气动UASB处理生活污水的启动研究.pdf

气动 UASB 处理生活污水的启动研究 徐阳钰1管锡珺1张慧强2王忠刚1 1． 青岛理工大学环境与市政工程学院， 山东 青岛 266033; 2． 煤炭工业郑州设计研究院股份有限公司， 郑州 450007 摘要 为了结合社会主义新农村建设的生活污水处理， 使污水能够在厌氧消化后充分利用， 设计了一种气动 UASB 反 应器， 以城市生活污水为基质对其进行气动实验研究。设计依据为 气动力使污泥悬浮， 增加选择压， 有利于传质且不 像水动力循环那样降低反应器内浓度。实验条件 室温为 15 ～ 21 ℃， 进水温度为 11 ～ 19 ℃， 进水 pH 为 7. 5 ～ 8. 5。 实验启动期历时 51 d， 反应器内产生颗粒污泥， 出水 COD 去除率达到 60以上， 启动成功。 关键词 生活污水; UASB 反应器; 启动 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201403007 STAＲT- UP PEＲFOＲMANCE OF PNEUMATIC UASB ＲEACTOＲ FOＲ UＲBAN DOMESTIC SEWAGE Xu Yangyu1Guan Xijun1Zhang Huiqiang2Wang Zhonggang1 1． School of Environmental and Municipal Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China; 2． Zhengzhou Design ＆ Ｒesearch Institute of Coal Industry Co． ，Ltd，Zhengzhou 450007，China AbstractIn the construction of new socialist countryside， a pneumatic UASB reactor was designed to enable the wastewater to realize resource utilization after anaerobic digestion． And a laboratory- scale experiment was conducted with urban domestic sewage as influent． Aerodynamic force not only makes the sludge suspend and increases selective pressure，but also is beneficial to mass transfer and will not reduce concentration in the reactor． During the test process，as the room temperature was 15 ～21 ℃，inlet temperature was 11 ～ 19 ℃，influent pH was 7. 5 ～ 8. 5，the removal rate of COD was up to 60． Granular sludge was also generated，which showed the start- up of reactor was successfully finished after 51 d． Keywordsdomestic sewage;UASB reactor;start- up 收稿日期 2013 －05 －25 0引言 受青岛市农村化办公室委托， 本课题组 2010 年 47 月对青岛市小城镇环境基础设施建设现状进行 了调研。调研结果表明 截至 2009 年底， 青岛市城镇 化水平达到 64. 7， 但青岛市乡镇级小城镇的污水 集中处理能力仅为 17. 5。农业部曾推广的户用沼 气， 希望在进行污水处理的同时提供户用沼气， 通过 沼气池处理的污水， 符合农村灌溉水肥的要求。但调 研中发现， 在气温稍低的情况下， 户用沼气池往往产 气率下降或者不产气， 已建沼气池几乎停用。为此， 课题组设计了气动 UASB 反应器， 使得反应器既有便 于污水处理又有利于沼气的产生， 而且出水符合农村 灌溉水肥的要求， 以解决资金缺乏且水质波动很大的 乡镇级小城镇的污水处理问题。 1实验部分 1. 1实验装置 该 UASB 反应器采用透明有机玻璃制成， 以便随 时观察试验运行过程中的污泥回流、 污泥形态等 情况。 反应器为圆柱状， 200 mm 2 200 mm， 总容积 135. 4 L。反应器下部为污泥床， 中上部为气、 液、 固 三相分离器， 上部为沼气室。采用封闭式设计器， 从 其上部空间抽取沼气回流。反应器结构如图 1 所示。 设计原理 生活污水有机物浓度低， 气动力搅拌 比水动力搅拌更加有效， 传质梯度更高， 利于颗粒污 泥的形成。作为回流气体， 主要是搅拌作用， 以能够 使污泥层悬浮为原则， 所需动力较低， 费用省。 为取样方便， 在反应器外侧沿柱高分别设有取样 口 1、 2。反应器底部进水， 进水箱上部设有搅拌机， 62 环境工程 Environmental Engineering 图 1反应器试验装置示意 Fig． 1Schematic diagram of reactor 以便进水均匀。反应器是密闭的， 上部有出水溢流 口， 同时在上部设有出气口 沼气通过洗气和水封装 置排到空气中去 和通往电磁式空气压缩泵的回流 口， 沼气通过空气压缩机进入反应器底部的布气系 统， 对污水进行搅拌， 增强传质效果。反应器的上部 是三相分离器， 三相分离器具有两个功能 收集从分 离器下的反应室产生的沼气; 使分离器之上的悬浮物 沉淀下来。 1. 2实验用水 污水来自青岛理工大学家属区集水池的生活污 水， 其水质指标见表 1， 外观为浑浊、 浅黑色或黄黑 色， 其中有少量灰黑色块状物， 有轻微臭气。 表 1实验用水水质 Table 1Quality of the test water 指标温度CODpHVFA 数值11 ～19℃130 ～561 mg/L7. 5 ～8. 5252 ～336 mg/L 1. 3接种污泥 厌氧污泥取自青岛市团岛污水处理厂的厌氧消 化污泥， 呈黑色， 接种量为 60 L。 1. 4实验方法 利用气动 UASB 反应器处理青岛理工大学家属 区生活污水， 观察、 记录反应器的运行、 进出水及污泥 状况。 每天监测进、 出水的 COD、 温度、 pH 值; 每隔 3 d 监测进、 出水的 VFA 值; 从第 21 天起每隔 4 d 测定 UASB 反应器的 SV、 MLSS 值， 并计算出 SVI 值。 2结果与讨论 2. 1反应器常温下启动的运行条件控制及现象分析 启动 COD 容积负荷为 1. 5kg/ m3 d 左右。 第 130 天， 污水中的污泥由于自然沉淀而在反 应器下部积累， 这时从反应器下部可以发现污泥在缓 慢增长， 增长速度约为每天1mm， 这一阶段 COD 去除 率不高， 甚至出现了出水 COD 高于进水 COD 的 情况。 第3145 天， 随着反应器反应区产甲烷菌的不断 增加， 去除率逐步提高， 从取样口 1 和 2 取出的水样中 可观察到部分絮状污泥， COD 平均去除率为46. 7。 第 4651 天， 从取样口 1 和 2 取出的水样经过 洗泥后， 观察到新形成的颗粒污泥， 直径为0. 5 ～ 1 mm， 沼气产气率增大; 从洗气瓶中可以观察到连续 不断的密集气泡。表明反应器中的污泥已基本适应 污水的水质， 厌氧微生物生长良好， 镜检观察到较多 的杆状菌和少量游泳型纤毛虫， 系统出水较为清澈透 明。COD 平均去除率为 63. 3， 至此认为反应器启 动成功， 并且可以开始正常运行［1 ］。 2. 2反应器常温下的启动数据及分析 反应器的控制条件 pH 值为 7. 5 ～ 8. 5， 进水 VFA 为 252 ～336 mg/L。COD 的去除情况见图 2。 图 2进出水 COD 浓度和去除率变化曲线 Fig．2Curves of concentrations of COD influent and effluent and its removal rate 第 116 天， COD 去除率平均仅为 20 左右， 并 且波动幅度较大; 从第 19 天开始， COD 去除率稳步 上升; 从第 36 天开始， COD 去除率稳定在 45 以上， 出水 pH 基本维持在 7. 5 ～ 8. 5。仅在第 2023 天、 第 2527 天出水 pH 在 8. 5 ～8. 8。 由图 2 可以看出 教职工生活区生活污水的 COD 浓度波动幅度较大， 为 130 ～ 561 mg/L。反应 器出水 COD 浓度受进水 COD 浓度影响持续波动且 逐渐降低， 在 47 ～ 284 mg/L。前 16 天， 由于进水 COD 浓度较低， 并且所取污泥为污水厂生产性厌氧 消化污泥， 污泥还没有完全适应污水水质， 故 COD 去除率仅为 20 左右; 第 17、 18 天出现了出水 COD 高于进水 COD 的情况， 这是由于被截留的固体基质 被液化而扩散于液体中， 反应器中没有足够的产甲 72 水污染防治 Water Pollution Control 烷菌把液体中的溶解有机物及时转化为沼气; 从第 19 天开始， 去除率稳步提升， 到第 36 天时， COD 去 除率已达 48 ; 从第 37 天开始， COD 去除率稳定在 45 以上， 此后去除率稳步提升， 到第 51 天时已达 到 63 。这表明反应器中的活性污泥已经适应了 反应器系统的环境和进水水质， 污泥驯化成功， 反 应器启动完成［2］。 进水水温对 COD 去除效果的影响见图 3。由图 3 可以看出 在第 136 天， 进水温度相对较低， 为 1116 ℃， 阶段 COD 的去除率为 11. 1 ～ 57. 2， 平均为 34; 第 3851 天， 反应器进水温度较高， 为 16 ～ 19 ℃， 此 阶 段 的 COD 去 除 率 为 16. 4 ～ 64. 7， 平均为 53. 4。这不完全是温度变化造成 的， 还受颗粒污泥形成过程的影响。但是即使在温度 为11 ～16℃的情况下， COD 仍有34的平均去除率， 表明气动 UASB 反应器具有在低温和常温下处理生 活污水的优势。而农村埋地式反应器是可以达到上 述温度的。 图 3进水温度和 COD 去除率变化曲线 Fig．3Curve of influent temperature and COD removal rate 启动期间进出水 pH 值的变化情况见图 4。由图 4 可以看出 反应器进水 pH 值变化不大， 基本在 7. 5 ～8. 5， 平均为 8. 0。厌氧反应器出水的 pH 一般 等于或接近反应器内的 pH［3 ］。经反应器厌氧消化过 后， 出水 pH 值平均为 8. 0， 说明反应器运行良好， 这 一方面是由于进水有机负荷低， 甲烷化过程及时消耗 了乙酸等有机物; 另一方面是由于水体本身有一定的 缓冲能力， 这种缓冲能力主要来自于碳酸盐的平衡体 系、 氨氮和碱度 ［4 ］。由此可见， 在处理生活污水时， 其本身的缓冲能力和消解作用足以中和厌氧消化过 程中所产生的挥发酸， 使 pH 值维持在适合产甲烷菌 生长的范围 甲烷菌生长适宜 pH 值为5. 0 ～8. 5 ， 反 应器发生酸化的概率并不大。 图 4进出水 pH 值变化曲线 Fig．4Curve of pH of influent and effluent 启动期间反应器 SV、 SVI、 MLSS 和 COD 容积负 荷见表 2。从表 2 可以看出 反应器运行到第 21 天 时， 污泥浓度 MLSS 约为 1991mg/L， 此后污泥浓度 不断上升， 第 51 天时， 增长至 6 025 mg/L。 SVI 值能较好地反映出活性污泥的松散程度 活 性 和凝聚沉降性能， 一般在 50 ～150。实验初期 SVI 值较低， 为 41 以下， 表明反应器中污泥泥粒较为细 小， 无机质含量较高， 缺乏活性和吸附能力; 但到启动 结束时， SVI 值已达到 63， 表明污泥的沉降性能较好， 污泥培养驯化较为成功。 容积负荷 VLＲ 是一个重要的工艺参数， 它集中 反映了进水浓度和水力停留时间 HＲT 对厌氧生物 处理过程的综合影响。由于本实验采用实际生活污 水， 启动期间 COD 一直都处于波动中。尽管各个阶 段进水量不变， 但是进水浓度的变化导致负荷在一定 范围波动。在启动过程中， 随着颗粒污泥化的进行， 容积负荷不断提高， 去除率有不断提高的趋势， 反应 器启动后期 COD 去除率达到 68. 3。综上， 附加气 UASB 反应器在相对容积负荷波动幅度较大的情况 下运行具有良好的 COD 去除效果， 且负荷变化对附 加气 UASB 反应器处理生活污水的影响较小。 表 2反应器实验数据 Table 2Test data of reactors 时间/dSV/ SVI/ mL g －1 MLSS/ mg L －1 COD 容积负荷/ kg m －3 d－1 21804019911. 46 27834020011. 05 341403342221. 43 401503641051. 46 442003951051. 76 513806360251. 76 下转第 33 页 82 环境工程 Environmental Engineering 1选用铝盐作为化学除磷剂时， 在同样投加量 情况下， 聚合氯化铝的去除效果优于硫酸铝， 且出水 TP 较低。聚合氯化铝最佳投药量为 100 mg/L， 每 mg 聚合氯化铝去除 0. 044 mg TP， 去除率可达 86. 2。 选用三氯化铁作为化学除磷剂时， 最佳投加量为 140 mg/L， 每 mg 三氯化铁去除 0. 016 mg TP， 去除率 为 71. 9。采用氢氧化钙作为化学除磷剂时， 最佳 投加量为 400 mg/L， 每 mg 氢氧化钙去除 0. 012 mg TP， 去除率为 55. 2。采用氯化镁作为除磷剂， 最佳 pH 为 10. 00 左 右，最 佳 M Mg2 /M NH 4 / M PO3 － 4 为 1. 5∶ 1. 5∶ 1， 每 mg 鸟粪石去除 0. 22 mg TP。从除磷效果分析可知， 氯化镁是适宜的化学除 磷剂。 2当侧流比从 5变化到 30 时， TP 去除效率 呈先升高后降低趋势， 侧流比为 10 时去除率达到 最高值 99. 5， 之后 TP 去除率开始下降; 当侧流比 为 30时， TP 去除率下降至 82左右， 出水 TP 未达 GB 189182002 一级 A 标准。而出水 TN 除各别情 况超过 15 mg/L 外， 均可达 GB 189182002 一级 A 标准， 而且 TN 去除率随侧流比的增大而增大。综合 TN 和 TP 去除效果， 选取侧流比为 10， TP 平均去 除率为 99. 5， TN 平均去除率为 70。 3化学除磷辅助常规 A2/O 工艺调控后续生物 池 COD/TN 从技术上讲是可行的。该工艺不仅可有 效解决困扰城镇污水处理厂多年运行存在的脱氮碳 源不足难题， 而且为我国城市污水高效回收无机磷提 供一种技术途径。 参考文献 ［1］李雷． 城市污水 A2/O 工艺脱氮除磷试验研究［D］． 西安 西安 建筑科技大学， 2012. ［2］姜欣欣． 基于 A/O/A 运行模式的 SBＲ 工艺脱氮除磷效能及其 微生物特性研究［D］． 哈尔滨 哈尔滨工业大学， 2011. ［3］侯红娟， 王洪洋， 李彤， 等． 化学/生物联合工艺处理城市污水研 究［J］． 工业水处理， 2005， 25 4 43- 45. ［4］王刚． 化学除磷在污水处理工艺中的运用［J］． 城市道桥与防 洪， 2009 4 70- 72. ［5］侯艳玲． 城市污水处理厂化学除磷工艺优化运行与控制系统 研究［D］． 北京 清华大学， 2010. ［6］王文超， 张华， 张欣． 化学除磷在城市污水处理中的应用［J］． 水科学与工程技术， 2008 1 14- 18. ［7］曹红． 化学除磷在中水回用工程中的运用和控制条件［J］． 环 境保护科学， 2010， 36 5 36- 37. ［8］李京雄． 化学除磷絮凝剂的选择［D］． 广州 广东工业大学， 2005. ［9］俞蕴芳， 顾俊． 城市污水化学除磷药剂的选择试验研究［J］． 污 染防治技术， 2010， 23 4 74- 76. ［ 10］王绍贵， 张兵， 汪慧珍． 以鸟粪石的形式在污水处理厂回收磷 的研究［J］． 环境工程， 2005， 23 3 78- 50. ［ 11］郝晓地． 可持续污水 － 废物处理技术［M］． 北京 中国建筑工业 出版社， 2006 101. ［ 12］祝贵兵， 彭永臻． 生物除磷设计与运行手册［M］． 北京 中国建 筑工业出版社， 2005 68- 69. 第一作者 胡猛 1969 － ， 工程师， 主要研究方向为水污染防治与管控。 通讯作者 邢传宏 1969 － ， 教授， 主要研究方向为水污染控制理论与 技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 chxing zzu． edu． cn 上接第 28 页 3结论与建议 1 城市生活污水属于低浓度、 低温有机废水， 在 常温、 低温条件时厌氧微生物生长缓慢， 普通厌氧反 应器不适合处理此类污水 ［5 ］。而气动 UASB 反应器 的启动及正常运行验证了其在常温下处理城市生活 污水的可能性。 2 进水 COD 浓度为 130 ～ 561 mg/L， 平均为 253 mg/L， 实现了低浓度启动的目标。 3 该反应器采用气循环搅拌而不是水力循环搅 拌， 生活污水本身有机物浓度较低， 水力循环会使得 浓度进一步降低， 而气循环避免了这种缺点。 4 该反应器常温下仅用 51 d 就完成了启动， 远 远优于普通 UASB 的启动时间 普通 UASB 反应器一 般为 3 ～6 个月 。其主要原因在于该反应器污泥床 区具有较高的气体上升流速 Ascensional Velocity ， 高的上升流速对污泥有良好的选择作用， 同时也增强 了生活污水与污泥之间的传质效率。 参考文献 ［1］王丹丹． UASB 反应器处理生活污水的试验研究［D］． 青岛 青岛理工大学， 2009． ［2］王新华， 管锡珺， 徐世杰， 等． 水力循环 UASB 反应器处理柠檬 酸废水［J］． 水处理技术， 2006， 32 11 61- 65． ［3］宋宏杰， 孔德芳， 陈涛， 等． 改良 UASB 处理酒精废水启动试验 研究［J］． 水处理技术， 2012， 38 4 80- 83． ［4］李玲燕， 傅金祥． UASB- BCO 工艺处理低浓度生活污水的试验 研究［J］． 山西建筑， 2009， 35 2 22- 23． ［5］雒文生． UASB 处理低浓度城市生活污水的中试试验［J］． 环 境工程， 2006， 24 5 89- 91． 第一作者 徐阳钰 1987 － ， 女， 硕士研究生， 主要研究方向为水污染 控制工程。xyy20071746163． com 33 水污染防治 Water Pollution Control