UASB處理低濃度食堂廢水的啟動初期研究

摘要：在中溫（31 ⁰C ~ 41 ⁰C），PH（7.2~7.6）和低COD_Cr濃度下啟動UASB更能加快污泥的顆?；M(jìn)程。啟動初期的有機(jī)負(fù)荷宜小于2.0 kgCOD/(m³·d)。啟動初期完成后的污泥具備一定的處理低濃度廢水和耐沖擊負(fù)荷的能力。

關(guān)鍵詞：低濃度  啟動初期  間歇進(jìn)水  有機(jī)負(fù)荷

UASB又稱上流式厭氧反應(yīng)床，是水處理中經(jīng)常使用的一種高效、經(jīng)濟(jì)的設(shè)備。根據(jù)大量的污水處理工程統(tǒng)計(jì)，UASB大多以處理高濃度有機(jī)廢水為主，而對于UASB處理低濃度廢水的研究和應(yīng)用卻很少。為此，我們實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行試驗(yàn)研究UASB對低濃度的廢水的處理效果。試驗(yàn)中的UASB污泥屬于厭氧污泥。厭氧污泥的生長速度緩慢，生長不穩(wěn)定，影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。因此UASB對低濃度有機(jī)廢水的處理成功與否，關(guān)鍵在于對厭氧污泥的培養(yǎng)、馴化。在培養(yǎng)、馴化污泥的三個階段中，啟動初期階段有機(jī)負(fù)荷的控制是最關(guān)鍵的。如何控制啟動初期的有機(jī)負(fù)荷，使污泥的培養(yǎng)、馴化順利完成，是本文要闡述的主要問題。

1影響UASB啟動初期的主要因素
影響UASB啟動初期的因素有很多，如進(jìn)水水質(zhì)，水溫、PH值、種泥的數(shù)量和質(zhì)量、有機(jī)負(fù)荷和啟動運(yùn)行的方式等。
1.1進(jìn)水水質(zhì)
實(shí)驗(yàn)水質(zhì)采用鄭州大學(xué)風(fēng)華園食堂廢水。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，連續(xù)七天對食堂廢水進(jìn)行檢測分析。得出該食堂廢水的水質(zhì)指標(biāo)如下表所示：

從表中，可以看出該食堂廢水的COD_Cr濃度偏低，出水穩(wěn)定，符合UASB處理低濃度水的實(shí)驗(yàn)要求。同時(shí)實(shí)驗(yàn)初期污水的COD_Cr濃度低有利于顆粒污泥的生長。當(dāng)COD_Cr較少時(shí)，微生物往往處于衰亡期。處于衰亡期的微生物，運(yùn)動性能微弱，動能很低，不能與范德華力相抗衡，并且在布朗運(yùn)動作用下，菌體相互碰撞，相互結(jié)合，使顆粒污泥能很快形成^[1]。實(shí)驗(yàn)證明，低濃度下啟動的UASB形成的顆粒一般比較緊密，聚沉效果較好。
1.2 水溫和PH
   UASB對污水的處理效果依賴于污泥中微生物的生命活動。溫度和PH是微生物的重要的生存因子。啟動時(shí)，溫度過高容易導(dǎo)致微生物體內(nèi)承載生命活動的酶變性，失活。變性失活的酶，不具有生物催化作用，催化微生物體內(nèi)的各種生化反應(yīng)，從而使微生物的生命活動停止。低溫下酶雖然不會變性失活，但微生物的新城代謝速率會降低，生長速率下降，同樣不利于微生物的生命活動的進(jìn)行。PH對微生物的影響作用同樣如此，過高或者過低同樣影響生物酶活性的發(fā)揮。因此選擇合適的溫度和PH進(jìn)行啟動尤為重要的。適宜的溫度和PH值不僅有利于微生物的繁殖生長，還能避免出現(xiàn)污泥膨脹。

不同的微生物有各自適宜的生長溫度和PH。對于形成活性污泥的細(xì)菌，最適的生長溫度在30℃左右。因此，“雖然UASB反應(yīng)器在常溫（25 ⁰C），中溫（33 ⁰C ~ 41 ⁰C），高溫（55 ⁰C）下均能順利，并形成顆粒污泥，但絕大部分UASB啟動過程的研究都是在中溫條件下進(jìn)行的”^[2]。一般地，夏季比冬季更適宜啟動?！邦w粒污泥利用不同底物時(shí)的生長適應(yīng)的PH范圍不同，一般認(rèn)為，反應(yīng)器內(nèi)PH值應(yīng)保持在7.2~7.6為宜”^[3]。
1.3 啟動運(yùn)行的方式
啟動初期，UASB運(yùn)行方式有兩種：低濃度連續(xù)循環(huán)運(yùn)行和低濃度、低負(fù)荷間歇性運(yùn)行。低濃度連續(xù)循環(huán)運(yùn)行，是指將高濃度的廢水稀釋至1000mg/L以下，有機(jī)負(fù)荷調(diào)至2 kgCOD/(m³·d)情況下，向裝置內(nèi)連續(xù)泵入廢水，并同步進(jìn)行水質(zhì)檢測。連續(xù)運(yùn)行，直至出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)啟動初期已經(jīng)完成。低濃度低負(fù)荷間歇性運(yùn)行，是指將高濃度的廢水稀釋至1000mg/L以下，有機(jī)負(fù)荷調(diào)至某一個適宜值（遠(yuǎn)低于2 kgCOD/(m³·d)）情況下，向裝置內(nèi)一次性泵滿污水，每隔一定的時(shí)間用新鮮污水完全替換原有污水，此時(shí)檢測出水。若出水水質(zhì)連續(xù)穩(wěn)定，則說明污泥已經(jīng)適應(yīng)該有機(jī)負(fù)荷值。將有機(jī)負(fù)荷調(diào)升至原有機(jī)負(fù)荷的150%，繼續(xù)進(jìn)行啟動初期的污泥馴化培養(yǎng)，直到有機(jī)負(fù)荷達(dá)到2 kgCOD/(m³·d)。兩次泵水的間隔時(shí)間與不斷變化的有機(jī)負(fù)荷值有關(guān)。
鑒于低濃度、低負(fù)荷間歇運(yùn)行方式管理方便、操作簡單、靈活性大。故實(shí)驗(yàn)采用低濃度、低負(fù)荷間歇性運(yùn)行方式。
1.4 種泥性質(zhì)和接種量

作為實(shí)驗(yàn)的種泥，種泥的顆粒直徑大，有較強(qiáng)的吸附能力，聚集沉淀效果好，才能有利于污泥的成長，壯大。顆粒污泥一般呈球形或橢球形，其顏色呈灰黑或褐色，肉眼可觀察到顆粒表面包裹著灰白色的生物膜。顆粒污泥的比重一般為1.01~1.05左右，粒徑為0.5~3mm，有時(shí)可達(dá)5mm^[4]。
實(shí)驗(yàn)的種泥來自鄭州市奧克啤酒廠，污泥顆粒成黑色粒狀，直徑大約4-5mm，聚集沉淀性能較好，SVI值為20kgVSS/m³，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。種泥的接種量大約占反應(yīng)區(qū)的2/3，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，沉降性能差的污泥逐漸被沖走。

1.5有機(jī)負(fù)荷

污泥的生長可分為三個階段。不同的階段采用各自適宜的有機(jī)負(fù)荷，有利于顆粒污泥迅速、密實(shí)的生長，縮短啟動期的時(shí)間。

第一個階段，啟動初期，也是本文闡述的階段。在此階段，污泥中的微生物應(yīng)處于低負(fù)荷運(yùn)行，有機(jī)負(fù)荷控制在2.0 kgCOD/(m³·d)以下。此時(shí)主要使污泥逐漸適應(yīng)污水水質(zhì)，初步具有一定的處理能力，提高其生物活性。另外，不斷流動污水沖刷污泥區(qū)，具有篩選顆粒污泥的作用，比重大的污泥沉入水中，比重小的隨水流被帶走。

第二個階段，顆粒污泥形成的階段。此階段，細(xì)小密實(shí)的顆粒污泥相互聚集，互相吸附，形成大型的顆粒污泥，即顆粒污泥的直徑的增加階段。此時(shí)的有機(jī)負(fù)荷應(yīng)控制在2.0~5.0 kgCOD/(m³·d)。
第三階段，污泥床的形成階段。此階段的有機(jī)負(fù)荷應(yīng)控制在5.0 kgCOD/(m³·d)以上。此時(shí)污泥的直徑的增長轉(zhuǎn)為數(shù)量和重量的增長。污泥的濃度逐漸增加，形成穩(wěn)定的污泥反應(yīng)床。^{[5] [6]}

2.啟動初期的實(shí)驗(yàn)
2.1確定啟動初期的起始的有機(jī)負(fù)荷
為此，實(shí)驗(yàn)采用下述方案：用泵將低濃度的食堂廢水一次性泵滿UASB裝置中；每間隔一天，UASB中的上層污水進(jìn)行水質(zhì)測定，如此持續(xù)一周。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪出下面的曲線：

從曲線上可以得出，最佳的啟動有機(jī)負(fù)荷為0.1kgCOD/(m³·d)左右。此時(shí)水力停留時(shí)間為7d，出水COD_Cr為186mg/L。

當(dāng)有機(jī)負(fù)荷低于或者高于此適宜的有機(jī)負(fù)荷時(shí)，COD_Cr去除率均降低。其主要原因：

1. 當(dāng)此時(shí)的有機(jī)負(fù)荷低于此數(shù)值時(shí)，水中有機(jī)物過低，不能滿足本階段微生物的生長要求。污泥中的微生物進(jìn)入衰亡期，以內(nèi)源呼吸維持其生命活動；污泥中的微生物的數(shù)量逐漸減少，活性也逐漸降低，因此不能有效的去除水中的有機(jī)物。故有機(jī)物的去除率降低
2. 當(dāng)高于此數(shù)值時(shí)，有機(jī)物的水力停留時(shí)間短。部分有機(jī)物與污泥尚未接觸充分，旋即流出。故出水中有機(jī)物的濃度很高,去除率降低。
2.2 運(yùn)行UASB
當(dāng)確定啟動初期的有機(jī)負(fù)荷起始值為0.1 kgCOD/(m³·d)后，按照間歇性進(jìn)水的運(yùn)行方式，將UASB正常運(yùn)行起來。下表是啟動初期的UASB運(yùn)行后的水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)：

3.實(shí)驗(yàn)過程出現(xiàn)的問題

UASB啟動15天左右時(shí)，在其三相分離器處開始出現(xiàn)暗紅色的物質(zhì)，緊緊的吸附在器壁上，并逐漸向下蔓延。暗紅色物質(zhì)在向陽一側(cè)分布較為濃密，背光一側(cè)較稀少。挑取少量的暗紅色物質(zhì)觀察，暗紅色物質(zhì)表面光滑，厚度大約4-5mm。鏡檢發(fā)現(xiàn)，暗紅色物質(zhì)中不僅有紅色，還有紫色和藍(lán)色物質(zhì)。經(jīng)判定，這些暗紅色具有一定厚度的附著物是菌膠團(tuán)。紅色等是真菌或者細(xì)菌的代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物從微生物中分泌出來，粘附在菌膠團(tuán)上，使菌膠團(tuán)呈紅色。在夏季，向陽一側(cè)的溫度較高，適宜水中的真菌和細(xì)菌的生長，因此造成兩側(cè)紅色物質(zhì)的不均勻分布。少量的紅色菌膠團(tuán)對處理水質(zhì)有益，它強(qiáng)烈吸附力，能使污泥相互聚集，顆?；M(jìn)程加快。但是紅色菌膠團(tuán)的不斷蔓延，使出水中含有其一部分物質(zhì)，會引起出水水質(zhì)惡化。故建議立即清除。除去的方法，可以采用加大沖擊流速或者手動清除。但加大沖擊流速會造成污泥的流失，手動清除最好。同時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)UASB的其他因素，如溫度、PH或者排出少量污泥等，以防止此情況再次出現(xiàn)。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

1. 啟動初期時(shí)，當(dāng)某有機(jī)負(fù)荷適應(yīng)已經(jīng)完成，則按照此負(fù)荷的150%調(diào)至下一個適應(yīng)負(fù)荷。初始啟動的有機(jī)負(fù)荷為0.1kgCOD/(m³·d)，直到調(diào)至2.0kgCOD/(m³·d)，此時(shí)啟動初期可認(rèn)為已經(jīng)完成。
 2. 啟動初期時(shí)，由于進(jìn)水COD_Cr濃度低，故當(dāng)COD_Cr下降至某一穩(wěn)定水平值，即可認(rèn)為污泥對該負(fù)荷的適應(yīng)已經(jīng)完成。在本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)COD_Cr下降至150mg/L左右時(shí)，即認(rèn)為該負(fù)荷適應(yīng)已經(jīng)完成。
 3. 啟動初期的UASB對低濃度的食堂廢水的COD_Cr的去除率基本可以維持在60%左右，最高達(dá)74%。這說明啟動初期，污泥對低濃度食堂廢水有一定的處理能力。而且隨著有機(jī)負(fù)荷的提高，污泥逐漸增長，對污泥負(fù)荷的的適應(yīng)時(shí)間逐漸縮短，污泥耐沖擊負(fù)荷的能力在逐漸增長。

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