UASB工藝處理玉米淀粉廢水研究報告

李 墨

（玉鋒實業集團有限公司 河北邢臺 055550）

1 工程背景

河北省邢臺地區某玉米淀粉生產企業年產淀粉40×104t，每日廢水排放量6500m3～7000m3。廢水主要包括3個部分，即：玉米浸泡廢水；管束蒸發冷凝水；離子交換柱再生排水。這些廢水中殘留少量的溶解性淀粉、蛋白、粗纖維、有機酸和糖類，成分復雜，控制運行難度較大[1]。

本工程采用上流式厭氧污泥床反應器（UASB）對廢水進行生化處理，進一步降低COD，提高廢水后續可生化處理能力，通過對流式厭氧污泥床反應器（UASB）啟動、負荷提升和穩定運行的研究，確定最佳的運行工況；分析沼氣產率的關鍵控制因子，尋找淀粉廢水處理過程中資源化利用的途徑。

2 材料與方法

2.1 廢水水質

玉米淀粉廢水經離心、濃縮分離麩質預處理后，廢水水質各項指標如表1。

表1 試驗水質

2.2 接種污泥

采用趙縣興柏淀粉糖業有限公司污水處理廠厭氧消化池污泥，MLSS為 35g·L-1。

2.3 實驗藥品

實驗所用藥品及試劑如表2所示。

表2 實驗所用化學試劑

2.4 試驗分析方法

根據《水和廢水檢測分析方法》（第五版）所列主要指標的測試方法，試驗中的分析項目及測定方法如表3所示。

表3 分析項目及測定方法

2.5 主要儀器

實驗用儀器如表4所示。

表4 實驗用儀器一覽表

2.6 主要設備

表5 UASB流程中主要設備一覽表

3 玉米淀粉廢水厭氧處理效果分析

厭氧生物處理是一個復雜的微生物化學過程，依靠水解產酸細菌、產氫產乙酸細菌和產甲烷細菌的聯合作用完成[2]。高分子有機物先在微生物體外通過胞外酶加以分解為小分子有機物，然后這些小分子有機物通過細胞壁進入到細胞體內轉化為更簡單的化合物并分配到細胞外，主要產物有揮發性有機酸、醇類、乳酸、硫化氫、氨等；然后在產氫產乙酸細菌的作用下，有機酸被分解轉化成乙酸和H2，最后產甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽和H2等轉化為甲烷[3]。微生物對廢水水質非常敏感，因此厭氧的調試需要一定的時間來對污泥進行馴化，以適應廢水的水質條件，本次調試共進行了85d，經歷了啟動培養期(l～35d運行日）、負荷提高階段(36～70d運行日）、穩定運行階段(71～85d運行日）三個階段。

3.1 啟動培養階段

厭氧反應器（UASB）啟動時采用某玉米淀粉企業厭氧沉淀池絮狀污泥作為接種污泥，接種量為反應器有效容積的10%，加上10%新鮮豬糞，過篩后用泵均勻打進反應器內部各布泥點采用低有機濃度、高水力負荷、連續進料的培養模式。

啟動培養階段采用經離心、濃縮分離麩質預處理后的玉米淀粉廢水，控制進料COD濃度1000～2000mg/L，控制進料流量15～20m3/h，控制厭氧反應器（UASB）罐溫35℃左右，對所接種的厭氧污泥進行馴化，使其適應水質，初始水力停留時間(HRT）為3.0d，啟動負荷為 0.48kgCOD·(m3·d）-1，然后逐漸增加進料量。在厭氧反應器啟動初期厭氧污泥產氣量低，罐內污泥多沉積在罐底，因此需用一定的水力負荷才能使使絮狀污泥懸浮在厭氧反應器內，增加泥水接觸面積，但厭氧絮狀污泥沉降性能較差，也應注意避免因水力負荷過大導致厭氧污泥流失。第1～14d運行日，出水COD去除率60%，出水pH值穩定7.1，說明厭氧反應器接種污泥已經適應了廢水的水質特征，啟動正常可以繼續培養，；第15～21d運行日，出水COD達到300mg·L-1左右，去除率逐漸穩定在70%左右。在第22～30d運行日，進一步提高進料流量，出水COD達到350mg·L-1左右，去除率逐漸穩定在80%左右。鏡檢反應器中部生物量明顯增多，檢測出水COD去除率穩定在80%左右，啟動培養階段完成。期間各運行參數變化情況如圖1、圖2所示。

圖1 啟動階段中COD處理效果

圖2 容積負荷與COD去除率關系

3.2 負荷提高階段

采用水力負荷和有機負荷同步逐漸提高的方式來提高反應器的運行負荷，反應器容積負荷由0.72kgCOD·(m3·d）-1提高到3.2kgCOD·(m3·d）-1，負荷提高階段的運行工況視反應器COD去除率和pH的狀況而定，當COD去除率大于80%，pH大于7.0，并穩定運行3～5d，即可提高負荷，提升幅度為15%～20%。

通過對反應器內污泥進行鏡檢觀察，發現了粒度約1mmd的顆粒污泥，污泥內微多為桿狀菌和少量的球菌。經過25d的運行，容積負荷達到4.5kgCOD ·(m3·d）-1，水力停留時間達到25h，污泥逐漸適應了玉米淀粉廢水的水質條件，有少量的細小的分散污泥洗出，主要原因是水的上流速度和逐漸產生的沼氣，這有利于顆粒污泥的形成[4]。反應器表現出較高的去除效率，COD去除率保持在85%以上，出水COD逐漸在450mg·L-1左右。結果見圖3和圖4。

圖3 COD處理效果

圖4 容積負荷與COD去除率關系

3.3 穩定運行階段

保證厭氧反應器出水水質滿足后段好氧處理前提下，確定厭氧處理最經濟、穩定運行工況。在15d的穩定運行期間，當反應器進料濃度為 5000mg·L-1～6500mg·L-1，運行負荷為 8kgCOD·(m3·d）-1，COD去除率達到90%以上時，出水COD濃度為450mg·L-1～500mg·L-1。

4 工藝關鍵控制因素優化

圖5 UASB反應器構造示意圖

上流式厭氧污泥床（UASB）處理廢水的原理是廢水均勻地從反應器底部進入，向上通過厭氧污泥床，在厭氧條件下產生沼氣。廢水的向上流動和大量沼氣的上升對反應器內的顆粒污泥起到了良好的自然攪拌作用，引進顆粒污泥的擾動，使一部分污泥向上運動，在污泥床上方形成相對稀薄的污泥懸浮層[5]。在含有顆粒污泥的廢水進入反應器上部三相分離區后，附著在顆粒污泥上的氣泡撞擊到三相分離器氣體反射板，與污泥和廢水發生分離，被收集在集氣室內，釋放氣泡后的顆粒污泥由于重力作用沉淀到污泥層的表面，返回反應區，液體則經出水堰流出反應器[6]。上流式厭氧污泥床（UASB）涉及控制因素很多，本次重點考察容積負荷、水力停留時間、pH值等因素對系統處理效果的影響。反應器的構造如圖5所示。

4.1 容積負荷對運行效果的影響

容積負荷是厭氧反應器重要的設計參數，它受水質條件和反應器構造的影響，在厭氧反應器的啟動階段，容積負荷與厭氧污泥的性狀又密切相關，因此容積負荷反映的是厭氧反應器的運行工況。

由圖6、圖7表明反應器處理該廢水的最優容積負荷為8.0kgCOD·(m3·d）-1。

圖6 容積負荷與COD去除率關系

4.2 水力停留時間對運行效果的影響

在運行過程中，HRT由開始的66.0h減少到21.0h，COD容積負荷由 0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1。COD 去除率有下降趨勢保持在85%左右。說明系統運行比較穩定，水力停留時間最優21.0h。

圖7 HRT與COD去除率關系

4.3 進水pH值對運行效果的影響

玉米淀粉廢水中含蛋白質和糖類較多，水解后pH會降低，但隨著厭氧反應器內污泥對廢水的逐漸適應，甲烷菌開始產氣，消耗了有機酸；而廢水中的溶解性蛋白也因為水解產生的氨使pH回升，因此反應器內料液含有NH3-NH4+和CO2-HCO3-的緩沖體系，只要厭氧微生物代謝正常，pH變化很小。但若進料pH過低，超過了厭氧反應器承受能力，首先將抑制產甲烷菌的活性，導致揮發性脂肪酸的積累，引起pH的持續降低，如果pH持續下降到5.0則厭氧反應器將停止對有機物的降解，反應器將酸敗，若想恢復，則需要投加大量的堿，并從新開始啟動[7]。

圖8 進水pH值與出水pH值去除率關系

由圖8可以看出，負荷提高階段隨著反應器容積負荷由0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1，反應器出水 pH 始終控制在6.8以上。當緩慢降低進料pH時，出水pH下降并不明顯，并且高于6.0，反應器產氣良好，說明甲烷菌已經適應了玉米淀粉廢水；當進料pH降至4.0時，出水pH降至6.5，并且COD去除率明顯下降，有酸敗趨勢，調整進料pH到4.5經過5天的恢復期，出水COD逐漸回落到450mg·L-1左右，出水pH回升到6.5以上，表明厭氧反應器處理該廢水的進料pH最優為4.5。

4.4 沼氣綜合利用

厭氧反應器（UASB）在處理廢水的同時可產生沼氣，沼氣是高熱值清潔能源，由經驗數據得知，1m3沼氣相當于1kg燃煤。

在厭氧反應器負荷提高階段，容積負荷由4.2kgCOD·(m3·d）-1提高到8.0kgCOD·(m3·d）-1時，反應器產氣量也逐漸增大，但在負荷調整前后3天，產氣稍有波動，這與COD的去除率密切相關；當容積負荷由 8.0kgCOD·(m3·d）-1提高到 9.0kgCOD·(m3·d）-1時，產氣量明顯降低，出水COD明顯升高，降低反應器的負荷后，產氣逐漸正常。沼氣資源利用項目將玉米淀粉廢水中的COD轉化成了CH4，穩定期厭氧反應器每日可產生沼氣23000m3，供生活和工業（沼氣鍋爐）使用，沼氣鍋爐每小時產6t蒸氣，送電廠汽輪機發電。可年可節約燃煤7500t，直接經濟效益493萬元，并具有明顯的環境效益。

圖9 容積負荷與沼氣產率的關系

5 結語

流式厭氧污泥床反應器（UASB）處理淀粉廢水，經過85d的調試，COD容積負荷達到8kg COD·(m3·d）-1時，出水COD達到450mg·L-1～500mg·L-1，COD 去除率達到 95%，沼氣產率達到0.36L·kgCOD-1，系統運行穩定，確定出的工藝參數為：HRT21h；容積負荷：8.0kgCOD·(m3·d）-1；進料 pH 值控制在 4.5～5.5。關鍵控制點有：

5.1 每天應對進料的溫度、pH值、COD及出水的COD、pH值、SS、VFA進行監測，防止因COD負荷的沖擊引起污泥的流失或系統酸敗。

5.2 若廢水中含有不溶性懸浮物較多，需前置沉淀池以去除SS，控制厭氧進料懸浮物濃度小于1000mg/L。

5.3 UASB容積負荷直接影響沼氣產率，為實現效益的最大化，控制厭氧反應器容積負荷在8.0kgCOD·(m3·d）-1左右。

[1]張慶茹.玉米淀類藥物劑型研究進展.中國獸醫寄生蟲病,2004,12(1）:41-43.

[2]張群綢.仝攀瑞.高玉松.UASB工藝在處理淀粉廢水中的應用[J].環境工程.2006(02）.

[3]廖鑫凱，李清彪，陳文謀，鄧旭，盧英華，何寧.多階段曝氣SBR法處理淀粉廢水[J].水處理技術,2005(10）.

[4]殷永泉,單文坡,紀霞,徐沛.淀粉廢水處理方法綜述[J].環境污染與防治,2005(08）.

[5]石憲奎,倪文,王凱軍.EGSB處理玉米淀粉生產廢水中試研究[J].環境工程,2005(01）.

[6]石憲奎,倪文,江翰.升流式厭氧污泥床反應器工程啟動研究[J].環境污染與防治,2004(05）.

[7]謝昕,王榮民,宋鵬飛,王云普.淀粉工業廢水處理現狀[J].上海環境科學.2004(05）.