UASB＋AF反應器處理高濃度PTA廢水工藝優化探析

趙曉進，胡東海

（1.南京大學環境學院，江蘇 南京 210093；2.中國石化儀征化纖股份有限公司BDO事業部，江蘇 儀征 211900；3.上海大學環境與化學工程學院，上海 200444）

設備改造

UASB＋AF反應器處理高濃度PTA廢水工藝優化探析

趙曉進1，2，胡東海3

（1.南京大學環境學院，江蘇 南京 210093；2.中國石化儀征化纖股份有限公司BDO事業部，江蘇 儀征 211900；3.上海大學環境與化學工程學院，上海 200444）

厭氧處理污水是利用厭氧微生物的代謝特征，在無須提供外源能量的條件下，以被還原有機物作為受氫體，產生具有能源價值的甲烷。它具有水解能力強、容積負荷高、去除率高、節約能源、產泥量低等特點，是現代廢水處理先進的工藝之一。以厭氧UASB＋AF反應器理論為依據，運用實驗的方法，并結合實際操作管理論述了如何維持UASB＋AF反應器高效、穩定運行，以實際數據闡明UASB＋AF反應器達到較高去除率時，各項工藝指標的最佳范圍及注意事項。

UASB＋AF反應器 PTA 污水 厭氧

1 PTA污水介紹

PTA（精對苯二甲酸）是生產聚酯纖維（滌綸）、聚酯瓶片和聚酯薄膜的重要的大宗有機原料之一，廣泛用于與化學纖維、輕工、電子、建筑等國民經濟有關的各個方面。PTA生產污水中主要含有醋酸、對苯二甲酸、PT酸、間苯二甲酸、鄰苯二甲酸、偏苯三酸和4-CBA等，pH約為3左右，CODcr為8 330 mg／L左右。PTA裝置在生產過程中的排水存在水質水量變化大、污染物濃度高、含固量大、沖擊性大等特征，因此屬于較難處理的有機工業廢水［1］。

2 儀化公司PTA污水處理工藝簡介

儀化公司PTA生產中心污水預處理能力約為4 420 t／天，進水CODcr 8 330 mg／L、pH值≥2.8。處理后出水CODcr為800 mg／L以下，pH值6～9。然后送入該公司水務中心進一步生化處理，達標后排入長江。

PTA裝置的污水特點是高CODcr、高懸浮固體、高酸度。PTA裝置排來的污水首先經過絮凝裝置、酸析池初步沉降，再加堿加營養鹽后進入調節池調節酸堿度等水質指標。生物處理目的是消除可以分解或可氧化的有機溶物或部分懸浮物，從而大幅降低COD值。具體工藝流程詳見圖1。

3 UASB＋AF反應器簡介

展出的一種新型的厭氧反應器，與UASB反應器相比，不但具備UASB反應器運行操作簡單、適應高濃度COD廢水處理和能高負荷運行的優點，而且具備了AF反應器不易流失污泥和耐負荷沖擊的優點。這種反應器形成顆粒污泥和高活性生物膜后，能處理高濃度難降解的有機廢水，而且運行穩定。

3.1 UASB＋AF反應器結構［2］

UASB＋AF反應器主要由5個部分組成：進水和配水系統、反應器池體、三相分離器、填料部分和沼氣收集系統。污水由進配水系統呈脈沖狀均勻分配到整個池底，與池底的懸浮污泥層和填料層充分混合接觸。污泥中的微生物分解有機物，同時產生沼氣氣泡逐漸帶動污泥上升到三相分離器進行三相分離。沼氣由氣室排出，水由排出系統進入好氧池。UASB＋AF反應器的特點是生物量多，容積負荷高，設備簡單，運行方便，造價相對較低，便于管理。UASB＋AF反應器裝置截面結構如圖2所示。

3.2 UASB＋AF反應器處理污水機理

污水經脈沖發生器呈脈沖狀均勻地分配到UASB＋AF反應器底部的配水系統，然后由反應器的底部向上流動，與懸浮污泥和填料上的掛膜（生物膜）充分接觸，厭氧反應就發生在接觸過程中。污水與懸浮污泥及填料上的生物膜接觸，厭氧生物在厭氧狀態下將有機物水解、酸化和分解，產生沼氣（主要是CH4和CO2）引起了內部循環，這對顆粒污

儀化PTA生產中心污水預處理厭氧采用的是UASB＋AF反應器，這是在UASB反應器基礎上發泥和生物膜的形成十分有利。污水中的有機物被厭氧微生物降解，一部分轉化為沼氣，一部分轉化為微生物機體。附著氣體的污泥向反應器的頂部上升，大部分污泥被填料吸附，未被填料吸附到的污泥則繼續上升，直到碰擊反應器頂部的三相分離器壁板，引起氣體與污泥絮體分離——脫氣。釋放氣體的污泥將沉入反應器內繼續與污水接觸進入下一個反應階段，同時氣體在三相分離器內聚集到一定壓力后，通過水封進入沼氣柜。PTA污水在UASB＋AF反應器中，經過與厭氧微生物接觸，大部分TA等有機物得以降解，大部分有機物分解為CH4、CO2和水，見式（1）～式（3）。

圖1 PTA廢水預處理工藝流程

圖2 UASB＋AF反應器截面結構

4 實 驗

4.1 pH值、VFA與ALK對COD處理效率的影響［3］

pH值是厭氧消化中的重要控制因素。酸性腐化細菌對pH值的適應范圍較廣，一般在4.5～8.0都能維持較高的活性。而甲烷菌對pH值較為敏感，適應范圍較窄，甲烷菌的適宜pH值為6.6～7.8，最佳pH值在6.8～7.2。pH值下降到5以下，對甲烷菌有毒害作用。如果有一段時間pH值很低，甲烷菌會大量死亡，即使pH值恢復到中性，厭氧消化的效率也不易恢復。而高pH值時，只要恢復到中性，甲烷消化的效率就能很快恢復。

優化運行實驗是通過調整厭氧池進水pH值，考察COD去除率的變化。實驗采用投加液堿的方法，將UASB＋AF反應器進水pH值控制在6.0～7.8。為獲得比較穩定的運行數據，實驗在氣溫變化較小的4～5月進行，并將氨氮指標控制在穩定范圍內。pH值調整實驗分為3個階段進行，第1個20天將pH值控制在6.0～6.6，第2個20天控制在6.6～7.2，第3個20天控制在7.2～7.8，共60天。由實驗數據整理得到的pH值對厭氧去除率的影響關系見圖3、表1。

表1 pH與厭氧池去除率影響數據

圖3 pH對UASB＋AF反應器去除率的影響趨勢

實測數據表明，UASB＋AF反應器進水在pH值6.6～7.2內時可達到較高的去除率，說明產甲烷菌在此pH范圍內最適宜生長且消化能力最強，實驗范圍內的pH變化對COD去除率的影響不是很明顯。由于厭氧生物處理過程中有重碳酸鹽（HCO－3）與H2CO3生成，厭氧池中HCO－3與CO2濃度都很高，具有較大的緩沖能力。根據實驗結果，人工調節pH時可以適當擴大范圍到6.0～7.8，以增強操作的可行性。

4.2 溫度的影響

甲烷菌對溫度的適應性較弱，適應范圍可分為中溫（30～35℃）及高溫（50～60℃）兩類。高溫消化比中溫消化所需時間短，產氣速率高。但高溫消化溫度控制難度大，加熱污水、污泥所消耗熱量大，消化反應構筑物及管道的保溫費用也高，故一般采用中溫消化處理。厭氧過程比好氧過程對溫度變化尤其是低溫更加敏感。主要是由于甲烷菌比酸性腐化細菌對溫度更加敏感。低溫時揮發酸濃度增加，就是因為酸性腐化細菌的代謝速度受溫度的影響比甲烷菌受到的影響小。低溫時揮發性有機酸的濃度迅速增加可能會使揮發性有機酸在系統中累積，最終超出系統的緩沖能力，導致pH值急劇下降，從而嚴重影響厭氧系統的正常運行，這也是冬季運行厭氧去除率較低的原因之一。溫度提高，有機物的去除率和產氣量都會增加，但甲烷菌對溫度的適應范圍較小，超出其適應范圍后，消化速度同樣會減退。同時，溫度的急劇變化和上下波動不利于厭氧系統的正常運行，當短時間內溫度升降超過5℃，沼氣產量會明顯下降，甚至停止產氣。因此，厭氧生物處理系統在運行時的溫度變化幅度一般不宜超過2～3℃。

PTA生產裝置的排水溫度在80～90℃，夏季氣溫高，污水水溫也相對較高，厭氧進水達到40℃左右，研究工作驗證了溫度對厭氧處理效率的影響。啟用冷卻塔降低廢水溫度后比較兩種溫度下厭氧池的去除率，結果見表2。表中數據表明當開啟冷卻塔后，UASB＋AF反應器水溫由40℃降到36℃左右，COD去除率有所上升。因此，作為優化運行的調整措施，必要時可通過調節水溫來提高厭氧處理的效率。

表2 不同溫度下UASB＋AF反應器去除率數據

4.3 氨氮對COD處理效率的影響［4］

厭氧微生物的生長繁殖需要攝取一定比例的C、N、P及其它微量元素，但由于厭氧微生物對碳素養分的利用率比好氧微生物低，一般認為，厭氧生物處理中碳氮磷的比值控制在COD∶N∶P＝（200～300）∶5∶1即可。在厭氧處理時提供氮源，除了滿足合成菌體所需之外，還有利于提高系統的緩沖能力。如果氮源不足，即碳氮比太高，不僅會導致厭氧菌增殖緩慢，而且消化液的緩沖能力降低，會引起pH值下降。相反，如果氮源過剩，碳氮比太低、氮不能被充分利用，將導致系統中氨的累積，引起pH值上升，如果上升到8以上，就會抑止甲烷菌的生長繁殖，使消化效率降低。

PTA廢水中氨氮濃度較低，厭氧處理中所需的氮源由外部提供，實際操作過程是采用投加氨水的方法控制厭氧池進水的氨氮指標。根據理論值，C∶N應為40∶1左右，為確定厭氧處理中氨氮濃度對COD去除效率的影響，實驗中采用逐步減少氨水投加量的方法來降低氨氮濃度，考察不同氨氮濃度時厭氧處理過程的COD去除率，每一階段固定氨氮濃度穩定運行10天左右，通過試驗確定該系統最適宜的氨氮指標及氨水投加量。氨氮濃度與厭氧處理過程中COD去除率的實驗結果見表3及圖4。

表3 進水氨氮對厭氧COD去除率的關系

圖4 氨氮對厭氧COD去除率影響趨勢

實驗數據表明，當氨氮進水濃度在20 mg／L以下時，隨氨氮濃度的降低，UASB＋AF反應器對COD的去除率明顯下降；當氨氮濃度大于40 mg／L時，COD去除率的增幅變化不明顯。因此結合厭氧處理效率、運行成本及隨后的好氧系統對最終氨氮的處理效果，確定該系統維持厭氧菌生長和消化需要的氨氮指標應控制在20～40 mg／L之間。

4.4 容積負荷對COD處理效率的影響［5］

厭氧系統的處理負荷通常是用容積負荷來表征，容積負荷直接影響處理效率和產氣量。在一定范圍內，隨著容積負荷的提高，產氣量增加，但容積負荷的提高將導致停留時間縮短，COD去除率下降。厭氧系統正常運行時，產酸和產甲烷的速率保持相對平衡，容積負荷過高，則產酸率有可能大于產甲烷的用酸率，從而造成揮發酸的積累，pH值迅速下降，阻礙產甲烷階段的正常進行，嚴重時導致產甲烷作用的停頓，整個UASB＋AF反應器陷于癱瘓狀態，調整恢復起來非常困難。同時，如果容積負荷過低，雖然去除率提高了，但設備的利用率太低。

現有系統調整容積負荷的方法包括改變進水量和調節污水回流比，其中進水量的改變對COD去除率的影響比較顯著。目前的控制措施是一方面通過調整2＃集水井污水泵的運行，控制進入厭氧池的總流量。同時，厭氧系統8組UASB＋AF反應器的進口均設有流量計，控制每組流量在30 m3／h左右，保持流量的穩定和各組池子之間流量的均衡。當生產裝置由于工藝調整、停車等原因造成來水量和水質發生明顯變化時，為避免容積負荷過高對UASB＋AF反應器產生沖擊，一般情況下，將酸析池臨時作為事故池儲存這部分污水，待裝置運行穩定后逐漸消化。

通過調節污水回流比來控制容積負荷，現場有3種方式可供選擇，分別是25%出水回流（回流比0.33∶1）、50%出水回流（回流比1∶1）和75%出水回流（回流比3∶1）。UASB＋AF反應器的工藝優化運行實驗對這3種回流比調整后的運行情況進行了考察，每種回流比條件下的實驗運行周期為20天，考察厭氧池進出水COD，計算COD去除率和容積負荷，試驗結果見表4。

表4 不同回流比時容積負荷與厭氧去除率數據

容積負荷計算公式：

Nv＝Q（n＋1）C／（v×1000）

Q—污水量，m3／d；

C—進水COD濃度，mg／L；

n—回流水稀釋倍數；

v—反應器體積，m3。

生產裝置排水流量為5 528 m3／d，厭氧池體積為9 435m3，回流比為25%（0.33∶1）時，容積負荷：

Nv＝Q（n＋1）C／（v×1000）

＝5528×（0.33＋1）×4209／（9435×1000）

＝3.3 kg COD／（m3·d）

回流比為50%（1∶1）時，容積負荷：

Nv＝Q（n＋1）C／（v×1000）

＝5528×（1＋1）×3821／（9435×1000）

＝4.5 kg COD／（m3·d）

回流比為75%（1∶1）時，容積負荷：

Nv＝Q（n＋1）C／（v×1000）

＝5528×（3＋1）×3330／（9435×1000）

＝7.8 kg COD／（m3·d）

結果表明，25%污水回流時稀釋倍數低，UASB＋AF反應器進水COD最高，容積負荷低，水力停留時間長，COD去除率高，但UASB＋AF反應器出水COD也是最高，給下游好氧處理帶來一定的難度。而75%污水回流雖然短期內出水效果接近，但容積負荷高，COD去除率低，長期運行不利于厭氧菌生長。綜合考慮，50%污水回流在滿足一定的去除率的前題下，厭氧出水COD也不是很高，比較符合現場實際情況。

4.5 鈷、錳對厭氧處理過程的影響

醋酸鈷、醋酸錳是生產精對苯二甲酸時使用的催化劑。當裝置處于開、停車階段或出現異常情況時，工藝污水中鈷、錳濃度會大幅度增加，最大質量濃度能達到1 000 mg／L，當廢水中鈷質量濃度大于200 mg／L、錳質量濃度大于100 mg／L，就會嚴重影響厭氧污泥的活性，甚至使厭氧微生物死亡。筆者所在單位的生化站就曾經出現過，由于含有高濃度鈷、錳污水進入厭氧系統造成兩座厭氧池失去處理能力的事故。實驗分析甲烷氣增量與鈷質量濃度、錳質量濃度的關系，見圖5、圖6所示。

圖5 甲烷氣的增量與鈷質量濃度關系

圖6 甲烷氣的增量與錳質量濃度關系

從圖5、6可看出：在厭氧系統中，鈷質量濃度低于200 mg／L、錳質量濃度低于100 mg／L時，有利于提高微生物的活性，促進有機物的降解。主要是由于鈷、錳等一些無機鹽類是微生物生命活動必不可少的營養物質，它們是構成微生物細胞的組成成分，參與酶蛋白的組成、活化酶促反應。只要存在極其微量，就能夠強烈地刺激微生物的生命活動。缺少這些微量元素，就會導致微生物生命活動強度的降低。當鈷、錳含量過高時，會抑制厭氧微生物活性，降低厭氧微生物對有機物的降解能力。主要是因為有機物降解產物為CO2和H2O。由于厭氧系統是一個密閉的系統，產生的CO2無法逸出，大部分仍停留在污泥和污水中。因此，CO2和H2O會與鈷、錳發生如下反應：

MnCO3和CoCO3均為難溶物，由于它們的凝聚作用，使酶發生沉淀，從而降低微生物活性。另一方面，過量的金屬離子容易和細菌蛋白質相結合而發生變性或沉淀從而使酶失去活性。

PTA生產過程中，當遇到生產異常時，可在工藝污水中加入草酸，將大部分鈷、錳沉淀去除，使污水中鈷質量濃度低于200 mg／L、錳質量濃度低于100 mg／L，再進入厭氧系統，以限制過量的鈷、錳來影響厭氧微生物活性。當工藝正常時，只要加強監控，確保污水中鈷質量濃度低于200 mg／L、錳質量濃度低于100 mg／L，反而會促進厭氧微生物活性。

4.6 脈沖發生器對UASB＋AF反應器的影響

脈沖發生器是UASB＋AF反應器布水系統的重要設備，它運用虹吸的原理產生脈沖水流，將PTA廢水均勻地分配到反應器內，同時脈沖水流將反應器底的污泥攪動起來，使泥水充分混合，取得最佳的COD去除率。其結構見圖7所示。

筆者單位生化站UASB＋AF反應器運行已達10年，2005年2月份COD去除率突然降到38%，經現場測聽，發現脈沖發生器無脈沖聲音。打開脈沖發生器，發現擋水板和進水管交界處以及內筒和出水管間隙處已被淤泥堵塞，導致虹吸無法進行，水流無法均勻地發布到反應器內，反應器底部污泥也無法脈沖攪動起來，因此導致UASB＋AF反應器去除率降低。當清洗掉脈沖發生器內部淤泥后，脈沖發生器又正常脈沖起來，COD去除率升高到55%，見圖8所示。

圖7 脈沖發生器示意

圖8 清洗前后去除率對比

4.7 UASB＋AF反應器運行效果比較

通過上述對UASB＋AF反應器操作影響因子的調查分析和實施優化運行的實驗驗證，統計得出的UASB＋AF反應器運行數據匯總見表5及圖9，其中5月份前是改造前的運行數據。UASB＋AF反應器從COD去除率波動比較大到實施優化改造后穩定在55%左右，改造工作取得明顯效果，為下一步好氧處理以及總排出水合格打下了良好的基礎。

表5 生化站UASB＋AF反應器去除率匯總

圖9 生化站UASB＋AF反應器去除率趨勢

5 結 論

綜合以上分析和實驗結果，為保持UASB＋AF反應器穩定運行并維持較高的COD去除率，應當采取下列措施：

a）UASB＋AF反應器進水pH最佳值為6.6～7.2，此時厭氧菌的生長和消化能力達到最佳。人工調節pH時可以適當擴大范圍到6.0～7.8，以增強操作的可行性。

b）夏季高溫時厭氧生化處理系統需要啟用冷卻塔降低溫度到36℃左右，此時厭氧菌中溫消化能力最強。

c）UASB＋AF反應器進水氨氮濃度應控制在20～40 mg／L，既能夠滿足厭氧菌生長需求，達到較佳的消化能力，同時也兼顧了運行費用和出水中氨氮的濃度指標。

d）UASB＋AF反應器采取50%污水回流，回流比為1∶1，此時COD容積負荷適中，厭氧水力停留時間較長，COD去除率也比較高。

e）日常加強對鈷、錳濃度的監控，確保污水中鈷質量濃度低于200 mg／L、錳質量濃度低于100 mg／L，以防微生物活性降低。

f）需經常測聽脈沖發生器，如有異常及時對發生器內部進行清洗。

［1］ 陳俊，王洪麗，陸建華.PTA廢水高效生物技術研究［C］.中國石化集團污水處理技術交流會議論文集，2004：12.

［2］ 蘇玉民，等.脈沖上流式厭氧污泥床反應器的應用［J］.環境科學，1996，17（1）.

［3］ 紀軒.廢水處理技術問答［M］.北京：中國石化出版社，2003，9（1）.

［4］ 齊慧敏，劉念曾，林大泉.精對苯二甲酸生產廢水處理工藝探討［J］.撫順烴加工技術，1999，2.

［5］ 水處理工程師手冊［M］.唐受印編.北京：化學工業出版社，2000.

Discussion on optimizing high concentrated PTA wastewater treatment with UASB＋AF reactor

Zhao Xiaojin1，2，Hu Donghai3

（1．School of The Environment，Nanjin University，Nanjin Jiangsu 210093，China；2．BDO Business Division of Yizheng Chemical Fiber Co．Ltd．，Yizheng Jiangsu 211900，China；3．Shanghai University School of Environment and Chemical Engineering，Shanghai 200444，China）

This paper is baed on the theroy of UASB＋AF anaerobic reactor，use the way of experiment，and combine practical operation with management to discuss how to keep high efficiency and stable running of UASB＋AF reactor.This paper use real data to explain what the best range of the technical specifications and the attentions is when UASB＋AF reactor reach high COD removal rate.

UASB＋AF reactor；PTA wastewater；anaerobic

TQ055；TQ085

：B

：1006-334X（2011）01-0051-06

2011－02－21

趙曉進（1978－），男，江蘇儀征人，工程師，在讀工程碩士，從事化工項目開發建設工作。