馬興冠,鐵玉瑞,袁雅姝,張麗偉

(沈陽建筑大學市政與環(huán)境工程學院,遼寧 沈陽 110168)

我國是世界啤酒生產大國之一。每生產1 L啤酒就會造成3～10 L的啤酒廢水，而大量啤酒廢水的排放對環(huán)境造成了嚴重的污染[1-4]。啤酒廢水富含多種有機污染物，其COD含量較高，啤酒廢水的過量排放會導致水體富營養(yǎng)化，因此采用高效又簡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)反應器作為一種有著緊湊結構的高效厭氧生物反應器，因其構造簡單，操作簡便、處理成本低，容積利用率高，HRT短，抗沖擊負荷力強，所形成的顆粒污泥沉降性能及活性較好，近年來在國內外實際工程中被廣泛應用，尤其在處理啤酒廢水等中高濃度有機廢水時，該反應器適應性更強[8-9]。

UASB反應器的二次啟動是指直接將成熟顆粒污泥作為種泥的啟動。培養(yǎng)出活性高、沉降性好的適于待處理廢水水質的厭氧污泥，這是大多數 UASB反應器啟動成功的標志[10]。筆者重新啟動已停運5個月的UASB反應器,二次啟動比完成初次啟動耗費的時間少近一半，節(jié)省了大量的人力、財力、物力,為UASB反應器的二次啟動應用于實際工程提供了試驗方法及理論依據。

1 試 驗

1.1 試驗裝置

試驗所用UASB反應器裝置如圖1所示。

圖1 UASB反應器裝置圖Fig.1 UASB device

該UASB系統(tǒng)由內徑90 mm的透明有機玻璃組成，整體高1.3 m，上部為沉淀區(qū)，下部為反應區(qū)，頂部設有三相分離器，有效容積為1.96 m3。為方便取樣，在該裝置側面每隔20 cm處設置1個附帶球閥的取樣口，共設5個取樣口。

整個反應器裝置置于陰涼且無陽光直射的位置，避免陽光直射對反應器造成影響。因厭氧微生物對環(huán)境的要求較高，故采用恒溫溫度控制開關控制其反應溫度，同時為避免光照對反應器內厭氧微生物生長代謝的影響，反應器外部使用黑布將其緊緊包裹纏繞。試驗采用動態(tài)連續(xù)進水的方式，使用計量泵將進水輸送至UASB反應器底部并在底部均勻布水，通過調節(jié)計量泵控制進水在UASB反應器內的上升流速，使水流自下而上地流經厭氧污泥床，最終從頂部流入出水桶。

1.2 試驗用水

試驗進水模擬低磷啤酒廢水水質條件，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量比為200∶5∶1，通過投加KH2PO4的量來控制進水保持低磷狀態(tài)，同時加入一定量的微量元素。水質情況如表1所示。

表1 試驗用水主要水質指標范圍Table 1 Main water quality indicators for test water

根據進水COD質量濃度取一定量的母液進行稀釋。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養(yǎng)物后加自來水稀釋至50 L，并攪拌均勻。

1.3 測定項目與方法

測定項目及分析方法如表2所示。

表2 測定項目及方法Table 2 Measurement items and method

1.4 接種污泥

UASB 反應器在初次啟動時所接種的厭氧污泥來自遼寧省本溪市某啤酒廢水處理廠,試驗裝置在使用模擬啤酒廢水連續(xù)運行8個月后，終止運行。該反應器內的污泥在初次啟動時已經完成顆?；@一過程，其平均粒徑為1.0～2.5mm。

1.5 試驗過程

由于性質優(yōu)良的顆粒污泥是UASB反應器運行成功必不可少的重要因素，因此在恢復進水前,從UASB反應器底部取樣口中取出部分污泥,通過電鏡觀察發(fā)現這些污泥中仍存在平均粒徑為0.5 ～2.0 mm的顆粒狀污泥，其污泥質量濃度均在22～24 g/L，可知該反應器內污泥仍保持有良好的活性，這也說明該試驗可直接利用反應器內原有的成熟顆粒污泥，無需另外投加接種。

試驗采用連續(xù)進水的方式，將試驗過程分3個階段進行，整個試驗過程中碳氮質量比保持200∶5不變。第1階段(適應期:1～14 d)，調節(jié)碳磷質量比為200∶0.4，每天進水12.5 L，進水COD質量濃度控制在900 mg/L左右，這一階段旨在恢復系統(tǒng)內顆粒污泥活性并把活性較差的污泥排出反應器。第2階段(負荷提升期：15～29 d)該階段碳磷質量比調至200∶0.5，并將COD進水質量濃度逐漸提升至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，碳磷質量比調節(jié)至200∶0.6，并將進水COD質量濃度提升至1 500 mg/L，反應器每天進水25 L。該試驗以COD去除率連續(xù)5d保持在65%以上作為該二次啟動成功的標志。試驗過程中各項指標值如表3所示。

表3 試驗過程各項指標值Table 3 Various index values during the experiment

2 結果與分析

2.1 進出水COD變化及去除效果

進出水COD變化及去除效果如圖2所示。

圖2 進出水COD的去除率Fig.2 Removal of COD

從圖2中可以看出，在二次啟動的第1階段，進水COD質量濃度控制在900 mg/L左右，使反應器逐漸適應進水水質，同時調節(jié)碳磷質量比為200∶0.4，由圖可知，啟動初始階段，出水COD去除效果并不理想，這是由于啟動過程中大量的破碎污泥細粒隨水流排出，污泥流失導致出水懸浮物量大，COD值高，導致去除率僅在30%左右，去除效果較差，也說明磷濃度較低會抑制反應器內厭氧微生物的生長，而在該反應器運行的第10 d，COD去除率突躍至60%，推測是該反應器內原有的厭氧微生物逐漸適應了新的環(huán)境，于是恢復了其部分活性。第2階段，提高進水COD質量濃度至1 200 mg/L，并將碳磷質量比調至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，說明UASB反應器內的厭氧微生物數量不斷增加，活性不斷增強，到第2階段末，COD去除率達到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)境抑制了厭氧反應器內微生物的活性，從而影響其對有機污染物的去除。第3階段，將HRT降至24 h，進水COD質量濃度控制在1 200～1 500 mg/L，污泥負荷增大，調節(jié)進水碳磷質量比為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，二次啟動成功?？梢姡沀ASB反應器處理可降解低磷啤酒廢水中大部分COD，并且當碳磷質量比為200∶0.6時反應器內厭氧微生物能相對更好地發(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)性脂肪酸含量過高會抑制甲烷菌的生長，導致厭氧反應器惡化，故VFA作為二次啟動試驗的主要控制參數之一[11-14]。VFA隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 VFA隨運行時間變化曲線圖Fig.3 The change curve of VFA over time

由圖3可知，出水VFA在二次啟動在第1、2階段波動較大，這是由于反應器在啟動前期,，反應器耐沖擊負荷力不穩(wěn)定，甲烷菌生長代謝速率較慢，而到啟動后期，由于UASB反應器內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,說明該UASB反應器運行達到穩(wěn)定，且第3階段HRT降至24 h并未對出水VFA產生影響，可說明VFA不受水力停留時間變化的影響。

2.3 COD去除率影響因素分析

2.3.1 容積負荷對COD去除率的影響

容積負荷是厭氧反應器運行過程中的重要參數。提高反應器容積負荷能縮短二次啟動的時間，但負荷過高會導致在反應器內本應勻速上升的廢水其流速突增，導致反應器內污泥流失、反應器酸化、揮發(fā)酸產量增多，影響甲烷菌的生長環(huán)境，導致污泥量的增加受到抑制等一系列不利影響[15]。因此試驗過程中應注意控制負荷提高的速率。試驗通過縮短HRT并控制進水COD質量濃度的方式逐步提升反應器的負荷。容積負荷與COD去除率變化曲線如圖4所示。

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

前7天，由于反應器的啟動剛剛進行，因此進水COD質量濃度不宜過高，控制在900 mg/L，此時反應器容積負荷較低，COD去除效果不佳，往后逐漸增加反應器進水濃度，縮短水力停留時間至24 h，COD容積負荷逐漸增高，最終達到1.55 kg/(m3·d)，COD去除效果較好。

2.3.2HRT及水力負荷的變化對COD去除率的影響

HRT指廢水在反應器內部平均停留的時間，其本質上是待處理廢水與反應器內厭氧微生物反應時間的平均值，其在一定程度上能夠反映廢水的處理程度[16]，因此試驗可將HRT作為二次啟動的有效控制參數。

在啟動的第1階段、第2階段，反應器HRT=48 h,該UASB反應器在啟動前期出水相對渾濁，且出水水流中常伴有細小顆粒污泥和少量白色絮凝物，這說明前期出現了部分污泥流失的現象，導致COD的去除效果不理想。在二次啟動的第3階段，將反應器HRT降至24 h，COD經歷了先迅速下降而后又緩慢回升的過程，在該階段，原先反應器內本已失活的污泥，其活性又逐漸得以恢復，COD去除率也隨之逐漸提高，出水效果得到顯著改善。

水力負荷在UASB反應器啟動過程中起水力篩選作用[17]。通過調節(jié)水力負荷,觀察出水污泥流失情況，確定該反應器水利負荷最佳值為0.6 m3/(m2·h)，在該水力負荷下，反應器可以將具有活性的厭氧微生物及厭氧污泥保留在反應器內，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 溫度及進出水pH對COD去除率的影響

圖5為溫度及進出水pH隨啟動時間的變化曲線。

圖5 溫度、進出水pH隨啟動時間的變化曲Fig.5 Change curve of temperature and pH of inlet and outlet water with startup time

由于厭氧微生物對溫度的波動表現較敏感，當溫度大于37 ℃或小于30 ℃時，反應器內微生物的活性會遭到抑制[18]。故在啟動過程中使用恒溫溫度控制開關將溫度控制在30～37 ℃。排除溫度變化對厭氧微生物的不利影響。pH是厭氧產氫過程中最重要的環(huán)境因素，可直接影響產氫菌的活性和代謝途徑等,pH值小于6.5或大于8.2都會抑制厭氧微生物的生長及代謝[19-24],因此pH值的控制顯得尤為重要。二次啟動期間，進水的pH值被嚴格控制在6.8～7.2。由圖5可知，啟動初始階段，由于反應器內有機物被厭氧微生物不斷的降解造成了反應器內揮發(fā)酸累計，使得出水pH值始終低于進水pH值，COD的去除率效果不佳。隨著該UASB反應器啟動時間的增加，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，出水pH基本穩(wěn)定在7.0，且?guī)缀醪皇苓M水pH影響，并一直比進水pH值高，滿足污水排放標準。

3 結 論

(1)UASB反應器二次啟動試驗當運行穩(wěn)定時，COD的去除率最高可達71%，證明該反應器處理低磷啤酒廢水是穩(wěn)定且高效的，且UASB反應器僅作為預處理單元就可將啤酒廢水中大部分有機污染物處理掉，有利于促進后續(xù)工藝的處理。

(2)相比進水水質符合最佳碳氮磷質量比為200∶5∶1的UASB反應器，該二次啟動反應器對COD去除效果相對較差，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，從而使得反應器內顆粒污泥活性未激發(fā)完全，導致有機物的去除相對不夠徹底。說明厭氧反應器的啟動中，應尤其注重厭氧微生物的生存環(huán)境，供給足夠的營養(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污染物。

(3)UASB反應器的二次啟動，可直接利用反應器內原始的成熟顆粒污泥，無需另外接種?？s短了二次啟動的時間,也將促進 UASB反應器在未來得以廣泛應用。且相比初次啟動耗時80 d，二次啟動僅歷時45 d，啟動速率快、效率高。驗證了UASB反應器二次啟動的可行性，為該反應器的二次啟動提供了科學依據和試驗方法。