卜春英，趙金安，來雪慧

(1.山東聯(lián)誼服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250011；2.太原工業(yè)學(xué)院 環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

目前城市生活污水多采用好氧生物處理，但由于工程投資大、處理費(fèi)用高，在我國資金短缺、能源不足與污染日益嚴(yán)重的現(xiàn)狀[1]下不宜推廣。由于厭氧消化可處理高濃度污水，隨著研究不斷深入，相繼開發(fā)了厭氧濾池(AF)、上向流污泥床(UASB)和厭氧附著膜膨脹床(AAFEB)等反應(yīng)器[2]。UASB是開發(fā)最早且應(yīng)用最廣的高效厭氧反應(yīng)器之一，主要用于飲料、糖類和淀粉加工行業(yè)的廢水處理，還有約15%厭氧反應(yīng)器處理造紙廢水和生活污水[3]。

UASB反應(yīng)器與厭氧消化池結(jié)合，通過提高污泥活性增加低溫污水的去除效率。由于該工藝操作簡單、能耗小和運(yùn)行費(fèi)用低，剩余污泥產(chǎn)生量少，污泥穩(wěn)定性好，易于脫水，適用于任何處理規(guī)模，在我國城市污水厭氧處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文采用UASB反應(yīng)器，接種城市污水廠污泥對微生物進(jìn)行馴化，研究對淀粉廢水中有機(jī)物的脫除效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與樣品制備原理

本研究采用UASB反應(yīng)器，有效容積3.2 L，運(yùn)行溫度35～37℃，水力停留時間6h。樣品制備過程如圖1所示，廢水由下向上流入反應(yīng)器，經(jīng)顆粒污泥層厭氧處理后進(jìn)入反應(yīng)器頂部三相(固、液、氣)分離器流出。樣品采集后于4℃保存。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與樣品制備過程

1.2 實(shí)驗(yàn)分析與方法

實(shí)驗(yàn)中測試CODcr、pH值和水溫3個指標(biāo)。pH值采用pH計測試；COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007)測定，先通過COD試劑消解，再用分光光度計測定。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

1.3.1 污泥接種

本實(shí)驗(yàn)所用顆粒污泥來自太原市北郊污水處理廠。接種前，由于污泥機(jī)械破損嚴(yán)重，泥粒細(xì)小，需培養(yǎng)和馴化。30℃下啟動UASB，水力停留時間HRT為24 h。反應(yīng)器的接種污泥量占總?cè)莘e的30%。

1.3.2 污泥培養(yǎng)

影響顆粒污泥形成的主要因素有：接種污泥的選擇、溫度、堿度、pH值等環(huán)境條件、反應(yīng)器中VFA(揮發(fā)性有機(jī)酸)濃度、水力表面負(fù)荷及進(jìn)水COD濃度。據(jù)此，在污泥培養(yǎng)階段，需投加人工配制的營養(yǎng)液，主要成分為：容易降解的有機(jī)物乙酸、甲醇、葡萄糖，N、P微生物營養(yǎng)元素尿素、Na3PO4，適量NaHCO3。主要目的是恢復(fù)顆粒污泥活性，NaHCO3用于調(diào)解進(jìn)水pH值，使之保持在6.5～7.5。

進(jìn)水CODcr維持在1053 mg/L。隨著培養(yǎng)時間的增長，泥粒變得均勻，顏色發(fā)黑并有光澤，活性增強(qiáng)，CODcr去除率逐漸升高，可以進(jìn)行污泥馴化。

1.3.3 污泥的馴化

通過馴化，使顆粒污泥逐漸適應(yīng)新基質(zhì)，提高污泥活性。馴化階段，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的增幅太大易導(dǎo)致部分顆粒污泥與淀粉凝結(jié)，活性降低而上浮。此階段進(jìn)水逐漸減少營養(yǎng)液的比例，適量增加淀粉的量，直到全是淀粉廢水。隨后逐漸提高進(jìn)水CODcr濃度，提高反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力。裝置COD去除率穩(wěn)定到70%以上，出水水質(zhì)穩(wěn)定，表明污泥已完成馴化，反應(yīng)可進(jìn)入提高負(fù)荷期。

1.3.4 改變負(fù)荷實(shí)驗(yàn)階段

提高負(fù)荷是運(yùn)行的重要階段，該階段主要目的是完成污泥顆?；亩ㄏ蚺囵B(yǎng)，為反應(yīng)器高效、穩(wěn)定運(yùn)動創(chuàng)造條件。負(fù)荷增加可以通過增加進(jìn)水濃度或增大進(jìn)水量來實(shí)現(xiàn)，但應(yīng)避免負(fù)荷增加過快引起反應(yīng)器酸化、污泥漂浮、菌種大量流失等不良反應(yīng)，也應(yīng)避免負(fù)荷增加過慢造成營養(yǎng)缺乏而不利于顆粒污泥的形成。本試驗(yàn)采用先固定進(jìn)水流量，再提高進(jìn)水CODcr濃度的方法來增加負(fù)荷。在負(fù)荷增加，CODcr去除率穩(wěn)定的情況下，提高淀粉廢水濃度。

1.3.5 溫度控制

溫度是影響微生物生命活動的重要因素之一，控制在20、25、30℃，通過對酶的活性影響使微生物的生長速率與對基質(zhì)的代謝速率發(fā)生變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 污泥培養(yǎng)階段有機(jī)物質(zhì)的去除效率

研究20℃條件下，進(jìn)水COD濃度為1053 mg/L的淀粉廢水，污泥培養(yǎng)21d的有機(jī)物去除效率和廢水中COD濃度的變化趨勢。

圖2 污泥培養(yǎng)階段COD濃度和有機(jī)物去除率變化趨勢

由圖2可見，出水COD濃度隨培養(yǎng)天數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后減少狀態(tài)，第7天時濃度達(dá)到最大值912mg/L。培養(yǎng)到21天時濃度降至303mg/L，有機(jī)物去除率達(dá)到71.2%。說明在20℃條件下，培養(yǎng)到20天以后，有機(jī)物去除率可能更大。

2.2 不同溫度條件下廢水中有機(jī)物去除效率

2.2.1 20℃條件下廢水有機(jī)物的去除效率

研究20℃條件下，不同進(jìn)水COD濃度有機(jī)物隨時間的去除效果。

圖3 不同濃度淀粉廢水隨時間增加的有機(jī)物去除率變化

由圖3可知，不同濃度的淀粉廢水隨處理時間的增加，去除率均呈增長趨勢。進(jìn)水COD濃度為3577 mg/L和4212 mg/L的廢水，在12～24 h內(nèi)有機(jī)物去除效率增加不多。當(dāng)處理時間超過24 h，去除能力明顯增加。進(jìn)水COD濃度為2317 mg/L的廢水卻呈相反趨勢。在處理的前12 h內(nèi)，去除率達(dá)到了54.1%，在12～24 h內(nèi)，去除能力增加6.1%；處理48h后，去除率達(dá)到64.3%，說明在24～48 h內(nèi)，去除率只增加了4.1%。當(dāng)進(jìn)水濃度為1128 mg/L時，去除率隨著處理時間的增加，有較為明顯的提高。

2.2.2 25℃條件下廢水有機(jī)物的去除效率

研究25℃條件下，不同進(jìn)水COD濃度隨水力時間的濃度變化及有機(jī)物的去除效率變化趨勢。

圖4 25℃時不同進(jìn)水COD濃度(a)和有機(jī)物去除率(b)變化

由圖4(a)可見，不同進(jìn)水濃度的淀粉廢水隨著水力時間的增加，COD濃度均呈顯著減少趨勢。進(jìn)水COD濃度為4397 mg/L的廢水，在12 h內(nèi)的有機(jī)物去除率最低，為42.4%。水力時間分別達(dá)到24 h、36 h和48 h時，其有機(jī)物去除效率仍然處于較低水平。圖4(b)中可見，進(jìn)水COD濃度為3394 mg/L和4397mg/L的廢水，其有機(jī)物去除效率隨水力時間的增加幾乎呈線性增長趨勢；進(jìn)水COD濃度為1203 mg/L的廢水，有機(jī)物去除率起初平穩(wěn)增長，到36 h后呈顯著增長的趨勢；進(jìn)水濃度為2321 mg/L的廢水，在12～24 h去除率增長最明顯，24 h后去除率增長態(tài)勢趨于穩(wěn)定。

2.2.3 30℃條件下廢水有機(jī)物的去除效率

研究30℃條件下，不同進(jìn)水COD濃度在不同水力時間下的COD濃度和有機(jī)物去除率變化趨勢。

圖5 30℃時不同進(jìn)水COD濃度(a)和有機(jī)物去除率(b)變化

由圖5(a)可見，30℃條件下不同濃度的淀粉廢水隨著處理時間的增加均呈現(xiàn)去除率增長的趨勢。對于進(jìn)水COD濃度為4098 mg/L的廢水，在12 h內(nèi)的有機(jī)物去除率最低，為46.7%，濃度降至2184 mg/L。水力停留時間達(dá)到24 h、36 h和48 h時，其廢水中COD濃度分別為1975 mg/L、1659 mg/L和1278 mg/L。圖5(b)可見，進(jìn)水COD濃度為1309mg/L的廢水，其有機(jī)物去除率呈現(xiàn)線性增加態(tài)勢；進(jìn)水濃度為3312 mg/L和4098 mg/L的廢水，其有機(jī)物去除率在水力時間達(dá)到24 h后呈顯著增加趨勢，效果明顯變好；而進(jìn)水COD濃度為2014 mg/L的廢水，其有機(jī)物去除率在不同的水力時間都表現(xiàn)出顯著增長的態(tài)勢。這說明30℃條件下UASB反應(yīng)器對于處理COD濃度為2000 mg/L左右的廢水，效果要好于其它濃度水平。

2.3 討論

實(shí)驗(yàn)中為能夠在UASB的啟動階段加快培養(yǎng)馴化，投加了適量的NaHCO3，改善了反應(yīng)器內(nèi)微生物的生存環(huán)境，發(fā)現(xiàn)這不僅有利于微生物消化分解有機(jī)物，而且加快了培養(yǎng)馴化；當(dāng)加熱恒溫達(dá)到30℃時，更有利于微生物活性進(jìn)一步提高；因此投加N、P，可提高微生物的生長速率。根據(jù)研究表明，N、P營養(yǎng)元素是厭氧反應(yīng)器中必不可少的物質(zhì)，一般C∶N∶P比為250∶6∶l時CODcr去除率較好[2]。

國內(nèi)有文獻(xiàn)報道，UASB反應(yīng)器在低溫狀況下，應(yīng)延長水力停留時間來提高COD去除率；當(dāng)溫度較高時，可選擇較小的水力停留時間，提高日處理污水量[4]。也有研究表明，相同容積負(fù)荷下，COD去除率隨溫度的升高相應(yīng)提高。本次實(shí)驗(yàn)中，污水的出水水質(zhì)效果不太理想，分析其原因，可能為以下幾個方面：①污泥的培養(yǎng)還不夠成熟就開始實(shí)驗(yàn)；②實(shí)驗(yàn)過程中在污水有機(jī)負(fù)荷提高時，緩沖的時間不夠長；③實(shí)驗(yàn)過程中在改變實(shí)驗(yàn)溫度時，時間間隔較短；④UASB反應(yīng)器的布水裝置不太好，建議增加一個三角錐形的布水裝置增加布水的均勻性；⑤實(shí)驗(yàn)裝置的密閉性不太好，由于甲烷菌及其他厭氧菌為嚴(yán)格厭氧菌，受氧的影響較大。

3 結(jié)論

通過溫度和水力時間對進(jìn)水COD濃度不同的廢水有機(jī)物去除率的影響實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，溫度為20℃，水力時間為48h時，對COD濃度2317 mg/L的淀粉廢水有較好的處理效果。溫度為25℃，水力時間為48 h時，對2321 mg/L COD濃度的淀粉廢水有較好的處理效果。溫度30℃，水力時間為48 h時，可以對1000～4000 mg/L的淀粉廢水具有初步的有效處理。尤其是2000 mg/L COD濃度的淀粉廢水有較高的處理效果，可以達(dá)到70%以上的處理效率。這說明在20～30℃條件下，UASB反應(yīng)器對于處理COD濃度為2000 mg/L左右的污水有機(jī)物去除效果較好，且隨著水力停留時間的增加而增加。

在溫度影響實(shí)驗(yàn)中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，20℃不需加熱最節(jié)約，但是處理效率較低；溫度較高時需要加熱，但是處理效率高，因此生產(chǎn)部門可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，對溫度進(jìn)行合理調(diào)整。