UASB處理技術在化工企業廢水處理中的重要作用

郭偉壽

（廣東廣深環保科技股份有限公司，廣東 廣州 510663）

引言

根據相關研究可知，UASB處理技術能夠有效降解有機大分子物質，且該技術應用范圍較廣，具備較強的適應性，其與好氧處理技術相比，不僅能夠節省大量電能，還不會產生大量污泥，而且經該技術處理后的污泥可以循環利用。所以，UASB處理技術具有較高的應用價值，值得相關行業人員展開深入研究。基于此，本文重點探究UASB處理技術在化工企業廢水處理中的應用效果。

1 UASB處理技術概述

1.1 UASB處理技術的原理

UASB反應器的上部、下部分別為三相分離區和反應區，廢水經過下部區域的水利分布器后會在四周均勻分布，然后向上流入厭氧污泥床，與顆粒污泥充分接觸，并發生分解反應，使大分子物質生成小分子物質，同時形成不同的氣體。隨著氣體氣泡的不斷上升，可以對部分污泥產生升力，最終進入上部的三相分離區，從而將固體、液體、氣體進行分離。污泥在上升過程中會充分接觸廢水，并降解其中的有機物，然后逐漸向底部沉降，所以在應用UASB反應器時，需要定期排出底部的污泥。

UASB處理技術的原理如下：第一，通過污泥沉淀區為厭氧顆粒自循環提供保障；第二，循環后到達反應區，以平衡顆粒污泥，使污泥損失減小；第三，創造顆粒污泥絮凝條件、沉降條件，以確保厭氧消化污泥沉降能力良好；第四，通過厭氧污泥床為微生物創造良好的生長環境，使系統具有較強的抗干擾能力。

1.2 UASB處理技術的優勢

UASB技術具有較多的應用優勢，其中包括工藝穩定性較高；顆粒污泥對廢水的降解能力較強；污泥床無需填料，因而可節約成本；UASB反應裝置的占地面積較小；裝置運行過程簡單，不會造成污染；可以降解難降解的大分子物質；三相分離器的分離效率較高；具有良好的生態性、經濟性等。

2 UASB處理技術在化工企業廢水處理中的應用研究

2.1 實驗廢水及處理方式

本研究主要選取化工企業預處理后的混合水樣作為實驗廢水。實驗廢水的相關水質指標為：pH值7～8；COD值4 520～5 940 mg/L；氨氮含量30～40 mg/L；SS值50～60 mg/L。本研究使用的儀器、設備包括pH計、電子天平、加熱器、恒流泵、恒溫水浴鍋、氣流烘干器、鼓風干燥箱、磁力加熱攪拌器以及紫外分光光度計等。本研究主要運用pH計測定實驗廢水的pH指標，采用微波消解法測定實驗廢水的COD指標，采用納氏試劑比色法測定實驗廢水的氨氮含量指標，采用烘干稱重法測定實驗廢水的SS指標[1]。

本研究應用的UASB反應器由頂部、中部、底部組成，其中頂部設有三相分離器，用于分離氣體、固體和液體；中部為污泥懸浮層；底部為污泥沉降床和水利分布器。UASB反應器主體部分為圓柱形，裝置高度、外直徑、總容積分別為1.2 m、50 mm、8 L，裝置材質主要為有機玻璃，底部設有蠕動泵，其作用在于將原水打入反應器中，底部水利分布器的作用在于均勻布水。由于實驗受反應溫度的影響較大，所以采取保溫措施處理裝置外部的筒體，在筒體外使用金屬伴熱絲帶纏繞，實現均勻伴熱，控制裝置內部的溫度始終保持在35 ℃左右。頂部除三相分離器外，還設有氣體收集裝置，其作用在于及時收集所產生的甲烷氣體，并采用燃燒方式利用甲烷氣體，同時為了防止甲烷氣體積累過多發生危險，需要工作人員定期處理收集裝置。

2.2 UASB反應裝置的啟動

研究UASB反應裝置啟動過程包括初次啟動和再次啟動兩個環節。通過初次啟動，培養、馴化接種的污泥，使污泥顆粒化。由于厭氧消化過程中會緩慢產生甲烷菌而延長裝置的啟動時間，所以在裝置穩定運行后，可以通過再次啟動縮短時長。對于顆粒污泥采用剩余污泥或部分活性污泥的情況，就需要再次啟動，通常情況下，應用再次啟動的調試形式，經過30天左右即可與初次啟動的效果相一致。在裝置啟動階段，為了防止過多絮狀污泥對顆粒污泥的形成造成影響，需確保顆粒較小的污泥能被水沖刷排出，并使顆粒較大的污泥在底部沉降，進而形成顆粒污泥。

在研究UASB反應裝置啟動時需要注意以下幾點：第一，啟動時應先提高實驗廢水的有機負荷和水力負荷，其中，有機負荷提高幅度應在50%以下；第二，進水時對進水濃度進行控制，使其處于500～1 000 mg/L范圍內，避免濃度過低或濃度過高，因為進水濃度過低會影響顆粒污泥的形成，而濃度過高會對反應器產生較大沖擊；第三，當進水COD值較高時要將其經過稀釋后再開始進水，以防止負荷升高過快而影響馴化；第四，在懸浮物含量較高時要采取預處理手段進行處理，如沉降、氣浮等，以降低懸浮物的含量，避免阻礙顆粒污泥的形成；第五，對反應器內部的pH值進行控制，使pH值保持在6～8的范圍內；第六，污泥采取非循環使用方式[2]。

2.2.1 啟動方案

在污泥培養、馴化過程中，通常采用同步、異步兩種方法，本研究主要選擇同步法。所謂同步法，指的是將適量廢水加入反應器中，使細菌在生長繁殖的同時能夠逐漸形成對廢水的適應能力。在試驗開始時，為了加快顆粒污泥的形成速度，需要工作人員對反應器內的反應條件進行重點控制，其中，pH值控制在6～8；通過恒溫水浴調節可以將溫度控制在35 ℃左右；通過投加小蘇打將堿度控制在1 000～1 200 mg/L；通過投加營養鹽將碳、氮、磷的比例控制在250∶5∶1；SS控制在50 mg/L以下。在實驗開始初期，廢水的COD值大約為500 mg/L，然后將廢水濃度逐漸提高，在實驗裝置運行趨于穩定后，將水力負荷緩慢提高到6 000 mg/L，并對出水水質進行觀察，如果水質無變化則減小HRT、加大容積負荷后繼續觀察，如果水質依然無變化，證明裝置已經成功啟動，進而可以研究裝置運行的最佳條件。

2.2.2 污泥接種和進水

本研究選擇污水處理廠的顆粒狀剩余污泥作為接種污泥，污泥的厭氧污泥特性指標為：SS值為23；VSS值為17；VSS/SS為73.9%，同時，利用預處理后的廢水作為啟動廢水。在污泥接種初期，微生物要逐漸適應底物，持續運行30天后，裝置中尚未產生氣體，內部細菌生長繁殖將原有底物消耗掉并生成自身所需的物質，此時COD去除率小于50%，在運行到23天時，UASB容積負荷大約為1.5 kg/m3·d，這意味著微生物已經對廢水產生良好的適應性，COD去除率也有所提高，大約為60%。判斷反應裝置運行情況的關鍵在于可以分析可揮發性脂肪酸和SS參數的變化，通過數據檢測發現，可揮發性脂肪酸和SS值處于緩慢增加趨勢，這說明微生物逐漸適應廢水的環境并開始進行生長和繁殖。

經過前階段馴化后進入接種污泥形成期，這一時期負荷逐漸加大，此時反應器中的小顆粒污泥被淘汰，而留下大顆粒污泥，使厭氧細菌處于良好的生長繁殖狀態，而且數量越來越多，開始產生少量氣體。當裝置運行到46天時，UASB容積負荷從原來的1.5 kg/ m3·d上提到1.8 kg/ m3·d，而且氣體產生量明顯增多，反應器底部開始出現顆粒污泥，經測定污泥顆粒直徑約為1 mm。當裝置運行到60天時，進水COD和UASB容積負荷分別為4 420 mg/L左右和1.84 kg/ m3·d左右，污泥顆粒相比之前增大，SS值減小，可揮發性脂肪酸先增加，然后再降低，這說明產酸細菌的數量增多，而且產甲烷細菌開始對可揮發性脂肪酸進行分解，通過馴化淘汰了其中的小顆粒污泥，所以SS值逐漸降低[3]。

隨著時間的推移，進入接種污泥成熟期。當裝置運行到80天后，經測定UASB的容積負荷約為3.1 kg/m3·d，此時產生了大量氣體，反應區約有80%的污泥顆粒直徑超過0.8 mm，污泥平均濃度、密度分別為15.2 gSS/L、1 130 g/L，VSS/SS為0.7左右。這一時期的廢水中通過可揮發性脂肪酸合并分解，致使UASB容積負荷加大，此時COD的去除率約為75%。監測可揮發性脂肪酸的變化可知，其數值起初快速降低到390 mg/L，然后保持這一數值不變，這說明產酸細菌和產甲烷細菌的數量趨于平衡，體系運行相對穩定。在這種狀態下，反應器中的廢水可以通過厭氧細菌進行有效處理，而且廢水處理效果達到了預期的要求。

2.3 COD去除率的影響因素

2.3.1 水力停留時間

在本次試驗中，COD的去除受水力停留時間的影響較大。在水力停留時間較長的情況下，活性污泥與廢水接觸時間較多，因而能夠得到充分反應并將廢水中的污染物去除，而在水力停留時間較短的情況下，活性污泥與廢水接觸時間較短，所以無法得到充分反應，因而導致廢水污染物的去除率較低，使出水水質下降。

在這一過程中，上升水流速度也會影響有機物的降解過程。在上升水流速度較快的情況下，會沖走顆粒污泥，致使污泥難以與污染物充分接觸而減小去除率，而在上升水流速度較慢的情況下，又會導致水斷流。所以為了保證COD去除率，工作人員要合理控制水力停留時間以及上升水流速度。另外，控制實驗裝置的反應條件分別為：pH值6～8；溫度35 ℃；堿度1 100 mg/L；進水COD濃度5 500 mg/L，對不同水力停留時間下的COD去除率進行測定。其中，在水力停留時間為12 h時，COD的去除率為60%左右，此時甲烷化尚未完成；在水力停留時間為18 h時，COD的去除率為70%左右，此時出水指標有所下降，證明甲烷化已經逐漸完成；在水力停留時間為24 h時，COD去除率約為75%；然后隨著水力停留時間的增加，COD去除率不再明顯上升，所以綜合分析可知，去除廢水中COD的最佳水力停留時間為24 h。

2.3.2 溫度

通常而言，在不同溫度下進行厭氧反應會有不同厭氧細菌產生。通過研究發現，厭氧細菌新陳代謝受溫度影響較大，在處于35～40 ℃范圍時厭氧細菌最具有活性，如果溫度過低，會導致厭氧細菌失活，如果溫度過高，又會使厭氧細菌的蛋白質變性，不僅沒有處理效果，還會造成COD值的增大。控制實驗裝置的反應條件分別為：pH值為6～8；堿度為1 100 mg/L；進水COD濃度為5 500 mg/L；水力停留時間為24 h，對不同溫度條件下的COD去除率進行測定，在溫度為20 ℃時，COD去除率約為45%；在溫度為30 ℃時，COD去除率約為70%，上升明顯；在溫度為35 ℃時，COD去除率約為75%；在溫度為40 ℃時，COD去除率不再明顯上升，所以綜合以上分析可知，厭氧反應的最佳溫度為35 ℃。

2.3.3 堿度

裝置內堿度越高，則pH值越大，最終會造成體系失去平衡，影響微生物的生長。所以控制試驗裝置反應條件分別為：pH值6～8；溫度為35 ℃；水力停留時間為24 h；進水COD濃度為5 500 mg/L，對不同堿度條件下的COD去除率進行測定。當堿度小于1 000 mg/L時，COD去除率較低，此時會抑制甲烷菌的生長；當堿度為1 100 mg/L左右時，COD的去除率基本穩定，此時氣體產生量較大；在堿度大于1 200 mg/L時，COD的去除率依然較低，這是由于堿度過高會影響產酸菌的生長，使甲烷菌和產酸菌失去平衡，因而無法進行充分的厭氧反應，所以綜合以上分析可知，當裝置內的最佳堿度控制在1 100 mg/L左右[4]時，COD去除率最高。

2.3.4 pH值

裝置內pH值的變化也會直接影響COD的去除率。在pH值偏低的情況下，微生物生長會受到干擾，致使微生物無法正常吸收營養，同時，生物酶的活性也會隨著pH值的變化而變化，可能導致微生物代謝失常，而且pH值的高低變化還會降低微生物的抗高溫能力。控制試驗裝置反應條件分別為：溫度35 ℃；水力停留時間24 h；進水COD濃度為5 500 mg/L；堿度為1 100 mg/L，對不同pH值條件下的COD去除率進行測定。當pH值處于6～8范圍內時，COD去除率的變化不明顯，但COD去除率在pH值為7的情況下最高，約為75%，所以通過上述綜合分析可知，裝置內最佳pH值為7時，COD去除率最高。

2.3.5 進水濃度

有機負荷能夠對顆粒污泥的形成、污泥活性等產生影響，所以合理加大有機負荷可以為顆粒污泥的形成產生促進作用，并使污泥的活性增強，進而提高COD去除率。通過厭氧消化反應原理可知，在有機負荷較高的情況下會出現甲烷化，并產生酸化反應，導致體系失去平衡，所以在UASB反應器設計中，工作人員應重點考慮有機負荷這一參數。控制試驗裝置反應條件分別為：pH值6～8；溫度35 ℃；水力停留時間24 h；堿度1 100 mg/L，對不同進水濃度條件下的COD去除率進行測定。當進水濃度低于2 000 mg/L時，COD去除率并未隨著進水濃度的增加而提高，其原因在于初期進水濃度較低，所含有的營養物質較少，因而微生物的作用難以得到充分發揮；當進水濃度為3 000 mg/L左右時，COD的去除率逐漸提高；在進水濃度約為6 000 mg/L時，COD去除率為75%左右，然后繼續增加進水濃度，COD去除率開始由75%逐漸降低，這說明在反應器容積不變的條件下，進水濃度增加后，顆粒污泥量越來越多，在顆粒污泥濃度越來越高的狀態下，污泥活性反而變得越來越低，這是因為可揮發性脂肪酸的不斷積累，會使產酸菌和甲烷菌失去平衡，最終影響污泥的活性。所以通過以上的綜合分析可知，最佳進水濃度值應為6 000 mg/L左右[5]。

3 結論

本研究對UASB處理技術在化工企業廢水處理中應用的有效性進行了全面驗證，并明確了UASB反應器的最佳工藝操作條件：溫度約為35 ℃；pH值約為7；水力停留時間為2 h；堿度約為1 100 mg/L；進水濃度約為6 000 mg/L。在最佳工藝操作條件下利用UASB處理技術處理化工企業廢水，其COD去除率能夠達到我國標準要求，約為75%。但在UASB處理技術的實際應用過程中，相關行業人員還應結合反應器的實際情況，深入研究該技術的應用條件，以達到理想的廢水處理效果。