UASB处理技术在化工企业废水处理中的重要作用

郭伟寿

（广东广深环保科技股份有限公司，广东 广州 510663）

引言

根据相关研究可知，UASB处理技术能够有效降解有机大分子物质，且该技术应用范围较广，具备较强的适应性，其与好氧处理技术相比，不仅能够节省大量电能，还不会产生大量污泥，而且经该技术处理后的污泥可以循环利用。所以，UASB处理技术具有较高的应用价值，值得相关行业人员展开深入研究。基于此，本文重点探究UASB处理技术在化工企业废水处理中的应用效果。

1 UASB处理技术概述

1.1 UASB处理技术的原理

UASB反应器的上部、下部分别为三相分离区和反应区，废水经过下部区域的水利分布器后会在四周均匀分布，然后向上流入厌氧污泥床，与颗粒污泥充分接触，并发生分解反应，使大分子物质生成小分子物质，同时形成不同的气体。随着气体气泡的不断上升，可以对部分污泥产生升力，最终进入上部的三相分离区，从而将固体、液体、气体进行分离。污泥在上升过程中会充分接触废水，并降解其中的有机物，然后逐渐向底部沉降，所以在应用UASB反应器时，需要定期排出底部的污泥。

UASB处理技术的原理如下：第一，通过污泥沉淀区为厌氧颗粒自循环提供保障；第二，循环后到达反应区，以平衡颗粒污泥，使污泥损失减小；第三，创造颗粒污泥絮凝条件、沉降条件，以确保厌氧消化污泥沉降能力良好；第四，通过厌氧污泥床为微生物创造良好的生长环境，使系统具有较强的抗干扰能力。

1.2 UASB处理技术的优势

UASB技术具有较多的应用优势，其中包括工艺稳定性较高；颗粒污泥对废水的降解能力较强；污泥床无需填料，因而可节约成本；UASB反应装置的占地面积较小；装置运行过程简单，不会造成污染；可以降解难降解的大分子物质；三相分离器的分离效率较高；具有良好的生态性、经济性等。

2 UASB处理技术在化工企业废水处理中的应用研究

2.1 实验废水及处理方式

本研究主要选取化工企业预处理后的混合水样作为实验废水。实验废水的相关水质指标为：pH值7～8；COD值4 520～5 940 mg/L；氨氮含量30～40 mg/L；SS值50～60 mg/L。本研究使用的仪器、设备包括pH计、电子天平、加热器、恒流泵、恒温水浴锅、气流烘干器、鼓风干燥箱、磁力加热搅拌器以及紫外分光光度计等。本研究主要运用pH计测定实验废水的pH指标，采用微波消解法测定实验废水的COD指标，采用纳氏试剂比色法测定实验废水的氨氮含量指标，采用烘干称重法测定实验废水的SS指标[1]。

本研究应用的UASB反应器由顶部、中部、底部组成，其中顶部设有三相分离器，用于分离气体、固体和液体；中部为污泥悬浮层；底部为污泥沉降床和水利分布器。UASB反应器主体部分为圆柱形，装置高度、外直径、总容积分别为1.2 m、50 mm、8 L，装置材质主要为有机玻璃，底部设有蠕动泵，其作用在于将原水打入反应器中，底部水利分布器的作用在于均匀布水。由于实验受反应温度的影响较大，所以采取保温措施处理装置外部的筒体，在筒体外使用金属伴热丝带缠绕，实现均匀伴热，控制装置内部的温度始终保持在35 ℃左右。顶部除三相分离器外，还设有气体收集装置，其作用在于及时收集所产生的甲烷气体，并采用燃烧方式利用甲烷气体，同时为了防止甲烷气体积累过多发生危险，需要工作人员定期处理收集装置。

2.2 UASB反应装置的启动

研究UASB反应装置启动过程包括初次启动和再次启动两个环节。通过初次启动，培养、驯化接种的污泥，使污泥颗粒化。由于厌氧消化过程中会缓慢产生甲烷菌而延长装置的启动时间，所以在装置稳定运行后，可以通过再次启动缩短时长。对于颗粒污泥采用剩余污泥或部分活性污泥的情况，就需要再次启动，通常情况下，应用再次启动的调试形式，经过30天左右即可与初次启动的效果相一致。在装置启动阶段，为了防止过多絮状污泥对颗粒污泥的形成造成影响，需确保颗粒较小的污泥能被水冲刷排出，并使颗粒较大的污泥在底部沉降，进而形成颗粒污泥。

在研究UASB反应装置启动时需要注意以下几点：第一，启动时应先提高实验废水的有机负荷和水力负荷，其中，有机负荷提高幅度应在50%以下；第二，进水时对进水浓度进行控制，使其处于500～1 000 mg/L范围内，避免浓度过低或浓度过高，因为进水浓度过低会影响颗粒污泥的形成，而浓度过高会对反应器产生较大冲击；第三，当进水COD值较高时要将其经过稀释后再开始进水，以防止负荷升高过快而影响驯化；第四，在悬浮物含量较高时要采取预处理手段进行处理，如沉降、气浮等，以降低悬浮物的含量，避免阻碍颗粒污泥的形成；第五，对反应器内部的pH值进行控制，使pH值保持在6～8的范围内；第六，污泥采取非循环使用方式[2]。

2.2.1 启动方案

在污泥培养、驯化过程中，通常采用同步、异步两种方法，本研究主要选择同步法。所谓同步法，指的是将适量废水加入反应器中，使细菌在生长繁殖的同时能够逐渐形成对废水的适应能力。在试验开始时，为了加快颗粒污泥的形成速度，需要工作人员对反应器内的反应条件进行重点控制，其中，pH值控制在6～8；通过恒温水浴调节可以将温度控制在35 ℃左右；通过投加小苏打将碱度控制在1 000～1 200 mg/L；通过投加营养盐将碳、氮、磷的比例控制在250∶5∶1；SS控制在50 mg/L以下。在实验开始初期，废水的COD值大约为500 mg/L，然后将废水浓度逐渐提高，在实验装置运行趋于稳定后，将水力负荷缓慢提高到6 000 mg/L，并对出水水质进行观察，如果水质无变化则减小HRT、加大容积负荷后继续观察，如果水质依然无变化，证明装置已经成功启动，进而可以研究装置运行的最佳条件。

2.2.2 污泥接种和进水

本研究选择污水处理厂的颗粒状剩余污泥作为接种污泥，污泥的厌氧污泥特性指标为：SS值为23；VSS值为17；VSS/SS为73.9%，同时，利用预处理后的废水作为启动废水。在污泥接种初期，微生物要逐渐适应底物，持续运行30天后，装置中尚未产生气体，内部细菌生长繁殖将原有底物消耗掉并生成自身所需的物质，此时COD去除率小于50%，在运行到23天时，UASB容积负荷大约为1.5 kg/m3·d，这意味着微生物已经对废水产生良好的适应性，COD去除率也有所提高，大约为60%。判断反应装置运行情况的关键在于可以分析可挥发性脂肪酸和SS参数的变化，通过数据检测发现，可挥发性脂肪酸和SS值处于缓慢增加趋势，这说明微生物逐渐适应废水的环境并开始进行生长和繁殖。

经过前阶段驯化后进入接种污泥形成期，这一时期负荷逐渐加大，此时反应器中的小颗粒污泥被淘汰，而留下大颗粒污泥，使厌氧细菌处于良好的生长繁殖状态，而且数量越来越多，开始产生少量气体。当装置运行到46天时，UASB容积负荷从原来的1.5 kg/ m3·d上提到1.8 kg/ m3·d，而且气体产生量明显增多，反应器底部开始出现颗粒污泥，经测定污泥颗粒直径约为1 mm。当装置运行到60天时，进水COD和UASB容积负荷分别为4 420 mg/L左右和1.84 kg/ m3·d左右，污泥颗粒相比之前增大，SS值减小，可挥发性脂肪酸先增加，然后再降低，这说明产酸细菌的数量增多，而且产甲烷细菌开始对可挥发性脂肪酸进行分解，通过驯化淘汰了其中的小颗粒污泥，所以SS值逐渐降低[3]。

随着时间的推移，进入接种污泥成熟期。当装置运行到80天后，经测定UASB的容积负荷约为3.1 kg/m3·d，此时产生了大量气体，反应区约有80%的污泥颗粒直径超过0.8 mm，污泥平均浓度、密度分别为15.2 gSS/L、1 130 g/L，VSS/SS为0.7左右。这一时期的废水中通过可挥发性脂肪酸合并分解，致使UASB容积负荷加大，此时COD的去除率约为75%。监测可挥发性脂肪酸的变化可知，其数值起初快速降低到390 mg/L，然后保持这一数值不变，这说明产酸细菌和产甲烷细菌的数量趋于平衡，体系运行相对稳定。在这种状态下，反应器中的废水可以通过厌氧细菌进行有效处理，而且废水处理效果达到了预期的要求。

2.3 COD去除率的影响因素

2.3.1 水力停留时间

在本次试验中，COD的去除受水力停留时间的影响较大。在水力停留时间较长的情况下，活性污泥与废水接触时间较多，因而能够得到充分反应并将废水中的污染物去除，而在水力停留时间较短的情况下，活性污泥与废水接触时间较短，所以无法得到充分反应，因而导致废水污染物的去除率较低，使出水水质下降。

在这一过程中，上升水流速度也会影响有机物的降解过程。在上升水流速度较快的情况下，会冲走颗粒污泥，致使污泥难以与污染物充分接触而减小去除率，而在上升水流速度较慢的情况下，又会导致水断流。所以为了保证COD去除率，工作人员要合理控制水力停留时间以及上升水流速度。另外，控制实验装置的反应条件分别为：pH值6～8；温度35 ℃；碱度1 100 mg/L；进水COD浓度5 500 mg/L，对不同水力停留时间下的COD去除率进行测定。其中，在水力停留时间为12 h时，COD的去除率为60%左右，此时甲烷化尚未完成；在水力停留时间为18 h时，COD的去除率为70%左右，此时出水指标有所下降，证明甲烷化已经逐渐完成；在水力停留时间为24 h时，COD去除率约为75%；然后随着水力停留时间的增加，COD去除率不再明显上升，所以综合分析可知，去除废水中COD的最佳水力停留时间为24 h。

2.3.2 温度

通常而言，在不同温度下进行厌氧反应会有不同厌氧细菌产生。通过研究发现，厌氧细菌新陈代谢受温度影响较大，在处于35～40 ℃范围时厌氧细菌最具有活性，如果温度过低，会导致厌氧细菌失活，如果温度过高，又会使厌氧细菌的蛋白质变性，不仅没有处理效果，还会造成COD值的增大。控制实验装置的反应条件分别为：pH值为6～8；碱度为1 100 mg/L；进水COD浓度为5 500 mg/L；水力停留时间为24 h，对不同温度条件下的COD去除率进行测定，在温度为20 ℃时，COD去除率约为45%；在温度为30 ℃时，COD去除率约为70%，上升明显；在温度为35 ℃时，COD去除率约为75%；在温度为40 ℃时，COD去除率不再明显上升，所以综合以上分析可知，厌氧反应的最佳温度为35 ℃。

2.3.3 碱度

装置内碱度越高，则pH值越大，最终会造成体系失去平衡，影响微生物的生长。所以控制试验装置反应条件分别为：pH值6～8；温度为35 ℃；水力停留时间为24 h；进水COD浓度为5 500 mg/L，对不同碱度条件下的COD去除率进行测定。当碱度小于1 000 mg/L时，COD去除率较低，此时会抑制甲烷菌的生长；当碱度为1 100 mg/L左右时，COD的去除率基本稳定，此时气体产生量较大；在碱度大于1 200 mg/L时，COD的去除率依然较低，这是由于碱度过高会影响产酸菌的生长，使甲烷菌和产酸菌失去平衡，因而无法进行充分的厌氧反应，所以综合以上分析可知，当装置内的最佳碱度控制在1 100 mg/L左右[4]时，COD去除率最高。

2.3.4 pH值

装置内pH值的变化也会直接影响COD的去除率。在pH值偏低的情况下，微生物生长会受到干扰，致使微生物无法正常吸收营养，同时，生物酶的活性也会随着pH值的变化而变化，可能导致微生物代谢失常，而且pH值的高低变化还会降低微生物的抗高温能力。控制试验装置反应条件分别为：温度35 ℃；水力停留时间24 h；进水COD浓度为5 500 mg/L；碱度为1 100 mg/L，对不同pH值条件下的COD去除率进行测定。当pH值处于6～8范围内时，COD去除率的变化不明显，但COD去除率在pH值为7的情况下最高，约为75%，所以通过上述综合分析可知，装置内最佳pH值为7时，COD去除率最高。

2.3.5 进水浓度

有机负荷能够对颗粒污泥的形成、污泥活性等产生影响，所以合理加大有机负荷可以为颗粒污泥的形成产生促进作用，并使污泥的活性增强，进而提高COD去除率。通过厌氧消化反应原理可知，在有机负荷较高的情况下会出现甲烷化，并产生酸化反应，导致体系失去平衡，所以在UASB反应器设计中，工作人员应重点考虑有机负荷这一参数。控制试验装置反应条件分别为：pH值6～8；温度35 ℃；水力停留时间24 h；碱度1 100 mg/L，对不同进水浓度条件下的COD去除率进行测定。当进水浓度低于2 000 mg/L时，COD去除率并未随着进水浓度的增加而提高，其原因在于初期进水浓度较低，所含有的营养物质较少，因而微生物的作用难以得到充分发挥；当进水浓度为3 000 mg/L左右时，COD的去除率逐渐提高；在进水浓度约为6 000 mg/L时，COD去除率为75%左右，然后继续增加进水浓度，COD去除率开始由75%逐渐降低，这说明在反应器容积不变的条件下，进水浓度增加后，颗粒污泥量越来越多，在颗粒污泥浓度越来越高的状态下，污泥活性反而变得越来越低，这是因为可挥发性脂肪酸的不断积累，会使产酸菌和甲烷菌失去平衡，最终影响污泥的活性。所以通过以上的综合分析可知，最佳进水浓度值应为6 000 mg/L左右[5]。

3 结论

本研究对UASB处理技术在化工企业废水处理中应用的有效性进行了全面验证，并明确了UASB反应器的最佳工艺操作条件：温度约为35 ℃；pH值约为7；水力停留时间为2 h；碱度约为1 100 mg/L；进水浓度约为6 000 mg/L。在最佳工艺操作条件下利用UASB处理技术处理化工企业废水，其COD去除率能够达到我国标准要求，约为75%。但在UASB处理技术的实际应用过程中，相关行业人员还应结合反应器的实际情况，深入研究该技术的应用条件，以达到理想的废水处理效果。