UASB处理淀粉废水启动特性及污泥颗粒化形成研究

梁 晶

（南京科技职业学院 应用化学系，江苏 南京 210048）

UASB 反应器是一种工艺成熟、应用广泛的厌氧生物反应器，具有投资少、运行和维修费用低、产生污泥量少等优点，因此废水中处理中的应用非常广泛。公开的UASB处理淀粉废水的文献很多，但这些文献大都关注处理指标的效果，却很少有关注到UASB对淀粉废水的启动特性和关键的颗粒化污泥形成过程[1-5]，因此本文基于UASB处理某玉米淀粉厂废水的中试试验，初步研究对该废水的UASB启动特性及其颗粒化污泥形成过程。

1 实验材料和方法

1.1 实验用水

试验用水取自某玉米淀粉厂所排废水，具体的水质指标如表1所示：

表1 试验原水水质

1.2 实验装置

实验采用一个钢制UASB反应器，实验装置见图1。反应区内径为200mm，高为6.5m，反应器总有效体积为204L；设回流系统，沿反应器高度设取样口18个；在1m到4m处装有视镜。进水采用电自控加热，设定温度为35℃。泵为普罗名特机械隔膜计量泵，所产生的沼气通过水封后由湿式气体流量计计量（LM1-0.5m3/h）。

图1 实验装置示意

1.3 接种污泥

反应器采用的接种污泥取自某城市污水处理厂厌氧消化污泥，经80目筛分以上的接种污泥量：7.5gvss/l. 含水率76.5%，VSS/SS:51.5%；为保证污泥中微生物的正常代谢，加入适当的微量元素（Fe=1.0mg/l, Co=0.1mg/l, Mo=0.05mg/l, Ni=0.2mg/l）。

1.4 分析项目和方法

COD 及pH 均采用国标法测定[6]；VFA采用气相色谱法测定；采用BT-9300H型激光粒度分析仪测定污泥粒径分布；同时采用光学显微镜观察污泥形态；XL30TMP 型扫描电镜( 荷兰PHILIPS 公司)观测大颗粒污泥的内部结构。

2 反应器的启动特性

原水加满反应器后，进行循环,反应器的表面上升流速为0.3m/h，水温保持在为30℃。经过一天的循环后，反应器底部能够观察到底部有小气泡产生。循环结束后开始采用连续进水方式，启动负荷为0.5KgCOD/m3.d。反应器启动初期负荷和水力剪切力较低，为了改善泥水混合和避免产生沟流现象，采取每隔3h进行高回流比回流，每次持续时间10min，此时的反应器表面水力上升流速为0.3m/h。反应器启动运行到第6d，出水COD去除率都达到了80%以上，出水VFA由起始的700mg/L左右降至200mg/L。从第7d开始，UASB开始以0.5KgCOD/m3.d的幅度提高容积负荷，直至UASB容积负荷达到3.5KgCOD/m3.d， 在此期间UASB反应器都未曾出现过大量污泥的跑出现象，32d后通过对CODcr及VFA等的监测结果，确认UASB启动阶段结束。

2.1 启动阶段COD的变化及去除率的影响

UASB启动阶段的玉米淀粉废水的进水CODcr及出水CODcr如图2所示，进水CODcr稳定于2465mg/L～3790 mg/L之间，出水CODcr则从294.8mg/L变化至2210mg/L，但自21d后稳定与508mg/L以下，反应器稳定运行。

图2 UASB启动阶段进水及出水CODcr值

如图3所示，在UASB的启动阶段，随着天数的增加和容积负荷的升高，COD的去除率越来越高，在21d后，稳定于85%的去除率以上，此时进水CODcr3080 mg/L，出水382.6mg/L，说明UASB对COD的去除效果已经比较稳定。

图3 UASB启动阶段CODcr去除率的变化

2.2 UASB启动阶段出水VFA浓度的变化

如图4所示，随着UASB启动天数和容积符合的增加，出水VFA浓度不断降低，说明厌氧反应的水解酸化阶段产生的大量VFA已经在不断进入产氢产甲烷阶段。在21天后，能明显看出，VFA浓度稳定于160mg/L以下，说明启动比较成功且反应器无酸败现象产生。

图4 UASB启动阶段出水VFA的变化

2.3 UASB启动阶段pH的变化

pH 是影响UASB反应器运行性能的重要因素。产甲烷菌群适宜的pH 值为6.5～7.8，pH 值过高或过低均会抑制产甲烷菌的活性[7-8]。UASB 反应器启动中进出水pH 变化如图5所示,整个启动过程中，1-16d启动初期进水pH 值非常不稳定，因而出水pH也呈现一定的波动性，17d后进水pH值稳定于6.5以后，出水pH值也基本稳定于7.0～7.1，这是因为完整的厌氧反应过程会产生一定的碱度，因此出水pH略高于进水pH。在实际运行中，也可以采用出水回流的方式减少进水碱度的投加量。

3 启动过程中的污泥颗粒化形成过程分析

UASB 反应器初始接种污泥为絮状厌氧消化污泥，在启动及运行过程中，污泥性状变化显著，图6为UASB启动3d后取出的絮状污泥，图7为19d取出的初始颗粒污泥，密度不大较为松散，图8为31d后取出的成熟颗粒污泥。从图6、图7及图8可见污泥粒径在UASB 反应器启动运行过程中显著增大，絮状污泥粒径为89.5µm，运行至19d后，初始颗粒污泥粒径增大1.8倍，达到276.5µm，表明小粒径絮状污泥通过流失逐渐消失。而图8中粒径为0.5～1.0mm的椭球状颗粒污泥的大量出现，则反映了颗粒化污泥已到成熟阶段。对图8中成熟颗粒污泥进行剖析，可见到索氏产甲烷丝菌单体串连成长约几十到上百微米的链，而链与链之间相互紧密有序地粘结成高度密集的管束状分布，此种结构表明该颗粒污泥密度和强度较大，抗冲击能力强，反应活性高。

图6 UASB启动阶段的絮状污泥形态

图7 UASB初始状态颗粒污泥形态

图8 UASB成熟颗粒污泥的形态

4 结语

（1）在维持UASB反应器的表面上升流速为0.3m/h，水温30℃，启动负荷为0.5KgCOD/m3.d的条件下，每天递增0.5KgCOD/m3.d的启动负荷。21d后，COD的去除率稳定于85%以上，VFA浓度稳定于160mg/L以下，出水pH值稳定于7.0～7.1，再连续运行12天，出水特性无明显变化，说明UASB处理该玉米淀粉废水32天启动成功。

（2）在UASB启动阶段，污泥粒径由89.5µm逐渐增大至276.5µm，直至形成0.5～1.0mm的成熟颗粒污泥，且在扫描电镜下观察到索氏产甲烷丝菌链缠绕形成高度密集的管束状分布，说明污泥颗粒化过程的完成。

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