UASB處理垃圾滲濾液影響因素分析

袁鷹，曹健，劉明源

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

城市垃圾在填埋和穩(wěn)定過程中將產(chǎn)生大量垃圾滲濾液，滲濾液中CODCr、BOD5、NH3-N 含量很高，具有水質(zhì)復(fù)雜、有機(jī)物濃度高、水質(zhì)水量變化大的特點(diǎn)，若處理不當(dāng)將會(huì)嚴(yán)重污染地下水和地表水環(huán)境[1-3]。UASB（Up-flow Anaerobic Sludge Bed，升流式厭氧污泥床）反應(yīng)器具有啟動(dòng)快速、運(yùn)行穩(wěn)定、耐沖擊負(fù)荷、操作運(yùn)行簡單、污泥產(chǎn)生量少且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用作垃圾滲濾液的處理工藝[4]。UASB 反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的形成和特性對廢水處理效果影響較大。Lettinga[5]教授研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器內(nèi)顆?；勰嗄芨纳莆勰喑两敌阅埽乐刮勰嗔魇?，維持較高污泥濃度，處理污水的能力提高。滲濾液從UASB 反應(yīng)器底部進(jìn)入，通過接種污泥流過三相分離器從頂部出水，合適的水力停留時(shí)間使泥水充分混合，能形成性能良好的顆?；勰啵m宜的容積負(fù)荷能為污泥顆?；瘎?chuàng)造條件，適宜的pH值、溫度等可為污泥顆粒化營造良好的環(huán)境條件。本文以滲濾液中COD 的去除效率進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析影響滲濾液處理效能的因素，為UASB 反應(yīng)器處理垃圾填埋場的滲濾液提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

硫酸汞、重鉻酸鉀、硫酸銀、硫酸、硫酸亞鐵銨、鄰苯二甲酸氫鉀、無水磷酸氫二鈉、四硼酸鈉，均為分析純試劑，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；垃圾滲濾液，泰州市某垃圾填埋場；接種污泥為IC 反應(yīng)器顆粒污泥，山東魯興環(huán)保。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

ZNHWPTH 型數(shù)顯恒溫電熱套，上海羌強(qiáng)實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司；水銀溫度計(jì)，常州雙波儀表有限公司；PHS-3系列酸度計(jì)，上海精密儀器儀表有限公司；UV-5100 型紫外可見分光光度計(jì)，上海元析儀器有限公司；BDFIA-8000 型流動(dòng)注射分析儀，北京寶德儀器有限公司；UASB 反應(yīng)器，自制，裝置為內(nèi)徑90 mm，總高度700 mm的圓柱，三相分離器高度為80 mm，總有效容積為3 L，溫度控制在35℃±2℃，廢水通過波紋泵注入，在頂部溢流出水，見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置-自制UASB反應(yīng)器Fig.1 Experimental device-homemade UASB reactor

1.3 測定項(xiàng)目和分析方法

（1）COD 的測定：“水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鉀法”（HJ 828—2017）[6]

在水樣中加入已知量的重鉻酸鉀溶液，并在強(qiáng)酸介質(zhì)中以銀鹽作催化劑，經(jīng)沸騰回流后，以試亞鐵靈為指示劑，用硫酸亞鐵銨滴定水樣中未被還原的重鉻酸鉀，由消耗的重鉻酸鉀的量計(jì)算出消耗氧的質(zhì)量濃度[6]。

（2）pH 的測定：“水質(zhì)pH 值的測定電極法”（HJ 1147—2020）[7]

pH 值由測量電池的電動(dòng)勢而得。該電池通常由參比電極和氫離子指示電極組成。溶液每變化1 個(gè)pH 單位，在同一溫度下電位差的改變是一個(gè)常數(shù)，據(jù)此在儀器上直接以pH的讀數(shù)表示[7]。

（3）溫度的測定：“水質(zhì)水溫的測定溫度計(jì)或顛倒溫度計(jì)測定法”（GB 13195—91）[8]

（4）TN 的測定：“水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法”（HJ 636—2012）[9]

在120℃～124℃溫度下，堿性過硫酸鉀溶液使樣品中含氮化合物中的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，采用紫外分光光度法于波長220 nm 和275 nm 處，分別測定吸光度A220和A275，按公式（1）計(jì)算校正吸光度A，總氮（以N 計(jì)）含量與校正吸光度A成正比[9]。

（5）TP 的測定：“水質(zhì)總磷的測定流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法”（HJ 671—2013）[10]

①流動(dòng)注射分析儀工作原理

在封閉的管路中，一定體積的試樣注入連續(xù)流動(dòng)的載液中，試樣和試劑在化學(xué)反應(yīng)模塊中按特定的順序和比例混合、反應(yīng)，在非完全反應(yīng)的條件下，進(jìn)入流動(dòng)檢測池進(jìn)行光度檢測[10]。

②化學(xué)反應(yīng)原理

在酸性條件下，試樣中各種形態(tài)的磷經(jīng)過125℃高溫高壓水解，再與過硫酸鉀溶液混合進(jìn)行紫外消解，全部被氧化成正磷酸鹽，在銻鹽的催化下正磷酸鹽與鉬酸銨反應(yīng)生成磷鉬酸雜多酸。該化合物被抗壞血酸還原生成藍(lán)色絡(luò)合物，于波長880 nm處測量吸光度[10]。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)在UASB 反應(yīng)器中進(jìn)行，用恒溫水浴保持反應(yīng)器內(nèi)溫度為35℃±2℃，用泵將廢水注入U(xiǎn)ASB 底部，廢水自下而上流過三相分離器，在頂部溢流出水。

UASB 反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行過程實(shí)際就是形成具有良好沉降性能的顆?；勰嗟倪^程。每日進(jìn)水3 L，水力停留時(shí)間為24 h，逐步提高進(jìn)水濃度直至達(dá)到滲濾液原水濃度，經(jīng)過污泥馴化、負(fù)荷提高及穩(wěn)定運(yùn)行，通過接種污泥自身絮凝、結(jié)合和固化，逐步培養(yǎng)出濃度極高、顆粒狀的高活性污泥，用于去除垃圾滲濾液中的有機(jī)污染物，降低COD濃度。

2 結(jié)果與分析

UASB 反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性及其處理效能在很大程度上取決于其顆粒污泥的形成及特性。UASB 啟動(dòng)運(yùn)行期間，顆粒污泥的形成過程一般經(jīng)歷啟動(dòng)與污泥活性提高、顆粒污泥形成及污泥床的形成三個(gè)階段。啟動(dòng)與污泥活性提高期需控制較低的有機(jī)負(fù)荷，運(yùn)行需1～1.5個(gè)月；顆粒污泥形成期有機(jī)負(fù)荷逐步提高，細(xì)小顆粒和沉降性能差的污泥隨著污水流出反應(yīng)器，性能良好的污泥則留在反應(yīng)器內(nèi)。隨著污水源源不斷進(jìn)入，留在反應(yīng)器內(nèi)的污泥不斷聚集、絮凝及生長繁殖，形成一定粒徑的顆粒污泥，此階段也需1～1.5 個(gè)月；反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步提高，污泥濃度也隨之提高，性能良好污泥進(jìn)一步富集而形成較高的顆粒污泥床，反應(yīng)器的啟動(dòng)完成，處理污水效果良好。因此，沉降性能良好的顆?；勰嗪艽蟪潭壬先Q于器內(nèi)污泥的微生物量和生物活性，而微生物的活性和數(shù)量又取決于所處的環(huán)境及廢水特性，包括營養(yǎng)物的配比、容積負(fù)荷、水力停留時(shí)間、pH值、溫度等。

2.1 容積負(fù)荷對處理滲濾液的影響

容積負(fù)荷是指反應(yīng)器內(nèi)單位容積每日接受的廢水中COD的量[11]。若負(fù)荷過高，將使反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)酸大量累積而降低pH 值，pH 值小于6.5 時(shí)就會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，因而容積負(fù)荷是表征反應(yīng)器處理能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

從圖2 可以看出，容積負(fù)荷從最初的0.8 kgCOD/（m3d）提高到9 kgCOD/（m3d）的過程中，COD 的去除率從36.7%增加到75.8%，容積負(fù)荷超過9 kgCOD/（m3d）后COD 的去除率逐步下降，當(dāng)容積負(fù)荷為10 kgCOD/（m3d）時(shí)COD 的去除率銳減至46.7%，說明該滲濾液處理的最佳容積負(fù)荷為8～9 kgCOD/（m3d）。期初容積負(fù)荷低，主要是接種污泥適應(yīng)滲濾液水質(zhì)，污泥中微生物數(shù)量少，因而COD 去除率低；當(dāng)容積負(fù)荷為10 kgCOD/（m3d）時(shí)COD去除率下降則是因?yàn)樨?fù)荷過高。

圖2 容積負(fù)荷對COD去除的影響Fig.2 Influence of volumetric load on COD removal

2.2 pH值對處理滲濾液的影響

厭氧生物處理主要是利用厭氧微生物將污水中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難降解有機(jī)物分解為低級(jí)、結(jié)構(gòu)簡單的有機(jī)物[12]，其中最主要的微生物是水解菌、產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌，水解菌和產(chǎn)酸菌大多數(shù)在pH 為5.0～8.5 范圍內(nèi)生長良好，產(chǎn)甲烷菌對pH 值要求較高，適應(yīng)范圍6.8～7.2。當(dāng)UASB 反應(yīng)器內(nèi)pH 值低于6.5 或是高于8.2 時(shí)，厭氧消化將會(huì)受到嚴(yán)重抑制，因此pH 值是影響垃圾滲濾液處理效果的重要影響因素。

從圖3可以看出，接種污泥經(jīng)過大概11天的馴化適應(yīng)，反應(yīng)器內(nèi)微生物適應(yīng)了垃圾滲濾液水質(zhì)，COD 的去除率從最初的36.7%提升到71.1%，此時(shí)pH嚴(yán)格控制在6.6～7.1 之間。期初去除率不高，主要是接種污泥對滲濾液水質(zhì)不適應(yīng)，部分微生物因不適應(yīng)而死亡，導(dǎo)致污泥中微生物數(shù)量少。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，污泥中的微生物逐步適應(yīng)滲濾液水質(zhì)，微生物生長繁殖迅速，污泥量及污泥性能增強(qiáng)，通過碳酸氫鈉調(diào)節(jié)進(jìn)水pH，反應(yīng)器內(nèi)pH 維持在6.5～7.5 之間，所以COD 的去除率基本在70%以上。但從反應(yīng)器運(yùn)行的第51 天開始pH 值逐步下降，到第53 天時(shí)pH 降低到6.48，影響到滲濾液處理效果，COD 的去除率僅為64.5%，究其原因是由于負(fù)荷逐步提高反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生酸化，產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制。采取停止負(fù)荷增加、提高進(jìn)水pH 值的措施，經(jīng)過2天的停負(fù)荷運(yùn)行，pH 提高到7.00，COD 的去除率提高到75%，反應(yīng)器恢復(fù)正常，之后繼續(xù)增加負(fù)荷，控制好進(jìn)水pH 值，沒有再出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，COD 的去除率一直在70%以上。反應(yīng)器內(nèi)pH 值對反應(yīng)器的處理效果有重要影響，過高或是過低都會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌活性，如不加以控制則會(huì)導(dǎo)致惡性循環(huán)。

圖3 pH值對COD去除的影響Fig.3 Effect of pH on COD removal

2.3 水力停留時(shí)間對處理滲濾液的影響

水力停留時(shí)間是指UASB 反應(yīng)器內(nèi)廢水平均停留的時(shí)間[13]，其長短直接影響廢水中有機(jī)物與微生物間的接觸和反應(yīng)，影響廢水中COD 的去除。水力停留時(shí)間過長需要較大的反應(yīng)器容積，使得基建費(fèi)用增加；水力停留時(shí)間過短，可能會(huì)出現(xiàn)“跑泥”現(xiàn)象，反應(yīng)器內(nèi)不能保持足夠的微生物量，影響處理效果。

在反應(yīng)器運(yùn)行前期，反應(yīng)器水力停留時(shí)間為24 h，出水較為渾濁，主要是因不能適應(yīng)滲濾液水質(zhì)而死亡的細(xì)小微生物的流出，出水水質(zhì)較差，COD 的去除率一般。負(fù)荷提高后期，縮短水力停留時(shí)間到18 h，由于留下的污泥都是活性較好的，COD 去除率較好；繼續(xù)縮短水力停留時(shí)間為16 h，COD 去除率下降，還出現(xiàn)了“跑泥”情況，說明水力停留時(shí)間過短，因此水力停留時(shí)間18 h較為合適。

2.4 營養(yǎng)物對處理滲濾液的影響

在反應(yīng)器運(yùn)行的初期，為了使微生物盡快適用水質(zhì)，進(jìn)水濃度及容積負(fù)荷較低時(shí)對污泥進(jìn)行馴化，保持進(jìn)水pH=6.5～7.5，水力停留時(shí)間24 h，溫度控制在35℃±2℃，COD∶N∶P=500∶5∶1，在前6 天COD 的去除率一直在60%以下，繼續(xù)低濃度和低容積負(fù)荷運(yùn)行20 多天，UASB 反應(yīng)器的處理效果一直不高，通過檢測反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境，pH 值和溫度都正常。后對進(jìn)水營養(yǎng)比進(jìn)行調(diào)整，COD∶N∶P 由500∶5∶1 調(diào)整為（200～300）∶5∶1，并適量添加了鐵、鎳、鈷等厭氧微生物生長繁殖所需的微量元素，在同樣的環(huán)境下繼續(xù)運(yùn)行5 天，COD 去除率逐漸提高，這表征營養(yǎng)物是UASB 反應(yīng)器高效處理滲濾液的重要因素，也表明UASB 反應(yīng)器需要足夠的營養(yǎng)物質(zhì)以維持微生物正常的新陳代謝，氮含量的增加有利于增強(qiáng)微生物的繁殖能力，金屬元素能增強(qiáng)微生物的活細(xì)胞量及酶活性，也有助于提高反應(yīng)器的緩沖能力。

3 結(jié)論

自制UASB 反應(yīng)器處理垃圾滲濾液，用IC 顆粒化污泥進(jìn)行馴化，形成處理滲濾液效果良好的顆?；勰?，用COD 的去除率探討滲濾液處理過程中的影響因素。污泥顆?；枰线m的水利條件和良好的泥水混合，適應(yīng)的容積負(fù)荷以及反應(yīng)器內(nèi)pH值、溫度等環(huán)境條件。

在UASB 反應(yīng)器運(yùn)行期間，反應(yīng)器溫度控制在35℃±2℃。容積負(fù)荷提升到9 kgCOD（/m3d）的過程中COD 的去除率穩(wěn)步增加，超過9 kgCOD（/m3d）后COD 的去除率逐步下降，說明該滲濾液處理的最佳容積負(fù)荷為8～9 kgCOD（/m3d）。

進(jìn)水通過碳酸氫鈉調(diào)節(jié)使UASB 反應(yīng)器內(nèi)pH 值維持在6.8～7.2 間時(shí)COD 的去除率穩(wěn)定在70%以上，pH＜6.5 或是pH＞8.2，滲濾液處理效能變差，COD 去除率下降。

維持進(jìn)水營養(yǎng)物配比COD∶N∶P=（200～300）∶5∶1時(shí)，水力停留時(shí)間24 h 時(shí)出水較為渾濁，低于16 h 反應(yīng)器出現(xiàn)了“跑泥”情況，COD 去除率下降，水力停留時(shí)間18 h時(shí)COD的去除率較高且穩(wěn)定。