溫度對(duì)UASB厭氧消化影響的試驗(yàn)研究

于 興，由 昆

（1.沈陽(yáng)市給排水勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110023；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

升流式厭氧污泥床(UASB)［1-4］是近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的高效厭氧反應(yīng)器，具有節(jié)約能耗和投資、回收能源、產(chǎn)生的剩余污泥少等優(yōu)點(diǎn)，是一種可持續(xù)發(fā)展的污水處理技術(shù)，具有非常廣闊的發(fā)展前景。UASB反應(yīng)器［5-7］被廣泛的應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理，無(wú)論試驗(yàn)室的研究還是實(shí)際工程的應(yīng)用，都取得了很多的成果。

厭氧生物降解過(guò)程，與所有的化學(xué)反應(yīng)和生物化學(xué)反應(yīng)一樣受溫度和溫度波動(dòng)的影響。厭氧菌對(duì)外界的溫度變化極為敏感，人們發(fā)現(xiàn)在中溫條件下大多數(shù)厭氧廢水處理系統(tǒng)中溫度每升高10℃，厭氧反應(yīng)速度約增加一倍。廢水的厭氧處理主要依靠水中微生物的生命活動(dòng)來(lái)達(dá)到處理的目的，不同的微生物生長(zhǎng)需要不同的溫度范圍，因此溫度是影響厭氧生物處理工藝的重要因素。但是在北方地區(qū)一些廢水的溫度較低，將其加熱恒定到中溫、高溫要耗費(fèi)很多能量，經(jīng)濟(jì)性較差。因此本試驗(yàn)主要討論中低溫條件下，實(shí)驗(yàn)在中低變溫條件下運(yùn)行，考察溫度對(duì)厭氧微生物宏觀活性的影響，對(duì)揮發(fā)酸的影響，以及對(duì)PH值和堿度的影響等方面進(jìn)行了研究。這對(duì)低溫地區(qū)變溫條件下厭氧處理工藝的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制成的UASB反應(yīng)器在室溫下運(yùn)行，圖1所示為試驗(yàn)裝置圖。反應(yīng)器從下到上可分為進(jìn)水區(qū)、污泥床區(qū)、三相分離區(qū)、沉淀區(qū)四個(gè)部分。反應(yīng)器內(nèi)徑90mm，總高度1900mm，其中沉淀區(qū)部分高度為320mm，懸浮層及污泥床區(qū)總高度為1580mm，反應(yīng)器總?cè)莘e為12.2L(不包括沉淀區(qū)容積)。另外，沿高度方向在反應(yīng)器壁上設(shè)置7個(gè)取樣口，從下到上依次記為1#、2#、3#、4#、5#、6＃、7＃取樣口，1#取樣口距底部法蘭100mm，以上每個(gè)取樣口間距200mm分以便取污泥部分的泥樣進(jìn)行分析。產(chǎn)生的沼氣由三相分離器分離后經(jīng)濕式氣體流量計(jì)計(jì)量。

1.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用葡萄糖自配水，并按COD:N:P＝200:5:1加入尿素和磷酸二氫鉀，同時(shí)加入一定量的微量元素和酵母膏。在運(yùn)行過(guò)程中還根據(jù)運(yùn)行情況加入一定量的碳酸氫鈉以維持反應(yīng)器內(nèi)部的pH值在6.8-7.2之間。

1.3 接種污泥

接種污泥采自沈陽(yáng)北部污水處理廠厭氧消化污泥，SS=15.2g/L，VSS=10.6g/L，接種量為6L，接種后，反應(yīng)器內(nèi)的平均污泥濃度為SS=10.1g/L，VSS=7.1g/L。

1.4 分析項(xiàng)目

COD測(cè)定采用TL-1A型污水COD速測(cè)儀；pH采用TPX-90iPH計(jì)；堿度采用標(biāo)準(zhǔn)酸堿滴定法，以酚酞和甲基橙作為指示劑，結(jié)果以 mgCaCO3/L計(jì)；懸浮固體(SS)和揮發(fā)性懸浮固體(VSS)采用標(biāo)準(zhǔn)重量；氣體產(chǎn)量及成分采用濕式氣體流量計(jì)和堿液吸收法。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)厭氧微生物宏觀活性的影響

厭氧菌對(duì)外界的溫度變化極為敏感，有機(jī)物經(jīng)過(guò)厭氧消化后基本上轉(zhuǎn)化為以CH4和CO2為主的沼氣，根據(jù)Buswell經(jīng)典方程，每毫克有機(jī)碳有機(jī)物理論的氣體產(chǎn)量為2.1ml，由經(jīng)典方程可以看到，當(dāng)反應(yīng)受到外界影響時(shí)最直觀的表象就是沼氣產(chǎn)量的變化，沼氣產(chǎn)量可以表現(xiàn)反應(yīng)速率和污泥活性，因此實(shí)驗(yàn)研究了溫度變化對(duì)產(chǎn)氣量及產(chǎn)氣率的影響。

圖2-5反映了產(chǎn)氣率隨溫度變化的情況。8～10℃時(shí)產(chǎn)氣率波動(dòng)范圍為0.02～0.47m3/去除1kgCOD，平均值為0.16m3/去除1kgCOD；11～14℃時(shí)產(chǎn)氣率波動(dòng)范圍為0.05～0.59m3/去除1kgCOD，平均值為0.34m3/去除1kgCOD；15～17℃時(shí)產(chǎn)氣率波動(dòng)范圍為0.15～0.61m3/去除1kgCOD，平均值為0.44m3/去除1kgCOD；18～23℃時(shí)產(chǎn)氣率波動(dòng)范圍為0.32～0.91m3/去除1kgCOD，平均值為0.62m3/去除1kgCOD。產(chǎn)氣率隨溫度變化趨勢(shì)較明顯，隨著溫度的增高，產(chǎn)氣率相應(yīng)的提高。雖然個(gè)別天數(shù)產(chǎn)氣量受其他因素的影響未表現(xiàn)此規(guī)律，但總體來(lái)說(shuō)產(chǎn)氣量的變化與溫度的變化是一致的?？傮w有機(jī)物的產(chǎn)氣率較高，這是因?yàn)檫M(jìn)水的有機(jī)物B/C較高，并且溶解性的COD值較高而影響產(chǎn)氣率。

從圖2－5可以看出15℃以下低溫運(yùn)行時(shí)，10℃是一個(gè)不利的溫度，產(chǎn)氣率較8，9℃時(shí)低，表現(xiàn)出來(lái)得COD去除效果相對(duì)也較差。11～12℃時(shí)產(chǎn)氣率的平均水平較13～14℃高出0.1～0.2m3/去除1kgCOD。一般認(rèn)為厭氧微生物的產(chǎn)氣率與其生化反應(yīng)速率大致成正相關(guān)性，因此產(chǎn)氣率大的溫度為厭氧微生物生化反應(yīng)適宜的溫度。由此我們也得出：低溫下厭氧微生物最佳生存溫度是不連續(xù)的。

2.2 溫度突降對(duì)厭氧消化的影響

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)厭氧微生物對(duì)反應(yīng)溫度的突變十分敏感，見(jiàn)圖6-7為兩次溫度突降5℃產(chǎn)氣量的變化。圖6所示為14℃降至9℃，圖7所示為17℃降至12℃。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度突降時(shí)，反應(yīng)器的產(chǎn)氣量會(huì)急劇下降。溫度從14℃降至9℃時(shí)，產(chǎn)氣量從0.68L/h直接降低至0.05L/h，接下來(lái)的9個(gè)小時(shí)內(nèi)，溫度恒定為9℃，產(chǎn)氣量逐漸回升至0.4L/h。溫度從17℃降至12℃時(shí)，產(chǎn)氣量從1.85L/h直接降低至0.05L/h，接下來(lái)的10個(gè)小時(shí)內(nèi)，溫度恒定為12℃，產(chǎn)氣量逐漸回升至0.41L/h。綜上可以看出，對(duì)于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，溫度突將會(huì)對(duì)其生物活性產(chǎn)生明顯的影響，降溫幅度相同，溫度偏高時(shí)，產(chǎn)氣量下降就更嚴(yán)重。所以一般厭氧生物處理系統(tǒng)每日溫度波動(dòng)以不大于2～3℃為佳。

2.3 溫度對(duì)體系pH值的影響

溫度因素除了直接影響厭氧微生物的活性以外，還可以間接導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)中pH值的變化，而使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況發(fā)生變化。厭氧生物處理系統(tǒng)中甲烷菌比產(chǎn)酸菌對(duì)溫度的變化更為敏感，低溫時(shí)會(huì)由于產(chǎn)酸菌產(chǎn)生揮發(fā)酸的速度快于甲烷菌將揮發(fā)酸轉(zhuǎn)化為甲烷的速度而使代謝失去平衡。

較低的溫度一方面影響反應(yīng)器內(nèi)的污泥活性，另一方面會(huì)影響體系內(nèi)的酸堿平衡，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)驗(yàn)轶w系酸化而導(dǎo)致整個(gè)反應(yīng)器運(yùn)行的失敗。比較來(lái)說(shuō)，后者在工程實(shí)踐中更應(yīng)該引起注意。試驗(yàn)中在溫度較低時(shí)加入一定量的NaHCO3，為體系提供足夠的緩沖能力。

試驗(yàn)中還對(duì)反應(yīng)器沿高度方向的pH值在4個(gè)溫度階段進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)圖8?？疾旄鱾€(gè)溫度階段7個(gè)取樣口pH值的變化，每個(gè)溫度階段穩(wěn)定運(yùn)行一周以后測(cè)連續(xù)測(cè)5組pH值，求平均值。

由圖可以看到，4個(gè)溫度段的取樣口由下至上7個(gè)取樣口的pH值都經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，這說(shuō)明在UASB中厭氧過(guò)程的酸化和產(chǎn)甲烷階段隨反應(yīng)器高度有分化趨勢(shì)。8～10℃?zhèn)€取樣口的pH值變化范圍均在7以下，因?yàn)檫@個(gè)溫度段整個(gè)反應(yīng)器產(chǎn)酸菌較產(chǎn)甲烷菌為優(yōu)勢(shì)菌群，大量產(chǎn)甲烷菌群處于休眠狀態(tài)；下面4個(gè)口pH值在逐漸減小，5，6，7?？谟种饾u增大，此時(shí)產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在反應(yīng)器高度上的分化還不是很明顯，產(chǎn)酸菌占主導(dǎo)地位。11～14℃下面4個(gè)取樣口區(qū)域pH值均在7以下，上面3個(gè)取樣口區(qū)域均大于7，這個(gè)溫度段兩個(gè)菌種分化已經(jīng)明顯。由圖可以明顯看出15～17℃、18～23℃都是僅在第2個(gè)口pH值變小，其它取樣口逐漸增大，產(chǎn)甲烷菌占據(jù)了主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的馴化，反應(yīng)器內(nèi)能適應(yīng)外部溫度變化的厭氧微生物逐漸占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

（2）隨著溫度的增高，產(chǎn)氣率相應(yīng)的提高，8～10℃時(shí)平均產(chǎn)氣率為0.16m3/去除1kgCOD；11～14℃時(shí)平均產(chǎn)氣率為0.34m3/去除1kgCOD；15～17℃時(shí)平均產(chǎn)氣率為0.44m3/去除1kgCOD；18～23℃時(shí)平均產(chǎn)氣率為0.62m3/去除1kgCOD。

（3）15℃以下低溫運(yùn)行時(shí)，10℃是一個(gè)不利的溫度，產(chǎn)氣率較8，9℃時(shí)低，表現(xiàn)出來(lái)得COD去除效果相對(duì)也較差。11～12℃時(shí)產(chǎn)氣率的平均水平較13～14℃高出0.1～0.2m3/去除1kgCOD。由此我們也得出：低溫下厭氧微生物最佳生存溫度是不連續(xù)的。

（4）當(dāng)反應(yīng)溫度突降時(shí)，反應(yīng)器的產(chǎn)氣量會(huì)急劇下降。對(duì)于厭氧微生物來(lái)說(shuō)，溫度突將會(huì)對(duì)其生物活性產(chǎn)生明顯的影響。降溫幅度相同，溫度偏高時(shí)，產(chǎn)氣量下降就更嚴(yán)重。

（5）4個(gè)溫度段反應(yīng)器的取樣口由下至上7個(gè)取樣口的pH值都經(jīng)歷了一個(gè)先減小后增大的過(guò)程，這說(shuō)明在UASB中厭氧過(guò)程的酸化和產(chǎn)甲烷階段隨反應(yīng)器高度有分化趨勢(shì)。

［1］傅金祥，孫文章，王巨才，等.升流式厭氧污泥床中低變溫啟動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，22（4）：600-603.

［2］孫文章，傅金祥，王巨才，等.升流式厭氧污泥床二次啟動(dòng)試驗(yàn)研究［J］.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，22（3）：466-469.

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