厭氧微生物連續流對污水中有機物脫除的研究

卜春英，趙金安，來雪慧

(1.山東聯誼服務中心，山東 濟南 250011；2.太原工業學院 環境與安全工程系，山西 太原 030008)

目前城市生活污水多采用好氧生物處理，但由于工程投資大、處理費用高，在我國資金短缺、能源不足與污染日益嚴重的現狀[1]下不宜推廣。由于厭氧消化可處理高濃度污水，隨著研究不斷深入，相繼開發了厭氧濾池(AF)、上向流污泥床(UASB)和厭氧附著膜膨脹床(AAFEB)等反應器[2]。UASB是開發最早且應用最廣的高效厭氧反應器之一，主要用于飲料、糖類和淀粉加工行業的廢水處理，還有約15%厭氧反應器處理造紙廢水和生活污水[3]。

UASB反應器與厭氧消化池結合，通過提高污泥活性增加低溫污水的去除效率。由于該工藝操作簡單、能耗小和運行費用低，剩余污泥產生量少，污泥穩定性好，易于脫水，適用于任何處理規模，在我國城市污水厭氧處理領域得到廣泛應用。本文采用UASB反應器，接種城市污水廠污泥對微生物進行馴化，研究對淀粉廢水中有機物的脫除效果。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與樣品制備原理

本研究采用UASB反應器，有效容積3.2 L，運行溫度35～37℃，水力停留時間6h。樣品制備過程如圖1所示，廢水由下向上流入反應器，經顆粒污泥層厭氧處理后進入反應器頂部三相(固、液、氣)分離器流出。樣品采集后于4℃保存。

圖1 實驗裝置與樣品制備過程

1.2 實驗分析與方法

實驗中測試CODcr、pH值和水溫3個指標。pH值采用pH計測試；COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007)測定，先通過COD試劑消解，再用分光光度計測定。

1.3 實驗步驟

1.3.1 污泥接種

本實驗所用顆粒污泥來自太原市北郊污水處理廠。接種前，由于污泥機械破損嚴重，泥粒細小，需培養和馴化。30℃下啟動UASB，水力停留時間HRT為24 h。反應器的接種污泥量占總容積的30%。

1.3.2 污泥培養

影響顆粒污泥形成的主要因素有：接種污泥的選擇、溫度、堿度、pH值等環境條件、反應器中VFA(揮發性有機酸)濃度、水力表面負荷及進水COD濃度。據此，在污泥培養階段，需投加人工配制的營養液，主要成分為：容易降解的有機物乙酸、甲醇、葡萄糖，N、P微生物營養元素尿素、Na3PO4，適量NaHCO3。主要目的是恢復顆粒污泥活性，NaHCO3用于調解進水pH值，使之保持在6.5～7.5。

進水CODcr維持在1053 mg/L。隨著培養時間的增長，泥粒變得均勻，顏色發黑并有光澤，活性增強，CODcr去除率逐漸升高，可以進行污泥馴化。

1.3.3 污泥的馴化

通過馴化，使顆粒污泥逐漸適應新基質，提高污泥活性。馴化階段，進水有機負荷的增幅太大易導致部分顆粒污泥與淀粉凝結，活性降低而上浮。此階段進水逐漸減少營養液的比例，適量增加淀粉的量，直到全是淀粉廢水。隨后逐漸提高進水CODcr濃度，提高反應器抗沖擊負荷能力。裝置COD去除率穩定到70%以上，出水水質穩定，表明污泥已完成馴化，反應可進入提高負荷期。

1.3.4 改變負荷實驗階段

提高負荷是運行的重要階段，該階段主要目的是完成污泥顆粒化的定向培養，為反應器高效、穩定運動創造條件。負荷增加可以通過增加進水濃度或增大進水量來實現，但應避免負荷增加過快引起反應器酸化、污泥漂浮、菌種大量流失等不良反應，也應避免負荷增加過慢造成營養缺乏而不利于顆粒污泥的形成。本試驗采用先固定進水流量，再提高進水CODcr濃度的方法來增加負荷。在負荷增加，CODcr去除率穩定的情況下，提高淀粉廢水濃度。

1.3.5 溫度控制

溫度是影響微生物生命活動的重要因素之一，控制在20、25、30℃，通過對酶的活性影響使微生物的生長速率與對基質的代謝速率發生變化。

2 實驗結果與討論

2.1 污泥培養階段有機物質的去除效率

研究20℃條件下，進水COD濃度為1053 mg/L的淀粉廢水，污泥培養21d的有機物去除效率和廢水中COD濃度的變化趨勢。

圖2 污泥培養階段COD濃度和有機物去除率變化趨勢

由圖2可見，出水COD濃度隨培養天數的增加呈現先增加后減少狀態，第7天時濃度達到最大值912mg/L。培養到21天時濃度降至303mg/L，有機物去除率達到71.2%。說明在20℃條件下，培養到20天以后，有機物去除率可能更大。

2.2 不同溫度條件下廢水中有機物去除效率

2.2.1 20℃條件下廢水有機物的去除效率

研究20℃條件下，不同進水COD濃度有機物隨時間的去除效果。

圖3 不同濃度淀粉廢水隨時間增加的有機物去除率變化

由圖3可知，不同濃度的淀粉廢水隨處理時間的增加，去除率均呈增長趨勢。進水COD濃度為3577 mg/L和4212 mg/L的廢水，在12～24 h內有機物去除效率增加不多。當處理時間超過24 h，去除能力明顯增加。進水COD濃度為2317 mg/L的廢水卻呈相反趨勢。在處理的前12 h內，去除率達到了54.1%，在12～24 h內，去除能力增加6.1%；處理48h后，去除率達到64.3%，說明在24～48 h內，去除率只增加了4.1%。當進水濃度為1128 mg/L時，去除率隨著處理時間的增加，有較為明顯的提高。

2.2.2 25℃條件下廢水有機物的去除效率

研究25℃條件下，不同進水COD濃度隨水力時間的濃度變化及有機物的去除效率變化趨勢。

圖4 25℃時不同進水COD濃度(a)和有機物去除率(b)變化

由圖4(a)可見，不同進水濃度的淀粉廢水隨著水力時間的增加，COD濃度均呈顯著減少趨勢。進水COD濃度為4397 mg/L的廢水，在12 h內的有機物去除率最低，為42.4%。水力時間分別達到24 h、36 h和48 h時，其有機物去除效率仍然處于較低水平。圖4(b)中可見，進水COD濃度為3394 mg/L和4397mg/L的廢水，其有機物去除效率隨水力時間的增加幾乎呈線性增長趨勢；進水COD濃度為1203 mg/L的廢水，有機物去除率起初平穩增長，到36 h后呈顯著增長的趨勢；進水濃度為2321 mg/L的廢水，在12～24 h去除率增長最明顯，24 h后去除率增長態勢趨于穩定。

2.2.3 30℃條件下廢水有機物的去除效率

研究30℃條件下，不同進水COD濃度在不同水力時間下的COD濃度和有機物去除率變化趨勢。

圖5 30℃時不同進水COD濃度(a)和有機物去除率(b)變化

由圖5(a)可見，30℃條件下不同濃度的淀粉廢水隨著處理時間的增加均呈現去除率增長的趨勢。對于進水COD濃度為4098 mg/L的廢水，在12 h內的有機物去除率最低，為46.7%，濃度降至2184 mg/L。水力停留時間達到24 h、36 h和48 h時，其廢水中COD濃度分別為1975 mg/L、1659 mg/L和1278 mg/L。圖5(b)可見，進水COD濃度為1309mg/L的廢水，其有機物去除率呈現線性增加態勢；進水濃度為3312 mg/L和4098 mg/L的廢水，其有機物去除率在水力時間達到24 h后呈顯著增加趨勢，效果明顯變好；而進水COD濃度為2014 mg/L的廢水，其有機物去除率在不同的水力時間都表現出顯著增長的態勢。這說明30℃條件下UASB反應器對于處理COD濃度為2000 mg/L左右的廢水，效果要好于其它濃度水平。

2.3 討論

實驗中為能夠在UASB的啟動階段加快培養馴化，投加了適量的NaHCO3，改善了反應器內微生物的生存環境，發現這不僅有利于微生物消化分解有機物，而且加快了培養馴化；當加熱恒溫達到30℃時，更有利于微生物活性進一步提高；因此投加N、P，可提高微生物的生長速率。根據研究表明，N、P營養元素是厭氧反應器中必不可少的物質，一般C∶N∶P比為250∶6∶l時CODcr去除率較好[2]。

國內有文獻報道，UASB反應器在低溫狀況下，應延長水力停留時間來提高COD去除率；當溫度較高時，可選擇較小的水力停留時間，提高日處理污水量[4]。也有研究表明，相同容積負荷下，COD去除率隨溫度的升高相應提高。本次實驗中，污水的出水水質效果不太理想，分析其原因，可能為以下幾個方面：①污泥的培養還不夠成熟就開始實驗；②實驗過程中在污水有機負荷提高時，緩沖的時間不夠長；③實驗過程中在改變實驗溫度時，時間間隔較短；④UASB反應器的布水裝置不太好，建議增加一個三角錐形的布水裝置增加布水的均勻性；⑤實驗裝置的密閉性不太好，由于甲烷菌及其他厭氧菌為嚴格厭氧菌，受氧的影響較大。

3 結論

通過溫度和水力時間對進水COD濃度不同的廢水有機物去除率的影響實驗研究發現，溫度為20℃，水力時間為48h時，對COD濃度2317 mg/L的淀粉廢水有較好的處理效果。溫度為25℃，水力時間為48 h時，對2321 mg/L COD濃度的淀粉廢水有較好的處理效果。溫度30℃，水力時間為48 h時，可以對1000～4000 mg/L的淀粉廢水具有初步的有效處理。尤其是2000 mg/L COD濃度的淀粉廢水有較高的處理效果，可以達到70%以上的處理效率。這說明在20～30℃條件下，UASB反應器對于處理COD濃度為2000 mg/L左右的污水有機物去除效果較好，且隨著水力停留時間的增加而增加。

在溫度影響實驗中，從經濟角度考慮，20℃不需加熱最節約，但是處理效率較低；溫度較高時需要加熱，但是處理效率高，因此生產部門可以根據實驗數據指導實際生產，對溫度進行合理調整。