升流式厭氧污泥床(UASB)常溫啟動試驗分析

晏欣茹 曹 斌 韓巧玲 任小朝

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

1974年Wageningen農業大學G..Lettingga教授等人通過物理結構設計，利用重力場對不同密度物質作用的差異，發明了三相分離器。使活性污泥停留時間與廢水停留時間分離，形成了上流式厭氧污泥床(UASB)反應器的雛型［1］。UASB反應器是近年來成為應用最為廣泛的高效厭氧反應器，具有節約能耗和投資、回收能源、產生的剩余污泥少等優點，是一種可持續發展的污水處理技術，具有廣闊的發展前景。目前，在南方地區UASB反應器被廣泛的應用，且UASB高徑比一般在1∶15，但在北方地區由于室外溫差較大一些廢水溫度較低，啟動及運行時需要加熱增大了運行比成本，較大的高徑比增大了投資成本［2-4］。針對這一高成本現象，筆者在設計反應器時降低高徑比，運行時取消加熱等方法，研究了在西北地區常溫、晝夜溫差較大、高徑比較小的環境下UASB的啟動運行狀態，為UASB在北方地區的應用提供試驗依據。

1 工藝流程及試驗方法

1.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示，UASB反應器由有機玻璃制成，內徑300mm，高為1000mmm(其中三項分離器高150mm，懸浮層及污泥區總高度為850mm)，高徑比為3∶1，總有效容積為68L。廢水經蠕動泵由反應器底部放空管注入，在頂部由十字出水堰出水。整個反應器放置在陜鼓污水處理研究中心廠房入口西側處，溫度隨氣溫變化，當地早晚溫差高達10℃左右。

1.2 試驗用水

試驗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，同時加入一定量的微量元素。根據運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器內部的pH值在7左右(6.3～7.8之間)。試驗用水配置完成后，水溫在22～25.9℃。

圖1 工藝流程

1.3 接種污泥

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

1.4 分析項目

COD測定采用5B-3F型快速測定儀;pH采用pHS-3C精密pH計;堿度采用標準酸式滴定法，以酚酞和甲基橙作為指示劑，結果以 mgCaCO3/L;懸浮固體(SS)采用標準重量法;NH3-N測定采用752型紫外可見分光光度計;BOD5測定采用哈希BODTrakTM測量儀，生物培養箱采用LRH-150F型號。

2 試驗結果及討論

根據UASB反應器的運行情況，將小試試驗過程分為以下七個階段:(1)啟動初期(1～28d):有機負荷0.4kgcod/(m3·d)，0% ＜有機物降解率＜20%;(2)啟動第二期(29～43d):有機負荷1.14kgcod/(m3·d)，20%＜有機物降解率 ＜50%;(3)啟動第三期(44～59d):有機負荷1.6 kgcod/(m3·d)，有機物降解率為65%左右;(4)啟動第四期(60～74d):有機負荷3.22kgcod/(m3·d))，有機物降解率為69%左右;(5)啟動第五期(75～89d):有機負荷5.36 kgcod/(m3·d)，有機物降解率為72%左右;(6)啟動第六期(90～104d):有機負荷9.39kgcod/(m3·d)，有機物降解率為75%左右;(7)啟動第七期(105～119d):有機負荷13.41kgcod/(m3·d)，有機物降解率為78%左右;在整個運行過程中，UASB反應器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啟動運行過程及討論

反應器設計制作完成，經過試水檢驗后，將接種污泥分批加入反應器。

啟動初期:控制進水COD在400mg/l左右，進水流量為3.6l/h，水力停留時間為19h，容積負荷為0.4 kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在21℃左右。起初，因為進水流量小，接種污泥沉積在反應器底部，并無上浮現象。運行5天之后，發現有一些污泥上浮的現象，之后又發現反應器器壁內側污泥間夾雜些許小氣泡，并會向上逃逸引起污泥上浮，取反應區水樣后發現有惡臭。再經過6天的運行后，COD去除率僅為4%左右，揮發性脂肪酸(VFA)為42.4mmol/L，且反應區pH值在7左右(6.3～7.8之間)。這表明反應器已經開始適應接種污泥并有所反應。再經過17天的運行后，COD去除率穩定在18%左右。

啟動第二期:控制進水COD在600mg/L左右，提升進水流量為5.4l/h，水力停留時間為13h，容積負荷為1.14kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在23℃左右。沉淀區氣泡量明顯增加，污泥上浮至反應區的現象更加頻繁。經過15天運行后，COD去除率穩定在47%左右，VFA為85.9mmol/L，且反應區pH值在7左右(6.3～7.8之間)。

啟動第三期:控制進水COD在600mg/L左右，提升進水流量為7.6L/h，水力停留時間為9h，容積負荷為1.6 kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在22～26℃。污泥絮體進入反應區，整個反應器成污泥黑色狀，并逐漸有一部分污泥絮體被洗出。經過16天運行后，COD去除率穩定在65%左右，VFA為85.9mmol/L，且反應區 pH 值在 7 左右(6.3 ～7.8 之間)。

啟動第四期:進水COD濃度提升到1200mg/L左右，進水流量增大到22.8L/h，進水2.5h后新濃度廢水便可充滿反應器。爾后，保持進水流量為7.6l/h連續進水，水力停留時間為9h，容積負荷為3.22kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在24.2～27℃。COD去除率上升到70.66%，隨后逐漸下降到63.95%，反應區pH值由7.21下降到6.56，最后達到穩定狀態。經過15天穩定運行后，運行COD去除率達到69%左右。

啟動第五期:進水COD濃度提升到2000mg/L左右，進水流量增大到22.8L/h，進水2.5h后新濃度廢水便可充滿反應器。爾后，保持進水流量為7.6L/h連續進水，水力停留時間為9h，容積負荷為5.36kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在24～26℃。COD去除率上升到74.18%，隨后逐漸下降到63.19%，反應區pH值由7.09下降到6.49，最后達到穩定狀態。取樣口取樣后發現反應區有細小的污泥顆粒出現。在穩定運行15天后，運行COD去除率達到72%左右。

啟動第六期:進水COD濃度提升到3500mg/L左右，進水流量增大到22.8L/h，進水2.5h后新濃度廢水便可充滿反應器。爾后，保持進水流量為7.6l/h連續進水，水力停留時間為9h，容積負荷為9.39kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在27～29℃。COD去除率上升到76.92%，隨后逐漸下降到71.13%，反應區pH值由6.92下降到6.35，最后達到穩定狀態。反應區產生更多的細小污泥顆粒出現。經過15天穩定運行后，運行COD去除率達到75%左右。

啟動第七期:進水COD濃度提升到5000mg/L左右，進水流量增大到22.8L/h，進水2.5h后新濃度廢水便可充滿反應器。爾后，保持進水流量為7.6L/h連續進水，水力停留時間為9h，容積負荷為13.41kgcod/(m3·d)。在環境溫度影響下，反應器反應區溫度在24～26℃。COD去除率上升到79.5%，隨后逐漸下降到70.51%，反應區pH值由6.92下降到6.15，最后達到穩定狀態。在穩定運行15天后，反應區開始有大量細小污泥顆粒出現，粒徑大約在0.5～1mm。此時，運行COD去除率達到78%左右。

2.2 反應期內污泥的變化情況

在COD濃度提升到2000mg/L運行后，取反應區取樣口觀察，發現污泥與接種污泥相比，發生了一些變化。接種的絮狀污泥中肉眼可見細小顆粒污泥，形狀類似細沙，呈不規則黑色球形，粒徑在0.2mm左右。在COD濃度提升到5000mg/L運行后，顆粒污泥粒徑在0.5～1mm。由于環境溫度將繼續下降，不利于試驗繼續進行，所以在出現污泥顆粒化穩定運行44天后停止了試驗。

2.3 UASB反應器小試裝置設計討論

UASB反應器高徑比為3∶1，運行中出現污泥隨出水大量流失的現象，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重。但是增加回流裝置后，解決了污泥流失帶來污泥減少進而影響反應器穩定運行的問題。所以，高徑比大小會在一定程度上影響到UASB反應器穩定運行。

三相分離器和布水器是UASB反應器的核心構件。所設計的三相分離器出現氣泡直接從三相分離器邊緣溢出。經分析其主要原因是:反應器直徑太小，三項分離器的布置受限，導致上下三相分離器重疊的部分有些偏小所致。

試驗初期，布水器采用穿孔布水管，在水量小的時候，會出現污泥堵塞布水管的現象，小試時遂采用底部放空管直接進水，可改善布水情況。

3 結論

目前在我國南方地區UASB反應器被廣泛的應用，且UASB高徑比一般在1:15，但在北方地區由于室外溫差較大一些廢水溫度較低，啟動及運行時需要加熱增大了運行比成本，較大的高徑比增大了投資成本。針對這一高成本現象，筆者在設計反應器時降低高徑比，運行時取消加熱等方法，研究了在西北地區常溫、晝夜溫差較大、高徑比較小的環境下UASB的啟動運行狀態，為UASB在北方地區的應用提供試驗依據。研究主要得出如下結論:

(1)在環境溫度為21～34℃及早晚溫差在10℃左右的情況下，以低濃度(COD=600mg/l)啟動UASB，并逐漸提高或調整進水COD濃度和進水流量。通過試驗觀察每當COD去除率達到一定值，并穩定15天左右，出水pH值保證在7左右(6.3～7.8之間)時，逐步提升負荷，經過119天的運行出現了顆粒污泥跡象，并且運行穩定。

(2)運行中形成黑色細沙狀的顆粒污泥，粒徑部分在0.5～1mm。

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

(4)UASB小試試驗設計時，高徑比為3∶1，增加回流后可以解決污泥流失帶來的影響，保證反應器穩定的去除效率。

［1］王凱軍，左劍惡，等.UASB工藝的理論與工程實踐［M］.北京:中國環境科學出版社，2000.

［2］胡紀萃，周孟津，左劍惡，等.廢水厭氧生物處理理論與技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003，1-12.

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

［4］傅金祥，宋奇，李璐.溫度對常溫UASB運行的影響［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007，23(6):990-993.