升流式厌氧污泥床(UASB)常温启动试验分析

晏欣茹 曹 斌 韩巧玲 任小朝

(1.西安陕鼓工程技术有限公司，陕西西安 710075;2.西安陕鼓节能服务科技有限公司，陕西西安 710075)

1974年Wageningen农业大学G..Lettingga教授等人通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床(UASB)反应器的雏型［1］。UASB反应器是近年来成为应用最为广泛的高效厌氧反应器，具有节约能耗和投资、回收能源、产生的剩余污泥少等优点，是一种可持续发展的污水处理技术，具有广阔的发展前景。目前，在南方地区UASB反应器被广泛的应用，且UASB高径比一般在1∶15，但在北方地区由于室外温差较大一些废水温度较低，启动及运行时需要加热增大了运行比成本，较大的高径比增大了投资成本［2-4］。针对这一高成本现象，笔者在设计反应器时降低高径比，运行时取消加热等方法，研究了在西北地区常温、昼夜温差较大、高径比较小的环境下UASB的启动运行状态，为UASB在北方地区的应用提供试验依据。

1 工艺流程及试验方法

1.1 工艺流程

工艺流程如图1所示，UASB反应器由有机玻璃制成，内径300mm，高为1000mmm(其中三项分离器高150mm，悬浮层及污泥区总高度为850mm)，高径比为3∶1，总有效容积为68L。废水经蠕动泵由反应器底部放空管注入，在顶部由十字出水堰出水。整个反应器放置在陕鼓污水处理研究中心厂房入口西侧处，温度随气温变化，当地早晚温差高达10℃左右。

1.2 试验用水

试验用水采用葡萄糖自配水，并按n(COD)∶n(N)∶n(P)=200∶5∶1，加入氯化铵、磷酸氢二钾、磷酸二氢钾，同时加入一定量的微量元素。根据运行情况及碱度加入一定量的碳酸氢钠或者碳酸钠以维持反应器内部的pH值在7左右(6.3～7.8之间)。试验用水配置完成后，水温在22～25.9℃。

图1 工艺流程

1.3 接种污泥

接种污泥来自临潼区污水处理厂厌氧消化污泥，接种量为20L，接种后，UASB反应器内的平均污泥浓度:SS=19.16g/l，VSS=14.78g/l(按反应器总体积计算)。

1.4 分析项目

COD测定采用5B-3F型快速测定仪;pH采用pHS-3C精密pH计;碱度采用标准酸式滴定法，以酚酞和甲基橙作为指示剂，结果以 mgCaCO3/L;悬浮固体(SS)采用标准重量法;NH3-N测定采用752型紫外可见分光光度计;BOD5测定采用哈希BODTrakTM测量仪，生物培养箱采用LRH-150F型号。

2 试验结果及讨论

根据UASB反应器的运行情况，将小试试验过程分为以下七个阶段:(1)启动初期(1～28d):有机负荷0.4kgcod/(m3·d)，0% ＜有机物降解率＜20%;(2)启动第二期(29～43d):有机负荷1.14kgcod/(m3·d)，20%＜有机物降解率 ＜50%;(3)启动第三期(44～59d):有机负荷1.6 kgcod/(m3·d)，有机物降解率为65%左右;(4)启动第四期(60～74d):有机负荷3.22kgcod/(m3·d))，有机物降解率为69%左右;(5)启动第五期(75～89d):有机负荷5.36 kgcod/(m3·d)，有机物降解率为72%左右;(6)启动第六期(90～104d):有机负荷9.39kgcod/(m3·d)，有机物降解率为75%左右;(7)启动第七期(105～119d):有机负荷13.41kgcod/(m3·d)，有机物降解率为78%左右;在整个运行过程中，UASB反应器COD浓度及去除率变化情况如图2所示。

图2 COD去除效果

2.1 UASB启动运行过程及讨论

反应器设计制作完成，经过试水检验后，将接种污泥分批加入反应器。

启动初期:控制进水COD在400mg/l左右，进水流量为3.6l/h，水力停留时间为19h，容积负荷为0.4 kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在21℃左右。起初，因为进水流量小，接种污泥沉积在反应器底部，并无上浮现象。运行5天之后，发现有一些污泥上浮的现象，之后又发现反应器器壁内侧污泥间夹杂些许小气泡，并会向上逃逸引起污泥上浮，取反应区水样后发现有恶臭。再经过6天的运行后，COD去除率仅为4%左右，挥发性脂肪酸(VFA)为42.4mmol/L，且反应区pH值在7左右(6.3～7.8之间)。这表明反应器已经开始适应接种污泥并有所反应。再经过17天的运行后，COD去除率稳定在18%左右。

启动第二期:控制进水COD在600mg/L左右，提升进水流量为5.4l/h，水力停留时间为13h，容积负荷为1.14kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在23℃左右。沉淀区气泡量明显增加，污泥上浮至反应区的现象更加频繁。经过15天运行后，COD去除率稳定在47%左右，VFA为85.9mmol/L，且反应区pH值在7左右(6.3～7.8之间)。

启动第三期:控制进水COD在600mg/L左右，提升进水流量为7.6L/h，水力停留时间为9h，容积负荷为1.6 kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在22～26℃。污泥絮体进入反应区，整个反应器成污泥黑色状，并逐渐有一部分污泥絮体被洗出。经过16天运行后，COD去除率稳定在65%左右，VFA为85.9mmol/L，且反应区 pH 值在 7 左右(6.3 ～7.8 之间)。

启动第四期:进水COD浓度提升到1200mg/L左右，进水流量增大到22.8L/h，进水2.5h后新浓度废水便可充满反应器。尔后，保持进水流量为7.6l/h连续进水，水力停留时间为9h，容积负荷为3.22kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在24.2～27℃。COD去除率上升到70.66%，随后逐渐下降到63.95%，反应区pH值由7.21下降到6.56，最后达到稳定状态。经过15天稳定运行后，运行COD去除率达到69%左右。

启动第五期:进水COD浓度提升到2000mg/L左右，进水流量增大到22.8L/h，进水2.5h后新浓度废水便可充满反应器。尔后，保持进水流量为7.6L/h连续进水，水力停留时间为9h，容积负荷为5.36kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在24～26℃。COD去除率上升到74.18%，随后逐渐下降到63.19%，反应区pH值由7.09下降到6.49，最后达到稳定状态。取样口取样后发现反应区有细小的污泥颗粒出现。在稳定运行15天后，运行COD去除率达到72%左右。

启动第六期:进水COD浓度提升到3500mg/L左右，进水流量增大到22.8L/h，进水2.5h后新浓度废水便可充满反应器。尔后，保持进水流量为7.6l/h连续进水，水力停留时间为9h，容积负荷为9.39kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在27～29℃。COD去除率上升到76.92%，随后逐渐下降到71.13%，反应区pH值由6.92下降到6.35，最后达到稳定状态。反应区产生更多的细小污泥颗粒出现。经过15天稳定运行后，运行COD去除率达到75%左右。

启动第七期:进水COD浓度提升到5000mg/L左右，进水流量增大到22.8L/h，进水2.5h后新浓度废水便可充满反应器。尔后，保持进水流量为7.6L/h连续进水，水力停留时间为9h，容积负荷为13.41kgcod/(m3·d)。在环境温度影响下，反应器反应区温度在24～26℃。COD去除率上升到79.5%，随后逐渐下降到70.51%，反应区pH值由6.92下降到6.15，最后达到稳定状态。在稳定运行15天后，反应区开始有大量细小污泥颗粒出现，粒径大约在0.5～1mm。此时，运行COD去除率达到78%左右。

2.2 反应期内污泥的变化情况

在COD浓度提升到2000mg/L运行后，取反应区取样口观察，发现污泥与接种污泥相比，发生了一些变化。接种的絮状污泥中肉眼可见细小颗粒污泥，形状类似细沙，呈不规则黑色球形，粒径在0.2mm左右。在COD浓度提升到5000mg/L运行后，颗粒污泥粒径在0.5～1mm。由于环境温度将继续下降，不利于试验继续进行，所以在出现污泥颗粒化稳定运行44天后停止了试验。

2.3 UASB反应器小试装置设计讨论

UASB反应器高径比为3∶1，运行中出现污泥随出水大量流失的现象，不利于具有活性的污泥保留，从而降低了处理效率，也不利于增加流量，否则污泥流失更加严重。但是增加回流装置后，解决了污泥流失带来污泥减少进而影响反应器稳定运行的问题。所以，高径比大小会在一定程度上影响到UASB反应器稳定运行。

三相分离器和布水器是UASB反应器的核心构件。所设计的三相分离器出现气泡直接从三相分离器边缘溢出。经分析其主要原因是:反应器直径太小，三项分离器的布置受限，导致上下三相分离器重叠的部分有些偏小所致。

试验初期，布水器采用穿孔布水管，在水量小的时候，会出现污泥堵塞布水管的现象，小试时遂采用底部放空管直接进水，可改善布水情况。

3 结论

目前在我国南方地区UASB反应器被广泛的应用，且UASB高径比一般在1:15，但在北方地区由于室外温差较大一些废水温度较低，启动及运行时需要加热增大了运行比成本，较大的高径比增大了投资成本。针对这一高成本现象，笔者在设计反应器时降低高径比，运行时取消加热等方法，研究了在西北地区常温、昼夜温差较大、高径比较小的环境下UASB的启动运行状态，为UASB在北方地区的应用提供试验依据。研究主要得出如下结论:

(1)在环境温度为21～34℃及早晚温差在10℃左右的情况下，以低浓度(COD=600mg/l)启动UASB，并逐渐提高或调整进水COD浓度和进水流量。通过试验观察每当COD去除率达到一定值，并稳定15天左右，出水pH值保证在7左右(6.3～7.8之间)时，逐步提升负荷，经过119天的运行出现了颗粒污泥迹象，并且运行稳定。

(2)运行中形成黑色细沙状的颗粒污泥，粒径部分在0.5～1mm。

(3)在环境温度为21～34℃及早晚温差在10℃左右的情况下，COD去除率可达78%左右。

(4)UASB小试试验设计时，高径比为3∶1，增加回流后可以解决污泥流失带来的影响，保证反应器稳定的去除效率。

［1］王凯军，左剑恶，等.UASB工艺的理论与工程实践［M］.北京:中国环境科学出版社，2000.

［2］胡纪萃，周孟津，左剑恶，等.废水厌氧生物处理理论与技术［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003，1-12.

［3］于兴，付金祥，孙文章.UASB启动的试验研究［J］.辽宁化工，2006，35(1):18-19.

［4］傅金祥，宋奇，李璐.温度对常温UASB运行的影响［J］.沈阳建筑大学学报(自然科学版)，2007，23(6):990-993.