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广西作为全国木薯种植面积最大的省区,其木薯淀粉产业发展迅速,废水的处理是制约木薯淀粉产业发展的关键因素之一。目前对于木薯废水的处理多采用厌氧处理工艺,内循环厌氧反应器(IC)作为第三代厌氧反应器的代表在该类废水的处理中得到重视。本项目组针对IC反应器的内循环系统,设计了一种新型的可控内循环高效厌氧反应器。本文采用可控内循环高效厌氧反应器处理木薯淀粉废水,研究了反应器处理效能、厌氧颗粒污泥的理化特性及微生物群落、反应动力学等,具体内容如下:1.内循环厌氧反应器的启动过程研究。在停留时间HRT=12h,反应器温度35(±1℃),pH为7.6-8.0,废水进水CODcr浓度为1500mg/L,逐步提高进水CODcr至8000mg/L左右稳定后,反应器启动完成。CODcr的去除率由初始的77.2%提高到启动完成时的93.73%,产气量由初始的5.32L/d提高到30.83L/d。VFA由初始的4.00mmol/L下降到2.40mmol/L,VFA/ALK的比值稳定,反应器运行状况良好。2.反应器处理效能与工艺参数优化研究。研究了回流比、温度参数对可控内循环厌氧反应器处理效果的影响。通过相应的单因素控制试验并结合将来的工程实际运用情况,确定反应器的最佳运行参数为:温度T=25-35℃,进水CODcr=8000mg/L,HRT=9h,回流比R=4。在此运行参数下,出水CODcr 650mg/L以下,CODcr去除率为90%以上,出水VFA为2.00mmol/L,出水ALK为30.00mmol/L以上,反应器产气量可达42.00L/d,产气率可达0.43m3CH4/kg.COD,反应器运行稳定。3.厌氧颗粒污泥的理化特性及微生物群落研究。采用高通量测序、三维荧光光谱、傅里叶红外光谱等分析测试手段,对厌氧颗粒污泥的理化特性及微生物群落进行研究,得到如下结果:(1)反应器启动期间,厌氧颗粒污泥的粒径不断增大,由初始的1.5mm增大到3.2mm,VSS/SS由初始的0.18提高到0.65,厌氧污泥的有机成分不断增多,污泥活性不断增强;厌氧颗粒污泥的EPS总量由初始的9.10mg/gVSS增长到38.60mg/gVSS,且多糖与蛋白质之比由0.42变为1.76;厌氧颗粒污泥EPS的红外光谱显示在1000-1150 cm-1的吸收峰由多糖的官能团引起的,3000-3400cm-1、1630-1680cm-1和1520-1550 cm-1的吸收峰由蛋白质的官能团引起的,说明厌氧污泥的胞外聚合物主要由蛋白质和多糖组成;由厌氧颗粒污泥EPS的三维荧光光谱可知,在Ex/Em=420/470nm出现辅酶F420特征峰,表明此时厌氧颗粒污泥性能良好。(2)在进水CODcr=8000mg/L、T=35℃、HRT=9h时,开启可控内循环装置,回流比R=4时,厌氧颗粒污泥的各项理化指标最高,其中平均粒径3.3mm、密度1.0498kg/m3、沉降速度99.34m/h、VSS/SS值0.68。(3)对不同运行参数条件下的厌氧颗粒污泥进行了扫描电子显微镜观察,发现不同条件下的菌种形态不同,菌种形态主要以杆菌和球菌为主;通过MiSeq高通量测序技术和生物信息学分析手段进行了菌群组成和生物多样性分析,不同运行条件下,微生物菌群结构不同。在最优条件下菌群组成主要为广古菌门(99.66%),其中广古菌门中的甲烷微菌纲(44.78%)、甲烷杆菌纲(54.77%)为优势种属,甲烷微菌纲以甲烷八叠球菌目(39.69%)、甲烷微菌目(5.09%)为主,甲烷杆菌纲以甲烷杆菌目(54.77%)为主。4.反应动力学研究。(1)对木薯淀粉废水的降解过程进行了静态动力学研究,得到降解反应动力学方程为:y=4284.35*exp(-x/2.32)+4146.81;(2)假设厌氧反应器第一反应区为完全混合状态、第二反应区为平推流状态,推导得到了反应器的基质降解动力学模型为:第一反应区动力学方程:Sm=Si/1+k1t1 第二反应区的动力学方程:Se=Sm/ek2/2-C 其中k1=0.83326(h-1),k2=0.05663(h-1)。通过实验验证,该模型预测的第一反应区出水CODcr值与实测值平均相对误差只有9.43%,第二反应区的平均相对误差为16.84%,说明该模型能较好地预测实际处理过程。