UASB工艺处理玉米淀粉废水研究报告

李 墨

（玉锋实业集团有限公司 河北邢台 055550）

1 工程背景

河北省邢台地区某玉米淀粉生产企业年产淀粉40×104t，每日废水排放量6500m3～7000m3。废水主要包括3个部分，即：玉米浸泡废水；管束蒸发冷凝水；离子交换柱再生排水。这些废水中残留少量的溶解性淀粉、蛋白、粗纤维、有机酸和糖类，成分复杂，控制运行难度较大[1]。

本工程采用上流式厌氧污泥床反应器（UASB）对废水进行生化处理，进一步降低COD，提高废水后续可生化处理能力，通过对流式厌氧污泥床反应器（UASB）启动、负荷提升和稳定运行的研究，确定最佳的运行工况；分析沼气产率的关键控制因子，寻找淀粉废水处理过程中资源化利用的途径。

2 材料与方法

2.1 废水水质

玉米淀粉废水经离心、浓缩分离麸质预处理后，废水水质各项指标如表1。

表1 试验水质

2.2 接种污泥

采用赵县兴柏淀粉糖业有限公司污水处理厂厌氧消化池污泥，MLSS为 35g·L-1。

2.3 实验药品

实验所用药品及试剂如表2所示。

表2 实验所用化学试剂

2.4 试验分析方法

根据《水和废水检测分析方法》（第五版）所列主要指标的测试方法，试验中的分析项目及测定方法如表3所示。

表3 分析项目及测定方法

2.5 主要仪器

实验用仪器如表4所示。

表4 实验用仪器一览表

2.6 主要设备

表5 UASB流程中主要设备一览表

3 玉米淀粉废水厌氧处理效果分析

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成[2]。高分子有机物先在微生物体外通过胞外酶加以分解为小分子有机物，然后这些小分子有机物通过细胞壁进入到细胞体内转化为更简单的化合物并分配到细胞外，主要产物有挥发性有机酸、醇类、乳酸、硫化氢、氨等；然后在产氢产乙酸细菌的作用下，有机酸被分解转化成乙酸和H2，最后产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐和H2等转化为甲烷[3]。微生物对废水水质非常敏感，因此厌氧的调试需要一定的时间来对污泥进行驯化，以适应废水的水质条件，本次调试共进行了85d，经历了启动培养期(l～35d运行日）、负荷提高阶段(36～70d运行日）、稳定运行阶段(71～85d运行日）三个阶段。

3.1 启动培养阶段

厌氧反应器（UASB）启动时采用某玉米淀粉企业厌氧沉淀池絮状污泥作为接种污泥，接种量为反应器有效容积的10%，加上10%新鲜猪粪，过筛后用泵均匀打进反应器内部各布泥点采用低有机浓度、高水力负荷、连续进料的培养模式。

启动培养阶段采用经离心、浓缩分离麸质预处理后的玉米淀粉废水，控制进料COD浓度1000～2000mg/L，控制进料流量15～20m3/h，控制厌氧反应器（UASB）罐温35℃左右，对所接种的厌氧污泥进行驯化，使其适应水质，初始水力停留时间(HRT）为3.0d，启动负荷为 0.48kgCOD·(m3·d）-1，然后逐渐增加进料量。在厌氧反应器启动初期厌氧污泥产气量低，罐内污泥多沉积在罐底，因此需用一定的水力负荷才能使使絮状污泥悬浮在厌氧反应器内，增加泥水接触面积，但厌氧絮状污泥沉降性能较差，也应注意避免因水力负荷过大导致厌氧污泥流失。第1～14d运行日，出水COD去除率60%，出水pH值稳定7.1，说明厌氧反应器接种污泥已经适应了废水的水质特征，启动正常可以继续培养，；第15～21d运行日，出水COD达到300mg·L-1左右，去除率逐渐稳定在70%左右。在第22～30d运行日，进一步提高进料流量，出水COD达到350mg·L-1左右，去除率逐渐稳定在80%左右。镜检反应器中部生物量明显增多，检测出水COD去除率稳定在80%左右，启动培养阶段完成。期间各运行参数变化情况如图1、图2所示。

图1 启动阶段中COD处理效果

图2 容积负荷与COD去除率关系

3.2 负荷提高阶段

采用水力负荷和有机负荷同步逐渐提高的方式来提高反应器的运行负荷，反应器容积负荷由0.72kgCOD·(m3·d）-1提高到3.2kgCOD·(m3·d）-1，负荷提高阶段的运行工况视反应器COD去除率和pH的状况而定，当COD去除率大于80%，pH大于7.0，并稳定运行3～5d，即可提高负荷，提升幅度为15%～20%。

通过对反应器内污泥进行镜检观察，发现了粒度约1mmd的颗粒污泥，污泥内微多为杆状菌和少量的球菌。经过25d的运行，容积负荷达到4.5kgCOD ·(m3·d）-1，水力停留时间达到25h，污泥逐渐适应了玉米淀粉废水的水质条件，有少量的细小的分散污泥洗出，主要原因是水的上流速度和逐渐产生的沼气，这有利于颗粒污泥的形成[4]。反应器表现出较高的去除效率，COD去除率保持在85%以上，出水COD逐渐在450mg·L-1左右。结果见图3和图4。

图3 COD处理效果

图4 容积负荷与COD去除率关系

3.3 稳定运行阶段

保证厌氧反应器出水水质满足后段好氧处理前提下，确定厌氧处理最经济、稳定运行工况。在15d的稳定运行期间，当反应器进料浓度为 5000mg·L-1～6500mg·L-1，运行负荷为 8kgCOD·(m3·d）-1，COD去除率达到90%以上时，出水COD浓度为450mg·L-1～500mg·L-1。

4 工艺关键控制因素优化

图5 UASB反应器构造示意图

上流式厌氧污泥床（UASB）处理废水的原理是废水均匀地从反应器底部进入，向上通过厌氧污泥床，在厌氧条件下产生沼气。废水的向上流动和大量沼气的上升对反应器内的颗粒污泥起到了良好的自然搅拌作用，引进颗粒污泥的扰动，使一部分污泥向上运动，在污泥床上方形成相对稀薄的污泥悬浮层[5]。在含有颗粒污泥的废水进入反应器上部三相分离区后，附着在颗粒污泥上的气泡撞击到三相分离器气体反射板，与污泥和废水发生分离，被收集在集气室内，释放气泡后的颗粒污泥由于重力作用沉淀到污泥层的表面，返回反应区，液体则经出水堰流出反应器[6]。上流式厌氧污泥床（UASB）涉及控制因素很多，本次重点考察容积负荷、水力停留时间、pH值等因素对系统处理效果的影响。反应器的构造如图5所示。

4.1 容积负荷对运行效果的影响

容积负荷是厌氧反应器重要的设计参数，它受水质条件和反应器构造的影响，在厌氧反应器的启动阶段，容积负荷与厌氧污泥的性状又密切相关，因此容积负荷反映的是厌氧反应器的运行工况。

由图6、图7表明反应器处理该废水的最优容积负荷为8.0kgCOD·(m3·d）-1。

图6 容积负荷与COD去除率关系

4.2 水力停留时间对运行效果的影响

在运行过程中，HRT由开始的66.0h减少到21.0h，COD容积负荷由 0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1。COD 去除率有下降趋势保持在85%左右。说明系统运行比较稳定，水力停留时间最优21.0h。

图7 HRT与COD去除率关系

4.3 进水pH值对运行效果的影响

玉米淀粉废水中含蛋白质和糖类较多，水解后pH会降低，但随着厌氧反应器内污泥对废水的逐渐适应，甲烷菌开始产气，消耗了有机酸；而废水中的溶解性蛋白也因为水解产生的氨使pH回升，因此反应器内料液含有NH3-NH4+和CO2-HCO3-的缓冲体系，只要厌氧微生物代谢正常，pH变化很小。但若进料pH过低，超过了厌氧反应器承受能力，首先将抑制产甲烷菌的活性，导致挥发性脂肪酸的积累，引起pH的持续降低，如果pH持续下降到5.0则厌氧反应器将停止对有机物的降解，反应器将酸败，若想恢复，则需要投加大量的碱，并从新开始启动[7]。

图8 进水pH值与出水pH值去除率关系

由图8可以看出，负荷提高阶段随着反应器容积负荷由0.48kgCOD·(m3·d）-1提高到 8.0kgCOD·(m3·d）-1，反应器出水 pH 始终控制在6.8以上。当缓慢降低进料pH时，出水pH下降并不明显，并且高于6.0，反应器产气良好，说明甲烷菌已经适应了玉米淀粉废水；当进料pH降至4.0时，出水pH降至6.5，并且COD去除率明显下降，有酸败趋势，调整进料pH到4.5经过5天的恢复期，出水COD逐渐回落到450mg·L-1左右，出水pH回升到6.5以上，表明厌氧反应器处理该废水的进料pH最优为4.5。

4.4 沼气综合利用

厌氧反应器（UASB）在处理废水的同时可产生沼气，沼气是高热值清洁能源，由经验数据得知，1m3沼气相当于1kg燃煤。

在厌氧反应器负荷提高阶段，容积负荷由4.2kgCOD·(m3·d）-1提高到8.0kgCOD·(m3·d）-1时，反应器产气量也逐渐增大，但在负荷调整前后3天，产气稍有波动，这与COD的去除率密切相关；当容积负荷由 8.0kgCOD·(m3·d）-1提高到 9.0kgCOD·(m3·d）-1时，产气量明显降低，出水COD明显升高，降低反应器的负荷后，产气逐渐正常。沼气资源利用项目将玉米淀粉废水中的COD转化成了CH4，稳定期厌氧反应器每日可产生沼气23000m3，供生活和工业（沼气锅炉）使用，沼气锅炉每小时产6t蒸气，送电厂汽轮机发电。可年可节约燃煤7500t，直接经济效益493万元，并具有明显的环境效益。

图9 容积负荷与沼气产率的关系

5 结语

流式厌氧污泥床反应器（UASB）处理淀粉废水，经过85d的调试，COD容积负荷达到8kg COD·(m3·d）-1时，出水COD达到450mg·L-1～500mg·L-1，COD 去除率达到 95%，沼气产率达到0.36L·kgCOD-1，系统运行稳定，确定出的工艺参数为：HRT21h；容积负荷：8.0kgCOD·(m3·d）-1；进料 pH 值控制在 4.5～5.5。关键控制点有：

5.1 每天应对进料的温度、pH值、COD及出水的COD、pH值、SS、VFA进行监测，防止因COD负荷的冲击引起污泥的流失或系统酸败。

5.2 若废水中含有不溶性悬浮物较多，需前置沉淀池以去除SS，控制厌氧进料悬浮物浓度小于1000mg/L。

5.3 UASB容积负荷直接影响沼气产率，为实现效益的最大化，控制厌氧反应器容积负荷在8.0kgCOD·(m3·d）-1左右。

[1]张庆茹.玉米淀类药物剂型研究进展.中国兽医寄生虫病,2004,12(1）:41-43.

[2]张群绸.仝攀瑞.高玉松.UASB工艺在处理淀粉废水中的应用[J].环境工程.2006(02）.

[3]廖鑫凯，李清彪，陈文谋，邓旭，卢英华，何宁.多阶段曝气SBR法处理淀粉废水[J].水处理技术,2005(10）.

[4]殷永泉,单文坡,纪霞,徐沛.淀粉废水处理方法综述[J].环境污染与防治,2005(08）.

[5]石宪奎,倪文,王凯军.EGSB处理玉米淀粉生产废水中试研究[J].环境工程,2005(01）.

[6]石宪奎,倪文,江翰.升流式厌氧污泥床反应器工程启动研究[J].环境污染与防治,2004(05）.

[7]谢昕,王荣民,宋鹏飞,王云普.淀粉工业废水处理现状[J].上海环境科学.2004(05）.