升流式厭氧污泥床(UASB)常溫啟動(dòng)試驗(yàn)分析

晏欣茹 曹 斌 韓巧玲 任小朝

(1.西安陜鼓工程技術(shù)有限公司，陜西西安 710075;2.西安陜鼓節(jié)能服務(wù)科技有限公司，陜西西安 710075)

1974年Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)G..Lettingga教授等人通過(guò)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用重力場(chǎng)對(duì)不同密度物質(zhì)作用的差異，發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時(shí)間與廢水停留時(shí)間分離，形成了上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器的雛型［1］。UASB反應(yīng)器是近年來(lái)成為應(yīng)用最為廣泛的高效厭氧反應(yīng)器，具有節(jié)約能耗和投資、回收能源、產(chǎn)生的剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)，是一種可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，在南方地區(qū)UASB反應(yīng)器被廣泛的應(yīng)用，且UASB高徑比一般在1∶15，但在北方地區(qū)由于室外溫差較大一些廢水溫度較低，啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)需要加熱增大了運(yùn)行比成本，較大的高徑比增大了投資成本［2-4］。針對(duì)這一高成本現(xiàn)象，筆者在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)降低高徑比，運(yùn)行時(shí)取消加熱等方法，研究了在西北地區(qū)常溫、晝夜溫差較大、高徑比較小的環(huán)境下UASB的啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，為UASB在北方地區(qū)的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 工藝流程及試驗(yàn)方法

1.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示，UASB反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑300mm，高為1000mmm(其中三項(xiàng)分離器高150mm，懸浮層及污泥區(qū)總高度為850mm)，高徑比為3∶1，總有效容積為68L。廢水經(jīng)蠕動(dòng)泵由反應(yīng)器底部放空管注入，在頂部由十字出水堰出水。整個(gè)反應(yīng)器放置在陜鼓污水處理研究中心廠房入口西側(cè)處，溫度隨氣溫變化，當(dāng)?shù)卦缤頊夭罡哌_(dá)10℃左右。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用葡萄糖自配水，并按n(COD)∶n(N)∶n(P)=200∶5∶1，加入氯化銨、磷酸氫二鉀、磷酸二氫鉀，同時(shí)加入一定量的微量元素。根據(jù)運(yùn)行情況及堿度加入一定量的碳酸氫鈉或者碳酸鈉以維持反應(yīng)器內(nèi)部的pH值在7左右(6.3～7.8之間)。試驗(yàn)用水配置完成后，水溫在22～25.9℃。

圖1 工藝流程

1.3 接種污泥

接種污泥來(lái)自臨潼區(qū)污水處理廠厭氧消化污泥，接種量為20L，接種后，UASB反應(yīng)器內(nèi)的平均污泥濃度:SS=19.16g/l，VSS=14.78g/l(按反應(yīng)器總體積計(jì)算)。

1.4 分析項(xiàng)目

COD測(cè)定采用5B-3F型快速測(cè)定儀;pH采用pHS-3C精密pH計(jì);堿度采用標(biāo)準(zhǔn)酸式滴定法，以酚酞和甲基橙作為指示劑，結(jié)果以 mgCaCO3/L;懸浮固體(SS)采用標(biāo)準(zhǔn)重量法;NH3-N測(cè)定采用752型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì);BOD5測(cè)定采用哈希BODTrakTM測(cè)量?jī)x，生物培養(yǎng)箱采用LRH-150F型號(hào)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)UASB反應(yīng)器的運(yùn)行情況，將小試試驗(yàn)過(guò)程分為以下七個(gè)階段:(1)啟動(dòng)初期(1～28d):有機(jī)負(fù)荷0.4kgcod/(m3·d)，0% ＜有機(jī)物降解率＜20%;(2)啟動(dòng)第二期(29～43d):有機(jī)負(fù)荷1.14kgcod/(m3·d)，20%＜有機(jī)物降解率 ＜50%;(3)啟動(dòng)第三期(44～59d):有機(jī)負(fù)荷1.6 kgcod/(m3·d)，有機(jī)物降解率為65%左右;(4)啟動(dòng)第四期(60～74d):有機(jī)負(fù)荷3.22kgcod/(m3·d))，有機(jī)物降解率為69%左右;(5)啟動(dòng)第五期(75～89d):有機(jī)負(fù)荷5.36 kgcod/(m3·d)，有機(jī)物降解率為72%左右;(6)啟動(dòng)第六期(90～104d):有機(jī)負(fù)荷9.39kgcod/(m3·d)，有機(jī)物降解率為75%左右;(7)啟動(dòng)第七期(105～119d):有機(jī)負(fù)荷13.41kgcod/(m3·d)，有機(jī)物降解率為78%左右;在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，UASB反應(yīng)器COD濃度及去除率變化情況如圖2所示。

圖2 COD去除效果

2.1 UASB啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程及討論

反應(yīng)器設(shè)計(jì)制作完成，經(jīng)過(guò)試水檢驗(yàn)后，將接種污泥分批加入反應(yīng)器。

啟動(dòng)初期:控制進(jìn)水COD在400mg/l左右，進(jìn)水流量為3.6l/h，水力停留時(shí)間為19h，容積負(fù)荷為0.4 kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在21℃左右。起初，因?yàn)檫M(jìn)水流量小，接種污泥沉積在反應(yīng)器底部，并無(wú)上浮現(xiàn)象。運(yùn)行5天之后，發(fā)現(xiàn)有一些污泥上浮的現(xiàn)象，之后又發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器器壁內(nèi)側(cè)污泥間夾雜些許小氣泡，并會(huì)向上逃逸引起污泥上浮，取反應(yīng)區(qū)水樣后發(fā)現(xiàn)有惡臭。再經(jīng)過(guò)6天的運(yùn)行后，COD去除率僅為4%左右，揮發(fā)性脂肪酸(VFA)為42.4mmol/L，且反應(yīng)區(qū)pH值在7左右(6.3～7.8之間)。這表明反應(yīng)器已經(jīng)開(kāi)始適應(yīng)接種污泥并有所反應(yīng)。再經(jīng)過(guò)17天的運(yùn)行后，COD去除率穩(wěn)定在18%左右。

啟動(dòng)第二期:控制進(jìn)水COD在600mg/L左右，提升進(jìn)水流量為5.4l/h，水力停留時(shí)間為13h，容積負(fù)荷為1.14kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在23℃左右。沉淀區(qū)氣泡量明顯增加，污泥上浮至反應(yīng)區(qū)的現(xiàn)象更加頻繁。經(jīng)過(guò)15天運(yùn)行后，COD去除率穩(wěn)定在47%左右，VFA為85.9mmol/L，且反應(yīng)區(qū)pH值在7左右(6.3～7.8之間)。

啟動(dòng)第三期:控制進(jìn)水COD在600mg/L左右，提升進(jìn)水流量為7.6L/h，水力停留時(shí)間為9h，容積負(fù)荷為1.6 kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在22～26℃。污泥絮體進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，整個(gè)反應(yīng)器成污泥黑色狀，并逐漸有一部分污泥絮體被洗出。經(jīng)過(guò)16天運(yùn)行后，COD去除率穩(wěn)定在65%左右，VFA為85.9mmol/L，且反應(yīng)區(qū) pH 值在 7 左右(6.3 ～7.8 之間)。

啟動(dòng)第四期:進(jìn)水COD濃度提升到1200mg/L左右，進(jìn)水流量增大到22.8L/h，進(jìn)水2.5h后新濃度廢水便可充滿(mǎn)反應(yīng)器。爾后，保持進(jìn)水流量為7.6l/h連續(xù)進(jìn)水，水力停留時(shí)間為9h，容積負(fù)荷為3.22kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在24.2～27℃。COD去除率上升到70.66%，隨后逐漸下降到63.95%，反應(yīng)區(qū)pH值由7.21下降到6.56，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)15天穩(wěn)定運(yùn)行后，運(yùn)行COD去除率達(dá)到69%左右。

啟動(dòng)第五期:進(jìn)水COD濃度提升到2000mg/L左右，進(jìn)水流量增大到22.8L/h，進(jìn)水2.5h后新濃度廢水便可充滿(mǎn)反應(yīng)器。爾后，保持進(jìn)水流量為7.6L/h連續(xù)進(jìn)水，水力停留時(shí)間為9h，容積負(fù)荷為5.36kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在24～26℃。COD去除率上升到74.18%，隨后逐漸下降到63.19%，反應(yīng)區(qū)pH值由7.09下降到6.49，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。取樣口取樣后發(fā)現(xiàn)反應(yīng)區(qū)有細(xì)小的污泥顆粒出現(xiàn)。在穩(wěn)定運(yùn)行15天后，運(yùn)行COD去除率達(dá)到72%左右。

啟動(dòng)第六期:進(jìn)水COD濃度提升到3500mg/L左右，進(jìn)水流量增大到22.8L/h，進(jìn)水2.5h后新濃度廢水便可充滿(mǎn)反應(yīng)器。爾后，保持進(jìn)水流量為7.6l/h連續(xù)進(jìn)水，水力停留時(shí)間為9h，容積負(fù)荷為9.39kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在27～29℃。COD去除率上升到76.92%，隨后逐漸下降到71.13%，反應(yīng)區(qū)pH值由6.92下降到6.35，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。反應(yīng)區(qū)產(chǎn)生更多的細(xì)小污泥顆粒出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)15天穩(wěn)定運(yùn)行后，運(yùn)行COD去除率達(dá)到75%左右。

啟動(dòng)第七期:進(jìn)水COD濃度提升到5000mg/L左右，進(jìn)水流量增大到22.8L/h，進(jìn)水2.5h后新濃度廢水便可充滿(mǎn)反應(yīng)器。爾后，保持進(jìn)水流量為7.6L/h連續(xù)進(jìn)水，水力停留時(shí)間為9h，容積負(fù)荷為13.41kgcod/(m3·d)。在環(huán)境溫度影響下，反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)溫度在24～26℃。COD去除率上升到79.5%，隨后逐漸下降到70.51%，反應(yīng)區(qū)pH值由6.92下降到6.15，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在穩(wěn)定運(yùn)行15天后，反應(yīng)區(qū)開(kāi)始有大量細(xì)小污泥顆粒出現(xiàn)，粒徑大約在0.5～1mm。此時(shí)，運(yùn)行COD去除率達(dá)到78%左右。

2.2 反應(yīng)期內(nèi)污泥的變化情況

在COD濃度提升到2000mg/L運(yùn)行后，取反應(yīng)區(qū)取樣口觀察，發(fā)現(xiàn)污泥與接種污泥相比，發(fā)生了一些變化。接種的絮狀污泥中肉眼可見(jiàn)細(xì)小顆粒污泥，形狀類(lèi)似細(xì)沙，呈不規(guī)則黑色球形，粒徑在0.2mm左右。在COD濃度提升到5000mg/L運(yùn)行后，顆粒污泥粒徑在0.5～1mm。由于環(huán)境溫度將繼續(xù)下降，不利于試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，所以在出現(xiàn)污泥顆?；€(wěn)定運(yùn)行44天后停止了試驗(yàn)。

2.3 UASB反應(yīng)器小試裝置設(shè)計(jì)討論

UASB反應(yīng)器高徑比為3∶1，運(yùn)行中出現(xiàn)污泥隨出水大量流失的現(xiàn)象，不利于具有活性的污泥保留，從而降低了處理效率，也不利于增加流量，否則污泥流失更加嚴(yán)重。但是增加回流裝置后，解決了污泥流失帶來(lái)污泥減少進(jìn)而影響反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。所以，高徑比大小會(huì)在一定程度上影響到UASB反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行。

三相分離器和布水器是UASB反應(yīng)器的核心構(gòu)件。所設(shè)計(jì)的三相分離器出現(xiàn)氣泡直接從三相分離器邊緣溢出。經(jīng)分析其主要原因是:反應(yīng)器直徑太小，三項(xiàng)分離器的布置受限，導(dǎo)致上下三相分離器重疊的部分有些偏小所致。

試驗(yàn)初期，布水器采用穿孔布水管，在水量小的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)污泥堵塞布水管的現(xiàn)象，小試時(shí)遂采用底部放空管直接進(jìn)水，可改善布水情況。

3 結(jié)論

目前在我國(guó)南方地區(qū)UASB反應(yīng)器被廣泛的應(yīng)用，且UASB高徑比一般在1:15，但在北方地區(qū)由于室外溫差較大一些廢水溫度較低，啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)需要加熱增大了運(yùn)行比成本，較大的高徑比增大了投資成本。針對(duì)這一高成本現(xiàn)象，筆者在設(shè)計(jì)反應(yīng)器時(shí)降低高徑比，運(yùn)行時(shí)取消加熱等方法，研究了在西北地區(qū)常溫、晝夜溫差較大、高徑比較小的環(huán)境下UASB的啟動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，為UASB在北方地區(qū)的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。研究主要得出如下結(jié)論:

(1)在環(huán)境溫度為21～34℃及早晚溫差在10℃左右的情況下，以低濃度(COD=600mg/l)啟動(dòng)UASB，并逐漸提高或調(diào)整進(jìn)水COD濃度和進(jìn)水流量。通過(guò)試驗(yàn)觀察每當(dāng)COD去除率達(dá)到一定值，并穩(wěn)定15天左右，出水pH值保證在7左右(6.3～7.8之間)時(shí)，逐步提升負(fù)荷，經(jīng)過(guò)119天的運(yùn)行出現(xiàn)了顆粒污泥跡象，并且運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)運(yùn)行中形成黑色細(xì)沙狀的顆粒污泥，粒徑部分在0.5～1mm。

(3)在環(huán)境溫度為21～34℃及早晚溫差在10℃左右的情況下，COD去除率可達(dá)78%左右。

(4)UASB小試試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，高徑比為3∶1，增加回流后可以解決污泥流失帶來(lái)的影響，保證反應(yīng)器穩(wěn)定的去除效率。

［1］王凱軍，左劍惡，等.UASB工藝的理論與工程實(shí)踐［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2000.

［2］胡紀(jì)萃，周孟津，左劍惡，等.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003，1-12.

［3］于興，付金祥，孫文章.UASB啟動(dòng)的試驗(yàn)研究［J］.遼寧化工，2006，35(1):18-19.

［4］傅金祥，宋奇，李璐.溫度對(duì)常溫UASB運(yùn)行的影響［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，23(6):990-993.