摘要：目的 研究上流式厌氧污泥床（UASB）污泥颗粒化过程以及污泥颗粒化过程中主要运行条件的影响.方法 采用小试动态试验,接种普通厌氧消化污泥，控制反应器温度在(35±1)℃，交替增加进水COD质量浓度和进水流量，研究污泥颗粒化过程. 结果 经过60d的运行，完成污泥颗粒化.此时进水COD质量浓度为6936mg/L, COD的容积负荷为10.40kg/(m3d),产气率达到0.40m3/kg (以COD去除量计,以下同), COD去除率91.2%.结论 控制启动过程中各运行条件，通过逐步增加反应器负荷，可以成功地培养出颗粒污泥. 形成的颗粒污泥内部为黑色，外部包裹一层白色黏性物质，粒径大部分在2－4mm.
关键词：UASB 启动 厌氧污泥 颗粒污泥
上流式厌氧污泥床(UASB)作为现代高效厌氧反应器中应用最广泛的反应器之一,在荷兰、德国、瑞典、比利时和美国已应用于土豆加工废水、蚕豆加工废水、屠宰废水、罐头制品加工废水、甲醇废水、乙酸废水及纤维板废水的小试或生产性处理试验，都取得了较好的结果.我国于1981年开始了UASB反应器的研究工作，在处理高浓度有机废水方面，已得到了实际的推广应用.
但是，由于大多数厌氧菌很敏感的特性，使反应器的菌群对极小的变化比好氧系统[1]表现得更加敏感，因此厌氧系统的启动时间较长，短的二三个月，长的达半年甚至一年之久[2]，严重影响了UASB工艺在污水处理中的应用[3-7].针对UASB启动难的问题，本试验对UASB反应器在中温下启动的运行条件、厌氧污泥的颗粒化过程及影响因素和颗粒污泥的微生物学特性等进行了研究，对UASB工艺的实际应用具有一定的指导意义.
1 试验装置及试验方法
1.1试验装置
图1 试验装置
试验装置如图1.反应器内径90mm，总高度1950mm，其中三相分离器部分高度为400mm，悬浮层及污泥床区总高度为1550mm，反应器总有效容积为12.2L.反应器通过夹套循环水进行保温，温度控制在(35±1)℃.废水经计量泵由反应器底部注入，由顶部出水管出水.产气量经水封瓶由湿式气体流量计计量.
1.2试验用水
试验用水采用葡萄糖自配水，并按COD:N:P＝200:5:1加入尿素和磷酸二氢钾，同时加入一定量的微量元素和酵母膏.在运行过程中还根据运行情况加入—定量的碳酸氢钠以维持反应器内部的pH值在6.8-7.2之间.
1.3接种污泥
接种污泥采自沈阳北部污水处理厂厌氧消化污泥，SS=23.16g/L，VSS=22.58g/L,接种量为6L，接种后，反应器内的平均污泥质量浓度为SS=11.39g/L，VSS=11.1g/L（均按反应器总体积计算）.
1.4分析项目及方法
C0D:重铬酸钾法;碱度:滴定法;挥发酸:气相色谱法，岛津GC-9A;沼气产量:湿式气体流量计测定;微生物:普通显微镜观察;温度:温度计.
2 颗粒污泥的形成过程
2.1 污泥驯化期
将接种污泥加入反应器后，控制进水COD质量浓度在1000mg/L左右,逐步增加进水流量，同时使水温每天升高2℃，这样经过7d后，流量达到0.49L/h,温度达到35℃.第8d开始保持进水流量、COD浓度不变，同时控制进水pH值为6.8-7.2左右，这时COD的容积负荷为0.97kgCOD/(m3d)，水力停留时间为24.8h.经过14d的运行，COD去除率逐渐从30.8%升至79.1%以上，挥发性脂肪酸(VFA)为220mg/L，且出水pH值在7左右，表明接种污泥已基本适应新的废水水质.
2.2 颗粒污泥出现期
此阶段通过交替增加进水有机物浓度和进水量，不断提高反应器的容积负荷，直到处理效率稳定并出现颗粒污泥。以COD的容积负荷为1.01kg/(m3d)开始，通过改变进水浓度和流量，不断提高容积负荷. 当COD的去除率达到80%，同时VFA<400mg/L时增加负荷.负荷提高造成COD去除率下降，pH降低，随后COD去除率逐渐增加，直到稳定.当运行到38d时,从反应器的底部取出污泥观察,发现肉眼可见的微小颗粒状污泥(不规则球型、黑色、粒径0.1-0.3mm)出现.此时进水COD=2424mg/L,HRT=16h, COD的容积负荷为3.69kg/(m3d), COD去除率为90.8%.
2.3 颗粒污泥成熟期
这一时期的特征是颗粒污泥不断增大,直到反应区内充满颗粒污泥.继续稳步提高进水负荷,保持流量为0.76L/h不变,逐步提高进水浓度.当运行到第60d时，反应器内充满颗粒污泥，见图2.此时进水COD的质量浓度为6936mg/L，COD的容积负荷为10.40kg/(m3d)，COD去除率为91.2%， 图2 反应柱中形成的颗粒污泥实体照片
产气率为0.40m3kg-1.颗粒污泥形状不规则，一般为球形或椭球形，粒径大部分在2－4mm(按体积百分比)，个别达5mm. 颗粒内部为黑色，外部包裹一层白色黏性物质,这层黏性物质就是颗粒污泥的重要化学组分胞外多聚物[8].胞外多聚物的主要成分为多糖、蛋白质和糖醛酸等.它在细胞间的聚集中起着粘连作用,从而促进了颗粒污泥的形成并对颗粒的稳定做出了贡献[9].
3 有机物降解和产气量的变化
3.1 污泥颗粒化过程中COD去除率随时间变化
在试验过程中，进水COD的质量浓度(COD)逐步增加，从最初的 928 mg/L增加到6936mg/L,HRT由43.1h缩短至16h，COD去除率逐渐提高.从图3中可以发现，每次负荷提高后，COD去除率下降，但接下来的几天内COD去除率逐步提高并趋于稳定.这说明增加容积负荷，厌氧污泥的质量浓度和活性在不断增加，污泥的生物吸附、絮凝、分解的有机物相应增加.
3.2 污泥颗粒化过程中产气量随时间的变化
在一定的污泥质量浓度、基质质量浓度和温度条件下进行厌氧消化，通过测量产生的甲烷气的数量和产气速率，就可以得到污泥的产甲烷活性(Specific Methanogenic Activity，简称SMA).由于废水中被去除的COD主要转化为甲烷，因此污泥产甲烷活性可以反映出污泥所能具有的去除COD及产生甲烷的潜力.它是污泥品质的重要参数，能够较好地反映出颗粒污泥的生物活性.从图4中可以看出，产气率随容积负荷的提高而增加，最高容积产气率为0.40m3kg-1，沼气中甲烷质量分数为60%以上.
4 主要运行条件的影响分析
4.1有机负荷的影响
有机负荷直接反映了食物与微生物之间的平衡关系.有机负荷是否适中将直接影响反应器对有机物去除率的高低，有机负荷过大是造成反应器酸化的直接原因.从图5中可看出， 随着进水量和进水浓度的增加，反应器COD的容积负荷由0.61逐渐增至10.40kg/(m3d).在污泥驯化阶段，由于反应时间短，产甲烷菌数量较少，主要处于产酸阶段，因此COD去除率增加得比较缓慢，随着试验的进行，产甲烷菌大量繁殖，COD去除率逐渐增加.进入颗粒污泥出现阶段后，有机负荷的改变对反应器的去除效率影响不大，COD的去除率保持在85%以上.
4.2 pH值的影响
在厌氧反应器启动阶段，pH值是非常重要的控制指标.图6显示了颗粒化过程中pH值的控制与变化过程.在启动初期，由于反应时间短，产甲烷菌数量较少，主要处于产酸阶段，出水pH值低于进水，为6.0-6.6，COD去除率只有30%.随着试验的进行，产甲烷菌大量繁殖，和产酸菌能够保持一定的平衡状态，使出水pH值随进水酸碱的改变变化很小，稳定在7.0左右，COD去除率基本上稳定在85%以上.
4.3 碱度的影响
进水的碱度也影响反应器的启动，一般认为控制进水的碱度在1000 mgL-1以上能成功地培养出颗粒污泥.从图7中可以发现,试验初期，进水碱度均在1000 mgL-1以上。当颗粒污泥形成以后，进水碱度略有降低，但基本都>750mgL-1.说明在启动过程中，控制出水的碱度在750mgL-1以上能成功地培养出颗粒污泥.
5 结论
(1) 逐步提高进水COD浓度和进水流量，当COD去除率>80%，出水VFA<400mg/L时提高负荷，经过60d的运行完成了污泥颗粒化.
(2) 形成的颗粒污泥内部为黑色，外部包裹一层白色黏性物质，粒径大部分在2-4mm.
(3) 颗粒污泥最高容积产气率为0.40m3kg-1，沼气中甲烷质量分数为60%以上.
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The experimental study of the granulation of the sludge of UASB
Fu Jin-xiang Yu xing Sun Wen-zhang Zhao Yu-hua Tian ye
(Municipal and Environmental Engineering Faculty, Shenyang Arch. And Civ. Eng. Univ, Shenyang, 110168, China)
Abstract: The granulation of the sludge in the UASB reactor was studied in a experimental unit. The results shows: Under meaophilic conditions(35±1℃), with common anaerobic sludge as the seed sludge, by increase the loading of the reactor step by step, in 60 days granulation of the sludge can be completed .At that time the influent COD concentration is 6936mg/L, the organic loading is 10.13 kg COD/(m3d), the COD removal rate is 92.8％ and the net gas yield is 0.33 m3/kg COD removal . Most of the granular sludge is 2-4mm. The inside of the granular sludge is a black core, surrounded by a layer of white sticky substance.
Key words: UASB；start-up；anaerobic sludge；granular sludge
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收稿日期：2005-07-09
基金项目：辽宁省自然科学基金（20022007）
作者简介：傅金祥（1955-），男，教授，博士后.主要从事水处理理论与技术研究.