传统的UASB 反应器容易出现配水不均匀、沟流、跑泥、抗冲击负荷能力低、对SS 去除效果不佳等问题。改良的厌氧反应器是将传统的UASB 反应器内三相分离器变换成填料，形成填料层截留污泥，使截留的污泥层形成类似于生物膜的二次处理。同时通过增设外循环系统，在外加动力的辅助下利用回流使反应器保持污泥床稳定的膨胀和扰动，可避免配水不均匀和沟流等现象；同时回流水也可以起到一定稀释的作用，增强反应器抵抗负荷冲击的能力；外循环可提供足够的水力剪切力，促进絮状污泥向颗粒污泥转化。在外动力的搅拌下悬浮起的污泥中较大颗粒污泥在自身重力作用下沉降于反应器底部，而较小的悬浮污泥被填料截留下来，附着在填料上形成生物膜，因此在反应器内形成活性污泥与膜共处理的模式。
本试验对传统UASB 进行了改良，并运用改良后的反应器对玉米淀粉废水进行处理，玉米淀粉废水特性是水量大，可生化性强且水质简单，含有较多的微固体颗粒有利于污泥颗粒化的聚核；同时为该厌氧反应器提供数据支持和理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验装置
本研究采用的工艺流程如图1 所示。该厌氧反应器是自行设计加工，反应器呈圆柱形，由有机玻璃加工而成，内径为450 mm，高为750 mm，反应器有效容积为100 L。反应器内部装有倒扣漏斗形状的吸口，与外部动力相连接形成外循环，通过搅拌使进水和污泥良好接触；同时在反应器的反应区设有填料层，起到截留污泥和形成上部污泥层薄膜的骨架；底部采用倒伞状进水布水系统。该反应器配备有加热、保温设备，沿池壁向上依次平均开有3 个取样口，在反应器底部留有排泥口。同时该反应器用黑布包裹，避免光照影响厌氧微生物生长。
1.2 试验水质
取自某淀粉厂的二沉池废水，水质指标：COD为2 835～3 507mg/L，BOD5为1 543～2 178mg/L，SS 质量浓度为900～1 350mg/L，pH 为6～9。
1.3 接种污泥
接种污泥来自某污水厂的厌氧反应罐，Vs/Ss=0.63，污泥沉降性能良好，接种量为45 L。将接种污泥放在500mg/L 的COD 的溶液中浸泡3～4 d。对污泥进行驯化，淘洗后接种。
1.4 测试项目
水质分析方法采用国标：COD 重铬酸钾法；MLSS、MLVSS 采用标准重量法；pH：SARTORIUSPB-10 pH 仪；挥发性脂肪酸（VFA）含量：滴定法；污泥内部结构采用扫描电子显微镜( SEM) 观察：JSM-6390 LV JEOL Japan 。
1.5 反应启动条件及控制
1.5.1间歇进水条件
该反应器在常温下采用间歇底部进水，进水温度维持在（35±2）℃，根据进水浓度确定进水时间，一般为:10～30min，进水完成后开启外动力循环搅拌装置搅拌60 s，沉淀时间是HRT 从16 h 递减降至4 h，出水时间为5min。
1.5.2连续进水和运行阶段控制要求
进水方式：采用底部连续进水，每30min 开启外动力搅拌装置搅拌30 s，以确保配水均匀与污泥接触。运行一定时间后，采用顶部进水对填料进行反冲洗，确保填料不因堵塞而影响填料的功能和效率。
2 结果与讨论
2.1 启动运行期进水负荷对处理效果的影响
反应器启动期的主要目的是以培养颗粒污泥为主，兼达到反应器的设计负荷。所以本研究采用间歇的方式启动，在启动成功后采用连续进水模式运行。间歇模式启动的进水初始COD 为1 000mg/L，同时依据COD 去除率来提升进水负荷，并检验反应器去除效果优与差。在每个进水负荷提升之后，改良厌氧反应器的COD 去除率都会受到影响有所下降；同时又能在较短的时间内恢复对COD 的去除。启动运行期改良反应器对进水COD 的去除效果如图2 所示。
由图2 可以看出，改良UASB进水COD在1000～3 000mg/L 波动，启动前期COD 的去除率较低，主要因为微生物需要适应改变的生存环境。在随后的时间里，微生物逐渐适应反应器内部环境，COD 去除率在不断上升，在第20 天COD 去除率为82%。从图2 中明显的可以看出，去除率有3 次不同的下降，这是因为反应器负荷提升的原因，但又在短时间内恢复。在第35 天后，进水COD 的负荷从2 000mg/L 升至3 000mg/L 后，去除率出现了较大的波动从89%下降至74%。但在第45 天反应器的去除率又达到了82%，说明反应器的抗冲击负荷强，微生物的活性也是最佳的状态。同时在提升进水负荷的同时也缩短了HRT，由刚启动时期的16 h 缩短至4 h，启动前35 天采用的是间歇模式，COD 去除率均值为78.6%；后25 天采用连续进水，HRT=4 h，COD 去除率均值在82.6%。在第35 天已经发现有大量的颗粒污泥存在，这标志着反应器启动成功；同时UASB反应器的容积负荷达到了20.16 kg/(m3·d)。也就是说反应器启动利用微搅动间歇模式启动，可以较为快速的启动成功。
2.2 填料的截留
能否较好地截流反应器内的污泥，使污泥的停留时间与HRT 相分离，是衡量该改良反应器的填料能否替代传统的三项分离器处理装置的一个重要指标。本试验是处理高浓度废水，所以只检查出水中的SS。
在反应器间歇进水期，反应步骤为进水- 搅拌-沉淀- 出水，包括了静置沉淀的时间。测定出水的SS 均值为343mg/L。
为了较好的说明填料层对污泥的截留作用，在反应器连续进水期间控制进水中的SS 质量浓度。该反应器拥有外动力循环搅拌装置，过强的搅拌会使污泥难以聚集。李亚新[2]等通过对不同搅拌频率的研究表明搅拌对COD 的去除没有影响，但会对出水的SS 有影响。故该试验搅拌是每30min，搅拌60 s。每90min 取1 次样品约100 mL，并测定其SS 质量浓度，结果如表1 所示。
由表1 可以看出，在每个半点取样测得的SS 高于整点的数值，因为每个半点是在搅拌之后取样，而整点是静置30min 之后，搅拌之前取样，不同的取样能较好说明填料层对污泥的截流效果。在HRT 为4 h 时，反应器利用填料层对SS 的去除均值266.6mg/L 左右，低于没加入填料层时的出水SS 值。刘书燕 的研究说明： HRT 在6 h 以下，HRT 变化对UASB 去除水中SS 成负相关。而该反应器对SS 的去除趋势较为明显，所以利用软性填料代替三相分离器是可行的。同时发现填料层上形成有厌氧污泥膜，这有利于增加反应器的去除效率。
2.3 不同HRT 与VFA 含量关系
该反应器启动采用2 种模式启动，先间歇后连续，所以在2 种启动模式下VFA 和HRT 是不同的。启动运行期VFA 的变化与HRT 的情况如图3 所示。
由图3 可以看出，VFA 累积的时期是在前35天内，基本上是采用间歇模式启动进水期间，VFA的累积量最大为987mg/L。较高的VFA 累积符合Law rence 和McCarty 试验结果，即乙酸、丁酸、丙酸顺次消长模式，在这一理论指导下，厌氧操作要求对污泥消化时挥发性有机酸（VFA) 的浓度不得高于2 000mg/L，本试验VFA 最高在间歇模式向连续模式转变的过程中VFA 累积达到最大。VFA 的累积量是随着每次负荷提升而增加，这也说明了在间歇模式下启动反应器的抗冲击负荷能力和对VFA 的累积适应能力远远强于连续模式启动。在连续进水的最后测ρ（VFA）=166mg/L，这一结果与胡纪萃的UASB研究结果：UASB 反应器产生的VFA 不得大于300mg/L 相符合。从图中可以看出，由间歇进水转变成连续进水过程中VFA 在降低，一个很缓和的过度。主要因为前期的间歇进水达到了VFA 积累的最大值，微生物适应了在这个最大VFA 积累环境，产甲烷菌同时也达到了良好的产甲烷状态。因此，没有出现因连续运行条件下VFA 大量累积引起的酸败。
2.4 VFA 与pH 的关系
pH 是影响厌氧反应的重要因素之一。厌氧微生物酶的稳定及细胞对基质的吸收，均受到pH 的影响。VFA 是厌氧反应过程中产生的重要中间产物，例如乙酸、丙酸、丁酸等，都会导致反应器内的pH发生变化。因此，监测pH 与VFA 的变化规律可以预测厌氧反应变化，有效的控制反应效率，降低反应器酸败风险。
由图4 可以看出，在该反应器启动运行期间，反应器pH 维持在6.70～7.20 之间，基本上满足了厌氧微生物不同阶段的酸碱条件。同时因为进水负荷的改变，引起pH 的波动，导致出水VFA 的浓度变化形成负相关性。在反应器由间歇进水模式向连续流转变的过程中pH 降低到6.69，而最大VFA 浓度却早于该pH 点的出现。因此可以说VFA 的变化影响着pH 的变化。所以仅从pH 的检测尚不能较为直接的反映出厌氧反应的潜在问题，这是因为pH 是检测溶液中的氢离子浓度，而挥发性脂肪酸都是有机弱酸，不能完全电离，导致pH 的变化比VFA 的变化滞后许多，因此VFA 才是控制厌氧反应器的关键参数。
最后在连续进水模式下VFA 快速下降以满足连续模式下微生物的活性，增强了反应器的抗冲击负荷能力，降低反应器因进水浓度波动而引起的酸积累。
2.5 污泥电镜
厌氧污泥的颗粒化是个相对复杂的物理化学与微生物的过程，经过许多学者的不懈努力提出许多关于厌氧污泥颗粒化的理论和模型：主要包括物理化学模型（选择压模型、惰性核模型、EPS 吸附架桥模型、多价阳离子吸附架桥模型、合成和天然聚合物吸附架桥模型等）、结构模型（Capetown 模型、Spaghetti 理论和多层模型、第二最小值粘附模型、局部脱水和疏水交互作用模型、表面张力模型、营养型共生微生物群落模型等）、质子迁移脱水理论和细胞间通信模型等。
污泥扫描电镜图像如图5 所示。图5（a）为该颗粒污泥是底部颗粒污泥样品：颗粒污泥呈现圆盘形态，盘面布满很多小孔，可以设想泥核内部结构不是紧促密实，而是含有通道的蓬松结构。一部分废水在颗粒污泥表面积上发生降解反应；而另一部分废水通过盘面通道进入核心与核内微生物发生生化反应，同时通过通道输出废物和生化反应所产生的CH4和CO2，这样可以大大提高微生物的去除效率。图5（b）为顶部填料层中污泥电镜图，可以清晰的观察到该污泥层是以棒状杆菌和丝状菌为主。而顶部污泥层是底部污泥层中较小颗粒上浮，通过填料层截留下来形成的。一方面降低了出水中的细小物质，另一方面对废水进行二次类似生物膜去除。
3 结论
试验采用了先间歇模式启动运行，其优点主要表现在：F/M 值的高低交替变化，既保证了反应期间高的去除率，又使得沉淀阶段有较高的沉降效率；由于反应器采用间歇进水和间歇搅拌，因此不会产生短流等问题；间歇进水反应器本身就是沉淀池，不必再另外设置沉淀池。最后采用正常的连续流进水，有机负荷达到了20.16 kg/(m3·d)，而出水中的SS 质量浓度平均为266.6 mg/L，说明填料能很好的截留污泥，减少污泥流失，起到了较好的水、固、气的分离。优于传统的三相分离器，降低了该反应器的经济成本。
该改良反应器采用间歇搅拌，在一定范围内提高了上升流速，强化物质的传质效果，同时也提高COD 去除率，达到了78%以上；其较佳的搅拌频率为30 min 搅拌一次，时长约为30 s。
在间歇- 连续模式下反应器能较好的适应水力的冲击负荷，这也为工业实践中具有周期生产的行业在处理废水提供一个例证。
