關(guān)于強(qiáng)化UASB污水處理技術(shù)效率的研究
UASB污水處理技術(shù)，即上流式厭氧污泥床技術(shù)，近年來在有機(jī)污水處理，特別是高、中濃度有機(jī)污水處理領(lǐng)域，受到人們越來越多的關(guān)注。該技術(shù)是1974年荷蘭學(xué)者G. Lettinga等人開發(fā)成功的，經(jīng)世界各國環(huán)保專家的完善，已發(fā)展成為相當(dāng)成熟的水處理技術(shù)。特別在歐洲和日本等國，取得了很大的進(jìn)展，在上千座污水處理設(shè)施中得到應(yīng)用〔1〕。
我國在這項(xiàng)技術(shù)的理論研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用上，也進(jìn)行了積極的探索和嘗試，建成了多處UASB污水處理設(shè)施。雖然也達(dá)到了一定的處理效果，但由于在工程上過分地強(qiáng)調(diào)了硬件，忽視了軟件的作用。在技術(shù)上與國外先進(jìn)水平相比，仍有很大的差距，如COD負(fù)荷率僅能達(dá)到3～5 kg/m3.d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外的10～20 kg/(m3.d)，而且設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性也差。
1強(qiáng)化方法
從影響UASB運(yùn)行的不利因素來看，應(yīng)從以下幾個方面加以強(qiáng)化，才能確保其達(dá)到理想的處理效果。
1.1嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)
許多人認(rèn)為，既然UASB技術(shù)能適應(yīng)于多數(shù)的有機(jī)污水，且能保持較高的處理負(fù)荷，對進(jìn)水水質(zhì)想當(dāng)然的放松了限制，認(rèn)為UASB能適應(yīng)各種惡劣水質(zhì)環(huán)境。因此往往對原水不加任何調(diào)整，直接泵入UASB反應(yīng)器中。殊不知，UASB處理過程實(shí)質(zhì)上是利用了生物的生理過程，其正常運(yùn)行條件必須滿足生物的生存條件。UASB的顆粒污泥菌種無論在承受高的COD負(fù)荷沖擊，還是在忍受其它阻害物抑制方面，較其它菌種具有相當(dāng)強(qiáng)的能力。但承受能力仍有一定的限制。
一般認(rèn)為，UASB進(jìn)水水質(zhì)宜控制CODCr≤10000 mg/L，BOD5/CODCr≥0.3，SS≤1000 mg/L，pH值中性左右，溫度35 ℃，其它阻害物濃度也以不妨礙微生物生理活動為原則。
1.2采取預(yù)酸化處理
UASB技術(shù)是利用厭氧微生物的生理活動，將有機(jī)物基質(zhì)分解為沼氣(主要成分是CH4和CO2)放出，從而使水體凈化。因此在工藝設(shè)計上，必須充分考慮到糖類、蛋白質(zhì)和脂肪等高分子有機(jī)物的生物降解過程，為其創(chuàng)造適宜的條件，才能有效地去除這些有機(jī)污染物。
從圖1可見，有機(jī)物要經(jīng)生化處理轉(zhuǎn)化成沼氣放出，必須先經(jīng)歷水解，酸化過程，轉(zhuǎn)化為低級脂肪酸后才能進(jìn)行。而UASB中所用的顆粒污泥，其主要菌種是產(chǎn)沼菌，對高分子有機(jī)物的水解酸化過程則效果不大。為解決這個矛盾，國外普遍采用UASB反應(yīng)器前進(jìn)行預(yù)酸化處理，并且根據(jù)不同有機(jī)物水解酸化所需時間不同設(shè)定水力停留時間。國內(nèi)對這一點(diǎn)重視不夠，是造成UASB性能不佳的另一主要原因。
圖1 高分子有機(jī)物的產(chǎn)沼發(fā)酵分解機(jī)理
1.3優(yōu)化進(jìn)水和三相分離系統(tǒng)
設(shè)計出符合流體力學(xué)和生物反應(yīng)的合理的進(jìn)水布水系統(tǒng)，也是改善UASB處理效率的有效途徑。布水系統(tǒng)采用雙向進(jìn)水的純水力攪拌方式，流向90 s切換一次，可提供柔和的水力攪拌效果，促進(jìn)污泥和污水之間的良好接觸，使污泥上附著的氣泡有效分離，有利于“水力篩分”，提高反應(yīng)器的負(fù)荷，加速污泥顆粒化的形成。有兩層折流板的氣液固三相分離系統(tǒng)，在折流板處可形成循環(huán)滾動流，加強(qiáng)了顆粒污泥的生成〔2〕。從圖2可看出三相分離器設(shè)在反應(yīng)器的頂部，廢水由反應(yīng)器底部布水器進(jìn)水，完成均勻布水和水力攪拌過程，再向上流過顆粒污泥床區(qū)與大量的厭氧菌分解成沼氣，廢水在升流的過程中夾帶著沼氣和厭氧菌固體物。沼氣在氣室被分離去掉，并通過導(dǎo)管不斷被排出，可作為生物能被收集利用。廢水和厭氧菌固體物在沉淀區(qū)進(jìn)行固液分離，處理過的凈化水由反應(yīng)器頂部排走，廢水完成了處理的全過程。沉淀區(qū)的大部分污泥可返回污泥床區(qū)，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)可保持足夠的生物量。由此可見，整個UASB反應(yīng)器是集生物反應(yīng)與沉淀于一體，并且不設(shè)機(jī)械攪拌，不裝填料，構(gòu)造較為簡單，運(yùn)行管理方便。
圖2 UASB反應(yīng)器
1.4利用高效厭氧發(fā)酵菌團(tuán)——顆粒污泥
顆粒污泥是UASB技術(shù)的一大特色，其直徑約2～3mm，顏色因水質(zhì)的不同而呈現(xiàn)黑色和灰色，密度比絮體污泥大，具有良好的沉降性能。其有很高的去除有機(jī)物活性，使反應(yīng)器內(nèi)可維持很高的生物量，因此保證了UASB反應(yīng)器可在高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。顆粒污泥是由多種絕對厭氧菌種形成菌團(tuán)，其中的索氏甲烷菌(Methanothrix)是一種絲狀菌，很容易吸附;另一種八疊甲烷球菌(Methanoscamia)則具有形成的顆粒污泥緊密、密度大和沉降性能好等特點(diǎn)，它們在顆粒污泥的形成中發(fā)揮了巨大的作用〔3〕。但這兩種菌在普通厭氧過程中較難出現(xiàn)，這也是顆粒污泥難以形成的主要原因。但是為其創(chuàng)造適宜增殖的外部條件，顆粒污泥也是比較容易形成的，不過其增殖周期較長，F(xiàn)在工程上普遍采用接種處理的辦法，從菌種基地取來種泥，直接投入UASB反應(yīng)器中，大大縮短了設(shè)備調(diào)試時間，一個月或幾個月之內(nèi)即可完成試運(yùn)行。而傳統(tǒng)的做法則需要半年或更長的時間。
1.5反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置循環(huán)流
UASB反應(yīng)的預(yù)酸化階段，糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等高分子有機(jī)物液化為低分子有機(jī)物，再酸化為大量低級脂肪酸，導(dǎo)致水的pH值下降。為確保后續(xù)的UASB反應(yīng)器正常運(yùn)行，需加堿中和后才能進(jìn)入下級處理。而同時，污水經(jīng)顆粒污泥菌種產(chǎn)沼發(fā)酵處理后，產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的NaOH，致使處理水呈堿性。因此設(shè)置反應(yīng)器內(nèi)部循環(huán)流，使部分處理水回流，可充分利用余堿，降低堿的投加量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。該措施在酸化槽和UASB反應(yīng)器之間形成了內(nèi)部微循環(huán)，同時達(dá)到了促進(jìn)預(yù)酸化反應(yīng)和強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)水力攪拌效果的作用。
1.6與好氧處理相結(jié)合
與其它厭氧處理工藝一樣，UASB技術(shù)最適宜于處理高、中濃度的有機(jī)廢水，但一般不能去除廢水中的氮和磷，也不能確保出水水質(zhì)達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)。這是因厭氧生化反應(yīng)的本質(zhì)決定的，尤其在出水不經(jīng)城市污水處理廠集中處理而直接排放的廠區(qū)，宜采用厭氧—好氧串聯(lián)處理工藝，即用UASB反應(yīng)器去除廢水中大部分含碳有機(jī)物作為預(yù)處理，而用好氧處理設(shè)備去除殘余的含碳有機(jī)物和氮磷等物質(zhì)，這是最佳的廢水處理工藝選擇。一般的，UASB工段可去除90%以上的COD、BOD成分，并且可使一些生物難降解物質(zhì)轉(zhuǎn)換為易降解成分;而好氧處理工段則能以其良好的出水效果確保處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放。采用該工藝組合，可大大降低設(shè)備占地面積，節(jié)省基建投資，降低運(yùn)行成本。因而經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。
2實(shí)例
目前，采取以上強(qiáng)化措施的高效UASB技術(shù)已在國內(nèi)取得了成功的應(yīng)用。在馬鈴薯加工廢水的處理過程中，采用了UASB+活性污泥處理工藝對所排污水(含泥沙、馬鈴薯皮、淀粉等成分)進(jìn)行處理，原水及處理水質(zhì)如表1所示。
由于廢水水質(zhì)中SS、pH、溫度是需要控制的項(xiàng)目，經(jīng)沉砂格柵和預(yù)酸化器完成調(diào)整;UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)上，下部設(shè)置了特殊的水力攪拌器，上部也優(yōu)化了三相分離器，并且在UASB反應(yīng)器和預(yù)酸化器之間設(shè)置了10%的內(nèi)部循環(huán)流;采用國外進(jìn)口優(yōu)良顆粒污泥菌種，經(jīng)國內(nèi)馴化繁殖，一次性地投入UASB反應(yīng)器中;最后UASB處理水經(jīng)曝氣處理后外排。
表1 馬鈴薯廢水處理數(shù)據(jù)
由表1可見，COD負(fù)荷率達(dá)到10 kg/(m3.d)，COD去除率高達(dá)98%以上。處理水質(zhì)穩(wěn)定地達(dá)到國家環(huán)保局規(guī)定的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)。
3結(jié)論
通過以上改進(jìn)研究，UASB技術(shù)的承受COD負(fù)荷能力強(qiáng)、COD去除率高、節(jié)能產(chǎn)能、剩余污泥生成量少、占地面積小、易于管理等優(yōu)勢得以充分地發(fā)揮出來，成為最適合于啤酒、釀造、食品、淀粉、乳制品、農(nóng)水產(chǎn)、屠宰、果醬、飲料、造紙、化工、制藥等行業(yè)的水處理技術(shù)。
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