UASB處理淀粉廢水啟動特性及污泥顆粒化形成研究

梁 晶

（南京科技職業(yè)學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，江蘇 南京 210048）

UASB 反應(yīng)器是一種工藝成熟、應(yīng)用廣泛的厭氧生物反應(yīng)器，具有投資少、運行和維修費用低、產(chǎn)生污泥量少等優(yōu)點，因此廢水中處理中的應(yīng)用非常廣泛。公開的UASB處理淀粉廢水的文獻很多，但這些文獻大都關(guān)注處理指標(biāo)的效果，卻很少有關(guān)注到UASB對淀粉廢水的啟動特性和關(guān)鍵的顆粒化污泥形成過程[1-5]，因此本文基于UASB處理某玉米淀粉廠廢水的中試試驗，初步研究對該廢水的UASB啟動特性及其顆粒化污泥形成過程。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗用水

試驗用水取自某玉米淀粉廠所排廢水，具體的水質(zhì)指標(biāo)如表1所示：

表1 試驗原水水質(zhì)

1.2 實驗裝置

實驗采用一個鋼制UASB反應(yīng)器，實驗裝置見圖1。反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑為200mm，高為6.5m，反應(yīng)器總有效體積為204L；設(shè)回流系統(tǒng)，沿反應(yīng)器高度設(shè)取樣口18個；在1m到4m處裝有視鏡。進水采用電自控加熱，設(shè)定溫度為35℃。泵為普羅名特機械隔膜計量泵，所產(chǎn)生的沼氣通過水封后由濕式氣體流量計計量（LM1-0.5m3/h）。

圖1 實驗裝置示意

1.3 接種污泥

反應(yīng)器采用的接種污泥取自某城市污水處理廠厭氧消化污泥，經(jīng)80目篩分以上的接種污泥量：7.5gvss/l. 含水率76.5%，VSS/SS:51.5%；為保證污泥中微生物的正常代謝，加入適當(dāng)?shù)奈⒘吭兀‵e=1.0mg/l, Co=0.1mg/l, Mo=0.05mg/l, Ni=0.2mg/l）。

1.4 分析項目和方法

COD 及pH 均采用國標(biāo)法測定[6]；VFA采用氣相色譜法測定；采用BT-9300H型激光粒度分析儀測定污泥粒徑分布；同時采用光學(xué)顯微鏡觀察污泥形態(tài)；XL30TMP 型掃描電鏡( 荷蘭PHILIPS 公司)觀測大顆粒污泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

2 反應(yīng)器的啟動特性

原水加滿反應(yīng)器后，進行循環(huán),反應(yīng)器的表面上升流速為0.3m/h，水溫保持在為30℃。經(jīng)過一天的循環(huán)后，反應(yīng)器底部能夠觀察到底部有小氣泡產(chǎn)生。循環(huán)結(jié)束后開始采用連續(xù)進水方式，啟動負(fù)荷為0.5KgCOD/m3.d。反應(yīng)器啟動初期負(fù)荷和水力剪切力較低，為了改善泥水混合和避免產(chǎn)生溝流現(xiàn)象，采取每隔3h進行高回流比回流，每次持續(xù)時間10min，此時的反應(yīng)器表面水力上升流速為0.3m/h。反應(yīng)器啟動運行到第6d，出水COD去除率都達到了80%以上，出水VFA由起始的700mg/L左右降至200mg/L。從第7d開始，UASB開始以0.5KgCOD/m3.d的幅度提高容積負(fù)荷，直至UASB容積負(fù)荷達到3.5KgCOD/m3.d， 在此期間UASB反應(yīng)器都未曾出現(xiàn)過大量污泥的跑出現(xiàn)象，32d后通過對CODcr及VFA等的監(jiān)測結(jié)果，確認(rèn)UASB啟動階段結(jié)束。

2.1 啟動階段COD的變化及去除率的影響

UASB啟動階段的玉米淀粉廢水的進水CODcr及出水CODcr如圖2所示，進水CODcr穩(wěn)定于2465mg/L～3790 mg/L之間，出水CODcr則從294.8mg/L變化至2210mg/L，但自21d后穩(wěn)定與508mg/L以下，反應(yīng)器穩(wěn)定運行。

圖2 UASB啟動階段進水及出水CODcr值

如圖3所示，在UASB的啟動階段，隨著天數(shù)的增加和容積負(fù)荷的升高，COD的去除率越來越高，在21d后，穩(wěn)定于85%的去除率以上，此時進水CODcr3080 mg/L，出水382.6mg/L，說明UASB對COD的去除效果已經(jīng)比較穩(wěn)定。

圖3 UASB啟動階段CODcr去除率的變化

2.2 UASB啟動階段出水VFA濃度的變化

如圖4所示，隨著UASB啟動天數(shù)和容積符合的增加，出水VFA濃度不斷降低，說明厭氧反應(yīng)的水解酸化階段產(chǎn)生的大量VFA已經(jīng)在不斷進入產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷階段。在21天后，能明顯看出，VFA濃度穩(wěn)定于160mg/L以下，說明啟動比較成功且反應(yīng)器無酸敗現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖4 UASB啟動階段出水VFA的變化

2.3 UASB啟動階段pH的變化

pH 是影響UASB反應(yīng)器運行性能的重要因素。產(chǎn)甲烷菌群適宜的pH 值為6.5～7.8，pH 值過高或過低均會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性[7-8]。UASB 反應(yīng)器啟動中進出水pH 變化如圖5所示,整個啟動過程中，1-16d啟動初期進水pH 值非常不穩(wěn)定，因而出水pH也呈現(xiàn)一定的波動性，17d后進水pH值穩(wěn)定于6.5以后，出水pH值也基本穩(wěn)定于7.0～7.1，這是因為完整的厭氧反應(yīng)過程會產(chǎn)生一定的堿度，因此出水pH略高于進水pH。在實際運行中，也可以采用出水回流的方式減少進水堿度的投加量。

3 啟動過程中的污泥顆粒化形成過程分析

UASB 反應(yīng)器初始接種污泥為絮狀厭氧消化污泥，在啟動及運行過程中，污泥性狀變化顯著，圖6為UASB啟動3d后取出的絮狀污泥，圖7為19d取出的初始顆粒污泥，密度不大較為松散，圖8為31d后取出的成熟顆粒污泥。從圖6、圖7及圖8可見污泥粒徑在UASB 反應(yīng)器啟動運行過程中顯著增大，絮狀污泥粒徑為89.5μm，運行至19d后，初始顆粒污泥粒徑增大1.8倍，達到276.5μm，表明小粒徑絮狀污泥通過流失逐漸消失。而圖8中粒徑為0.5～1.0mm的橢球狀顆粒污泥的大量出現(xiàn)，則反映了顆粒化污泥已到成熟階段。對圖8中成熟顆粒污泥進行剖析，可見到索氏產(chǎn)甲烷絲菌單體串連成長約幾十到上百微米的鏈，而鏈與鏈之間相互緊密有序地粘結(jié)成高度密集的管束狀分布，此種結(jié)構(gòu)表明該顆粒污泥密度和強度較大，抗沖擊能力強，反應(yīng)活性高。

圖6 UASB啟動階段的絮狀污泥形態(tài)

圖7 UASB初始狀態(tài)顆粒污泥形態(tài)

圖8 UASB成熟顆粒污泥的形態(tài)

4 結(jié)語

（1）在維持UASB反應(yīng)器的表面上升流速為0.3m/h，水溫30℃，啟動負(fù)荷為0.5KgCOD/m3.d的條件下，每天遞增0.5KgCOD/m3.d的啟動負(fù)荷。21d后，COD的去除率穩(wěn)定于85%以上，VFA濃度穩(wěn)定于160mg/L以下，出水pH值穩(wěn)定于7.0～7.1，再連續(xù)運行12天，出水特性無明顯變化，說明UASB處理該玉米淀粉廢水32天啟動成功。

（2）在UASB啟動階段，污泥粒徑由89.5μm逐漸增大至276.5μm，直至形成0.5～1.0mm的成熟顆粒污泥，且在掃描電鏡下觀察到索氏產(chǎn)甲烷絲菌鏈纏繞形成高度密集的管束狀分布，說明污泥顆粒化過程的完成。

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