UASB反應(yīng)器處理低磷啤酒廢水的二次啟動(dòng)試驗(yàn)研究

馬興冠,鐵玉瑞,袁雅姝,張麗偉

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110168)

我國(guó)是世界啤酒生產(chǎn)大國(guó)之一。每生產(chǎn)1 L啤酒就會(huì)造成3～10 L的啤酒廢水，而大量啤酒廢水的排放對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[1-4]。啤酒廢水富含多種有機(jī)污染物，其COD含量較高，啤酒廢水的過(guò)量排放會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此采用高效又簡(jiǎn)便的方法處理啤酒廢水顯得尤為重要[5-7]。而UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Bed)反應(yīng)器作為一種有著緊湊結(jié)構(gòu)的高效厭氧生物反應(yīng)器，因其構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便、處理成本低，容積利用率高，HRT短，抗沖擊負(fù)荷力強(qiáng)，所形成的顆粒污泥沉降性能及活性較好，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中被廣泛應(yīng)用，尤其在處理啤酒廢水等中高濃度有機(jī)廢水時(shí)，該反應(yīng)器適應(yīng)性更強(qiáng)[8-9]。

UASB反應(yīng)器的二次啟動(dòng)是指直接將成熟顆粒污泥作為種泥的啟動(dòng)。培養(yǎng)出活性高、沉降性好的適于待處理廢水水質(zhì)的厭氧污泥，這是大多數(shù) UASB反應(yīng)器啟動(dòng)成功的標(biāo)志[10]。筆者重新啟動(dòng)已停運(yùn)5個(gè)月的UASB反應(yīng)器,二次啟動(dòng)比完成初次啟動(dòng)耗費(fèi)的時(shí)間少近一半，節(jié)省了大量的人力、財(cái)力、物力,為UASB反應(yīng)器的二次啟動(dòng)應(yīng)用于實(shí)際工程提供了試驗(yàn)方法及理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用UASB反應(yīng)器裝置如圖1所示。

圖1 UASB反應(yīng)器裝置圖Fig.1 UASB device

該UASB系統(tǒng)由內(nèi)徑90 mm的透明有機(jī)玻璃組成，整體高1.3 m，上部為沉淀區(qū)，下部為反應(yīng)區(qū)，頂部設(shè)有三相分離器，有效容積為1.96 m3。為方便取樣，在該裝置側(cè)面每隔20 cm處設(shè)置1個(gè)附帶球閥的取樣口，共設(shè)5個(gè)取樣口。

整個(gè)反應(yīng)器裝置置于陰涼且無(wú)陽(yáng)光直射的位置，避免陽(yáng)光直射對(duì)反應(yīng)器造成影響。因厭氧微生物對(duì)環(huán)境的要求較高，故采用恒溫溫度控制開(kāi)關(guān)控制其反應(yīng)溫度，同時(shí)為避免光照對(duì)反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物生長(zhǎng)代謝的影響，反應(yīng)器外部使用黑布將其緊緊包裹纏繞。試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)連續(xù)進(jìn)水的方式，使用計(jì)量泵將進(jìn)水輸送至UASB反應(yīng)器底部并在底部均勻布水，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)量泵控制進(jìn)水在UASB反應(yīng)器內(nèi)的上升流速，使水流自下而上地流經(jīng)厭氧污泥床，最終從頂部流入出水桶。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)進(jìn)水模擬低磷啤酒廢水水質(zhì)條件，將足量乙酸鈉作為碳源，NH4Cl為氮源，KH2PO4為磷源，打破原有的碳氮磷質(zhì)量比為200∶5∶1，通過(guò)投加KH2PO4的量來(lái)控制進(jìn)水保持低磷狀態(tài)，同時(shí)加入一定量的微量元素。水質(zhì)情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)用水主要水質(zhì)指標(biāo)范圍Table 1 Main water quality indicators for test water

根據(jù)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度取一定量的母液進(jìn)行稀釋。每次配水水量為50 L。按照人工模擬廢水配方在原水桶中投加各營(yíng)養(yǎng)物后加自來(lái)水稀釋至50 L，并攪拌均勻。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

測(cè)定項(xiàng)目及分析方法如表2所示。

表2 測(cè)定項(xiàng)目及方法Table 2 Measurement items and method

1.4 接種污泥

UASB 反應(yīng)器在初次啟動(dòng)時(shí)所接種的厭氧污泥來(lái)自遼寧省本溪市某啤酒廢水處理廠(chǎng),試驗(yàn)裝置在使用模擬啤酒廢水連續(xù)運(yùn)行8個(gè)月后，終止運(yùn)行。該反應(yīng)器內(nèi)的污泥在初次啟動(dòng)時(shí)已經(jīng)完成顆?；@一過(guò)程，其平均粒徑為1.0～2.5mm。

1.5 試驗(yàn)過(guò)程

由于性質(zhì)優(yōu)良的顆粒污泥是UASB反應(yīng)器運(yùn)行成功必不可少的重要因素，因此在恢復(fù)進(jìn)水前,從UASB反應(yīng)器底部取樣口中取出部分污泥,通過(guò)電鏡觀(guān)察發(fā)現(xiàn)這些污泥中仍存在平均粒徑為0.5 ～2.0 mm的顆粒狀污泥，其污泥質(zhì)量濃度均在22～24 g/L，可知該反應(yīng)器內(nèi)污泥仍保持有良好的活性，這也說(shuō)明該試驗(yàn)可直接利用反應(yīng)器內(nèi)原有的成熟顆粒污泥，無(wú)需另外投加接種。

試驗(yàn)采用連續(xù)進(jìn)水的方式，將試驗(yàn)過(guò)程分3個(gè)階段進(jìn)行，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中碳氮質(zhì)量比保持200∶5不變。第1階段(適應(yīng)期:1～14 d)，調(diào)節(jié)碳磷質(zhì)量比為200∶0.4，每天進(jìn)水12.5 L，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度控制在900 mg/L左右，這一階段旨在恢復(fù)系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥活性并把活性較差的污泥排出反應(yīng)器。第2階段(負(fù)荷提升期：15～29 d)該階段碳磷質(zhì)量比調(diào)至200∶0.5，并將COD進(jìn)水質(zhì)量濃度逐漸提升至1 200 mg/L，保持HRT=48 h不變。第3階段(穩(wěn)定期：30～45 d)將HRT降至24 h，碳磷質(zhì)量比調(diào)節(jié)至200∶0.6，并將進(jìn)水COD質(zhì)量濃度提升至1 500 mg/L，反應(yīng)器每天進(jìn)水25 L。該試驗(yàn)以COD去除率連續(xù)5d保持在65%以上作為該二次啟動(dòng)成功的標(biāo)志。試驗(yàn)過(guò)程中各項(xiàng)指標(biāo)值如表3所示。

表3 試驗(yàn)過(guò)程各項(xiàng)指標(biāo)值Table 3 Various index values during the experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)出水COD變化及去除效果

進(jìn)出水COD變化及去除效果如圖2所示。

圖2 進(jìn)出水COD的去除率Fig.2 Removal of COD

從圖2中可以看出，在二次啟動(dòng)的第1階段，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度控制在900 mg/L左右，使反應(yīng)器逐漸適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)，同時(shí)調(diào)節(jié)碳磷質(zhì)量比為200∶0.4，由圖可知，啟動(dòng)初始階段，出水COD去除效果并不理想，這是由于啟動(dòng)過(guò)程中大量的破碎污泥細(xì)粒隨水流排出，污泥流失導(dǎo)致出水懸浮物量大，COD值高，導(dǎo)致去除率僅在30%左右，去除效果較差，也說(shuō)明磷濃度較低會(huì)抑制反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物的生長(zhǎng)，而在該反應(yīng)器運(yùn)行的第10 d，COD去除率突躍至60%，推測(cè)是該反應(yīng)器內(nèi)原有的厭氧微生物逐漸適應(yīng)了新的環(huán)境，于是恢復(fù)了其部分活性。第2階段，提高進(jìn)水COD質(zhì)量濃度至1 200 mg/L，并將碳磷質(zhì)量比調(diào)至200∶0.5，COD去除率最初迅速降低，而后緩慢上升，5 d后去除率再次回升至60%以上，說(shuō)明UASB反應(yīng)器內(nèi)的厭氧微生物數(shù)量不斷增加，活性不斷增強(qiáng)，到第2階段末，COD去除率達(dá)到65%左右，去除效果較第1階段更為明顯，然而該COD去除率較正常啤酒廢水低，這是由于低磷環(huán)境抑制了厭氧反應(yīng)器內(nèi)微生物的活性，從而影響其對(duì)有機(jī)污染物的去除。第3階段，將HRT降至24 h，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度控制在1 200～1 500 mg/L，污泥負(fù)荷增大，調(diào)節(jié)進(jìn)水碳磷質(zhì)量比為200∶0.6，起初，COD去除率迅速下降，且出水中伴有大量失活污泥，后又緩慢上升。到啟動(dòng)后期，出水COD從800 mg/L降至500 mg/L以下，COD連續(xù)1周穩(wěn)定在68%以上，二次啟動(dòng)成功?？梢?jiàn)，經(jīng)UASB反應(yīng)器處理可降解低磷啤酒廢水中大部分COD，并且當(dāng)碳磷質(zhì)量比為200∶0.6時(shí)反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物能相對(duì)更好地發(fā)揮其活性從而去除廢水中COD。

2.2 出水揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的變化

揮發(fā)性脂肪酸含量過(guò)高會(huì)抑制甲烷菌的生長(zhǎng)，導(dǎo)致厭氧反應(yīng)器惡化，故VFA作為二次啟動(dòng)試驗(yàn)的主要控制參數(shù)之一[11-14]。VFA隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 VFA隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線(xiàn)圖Fig.3 The change curve of VFA over time

由圖3可知，出水VFA在二次啟動(dòng)在第1、2階段波動(dòng)較大，這是由于反應(yīng)器在啟動(dòng)前期,，反應(yīng)器耐沖擊負(fù)荷力不穩(wěn)定，甲烷菌生長(zhǎng)代謝速率較慢，而到啟動(dòng)后期，由于UASB反應(yīng)器內(nèi)pH穩(wěn)定在(7.0±1)，為甲烷菌提供了適宜的酸堿環(huán)境，使其活性提高，出水揮發(fā)性脂肪酸穩(wěn)定在250 mg/L以下,說(shuō)明該UASB反應(yīng)器運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定，且第3階段HRT降至24 h并未對(duì)出水VFA產(chǎn)生影響，可說(shuō)明VFA不受水力停留時(shí)間變化的影響。

2.3 COD去除率影響因素分析

2.3.1 容積負(fù)荷對(duì)COD去除率的影響

容積負(fù)荷是厭氧反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中的重要參數(shù)。提高反應(yīng)器容積負(fù)荷能縮短二次啟動(dòng)的時(shí)間，但負(fù)荷過(guò)高會(huì)導(dǎo)致在反應(yīng)器內(nèi)本應(yīng)勻速上升的廢水其流速突增，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)污泥流失、反應(yīng)器酸化、揮發(fā)酸產(chǎn)量增多，影響甲烷菌的生長(zhǎng)環(huán)境，導(dǎo)致污泥量的增加受到抑制等一系列不利影響[15]。因此試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意控制負(fù)荷提高的速率。試驗(yàn)通過(guò)縮短HRT并控制進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的方式逐步提升反應(yīng)器的負(fù)荷。容積負(fù)荷與COD去除率變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 容積負(fù)荷與COD去除率變化Fig.4 Curve of volume loading rate and COD removal rate

前7天，由于反應(yīng)器的啟動(dòng)剛剛進(jìn)行，因此進(jìn)水COD質(zhì)量濃度不宜過(guò)高，控制在900 mg/L，此時(shí)反應(yīng)器容積負(fù)荷較低，COD去除效果不佳，往后逐漸增加反應(yīng)器進(jìn)水濃度，縮短水力停留時(shí)間至24 h，COD容積負(fù)荷逐漸增高，最終達(dá)到1.55 kg/(m3·d)，COD去除效果較好。

2.3.2HRT及水力負(fù)荷的變化對(duì)COD去除率的影響

HRT指廢水在反應(yīng)器內(nèi)部平均停留的時(shí)間，其本質(zhì)上是待處理廢水與反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物反應(yīng)時(shí)間的平均值，其在一定程度上能夠反映廢水的處理程度[16]，因此試驗(yàn)可將HRT作為二次啟動(dòng)的有效控制參數(shù)。

在啟動(dòng)的第1階段、第2階段，反應(yīng)器HRT=48 h,該UASB反應(yīng)器在啟動(dòng)前期出水相對(duì)渾濁，且出水水流中常伴有細(xì)小顆粒污泥和少量白色絮凝物，這說(shuō)明前期出現(xiàn)了部分污泥流失的現(xiàn)象，導(dǎo)致COD的去除效果不理想。在二次啟動(dòng)的第3階段，將反應(yīng)器HRT降至24 h，COD經(jīng)歷了先迅速下降而后又緩慢回升的過(guò)程，在該階段，原先反應(yīng)器內(nèi)本已失活的污泥，其活性又逐漸得以恢復(fù)，COD去除率也隨之逐漸提高，出水效果得到顯著改善。

水力負(fù)荷在UASB反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程中起水力篩選作用[17]。通過(guò)調(diào)節(jié)水力負(fù)荷,觀(guān)察出水污泥流失情況，確定該反應(yīng)器水利負(fù)荷最佳值為0.6 m3/(m2·h)，在該水力負(fù)荷下，反應(yīng)器可以將具有活性的厭氧微生物及厭氧污泥保留在反應(yīng)器內(nèi)，而失去活性的污泥及死亡微生物殘骸則隨出水流出。

2.3.3 溫度及進(jìn)出水pH對(duì)COD去除率的影響

圖5為溫度及進(jìn)出水pH隨啟動(dòng)時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

圖5 溫度、進(jìn)出水pH隨啟動(dòng)時(shí)間的變化曲Fig.5 Change curve of temperature and pH of inlet and outlet water with startup time

由于厭氧微生物對(duì)溫度的波動(dòng)表現(xiàn)較敏感，當(dāng)溫度大于37 ℃或小于30 ℃時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)微生物的活性會(huì)遭到抑制[18]。故在啟動(dòng)過(guò)程中使用恒溫溫度控制開(kāi)關(guān)將溫度控制在30～37 ℃。排除溫度變化對(duì)厭氧微生物的不利影響。pH是厭氧產(chǎn)氫過(guò)程中最重要的環(huán)境因素，可直接影響產(chǎn)氫菌的活性和代謝途徑等,pH值小于6.5或大于8.2都會(huì)抑制厭氧微生物的生長(zhǎng)及代謝[19-24],因此pH值的控制顯得尤為重要。二次啟動(dòng)期間，進(jìn)水的pH值被嚴(yán)格控制在6.8～7.2。由圖5可知，啟動(dòng)初始階段，由于反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物被厭氧微生物不斷的降解造成了反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸累計(jì)，使得出水pH值始終低于進(jìn)水pH值，COD的去除率效果不佳。隨著該UASB反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間的增加，底部污泥不斷得以馴化，厭氧微生物不斷穩(wěn)定，使得產(chǎn)甲烷菌不斷繁殖，COD的去除率顯著提高，最終穩(wěn)定在70%左右。此時(shí)，出水pH基本穩(wěn)定在7.0，且?guī)缀醪皇苓M(jìn)水pH影響，并一直比進(jìn)水pH值高，滿(mǎn)足污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

(1)UASB反應(yīng)器二次啟動(dòng)試驗(yàn)當(dāng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，COD的去除率最高可達(dá)71%，證明該反應(yīng)器處理低磷啤酒廢水是穩(wěn)定且高效的，且UASB反應(yīng)器僅作為預(yù)處理單元就可將啤酒廢水中大部分有機(jī)污染物處理掉，有利于促進(jìn)后續(xù)工藝的處理。

(2)相比進(jìn)水水質(zhì)符合最佳碳氮磷質(zhì)量比為200∶5∶1的UASB反應(yīng)器，該二次啟動(dòng)反應(yīng)器對(duì)COD去除效果相對(duì)較差，這是由于低磷環(huán)境抑制了厭氧微生物正常的生理代謝活動(dòng)，從而使得反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥活性未激發(fā)完全，導(dǎo)致有機(jī)物的去除相對(duì)不夠徹底。說(shuō)明厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)中，應(yīng)尤其注重厭氧微生物的生存環(huán)境，供給足夠的營(yíng)養(yǎng)元素才能使其充分發(fā)揮活性，并能有效去除廢水中有機(jī)污染物。

(3)UASB反應(yīng)器的二次啟動(dòng)，可直接利用反應(yīng)器內(nèi)原始的成熟顆粒污泥，無(wú)需另外接種?？s短了二次啟動(dòng)的時(shí)間,也將促進(jìn) UASB反應(yīng)器在未來(lái)得以廣泛應(yīng)用。且相比初次啟動(dòng)耗時(shí)80 d，二次啟動(dòng)僅歷時(shí)45 d，啟動(dòng)速率快、效率高。驗(yàn)證了UASB反應(yīng)器二次啟動(dòng)的可行性，為該反應(yīng)器的二次啟動(dòng)提供了科學(xué)依據(jù)和試驗(yàn)方法。