厌氧微生物连续流对污水中有机物脱除的研究

卜春英，赵金安，来雪慧

(1.山东联谊服务中心，山东 济南 250011；2.太原工业学院 环境与安全工程系，山西 太原 030008)

目前城市生活污水多采用好氧生物处理，但由于工程投资大、处理费用高，在我国资金短缺、能源不足与污染日益严重的现状[1]下不宜推广。由于厌氧消化可处理高浓度污水，随着研究不断深入，相继开发了厌氧滤池(AF)、上向流污泥床(UASB)和厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)等反应器[2]。UASB是开发最早且应用最广的高效厌氧反应器之一，主要用于饮料、糖类和淀粉加工行业的废水处理，还有约15%厌氧反应器处理造纸废水和生活污水[3]。

UASB反应器与厌氧消化池结合，通过提高污泥活性增加低温污水的去除效率。由于该工艺操作简单、能耗小和运行费用低，剩余污泥产生量少，污泥稳定性好，易于脱水，适用于任何处理规模，在我国城市污水厌氧处理领域得到广泛应用。本文采用UASB反应器，接种城市污水厂污泥对微生物进行驯化，研究对淀粉废水中有机物的脱除效果。

1 实验部分

1.1 实验装置与样品制备原理

本研究采用UASB反应器，有效容积3.2 L，运行温度35～37℃，水力停留时间6h。样品制备过程如图1所示，废水由下向上流入反应器，经颗粒污泥层厌氧处理后进入反应器顶部三相(固、液、气)分离器流出。样品采集后于4℃保存。

图1 实验装置与样品制备过程

1.2 实验分析与方法

实验中测试CODcr、pH值和水温3个指标。pH值采用pH计测试；COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007)测定，先通过COD试剂消解，再用分光光度计测定。

1.3 实验步骤

1.3.1 污泥接种

本实验所用颗粒污泥来自太原市北郊污水处理厂。接种前，由于污泥机械破损严重，泥粒细小，需培养和驯化。30℃下启动UASB，水力停留时间HRT为24 h。反应器的接种污泥量占总容积的30%。

1.3.2 污泥培养

影响颗粒污泥形成的主要因素有：接种污泥的选择、温度、碱度、pH值等环境条件、反应器中VFA(挥发性有机酸)浓度、水力表面负荷及进水COD浓度。据此，在污泥培养阶段，需投加人工配制的营养液，主要成分为：容易降解的有机物乙酸、甲醇、葡萄糖，N、P微生物营养元素尿素、Na3PO4，适量NaHCO3。主要目的是恢复颗粒污泥活性，NaHCO3用于调解进水pH值，使之保持在6.5～7.5。

进水CODcr维持在1053 mg/L。随着培养时间的增长，泥粒变得均匀，颜色发黑并有光泽，活性增强，CODcr去除率逐渐升高，可以进行污泥驯化。

1.3.3 污泥的驯化

通过驯化，使颗粒污泥逐渐适应新基质，提高污泥活性。驯化阶段，进水有机负荷的增幅太大易导致部分颗粒污泥与淀粉凝结，活性降低而上浮。此阶段进水逐渐减少营养液的比例，适量增加淀粉的量，直到全是淀粉废水。随后逐渐提高进水CODcr浓度，提高反应器抗冲击负荷能力。装置COD去除率稳定到70%以上，出水水质稳定，表明污泥已完成驯化，反应可进入提高负荷期。

1.3.4 改变负荷实验阶段

提高负荷是运行的重要阶段，该阶段主要目的是完成污泥颗粒化的定向培养，为反应器高效、稳定运动创造条件。负荷增加可以通过增加进水浓度或增大进水量来实现，但应避免负荷增加过快引起反应器酸化、污泥漂浮、菌种大量流失等不良反应，也应避免负荷增加过慢造成营养缺乏而不利于颗粒污泥的形成。本试验采用先固定进水流量，再提高进水CODcr浓度的方法来增加负荷。在负荷增加，CODcr去除率稳定的情况下，提高淀粉废水浓度。

1.3.5 温度控制

温度是影响微生物生命活动的重要因素之一，控制在20、25、30℃，通过对酶的活性影响使微生物的生长速率与对基质的代谢速率发生变化。

2 实验结果与讨论

2.1 污泥培养阶段有机物质的去除效率

研究20℃条件下，进水COD浓度为1053 mg/L的淀粉废水，污泥培养21d的有机物去除效率和废水中COD浓度的变化趋势。

图2 污泥培养阶段COD浓度和有机物去除率变化趋势

由图2可见，出水COD浓度随培养天数的增加呈现先增加后减少状态，第7天时浓度达到最大值912mg/L。培养到21天时浓度降至303mg/L，有机物去除率达到71.2%。说明在20℃条件下，培养到20天以后，有机物去除率可能更大。

2.2 不同温度条件下废水中有机物去除效率

2.2.1 20℃条件下废水有机物的去除效率

研究20℃条件下，不同进水COD浓度有机物随时间的去除效果。

图3 不同浓度淀粉废水随时间增加的有机物去除率变化

由图3可知，不同浓度的淀粉废水随处理时间的增加，去除率均呈增长趋势。进水COD浓度为3577 mg/L和4212 mg/L的废水，在12～24 h内有机物去除效率增加不多。当处理时间超过24 h，去除能力明显增加。进水COD浓度为2317 mg/L的废水却呈相反趋势。在处理的前12 h内，去除率达到了54.1%，在12～24 h内，去除能力增加6.1%；处理48h后，去除率达到64.3%，说明在24～48 h内，去除率只增加了4.1%。当进水浓度为1128 mg/L时，去除率随着处理时间的增加，有较为明显的提高。

2.2.2 25℃条件下废水有机物的去除效率

研究25℃条件下，不同进水COD浓度随水力时间的浓度变化及有机物的去除效率变化趋势。

图4 25℃时不同进水COD浓度(a)和有机物去除率(b)变化

由图4(a)可见，不同进水浓度的淀粉废水随着水力时间的增加，COD浓度均呈显著减少趋势。进水COD浓度为4397 mg/L的废水，在12 h内的有机物去除率最低，为42.4%。水力时间分别达到24 h、36 h和48 h时，其有机物去除效率仍然处于较低水平。图4(b)中可见，进水COD浓度为3394 mg/L和4397mg/L的废水，其有机物去除效率随水力时间的增加几乎呈线性增长趋势；进水COD浓度为1203 mg/L的废水，有机物去除率起初平稳增长，到36 h后呈显著增长的趋势；进水浓度为2321 mg/L的废水，在12～24 h去除率增长最明显，24 h后去除率增长态势趋于稳定。

2.2.3 30℃条件下废水有机物的去除效率

研究30℃条件下，不同进水COD浓度在不同水力时间下的COD浓度和有机物去除率变化趋势。

图5 30℃时不同进水COD浓度(a)和有机物去除率(b)变化

由图5(a)可见，30℃条件下不同浓度的淀粉废水随着处理时间的增加均呈现去除率增长的趋势。对于进水COD浓度为4098 mg/L的废水，在12 h内的有机物去除率最低，为46.7%，浓度降至2184 mg/L。水力停留时间达到24 h、36 h和48 h时，其废水中COD浓度分别为1975 mg/L、1659 mg/L和1278 mg/L。图5(b)可见，进水COD浓度为1309mg/L的废水，其有机物去除率呈现线性增加态势；进水浓度为3312 mg/L和4098 mg/L的废水，其有机物去除率在水力时间达到24 h后呈显著增加趋势，效果明显变好；而进水COD浓度为2014 mg/L的废水，其有机物去除率在不同的水力时间都表现出显著增长的态势。这说明30℃条件下UASB反应器对于处理COD浓度为2000 mg/L左右的废水，效果要好于其它浓度水平。

2.3 讨论

实验中为能够在UASB的启动阶段加快培养驯化，投加了适量的NaHCO3，改善了反应器内微生物的生存环境，发现这不仅有利于微生物消化分解有机物，而且加快了培养驯化；当加热恒温达到30℃时，更有利于微生物活性进一步提高；因此投加N、P，可提高微生物的生长速率。根据研究表明，N、P营养元素是厌氧反应器中必不可少的物质，一般C∶N∶P比为250∶6∶l时CODcr去除率较好[2]。

国内有文献报道，UASB反应器在低温状况下，应延长水力停留时间来提高COD去除率；当温度较高时，可选择较小的水力停留时间，提高日处理污水量[4]。也有研究表明，相同容积负荷下，COD去除率随温度的升高相应提高。本次实验中，污水的出水水质效果不太理想，分析其原因，可能为以下几个方面：①污泥的培养还不够成熟就开始实验；②实验过程中在污水有机负荷提高时，缓冲的时间不够长；③实验过程中在改变实验温度时，时间间隔较短；④UASB反应器的布水装置不太好，建议增加一个三角锥形的布水装置增加布水的均匀性；⑤实验装置的密闭性不太好，由于甲烷菌及其他厌氧菌为严格厌氧菌，受氧的影响较大。

3 结论

通过温度和水力时间对进水COD浓度不同的废水有机物去除率的影响实验研究发现，温度为20℃，水力时间为48h时，对COD浓度2317 mg/L的淀粉废水有较好的处理效果。温度为25℃，水力时间为48 h时，对2321 mg/L COD浓度的淀粉废水有较好的处理效果。温度30℃，水力时间为48 h时，可以对1000～4000 mg/L的淀粉废水具有初步的有效处理。尤其是2000 mg/L COD浓度的淀粉废水有较高的处理效果，可以达到70%以上的处理效率。这说明在20～30℃条件下，UASB反应器对于处理COD浓度为2000 mg/L左右的污水有机物去除效果较好，且随着水力停留时间的增加而增加。

在温度影响实验中，从经济角度考虑，20℃不需加热最节约，但是处理效率较低；温度较高时需要加热，但是处理效率高，因此生产部门可以根据实验数据指导实际生产，对温度进行合理调整。