UASB啟動及厭氧氨化作用研究

劉 興

(栗田工業(yè)(蘇州)水處理有限公司，江蘇 蘇州 215122)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及工業(yè)化進程的加快，各種化工廢水、印染廢水、制藥廢水以及生活污水、養(yǎng)殖廢水等大量排放，多種形態(tài)的含氮污染物隨之進入水環(huán)境，造成了嚴重的水體污染和生態(tài)破壞[1-2]。隨著太湖藍藻事件的發(fā)生，中國環(huán)境關(guān)注的焦點由有機污染物轉(zhuǎn)向了氮及磷污染方面，并近一步促使廢水排放標準的提高[3]。目前，含氮有機污染物的排放以及有機氮去除效率不高等成為污水廠出水總氮難以達標的主要影響因素。尤其是出水對總氮的要求，使水中有機氮的去除受到了越來越多的重視[4]。

氨綸，學名聚氨基甲酸酯彈性纖維，其生產(chǎn)廢水主要污染為DMAC，具有高有機氮、成分復(fù)雜、水質(zhì)水量波動大等特點。當污染物進入廢水系統(tǒng)，有機氮發(fā)生生物氧化，分解為NH3-N，而造成污水排放氨氮超標，氨綸廢水降有機氮的轉(zhuǎn)化及氨氮處理是該類廢水處理的難點和重點[5-6]。

本文以某氨綸企業(yè)廢水處理工藝中的厭氧反應(yīng)器為研究對象，對其在整個處理系統(tǒng)運行中所具有的厭氧氨化作用進行詳細分析和總結(jié)。

1 工藝流程

某氨綸生產(chǎn)企業(yè)廢水處理工藝流程見圖1。

圖1 廢水處理工藝流程

由于氨綸生產(chǎn)廢水種類多，因此根據(jù)廢水水質(zhì)情況首先在綜合調(diào)節(jié)池，之后由提升泵將廢水提升至水解酸化池。水解酸化是一種介于好氧和厭氧之間的方法，可以將難降解的有機物轉(zhuǎn)化為易生物降解的小分子物質(zhì)，從而提高廢水生化性，縮短處理時間并提高處理效果[7]。水解酸化池出水自流進入中間水池，該池內(nèi)設(shè)有蒸汽加熱系統(tǒng)，將廢水溫度控制在35 ℃左右，以利于厭氧系統(tǒng)的運行。中間水池內(nèi)廢水由提升泵提升進入UASB。在厭氧條件下，廢水中的有機氮經(jīng)厭氧氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，使氨氮濃度上升，同時去除大部分有機物[8]。經(jīng)過UASB處理過的廢水進入AO生化系統(tǒng)，通過混合液回流及污泥回流，利用系統(tǒng)內(nèi)硝化及反硝化細菌去除廢水中的氨氮，之后廢水經(jīng)過二沉池泥水分離后進入反硝化濾池，進一步確保氨氮穩(wěn)定達標。廢水經(jīng)過處理后，最終出水達到國家GB8978-1996污水綜合排放標準一級標準要求。UASB進水水質(zhì)見表1。

表1 UASB進水水質(zhì)

其中，UASB有效反應(yīng)容積277 m3，容積負荷2.3 kg COD/(m3·d)，運行進水量300 m3/d，HRT約為22 h。

2 UASB的啟動

厭氧氨化是一個多種群微生物協(xié)同作用、共同實現(xiàn)復(fù)雜有機化合物鏈式降解及有機氮氨化反應(yīng)的過程。氨綸廢水中的氮素主要以有機氮DMAC和氨氮形式存在，因此高效的厭氧氨化作用是后續(xù)A/O脫氮工藝的保障[9]。

為了使系統(tǒng)盡快啟動，采用接種污泥法。UASB接種污泥為嘉興市某污水廠脫水后的消化污泥，含水率在80%左右，接種量約為80 m3。直接用處理廢水對接種污泥進行培養(yǎng)、馴化。首先采用低濃度的氨綸廢水對污泥進行活化，使污泥適應(yīng)廢水水質(zhì)，采用低負荷啟動，以確保生長緩慢的微生物不會過負荷，促進絮狀、顆粒狀污泥生長[10]。由于項目的特殊性，原水水質(zhì)較穩(wěn)定且廢水濃度調(diào)節(jié)有困難，因此之后通過控制進水量逐步提高進水負荷。UASB啟動過程中的進水負荷參數(shù)見表2。

表2 UASB啟動過程中進水負荷

在調(diào)試運行過程中，控制pH在7～8，水溫30～35 ℃范圍內(nèi)，每天取樣檢測UASB進出水水質(zhì)情況，當出水各項指標符合以下條件：COD去除率>60%，氨氮轉(zhuǎn)化率>90%，產(chǎn)氣狀況良好，并且穩(wěn)定運行1周，則從第二周開始按照表2的方案提高負荷，直至UASB達到設(shè)計負荷。在啟動初期，為了提高污泥的生長速率，縮短啟動時間，向UASB內(nèi)投加葡萄糖等營養(yǎng)元素，同時開啟內(nèi)循環(huán)泵，控制厭氧池內(nèi)上升流速在0.5 m/h，以便系統(tǒng)內(nèi)污泥同廢水充分混合。

3 運行效果分析

3.1 COD去除效果

UASB反應(yīng)器正式進水后，每天取中間水池內(nèi)廢水及厭氧出水進行檢測分析。UASB反應(yīng)器進出水COD濃度及COD去除率的變化如圖2所示。

圖2 UASB進出水COD濃度變化

由于新接種的污泥還未完全適應(yīng)新的廢水水質(zhì)，因此系統(tǒng)開始啟動時采取低負荷進水。第1周進水流量5 m3/h，由于負荷較低，且厭氧污泥還處于適應(yīng)階段，因此開始對COD的去除率較低，但呈直線上升階段。到第3天，COD去除率達到80%以上，系統(tǒng)開始產(chǎn)氣，說明厭氧微生物已經(jīng)開始增殖，已經(jīng)適應(yīng)了氨綸廢水的水質(zhì)，到第5天，COD去除率達到95%以上，且產(chǎn)氣量很大，開始逐步提高負荷。隨著進水流量的提高，對有機物的去除率均是出現(xiàn)先下降再回升的波動，但COD去除率基本維持在70%以上，說明UASB反應(yīng)器具有一定的抗沖擊負荷能力。

在系統(tǒng)啟動運行的第7周，COD去除率從82%逐步下降到60%左右，且厭氧池頂部出現(xiàn)跑泥現(xiàn)象。經(jīng)分析系統(tǒng)在第7周，系統(tǒng)進水量達到300 m3/d，流量的增大，對系統(tǒng)造成了一定的沖擊。廢水在反應(yīng)器內(nèi)HRT為22 h，反應(yīng)停留時間減少，且在高氨氮的條件下，有機物的去除效果受到很大影響，但產(chǎn)氣量正常。持續(xù)運行觀察一段時間后，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

經(jīng)過8周的提負荷運行，系統(tǒng)進水負荷達到2.3 kgCOD/(m3·d)，COD去除率穩(wěn)定在60%以上，厭氧系統(tǒng)啟動完成。由調(diào)試結(jié)果可看出，系統(tǒng)停留時間對COD的去除具有較大影響。

3.2 厭氧氨化效果

雖然部分研究認為污水氨化作用并非處理限值因素，但對于氨綸廢水處理工程，厭氧氨化池作為該工藝的核心，其良好的氨化反應(yīng)是后續(xù)脫氮過程的前提和保證[11]。

圖3 UASB進出水氨氮濃度變化

由圖3可知，調(diào)試啟動期間，UASB進水氨氮濃度基本維持在100～150 mg/L范圍，出水中氨氮濃度比進水的濃度有大幅度提高，這是因為氨綸廢水中含有DMAC、DMF，經(jīng)過厭氧氨化菌的作用將有機氮轉(zhuǎn)化為氨氮[12]。

系統(tǒng)采用生活污水處理廠的硝化污泥，其中含有的硝化及反硝化細菌，為系統(tǒng)的快速啟動提供了條件。自啟動初期，系統(tǒng)便有較高的氨化率，且氨化效果穩(wěn)定，隨著進水流量的提高，對有機氮的氨化效果同樣出現(xiàn)先下降再回升的波動，但出水氨氮始終維持在350左右，說明系統(tǒng)氨化反應(yīng)并未受到進水條件的太大影響。反應(yīng)器在系統(tǒng)啟動運行的第7周，為了減小后續(xù)系統(tǒng)的脫氮壓力，對企業(yè)車間排水進行了優(yōu)化，降低了一股濃水的排入量，控制廢水總氮在300 mg/L以下，因此，廢水經(jīng)過厭氧氨化反應(yīng)后，出水氨氮維持在250 mg/L左右，為最終排水的氨氮達標提供了保證。

4 結(jié) 論

(1)氨綸廢水主要污染物為DMAC，具有高COD、高TN的特點，而TN主要以有機氮形式存在，因此該廢水在厭氧條件下，有機氮經(jīng)厭氧氨化作用會轉(zhuǎn)化為氨氮，使出水氨氮濃度升高；

(2)UASB啟動過程中，控制進水pH為中性，水溫35 ℃，在反應(yīng)器出水COD、氨化效果及產(chǎn)氣等指標正常并且穩(wěn)定運行1周基礎(chǔ)上，按計劃逐步提高進水負荷，直至UASB達到滿負荷運行；

(3)歷經(jīng)8周的啟動，UASB進水負荷達到2.3 kgCOD/(m3·d)。在廢水停留時間22 h的條件下，COD去除率穩(wěn)定在60%以上，不僅具有良好的COD去除率，且為后續(xù)反硝化保留了優(yōu)質(zhì)碳源；

(4)自UASB啟動之初，系統(tǒng)便具有良好的氨化效果，說明該UASB具有足夠的氨化反應(yīng)時間。經(jīng)過厭氧氨化作用，UASB出水氨氮維持在250 mg/L左右，氨化較徹底，為后續(xù)脫氮提供了保證。