温度对UASB厌氧消化影响的试验研究

2014-04-11于兴，由昆

建筑与预算 2014年4期

于兴，由昆

（1.沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司，辽宁沈阳 110023；2.沈阳建筑大学，辽宁沈阳 110168）

升流式厌氧污泥床(UASB)［1-4］是近年来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，具有非常广阔的发展前景。UASB反应器［5-7］被广泛的应用于高浓度有机废水的处理，无论试验室的研究还是实际工程的应用，都取得了很多的成果。

厌氧生物降解过程，与所有的化学反应和生物化学反应一样受温度和温度波动的影响。厌氧菌对外界的温度变化极为敏感，人们发现在中温条件下大多数厌氧废水处理系统中温度每升高10℃，厌氧反应速度约增加一倍。废水的厌氧处理主要依靠水中微生物的生命活动来达到处理的目的，不同的微生物生长需要不同的温度范围，因此温度是影响厌氧生物处理工艺的重要因素。但是在北方地区一些废水的温度较低，将其加热恒定到中温、高温要耗费很多能量，经济性较差。因此本试验主要讨论中低温条件下，实验在中低变温条件下运行，考察温度对厌氧微生物宏观活性的影响，对挥发酸的影响，以及对PH值和碱度的影响等方面进行了研究。这对低温地区变温条件下厌氧处理工艺的应用具有重要的指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验装置采用有机玻璃制成的UASB反应器在室温下运行，图1所示为试验装置图。反应器从下到上可分为进水区、污泥床区、三相分离区、沉淀区四个部分。反应器内径90mm，总高度1900mm，其中沉淀区部分高度为320mm，悬浮层及污泥床区总高度为1580mm，反应器总容积为12.2L(不包括沉淀区容积)。另外，沿高度方向在反应器壁上设置7个取样口，从下到上依次记为1#、2#、3#、4#、5#、6＃、7＃取样口，1#取样口距底部法兰100mm，以上每个取样口间距200mm分以便取污泥部分的泥样进行分析。产生的沼气由三相分离器分离后经湿式气体流量计计量。

1.2 试验用水

试验用水采用葡萄糖自配水，并按COD:N:P＝200:5:1加入尿素和磷酸二氢钾，同时加入一定量的微量元素和酵母膏。在运行过程中还根据运行情况加入一定量的碳酸氢钠以维持反应器内部的pH值在6.8-7.2之间。

1.3 接种污泥

接种污泥采自沈阳北部污水处理厂厌氧消化污泥，SS=15.2g/L，VSS=10.6g/L，接种量为6L，接种后，反应器内的平均污泥浓度为SS=10.1g/L，VSS=7.1g/L。

1.4 分析项目

COD测定采用TL-1A型污水COD速测仪；pH采用TPX-90iPH计；碱度采用标准酸碱滴定法，以酚酞和甲基橙作为指示剂，结果以 mgCaCO3/L计；悬浮固体(SS)和挥发性悬浮固体(VSS)采用标准重量；气体产量及成分采用湿式气体流量计和碱液吸收法。

2 结果与分析

2.1 温度对厌氧微生物宏观活性的影响

厌氧菌对外界的温度变化极为敏感，有机物经过厌氧消化后基本上转化为以CH4和CO2为主的沼气，根据Buswell经典方程，每毫克有机碳有机物理论的气体产量为2.1ml，由经典方程可以看到，当反应受到外界影响时最直观的表象就是沼气产量的变化，沼气产量可以表现反应速率和污泥活性，因此实验研究了温度变化对产气量及产气率的影响。

图2-5反映了产气率随温度变化的情况。8～10℃时产气率波动范围为0.02～0.47m3/去除1kgCOD，平均值为0.16m3/去除1kgCOD；11～14℃时产气率波动范围为0.05～0.59m3/去除1kgCOD，平均值为0.34m3/去除1kgCOD；15～17℃时产气率波动范围为0.15～0.61m3/去除1kgCOD，平均值为0.44m3/去除1kgCOD；18～23℃时产气率波动范围为0.32～0.91m3/去除1kgCOD，平均值为0.62m3/去除1kgCOD。产气率随温度变化趋势较明显，随着温度的增高，产气率相应的提高。虽然个别天数产气量受其他因素的影响未表现此规律，但总体来说产气量的变化与温度的变化是一致的。总体有机物的产气率较高，这是因为进水的有机物B/C较高，并且溶解性的COD值较高而影响产气率。

从图2－5可以看出15℃以下低温运行时，10℃是一个不利的温度，产气率较8，9℃时低，表现出来得COD去除效果相对也较差。11～12℃时产气率的平均水平较13～14℃高出0.1～0.2m3/去除1kgCOD。一般认为厌氧微生物的产气率与其生化反应速率大致成正相关性，因此产气率大的温度为厌氧微生物生化反应适宜的温度。由此我们也得出：低温下厌氧微生物最佳生存温度是不连续的。

2.2 温度突降对厌氧消化的影响

试验中发现厌氧微生物对反应温度的突变十分敏感，见图6-7为两次温度突降5℃产气量的变化。图6所示为14℃降至9℃，图7所示为17℃降至12℃。结果表明，当反应温度突降时，反应器的产气量会急剧下降。温度从14℃降至9℃时，产气量从0.68L/h直接降低至0.05L/h，接下来的9个小时内，温度恒定为9℃，产气量逐渐回升至0.4L/h。温度从17℃降至12℃时，产气量从1.85L/h直接降低至0.05L/h，接下来的10个小时内，温度恒定为12℃，产气量逐渐回升至0.41L/h。综上可以看出，对于厌氧微生物来说，温度突将会对其生物活性产生明显的影响，降温幅度相同，温度偏高时，产气量下降就更严重。所以一般厌氧生物处理系统每日温度波动以不大于2～3℃为佳。

2.3 温度对体系pH值的影响

温度因素除了直接影响厌氧微生物的活性以外，还可以间接导致厌氧系统中pH值的变化，而使整个系统的运行状况发生变化。厌氧生物处理系统中甲烷菌比产酸菌对温度的变化更为敏感，低温时会由于产酸菌产生挥发酸的速度快于甲烷菌将挥发酸转化为甲烷的速度而使代谢失去平衡。

较低的温度一方面影响反应器内的污泥活性，另一方面会影响体系内的酸碱平衡，严重时甚至会因为体系酸化而导致整个反应器运行的失败。比较来说，后者在工程实践中更应该引起注意。试验中在温度较低时加入一定量的NaHCO3，为体系提供足够的缓冲能力。

试验中还对反应器沿高度方向的pH值在4个温度阶段进行了对比，见图8。考察各个温度阶段7个取样口pH值的变化，每个温度阶段稳定运行一周以后测连续测5组pH值，求平均值。

由图可以看到，4个温度段的取样口由下至上7个取样口的pH值都经历了一个先减小后增大的过程，这说明在UASB中厌氧过程的酸化和产甲烷阶段随反应器高度有分化趋势。8～10℃个取样口的pH值变化范围均在7以下，因为这个温度段整个反应器产酸菌较产甲烷菌为优势菌群，大量产甲烷菌群处于休眠状态；下面4个口pH值在逐渐减小，5，6，7＃口又逐渐增大，此时产酸菌和产甲烷菌在反应器高度上的分化还不是很明显，产酸菌占主导地位。11～14℃下面4个取样口区域pH值均在7以下，上面3个取样口区域均大于7，这个温度段两个菌种分化已经明显。由图可以明显看出15～17℃、18～23℃都是仅在第2个口pH值变小，其它取样口逐渐增大，产甲烷菌占据了主导地位。