UASB處理技術(shù)在化工企業(yè)廢水處理中的重要作用

郭偉壽

（廣東廣深環(huán)?？萍脊煞萦邢薰荆瑥V東 廣州 510663）

引言

根據(jù)相關(guān)研究可知，UASB處理技術(shù)能夠有效降解有機(jī)大分子物質(zhì)，且該技術(shù)應(yīng)用范圍較廣，具備較強(qiáng)的適應(yīng)性，其與好氧處理技術(shù)相比，不僅能夠節(jié)省大量電能，還不會(huì)產(chǎn)生大量污泥，而且經(jīng)該技術(shù)處理后的污泥可以循環(huán)利用。所以，UASB處理技術(shù)具有較高的應(yīng)用價(jià)值，值得相關(guān)行業(yè)人員展開深入研究?；诖?，本文重點(diǎn)探究UASB處理技術(shù)在化工企業(yè)廢水處理中的應(yīng)用效果。

1 UASB處理技術(shù)概述

1.1 UASB處理技術(shù)的原理

UASB反應(yīng)器的上部、下部分別為三相分離區(qū)和反應(yīng)區(qū)，廢水經(jīng)過下部區(qū)域的水利分布器后會(huì)在四周均勻分布，然后向上流入?yún)捬跷勰啻玻c顆粒污泥充分接觸，并發(fā)生分解反應(yīng)，使大分子物質(zhì)生成小分子物質(zhì)，同時(shí)形成不同的氣體。隨著氣體氣泡的不斷上升，可以對(duì)部分污泥產(chǎn)生升力，最終進(jìn)入上部的三相分離區(qū)，從而將固體、液體、氣體進(jìn)行分離。污泥在上升過程中會(huì)充分接觸廢水，并降解其中的有機(jī)物，然后逐漸向底部沉降，所以在應(yīng)用UASB反應(yīng)器時(shí)，需要定期排出底部的污泥。

UASB處理技術(shù)的原理如下：第一，通過污泥沉淀區(qū)為厭氧顆粒自循環(huán)提供保障；第二，循環(huán)后到達(dá)反應(yīng)區(qū)，以平衡顆粒污泥，使污泥損失減?。坏谌?，創(chuàng)造顆粒污泥絮凝條件、沉降條件，以確保厭氧消化污泥沉降能力良好；第四，通過厭氧污泥床為微生物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

1.2 UASB處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

UASB技術(shù)具有較多的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其中包括工藝穩(wěn)定性較高；顆粒污泥對(duì)廢水的降解能力較強(qiáng)；污泥床無需填料，因而可節(jié)約成本；UASB反應(yīng)裝置的占地面積較小；裝置運(yùn)行過程簡單，不會(huì)造成污染；可以降解難降解的大分子物質(zhì)；三相分離器的分離效率較高；具有良好的生態(tài)性、經(jīng)濟(jì)性等。

2 UASB處理技術(shù)在化工企業(yè)廢水處理中的應(yīng)用研究

2.1 實(shí)驗(yàn)廢水及處理方式

本研究主要選取化工企業(yè)預(yù)處理后的混合水樣作為實(shí)驗(yàn)廢水。實(shí)驗(yàn)廢水的相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)為：pH值7～8；COD值4 520～5 940 mg/L；氨氮含量30～40 mg/L；SS值50～60 mg/L。本研究使用的儀器、設(shè)備包括pH計(jì)、電子天平、加熱器、恒流泵、恒溫水浴鍋、氣流烘干器、鼓風(fēng)干燥箱、磁力加熱攪拌器以及紫外分光光度計(jì)等。本研究主要運(yùn)用pH計(jì)測(cè)定實(shí)驗(yàn)廢水的pH指標(biāo)，采用微波消解法測(cè)定實(shí)驗(yàn)廢水的COD指標(biāo)，采用納氏試劑比色法測(cè)定實(shí)驗(yàn)廢水的氨氮含量指標(biāo)，采用烘干稱重法測(cè)定實(shí)驗(yàn)廢水的SS指標(biāo)[1]。

本研究應(yīng)用的UASB反應(yīng)器由頂部、中部、底部組成，其中頂部設(shè)有三相分離器，用于分離氣體、固體和液體；中部為污泥懸浮層；底部為污泥沉降床和水利分布器。UASB反應(yīng)器主體部分為圓柱形，裝置高度、外直徑、總?cè)莘e分別為1.2 m、50 mm、8 L，裝置材質(zhì)主要為有機(jī)玻璃，底部設(shè)有蠕動(dòng)泵，其作用在于將原水打入反應(yīng)器中，底部水利分布器的作用在于均勻布水。由于實(shí)驗(yàn)受反應(yīng)溫度的影響較大，所以采取保溫措施處理裝置外部的筒體，在筒體外使用金屬伴熱絲帶纏繞，實(shí)現(xiàn)均勻伴熱，控制裝置內(nèi)部的溫度始終保持在35 ℃左右。頂部除三相分離器外，還設(shè)有氣體收集裝置，其作用在于及時(shí)收集所產(chǎn)生的甲烷氣體，并采用燃燒方式利用甲烷氣體，同時(shí)為了防止甲烷氣體積累過多發(fā)生危險(xiǎn)，需要工作人員定期處理收集裝置。

2.2 UASB反應(yīng)裝置的啟動(dòng)

研究UASB反應(yīng)裝置啟動(dòng)過程包括初次啟動(dòng)和再次啟動(dòng)兩個(gè)環(huán)節(jié)。通過初次啟動(dòng)，培養(yǎng)、馴化接種的污泥，使污泥顆?；?。由于厭氧消化過程中會(huì)緩慢產(chǎn)生甲烷菌而延長裝置的啟動(dòng)時(shí)間，所以在裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，可以通過再次啟動(dòng)縮短時(shí)長。對(duì)于顆粒污泥采用剩余污泥或部分活性污泥的情況，就需要再次啟動(dòng)，通常情況下，應(yīng)用再次啟動(dòng)的調(diào)試形式，經(jīng)過30天左右即可與初次啟動(dòng)的效果相一致。在裝置啟動(dòng)階段，為了防止過多絮狀污泥對(duì)顆粒污泥的形成造成影響，需確保顆粒較小的污泥能被水沖刷排出，并使顆粒較大的污泥在底部沉降，進(jìn)而形成顆粒污泥。

在研究UASB反應(yīng)裝置啟動(dòng)時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：第一，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)先提高實(shí)驗(yàn)廢水的有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷，其中，有機(jī)負(fù)荷提高幅度應(yīng)在50%以下；第二，進(jìn)水時(shí)對(duì)進(jìn)水濃度進(jìn)行控制，使其處于500～1 000 mg/L范圍內(nèi)，避免濃度過低或濃度過高，因?yàn)檫M(jìn)水濃度過低會(huì)影響顆粒污泥的形成，而濃度過高會(huì)對(duì)反應(yīng)器產(chǎn)生較大沖擊；第三，當(dāng)進(jìn)水COD值較高時(shí)要將其經(jīng)過稀釋后再開始進(jìn)水，以防止負(fù)荷升高過快而影響馴化；第四，在懸浮物含量較高時(shí)要采取預(yù)處理手段進(jìn)行處理，如沉降、氣浮等，以降低懸浮物的含量，避免阻礙顆粒污泥的形成；第五，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部的pH值進(jìn)行控制，使pH值保持在6～8的范圍內(nèi)；第六，污泥采取非循環(huán)使用方式[2]。

2.2.1 啟動(dòng)方案

在污泥培養(yǎng)、馴化過程中，通常采用同步、異步兩種方法，本研究主要選擇同步法。所謂同步法，指的是將適量廢水加入反應(yīng)器中，使細(xì)菌在生長繁殖的同時(shí)能夠逐漸形成對(duì)廢水的適應(yīng)能力。在試驗(yàn)開始時(shí)，為了加快顆粒污泥的形成速度，需要工作人員對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)條件進(jìn)行重點(diǎn)控制，其中，pH值控制在6～8；通過恒溫水浴調(diào)節(jié)可以將溫度控制在35 ℃左右；通過投加小蘇打?qū)A度控制在1 000～1 200 mg/L；通過投加營養(yǎng)鹽將碳、氮、磷的比例控制在250∶5∶1；SS控制在50 mg/L以下。在實(shí)驗(yàn)開始初期，廢水的COD值大約為500 mg/L，然后將廢水濃度逐漸提高，在實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行趨于穩(wěn)定后，將水力負(fù)荷緩慢提高到6 000 mg/L，并對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行觀察，如果水質(zhì)無變化則減小HRT、加大容積負(fù)荷后繼續(xù)觀察，如果水質(zhì)依然無變化，證明裝置已經(jīng)成功啟動(dòng)，進(jìn)而可以研究裝置運(yùn)行的最佳條件。

2.2.2 污泥接種和進(jìn)水

本研究選擇污水處理廠的顆粒狀剩余污泥作為接種污泥，污泥的厭氧污泥特性指標(biāo)為：SS值為23；VSS值為17；VSS/SS為73.9%，同時(shí)，利用預(yù)處理后的廢水作為啟動(dòng)廢水。在污泥接種初期，微生物要逐漸適應(yīng)底物，持續(xù)運(yùn)行30天后，裝置中尚未產(chǎn)生氣體，內(nèi)部細(xì)菌生長繁殖將原有底物消耗掉并生成自身所需的物質(zhì)，此時(shí)COD去除率小于50%，在運(yùn)行到23天時(shí)，UASB容積負(fù)荷大約為1.5 kg/m3·d，這意味著微生物已經(jīng)對(duì)廢水產(chǎn)生良好的適應(yīng)性，COD去除率也有所提高，大約為60%。判斷反應(yīng)裝置運(yùn)行情況的關(guān)鍵在于可以分析可揮發(fā)性脂肪酸和SS參數(shù)的變化，通過數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，可揮發(fā)性脂肪酸和SS值處于緩慢增加趨勢(shì)，這說明微生物逐漸適應(yīng)廢水的環(huán)境并開始進(jìn)行生長和繁殖。

經(jīng)過前階段馴化后進(jìn)入接種污泥形成期，這一時(shí)期負(fù)荷逐漸加大，此時(shí)反應(yīng)器中的小顆粒污泥被淘汰，而留下大顆粒污泥，使厭氧細(xì)菌處于良好的生長繁殖狀態(tài)，而且數(shù)量越來越多，開始產(chǎn)生少量氣體。當(dāng)裝置運(yùn)行到46天時(shí)，UASB容積負(fù)荷從原來的1.5 kg/ m3·d上提到1.8 kg/ m3·d，而且氣體產(chǎn)生量明顯增多，反應(yīng)器底部開始出現(xiàn)顆粒污泥，經(jīng)測(cè)定污泥顆粒直徑約為1 mm。當(dāng)裝置運(yùn)行到60天時(shí)，進(jìn)水COD和UASB容積負(fù)荷分別為4 420 mg/L左右和1.84 kg/ m3·d左右，污泥顆粒相比之前增大，SS值減小，可揮發(fā)性脂肪酸先增加，然后再降低，這說明產(chǎn)酸細(xì)菌的數(shù)量增多，而且產(chǎn)甲烷細(xì)菌開始對(duì)可揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行分解，通過馴化淘汰了其中的小顆粒污泥，所以SS值逐漸降低[3]。

隨著時(shí)間的推移，進(jìn)入接種污泥成熟期。當(dāng)裝置運(yùn)行到80天后，經(jīng)測(cè)定UASB的容積負(fù)荷約為3.1 kg/m3·d，此時(shí)產(chǎn)生了大量氣體，反應(yīng)區(qū)約有80%的污泥顆粒直徑超過0.8 mm，污泥平均濃度、密度分別為15.2 gSS/L、1 130 g/L，VSS/SS為0.7左右。這一時(shí)期的廢水中通過可揮發(fā)性脂肪酸合并分解，致使UASB容積負(fù)荷加大，此時(shí)COD的去除率約為75%。監(jiān)測(cè)可揮發(fā)性脂肪酸的變化可知，其數(shù)值起初快速降低到390 mg/L，然后保持這一數(shù)值不變，這說明產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌的數(shù)量趨于平衡，體系運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。在這種狀態(tài)下，反應(yīng)器中的廢水可以通過厭氧細(xì)菌進(jìn)行有效處理，而且廢水處理效果達(dá)到了預(yù)期的要求。

2.3 COD去除率的影響因素

2.3.1 水力停留時(shí)間

在本次試驗(yàn)中，COD的去除受水力停留時(shí)間的影響較大。在水力停留時(shí)間較長的情況下，活性污泥與廢水接觸時(shí)間較多，因而能夠得到充分反應(yīng)并將廢水中的污染物去除，而在水力停留時(shí)間較短的情況下，活性污泥與廢水接觸時(shí)間較短，所以無法得到充分反應(yīng)，因而導(dǎo)致廢水污染物的去除率較低，使出水水質(zhì)下降。

在這一過程中，上升水流速度也會(huì)影響有機(jī)物的降解過程。在上升水流速度較快的情況下，會(huì)沖走顆粒污泥，致使污泥難以與污染物充分接觸而減小去除率，而在上升水流速度較慢的情況下，又會(huì)導(dǎo)致水?dāng)嗔?。所以為了保證COD去除率，工作人員要合理控制水力停留時(shí)間以及上升水流速度。另外，控制實(shí)驗(yàn)裝置的反應(yīng)條件分別為：pH值6～8；溫度35 ℃；堿度1 100 mg/L；進(jìn)水COD濃度5 500 mg/L，對(duì)不同水力停留時(shí)間下的COD去除率進(jìn)行測(cè)定。其中，在水力停留時(shí)間為12 h時(shí)，COD的去除率為60%左右，此時(shí)甲烷化尚未完成；在水力停留時(shí)間為18 h時(shí)，COD的去除率為70%左右，此時(shí)出水指標(biāo)有所下降，證明甲烷化已經(jīng)逐漸完成；在水力停留時(shí)間為24 h時(shí)，COD去除率約為75%；然后隨著水力停留時(shí)間的增加，COD去除率不再明顯上升，所以綜合分析可知，去除廢水中COD的最佳水力停留時(shí)間為24 h。

2.3.2 溫度

通常而言，在不同溫度下進(jìn)行厭氧反應(yīng)會(huì)有不同厭氧細(xì)菌產(chǎn)生。通過研究發(fā)現(xiàn)，厭氧細(xì)菌新陳代謝受溫度影響較大，在處于35～40 ℃范圍時(shí)厭氧細(xì)菌最具有活性，如果溫度過低，會(huì)導(dǎo)致厭氧細(xì)菌失活，如果溫度過高，又會(huì)使厭氧細(xì)菌的蛋白質(zhì)變性，不僅沒有處理效果，還會(huì)造成COD值的增大?？刂茖?shí)驗(yàn)裝置的反應(yīng)條件分別為：pH值為6～8；堿度為1 100 mg/L；進(jìn)水COD濃度為5 500 mg/L；水力停留時(shí)間為24 h，對(duì)不同溫度條件下的COD去除率進(jìn)行測(cè)定，在溫度為20 ℃時(shí)，COD去除率約為45%；在溫度為30 ℃時(shí)，COD去除率約為70%，上升明顯；在溫度為35 ℃時(shí)，COD去除率約為75%；在溫度為40 ℃時(shí)，COD去除率不再明顯上升，所以綜合以上分析可知，厭氧反應(yīng)的最佳溫度為35 ℃。

2.3.3 堿度

裝置內(nèi)堿度越高，則pH值越大，最終會(huì)造成體系失去平衡，影響微生物的生長。所以控制試驗(yàn)裝置反應(yīng)條件分別為：pH值6～8；溫度為35 ℃；水力停留時(shí)間為24 h；進(jìn)水COD濃度為5 500 mg/L，對(duì)不同堿度條件下的COD去除率進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)堿度小于1 000 mg/L時(shí)，COD去除率較低，此時(shí)會(huì)抑制甲烷菌的生長；當(dāng)堿度為1 100 mg/L左右時(shí)，COD的去除率基本穩(wěn)定，此時(shí)氣體產(chǎn)生量較大；在堿度大于1 200 mg/L時(shí)，COD的去除率依然較低，這是由于堿度過高會(huì)影響產(chǎn)酸菌的生長，使甲烷菌和產(chǎn)酸菌失去平衡，因而無法進(jìn)行充分的厭氧反應(yīng)，所以綜合以上分析可知，當(dāng)裝置內(nèi)的最佳堿度控制在1 100 mg/L左右[4]時(shí)，COD去除率最高。

2.3.4 pH值

裝置內(nèi)pH值的變化也會(huì)直接影響COD的去除率。在pH值偏低的情況下，微生物生長會(huì)受到干擾，致使微生物無法正常吸收營養(yǎng)，同時(shí)，生物酶的活性也會(huì)隨著pH值的變化而變化，可能導(dǎo)致微生物代謝失常，而且pH值的高低變化還會(huì)降低微生物的抗高溫能力?？刂圃囼?yàn)裝置反應(yīng)條件分別為：溫度35 ℃；水力停留時(shí)間24 h；進(jìn)水COD濃度為5 500 mg/L；堿度為1 100 mg/L，對(duì)不同pH值條件下的COD去除率進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)pH值處于6～8范圍內(nèi)時(shí)，COD去除率的變化不明顯，但COD去除率在pH值為7的情況下最高，約為75%，所以通過上述綜合分析可知，裝置內(nèi)最佳pH值為7時(shí)，COD去除率最高。

2.3.5 進(jìn)水濃度

有機(jī)負(fù)荷能夠?qū)︻w粒污泥的形成、污泥活性等產(chǎn)生影響，所以合理加大有機(jī)負(fù)荷可以為顆粒污泥的形成產(chǎn)生促進(jìn)作用，并使污泥的活性增強(qiáng)，進(jìn)而提高COD去除率。通過厭氧消化反應(yīng)原理可知，在有機(jī)負(fù)荷較高的情況下會(huì)出現(xiàn)甲烷化，并產(chǎn)生酸化反應(yīng)，導(dǎo)致體系失去平衡，所以在UASB反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，工作人員應(yīng)重點(diǎn)考慮有機(jī)負(fù)荷這一參數(shù)?？刂圃囼?yàn)裝置反應(yīng)條件分別為：pH值6～8；溫度35 ℃；水力停留時(shí)間24 h；堿度1 100 mg/L，對(duì)不同進(jìn)水濃度條件下的COD去除率進(jìn)行測(cè)定。當(dāng)進(jìn)水濃度低于2 000 mg/L時(shí)，COD去除率并未隨著進(jìn)水濃度的增加而提高，其原因在于初期進(jìn)水濃度較低，所含有的營養(yǎng)物質(zhì)較少，因而微生物的作用難以得到充分發(fā)揮；當(dāng)進(jìn)水濃度為3 000 mg/L左右時(shí)，COD的去除率逐漸提高；在進(jìn)水濃度約為6 000 mg/L時(shí)，COD去除率為75%左右，然后繼續(xù)增加進(jìn)水濃度，COD去除率開始由75%逐漸降低，這說明在反應(yīng)器容積不變的條件下，進(jìn)水濃度增加后，顆粒污泥量越來越多，在顆粒污泥濃度越來越高的狀態(tài)下，污泥活性反而變得越來越低，這是因?yàn)榭蓳]發(fā)性脂肪酸的不斷積累，會(huì)使產(chǎn)酸菌和甲烷菌失去平衡，最終影響污泥的活性。所以通過以上的綜合分析可知，最佳進(jìn)水濃度值應(yīng)為6 000 mg/L左右[5]。

3 結(jié)論

本研究對(duì)UASB處理技術(shù)在化工企業(yè)廢水處理中應(yīng)用的有效性進(jìn)行了全面驗(yàn)證，并明確了UASB反應(yīng)器的最佳工藝操作條件：溫度約為35 ℃；pH值約為7；水力停留時(shí)間為2 h；堿度約為1 100 mg/L；進(jìn)水濃度約為6 000 mg/L。在最佳工藝操作條件下利用UASB處理技術(shù)處理化工企業(yè)廢水，其COD去除率能夠達(dá)到我國標(biāo)準(zhǔn)要求，約為75%。但在UASB處理技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，相關(guān)行業(yè)人員還應(yīng)結(jié)合反應(yīng)器的實(shí)際情況，深入研究該技術(shù)的應(yīng)用條件，以達(dá)到理想的廢水處理效果。