UASB处理低浓度食堂废水的启动初期研究

摘要：在中温（31 ⁰C ~ 41 ⁰C），PH（7.2~7.6）和低COD_Cr浓度下启动UASB更能加快污泥的颗粒化进程。启动初期的有机负荷宜小于2.0 kgCOD/(m³·d)。启动初期完成后的污泥具备一定的处理低浓度废水和耐冲击负荷的能力。

关键词：低浓度  启动初期  间歇进水  有机负荷

UASB又称上流式厌氧反应床，是水处理中经常使用的一种高效、经济的设备。根据大量的污水处理工程统计，UASB大多以处理高浓度有机废水为主，而对于UASB处理低浓度废水的研究和应用却很少。为此，我们实验小组进行试验研究UASB对低浓度的废水的处理效果。试验中的UASB污泥属于厌氧污泥。厌氧污泥的生长速度缓慢，生长不稳定，影响实验的进程。因此UASB对低浓度有机废水的处理成功与否，关键在于对厌氧污泥的培养、驯化。在培养、驯化污泥的三个阶段中，启动初期阶段有机负荷的控制是最关键的。如何控制启动初期的有机负荷，使污泥的培养、驯化顺利完成，是本文要阐述的主要问题。

1影响UASB启动初期的主要因素
影响UASB启动初期的因素有很多，如进水水质，水温、PH值、种泥的数量和质量、有机负荷和启动运行的方式等。
1.1进水水质
实验水质采用郑州大学风华园食堂废水。实验准备阶段，连续七天对食堂废水进行检测分析。得出该食堂废水的水质指标如下表所示：

从表中，可以看出该食堂废水的COD_Cr浓度偏低，出水稳定，符合UASB处理低浓度水的实验要求。同时实验初期污水的COD_Cr浓度低有利于颗粒污泥的生长。当COD_Cr较少时，微生物往往处于衰亡期。处于衰亡期的微生物，运动性能微弱，动能很低，不能与范德华力相抗衡，并且在布朗运动作用下，菌体相互碰撞，相互结合，使颗粒污泥能很快形成^[1]。实验证明，低浓度下启动的UASB形成的颗粒一般比较紧密，聚沉效果较好。
1.2 水温和PH
   UASB对污水的处理效果依赖于污泥中微生物的生命活动。温度和PH是微生物的重要的生存因子。启动时，温度过高容易导致微生物体内承载生命活动的酶变性，失活。变性失活的酶，不具有生物催化作用，催化微生物体内的各种生化反应，从而使微生物的生命活动停止。低温下酶虽然不会变性失活，但微生物的新城代谢速率会降低，生长速率下降，同样不利于微生物的生命活动的进行。PH对微生物的影响作用同样如此，过高或者过低同样影响生物酶活性的发挥。因此选择合适的温度和PH进行启动尤为重要的。适宜的温度和PH值不仅有利于微生物的繁殖生长，还能避免出现污泥膨胀。

不同的微生物有各自适宜的生长温度和PH。对于形成活性污泥的细菌，最适的生长温度在30℃左右。因此，“虽然UASB反应器在常温（25 ⁰C），中温（33 ⁰C ~ 41 ⁰C），高温（55 ⁰C）下均能顺利，并形成颗粒污泥，但绝大部分UASB启动过程的研究都是在中温条件下进行的”^[2]。一般地，夏季比冬季更适宜启动。“颗粒污泥利用不同底物时的生长适应的PH范围不同，一般认为，反应器内PH值应保持在7.2~7.6为宜”^[3]。
1.3 启动运行的方式
启动初期，UASB运行方式有两种：低浓度连续循环运行和低浓度、低负荷间歇性运行。低浓度连续循环运行，是指将高浓度的废水稀释至1000mg/L以下，有机负荷调至2 kgCOD/(m³·d)情况下，向装置内连续泵入废水，并同步进行水质检测。连续运行，直至出水水质达到稳定，此时启动初期已经完成。低浓度低负荷间歇性运行，是指将高浓度的废水稀释至1000mg/L以下，有机负荷调至某一个适宜值（远低于2 kgCOD/(m³·d)）情况下，向装置内一次性泵满污水，每隔一定的时间用新鲜污水完全替换原有污水，此时检测出水。若出水水质连续稳定，则说明污泥已经适应该有机负荷值。将有机负荷调升至原有机负荷的150%，继续进行启动初期的污泥驯化培养，直到有机负荷达到2 kgCOD/(m³·d)。两次泵水的间隔时间与不断变化的有机负荷值有关。
鉴于低浓度、低负荷间歇运行方式管理方便、操作简单、灵活性大。故实验采用低浓度、低负荷间歇性运行方式。
1.4 种泥性质和接种量

作为实验的种泥，种泥的颗粒直径大，有较强的吸附能力，聚集沉淀效果好，才能有利于污泥的成长，壮大。颗粒污泥一般呈球形或椭球形，其颜色呈灰黑或褐色，肉眼可观察到颗粒表面包裹着灰白色的生物膜。颗粒污泥的比重一般为1.01~1.05左右，粒径为0.5~3mm，有时可达5mm^[4]。
实验的种泥来自郑州市奥克啤酒厂，污泥颗粒成黑色粒状，直径大约4-5mm，聚集沉淀性能较好，SVI值为20kgVSS/m³，满足实验的要求。种泥的接种量大约占反应区的2/3，随着实验的进行，沉降性能差的污泥逐渐被冲走。

1.5有机负荷

污泥的生长可分为三个阶段。不同的阶段采用各自适宜的有机负荷，有利于颗粒污泥迅速、密实的生长，缩短启动期的时间。

第一个阶段，启动初期，也是本文阐述的阶段。在此阶段，污泥中的微生物应处于低负荷运行，有机负荷控制在2.0 kgCOD/(m³·d)以下。此时主要使污泥逐渐适应污水水质，初步具有一定的处理能力，提高其生物活性。另外，不断流动污水冲刷污泥区，具有筛选颗粒污泥的作用，比重大的污泥沉入水中，比重小的随水流被带走。

第二个阶段，颗粒污泥形成的阶段。此阶段，细小密实的颗粒污泥相互聚集，互相吸附，形成大型的颗粒污泥，即颗粒污泥的直径的增加阶段。此时的有机负荷应控制在2.0~5.0 kgCOD/(m³·d)。
第三阶段，污泥床的形成阶段。此阶段的有机负荷应控制在5.0 kgCOD/(m³·d)以上。此时污泥的直径的增长转为数量和重量的增长。污泥的浓度逐渐增加，形成稳定的污泥反应床。^{[5] [6]}

2.启动初期的实验
2.1确定启动初期的起始的有机负荷
为此，实验采用下述方案：用泵将低浓度的食堂废水一次性泵满UASB装置中；每间隔一天，UASB中的上层污水进行水质测定，如此持续一周。根据实验数据，绘出下面的曲线：

从曲线上可以得出，最佳的启动有机负荷为0.1kgCOD/(m³·d)左右。此时水力停留时间为7d，出水COD_Cr为186mg/L。

当有机负荷低于或者高于此适宜的有机负荷时，COD_Cr去除率均降低。其主要原因：

1. 当此时的有机负荷低于此数值时，水中有机物过低，不能满足本阶段微生物的生长要求。污泥中的微生物进入衰亡期，以内源呼吸维持其生命活动；污泥中的微生物的数量逐渐减少，活性也逐渐降低，因此不能有效的去除水中的有机物。故有机物的去除率降低
2. 当高于此数值时，有机物的水力停留时间短。部分有机物与污泥尚未接触充分，旋即流出。故出水中有机物的浓度很高,去除率降低。
2.2 运行UASB
当确定启动初期的有机负荷起始值为0.1 kgCOD/(m³·d)后，按照间歇性进水的运行方式，将UASB正常运行起来。下表是启动初期的UASB运行后的水质检测数据：

3.实验过程出现的问题

UASB启动15天左右时，在其三相分离器处开始出现暗红色的物质，紧紧的吸附在器壁上，并逐渐向下蔓延。暗红色物质在向阳一侧分布较为浓密，背光一侧较稀少。挑取少量的暗红色物质观察，暗红色物质表面光滑，厚度大约4-5mm。镜检发现，暗红色物质中不仅有红色，还有紫色和蓝色物质。经判定，这些暗红色具有一定厚度的附着物是菌胶团。红色等是真菌或者细菌的代谢产物。这些代谢产物从微生物中分泌出来，粘附在菌胶团上，使菌胶团呈红色。在夏季，向阳一侧的温度较高，适宜水中的真菌和细菌的生长，因此造成两侧红色物质的不均匀分布。少量的红色菌胶团对处理水质有益，它强烈吸附力，能使污泥相互聚集，颗粒化进程加快。但是红色菌胶团的不断蔓延，使出水中含有其一部分物质，会引起出水水质恶化。故建议立即清除。除去的方法，可以采用加大冲击流速或者手动清除。但加大冲击流速会造成污泥的流失，手动清除最好。同时，适当调节UASB的其他因素，如温度、PH或者排出少量污泥等，以防止此情况再次出现。

4.实验结论

1. 启动初期时，当某有机负荷适应已经完成，则按照此负荷的150%调至下一个适应负荷。初始启动的有机负荷为0.1kgCOD/(m³·d)，直到调至2.0kgCOD/(m³·d)，此时启动初期可认为已经完成。
 2. 启动初期时，由于进水COD_Cr浓度低，故当COD_Cr下降至某一稳定水平值，即可认为污泥对该负荷的适应已经完成。在本实验中，当COD_Cr下降至150mg/L左右时，即认为该负荷适应已经完成。
 3. 启动初期的UASB对低浓度的食堂废水的COD_Cr的去除率基本可以维持在60%左右，最高达74%。这说明启动初期，污泥对低浓度食堂废水有一定的处理能力。而且随着有机负荷的提高，污泥逐渐增长，对污泥负荷的的适应时间逐渐缩短，污泥耐冲击负荷的能力在逐渐增长。

参考文献：

[1] 张自杰 . 排水工程[M] . 北京：中国建筑工业出版社，1999 .

[2] 褚华宁，张仁志，韩恩山 . 加速UASB中颗粒污泥形成的研究进展[J] .能源环境保护，2006， 20（3）：19 .

[3] 孙振世，陈英旭，杨晔 . UASB的启动及其影响因素[J] . 中国沼气，2000，18（2）：18—19 .

[4] [5] 王绍文 . 高浓度有机废水处理技术与工程应用[M] . 北京：冶金工业出版社，2003.7 ，234—238 .

[6] 肖本益 .  UASB反应器的启动和厌氧颗粒污泥的特性研究[D] . 天津：天津轻工业学院，2002 .