kg/(m3·d)不斷波動，但COD去除率整體趨于平穩，介于89.1%～96.7%。第21天～第34天，由于容積負荷提升幅度較平緩，反應器內部的污泥濃度足夠高，能夠很好地適應有機物的沖擊，同時附加循環系統及內循環系統將大量水回流至第一反應室，加強了反應器內污泥與有機物的混合與攪拌作用。反應器COD容積負荷從1.77提升至4.17 kg/(m3·d)，整體呈現逐步上升趨勢，COD去除率以88%為中心上下波動，容積負荷的升高對COD去除率沒有大的影響。第35天～第50天反應器COD容積負荷基本維持在4 kg/(m3·d) 以上且波動較大，COD去除率有所下降，主要在72.7%～82.5%。這是由于反應器自第35天起容積負荷進一步提高，產氣量變大，大量絮狀污泥隨出水排出反應器，導致反應器內污泥濃度下降，有機物不能被微生物充分利用，出水COD增加。第42天～第50天將反應器COD容積負荷維持在5 kg/(m3·d)左右，COD去除率呈現較穩定趨勢，以79%為中心小幅度波動。
啟動期間反應器進出水的pH變化及出水VFA變化情況見圖 4。
圖 4 進出水pH與出水VFA變化曲線
由圖 4可見，反應器進水pH介于4.32~5.48，pH較低;反應器出水pH介于6.35~7.08。第1天~第20天，反應器出水pH變化幅度較大，這是由于微生物經歷了由活性較低到基本適應新的生存環境、活性逐步加強的過程，能夠較充分地吸收利用產生的有機酸;附加循環系統將第二反應室處理水部分回流至反應器底部，進一步加強反應器內部攪拌與混合，促進有機物與微生物的接觸，減小低pH進水對反應器的沖擊，同時回流水堿度較高，增強了系統的緩沖能力。第21天~第50天反應器出水pH變化幅度較小，較為穩定，此時反應器內微生物活性較高，產甲烷菌能夠充分利用產生的揮發性脂肪酸，避免脂肪酸在反應器內的積累，含氮有機物經脫氨作用將氨氮釋放于水中，在提高出水pH方面起到一定作用，同時附加循環系統在一定程度上增強了系統的緩沖能力，使得反應器出水pH比較穩定。第36天起，由于刷罐水的排放引起較強的沖擊負荷，進水容積負荷波動較大，出水VFA較高，為了防止反應器pH下降進而抑制產甲烷菌的活性，向反應器加入石灰，維持反應器內部pH>6.5，為產甲烷菌創造良好的生存環境。由圖 4還可以看出，出水VFA變化明顯比出水pH變化波動幅度大，運行后期波動更加明顯，可見出水VFA變化比pH變化更為靈敏，能夠更好地指示反應器的運行狀況。具體參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論與建議
(1)以食糖精煉廢水為處理對象，采用附加循環IC反應器實現了高濃度、低負荷下的啟動，啟動初期出水COD為 158～1 055 mg/L，出水VFA為108～404 mg/L，COD去除率達89.1%以上，產氣明顯，出現間斷性內循環現象。(2)實驗用水的碳氮比為114～165，反應器COD容積負荷可達5 kg/(m3·d)左右，出水COD約為2 000 mg/L，去除率可達約80%，出水水質較穩定。實驗用水的碳氮比較低，需根據實際運行情況適當補充營養物質。(3)處理過程中刷罐水的排放產生極強的沖擊負荷，處理不當易引起顆粒污泥的解體，甚至可能引起反應器酸化。(4)該反應器能克服普通IC反應器啟動時出現的不利影響，為實現快速啟動與穩定運行創造條件;當反應器受到沖擊，不能穩定運行或產氣量下降影響內循環時，附加循環系統對反應器的快速恢復起到輔助作用。
