UASB反应器处理垃圾渗滤液的快速启动方法

胡浩元，周恭明 （同济大学环境科学与工程学院，上海200092）

　　摘　要：研究了UASB反应器处理生活垃圾渗滤液时快速启动的条件，结果表明：在夏季的室内水温（25－30℃）时，采用未经驯化的城市生活污水厂（传统活性污泥法）的剩余污泥接种，经逐步培养法，通过控制较低的液体上升流速（3.0m/d），可以在50d的时间里完成UASB反应器处理垃圾渗滤液的启动，使其有机负荷（以CODcr计）达到10kg/m³·d），且CODcr的去除率高达70％以上（较常规启动少用1－4个月的时间），进而在90d里完成污泥的颗粒化。
　　关键词：UASB反应器；垃圾渗滤液；快速启动
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：A
　　文章编号：1009－2455（2002）06－0029－03

Quick Start-up of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor in Treating LandfilI Leachate
HU Hao-yuan, ZHOU Gong-ming
(School of Environmental Science and Engineering, Tongii University, Shanghai 200092, China)

　　Abstract: Conditions for quick start-up of UASB reactor treating landfill leachate have been studied. The results show: at the embient water temptemperature in summer (25～ 30℃), when inoculated with surplus sludge　from municipal wastewater treatment plant (which uses conventional activated sludge process) and cultivated　step-by-step, and by controlling the liquid up-flowing speed at 3.0m/d, the UASB reactor can be started-up　within 50 days in treating landfll leachate, with the organic loading rate (as CODcr) up to 10 kg/(m³.d).and　the CODcr removal rate over 70%. Granulation of the sludge in this reactor can he completed within 90 days,　which is 1～ 4 months shorter than with conventional start-up.
　　Key words: UASB reactor; landfill leachate; quick start-up

　　目前，在处理城市生活垃圾填埋场的渗滤液方面，世界上一些国家如新西兰、美国、澳大利亚等采用了UASB艺，运行效果良好^[1]。我国也有实例，如福州、武汉、昆山等地在处理垃圾渗滤液时也有采用UASB工艺。但由于我国对这方面研究不足，使得相当一部分处理垃圾渗滤液的UASB反应器启动十分困难。为此，本研究侧重于为实现处理垃圾渗滤液的UASB反应器的快速启动提供实验依据和科学方法。

1 实验方法

1．1 实验装置
　　实验用UASB反应器采用内径为200 mm有机玻璃圆柱，高2.1m，总容积55L，有效容积50L，在高度方向上每隔300mm开一取样孔。
1．2 实验步骤及条件
　　①投加接种污泥，接种污泥投加量为UASB反应器有效容积的25％左右：接种污泥来自上海市某生活污水处理厂二沉池的剩余污泥，ρ（MLVSS）＝5350mg/L。沉降性能良好。
　　②第一周将UASB反应器的有机负荷（以CODcr计）控制在0.5kg/（m³.d），以后每隔7d增加一次有机负荷，即有机负荷为1，2，4，7，10kg/（m³.d）。
　　③通过调节回流水量而控制整个启动期间液体上升流速（也即表面水力负荷）在3.0m周左右。
　　④考虑到高污泥停留时间是厌氧反应器高效运行的保证，本启动期间并未进行排泥，从而保持高污泥浓度和高污泥停留时间。
　　⑤由于厌氧细菌在30－40℃活性较高，而实际工程加温费用较为昂贵，故水温选夏季室内水温25－30℃进行启动实验。
　　⑥垃圾渗滤液来自上海市老港城市生活垃圾填埋场调节池渗滤液原水，本实验在启动阶段对此原水进行了稀释，使产（CODcr）－2500mg/L，p（NH₃-N）≈200mg/L，ρ（TP）≈3.5mg/L，在工程中可以通过出水回流来稀释较高浓度的渗滤液。

2 结果与讨论

2.1 选择压与污泥颗粒化
　　已有的研究表明，当温度等外界条件一定时，对UASB反应区内的颗粒污泥的形成影响最大的是基质的种类、浓度以及液体上升流速（也即表面水力负荷）和表面产气负荷（合称选择压）。由Hickey^[2]，Letting G．^[3]，Driessen^[4]等人的研究表明基质的质量浓度（CODcr）在4000mg/L以下为宜。同时在Riitta^[5]等人的研究中认为液体上升流速在 2.5－3.0m/d（甚至0．72－0．96 m/d^[6]）之间时，最有利于UASB反应器内污泥的颗粒化。鉴于以上原因，本实验的液体上升流速控制在3.0±0.2m/d，较国内的报道（一般为10m/d以上）要低得多。图1反映了反应区内污泥平均粒径与选择压（以液体上升流速与表面产气负荷之和计）随时间的变化。由图1可见，在表面产气负荷快速增长期（第30天至第60天）污泥粒径增长迅速，平均增长了1.0mm，不仅充分说明了选择压对于污泥平均粒径有显著的影响，而且还从另一侧面证明了充气搅拌确实可以加快污泥颗粒化进程^[7]。

2.2 有机负荷
　　有机负荷与CODcr去除率随时间的变化情况如图2所示。由图2可见，随着运行时间的增长CODcr去除率总体上是逐步增长的，且每次有机负荷突增后，CODcr去除率有所下降但又会马上回升；同时进水浓度对UASB反应器也有一定的影响，如在第44天时进水CODcr的质量浓度从原来的约2500mg/L升到约 3500mg/L时，CODcr去除率下降到54.9％，但第46大又达到了63.4％，说明UASB反应器抗冲击负荷能力比较强。对于UASB反应器处理垃圾渗滤液而言，只经过50d的启动，有机负荷（以CODcr计）就高达10kg/（m³.d），且CODcr去除率高达70％以上，这显然比常规所需的启动时间4－6个月^[4]要短得多。究其原因，是因为在CODcr去除率较低（30％－60％）时，底部进水口的乙酸质量浓度较高（1000－1500mg/L），充分发挥7以巴氏甲烷八叠球菌为主体的球状颗粒污泥（又称A型颗粒污泥）在乙酸浓度较高时比增殖速度快的生理特性；而常规启动为了避免酸化，常在CODcr去除率达80％－90％后才提高有机负荷，其结果是从一开始即维持体系中较低水平的乙酸浓度，而无法培养起A型颗粒污泥^[7]。

2．3 出水挥发性脂肪酸VFA与叫值
　　出水挥发性脂肪酸VFA在厌氧反应器控制中被认为是最重要的参数，这是因为VFA的去除程度可直接反映甲烷菌的活性，在正常情况下，底物先由酸化菌转化为VFA，而VFA又易被甲烷菌转化为甲烷气体，因此甲烷菌活跃时，出水VFA浓度较低。一般认为出水VFA的质量浓度低于200mg/L时，说明反应器运行良好，反之当VFA的质量浓度高于800mg/L，就有“酸化”的危险^[6]。而对于连续流厌氧工艺，一般认为当pH值在7.0－7.2时的有机负荷是比较理想的，而只要温度及进水水质不变，出水的pH值主要取决于有机负荷。有机负荷一定时，消化液的pH值很快就趋向某一固定值。已有经验证明：有机负荷低时，pH值较高；反之亦然。由此可知，VFA与pH值在某种程度上有较为直接的关系，这一点在本启动中也得到了很好的反映，详见图3。

　　大多数研究者认为：pH值的测定较VFA测定方便得多，所以当条件有限时，可以利用VFA与pH值这种较为直接的关系，通过出水的pH值间接指示出水的VFA质量浓度。由图3可见，只要pH值在7.15以上（本启动进水PH值在7.0－7.1之间），就可以较好地将VFA的质量浓度控制在400mg/L以下。
2．4 碱度与氨氮（NH₃－N）
　　厌氧工艺出水的碱度通常是由其中的共轭酸碱对（主要有NH⁴⁺/NH₃，H₂CO₃/HCO₃^-，HCO₃^-/CO₃2-，H₂S/HS^-，HS^-/S^2-，HAC/AC^-等）决定的。因而厌氧体系的总碱度可粗略地由下式计算：
　　总碱度=[HS^-]+[HCO₃^-］+2[CO₃^2-］+［NH₃］+[Ac^-]
　　McCarty建议总碱度应维持在2000－5000mg/L的范围内，如果反应器总碱度小于1000mg/L就会导致pH值的下降，H₂S的质量浓度不应高于150mg/L、NH₃-N的质量浓度不应高于1000mg/L^[8]。本启动实验期间，UASB反应器内总碱度平均值约为2100mg/L，而NH₃^－N的质量浓度在180－300mg/L变化，运行情况良好。

3 结论

　　①采用城市生活污水厂的剩余污泥接种，在夏季自然水温25－30℃左右时，经逐步培养法，可以在50d的时间里完成UASB反应器处理垃圾渗滤液的启动，使其有机负荷（以CODcr计）高达10kg/（m³.d），且CODcr去除率高达70％以上（较常规启动少用1－4个月的时间），进而在90d里完成污泥的颗粒化。
　　②可以通过利用A型颗粒污泥在较高的乙酸质量浓度（1000－1500mg/L）下比增殖速度快的生理特性而达到缩短启动时间的目的。
　　③UASB反应器处理垃圾渗滤液，较低的液体上升流速（本实验在3.0m/d左右）有利于加速污泥颗粒化进程。
　　④为了保证厌氧微生物有较高的增殖速度，应保持较高的启动温度（25－35℃）为宜。
　　⑤适当的碱度（约2100mg/L）有利于维持UASB反应器内pH值的稳定。

参考文献：

　　[1] Glas H, Notenboon G J, Liem G H. High rate biological leachate　treatment[C]. In Proc. Sardinia 93, Fourt international landfill symposium. Cagliari　Italy. 1993.
　　[2] Hickey R F, Wu W M. Veiga M C, et al. Start-up, operation, monitioring and control of high-rate anaerobic treatment systems[J]. Wat Sci Technol, 1991,24(8):207-225.
　　[3] Lettinga G, Hulshoffeol L. W. UASB-process design for various types　of wastewaters [J]. Wat Sci Technolm,1991,24(8)87-107
　　[4] Driessn, W J B M. Habets L, H A, et al. New developments in the　design of Upflow Anaerobic Sludge Bed reactors[C].2rd Special-ized IAWQ confereNCE on Pretreatment of Industrial Wastewaters,1996.
　　[5] Riitta H Kettunen, Jukka A R. Performance of an on-site UASB re-actor treating leachate at low temperature[J]. Wat Res, 1998, 32(3): 537 -- 546.
　　[6] C M M Campos, G K Anderson. The effect of the liquid upflow ve-locity and the subatrate concentration on the start-up and steady-state periods of lab-scale UASB reactors[J]. Wat Sci Technol,　1992, 25 (7): 41--50.
　 ［7］张希衡．废水厌氧处理工程[M].北京：中国环境科学出版 社，1995. 222－225
　　[8] 王凯军．UASB工艺的理论与工程实践［M］．北京；中国环境科 学出版社，2000.170188

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　　作者简介：胡浩元（1977－），男，湖北孝昌人，同济大学环境工程专业在读硕士研究生，主要研究方向为水污染控制工程，电话13641872073，同济大学94#。