UASB-曝气法应用于饮料废水中出现的问题及分析.pdf

UASB － 曝气法应用于饮料废水中出现的问题及分析 * 熊鸿斌陈雪赵娜娜 合肥工业大学资源与环境工程学院， 合肥 230009 摘要 UASB － 曝气法应用在饮料废水处理的前期运行良好， 但运行后期出现了出水不达标的异常现象， 通过运行数据 和 UASB 常见问题的分析， 发现使系统出现异常的原因是 UASB 反应器内部腐蚀、 三相分离器不完善等的常见问题。 针对这些问题提出了相应的解决措施和二次启动厌氧池的建议， 以使该系统恢复运行效果。 关键词 饮料废水; UASB 反应器; 三相分离器; 国家标准 PROBLEMS OF UASB- AERATION APPLIED IN THE TREATMENT OF BEVERAGE WASTEWATER AND ANALYSIS Xiong HongbinChen XueZhao Nana School of Resources and Environmental Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China AbstractUASB-Aeration used in the treatment of drink wastewater was running well in the beginning. But it was appeared abnormal phenomena of effluent that could not accord with national standards in the later running. According to operating data and analysis of frequent problems in UASB，the reasons which system were the internal corrosion of UASB reactor and the defect of three-phase separator etc. To solve these problems，it was advanced some corresponding measures in this paper. And advice of the second startup of the anaerobic pond was raised in order to make the system have operation effect again. Keywordsbeverage wastewater;UASB reactor;three-phase separator;national standards * 安徽省重大科技攻关课题 08010302114 ; 安徽省 2009 年度科研计 划项目 09020303102 资助。 1概述 升流式厌氧污泥床 UASB－ 曝气法是 A/O 厌 氧 － 好氧 法常用的一种， 这种方法处理废水在国外 20 世纪 70 年代就开始发展应用， 至今已有成熟的工 艺设计和设备装置。A/O 工艺相比其他的废水处理 工艺具有 流程简单， 节省基建费用; 好氧池在厌氧池 之后， 可进一步去除有机污染物; 反硝化池不需外加 碳源， 降低了运行费用; 厌氧池中产生的碱度补偿了 硝化反应对碱度的需求等优点 ［ 1］。UASB － 曝气法在 处理废水时 UASB 的 COD 去除率在 90 左右， 所以 该工艺中 UASB 起主导作用， 采用 UASB 处理废水具 有节约能耗和投资、 可回收能源、 产生的剩余污泥少 等优点， 因此被广泛的应用于中、 高浓度有机废水的 处理 ［ 2］。我国 20 世纪 80 年代开始引用该技术， 主要 应用于啤酒、 酒精、 制药、 柠檬酸、 碳酸饮料生产废水 处理中。 安徽某饮料厂主要产品为碳酸饮料， 以原汁、 蔗 糖、 纯水、 CO2 气体 及其他辅料配置罐装各种饮料， 该厂采用 UASB － 曝气法处理生产废水。建成后， 该 系统在运行 10 年中， 一切设备运行基本正常， 厂区出 水达到我国 GB8978 － 1996污水综合排放标准 一 级标准， 但自 2009 年 6 月起该系统出现了一系列的 不稳定现象， 并最终使得厂区出水不达标， 本文针对 这一情况对该系统进行了问题的查找及分析， 并提出 了相应的整改措施。 2工艺介绍 2. 1水质水量特性 废水的主要来源包括饮料生产的设备及地面的 冲洗水、 不合格的饮料排放废水和生活污水。废水中 所含的主要污染物有蔗糖、 磷酸、 水果汁、 柠檬酸、 抗 坏血酸、 香料以及焦糖， 还含有烧碱、 碳酸盐等。废水 中的主要指标为 COD、 BOD、 SS， 其设计进水水质和 出水标准见表 1， 设计进水规模为 1500 m3/d。 5 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 表 1设计进水水质及出水标准 项目pH ρ COD / mg L － 1 ρ BOD / mg L － 1 ρ SS / mg L － 1 进水平均值62 0001 350215 进水高峰值123 0002 000400 出水标准6 ～ 9 100 30 70 2. 2工艺流程 综合废水通过提升泵经水力筛网滤渣后进入均 衡池， 进行水质、 水量、 pH 值的调节等， 然后经布水系 统进入 UASB 反应器， UASB 反应器去除大部分有机 污染物后的出水进入曝气池， 产生的甲烷气体经截水 器收集于集气装置中作为锅炉燃料， 出水则经过曝气 池的鼓风曝气， 废水中的好氧菌活性增强， 与好氧有 机物反应， 进一步降低了废水有机污染物浓度， 曝气 池出水一部分混合液回流到厌氧池稳定水量和提供 氮源促进反硝化反应， 另一部分污水流经沉淀池中完 成沉淀， 泥水分离后部分污泥回流到厌氧池。处理后 的废水达到国家 GB8978 － 1996 一级标准， 后排入市 政管网。工艺流程见图 1。 图 1工艺流程 2. 3主要构筑物 2. 3. 1调节池 由于车间生产产品的多样性及进水水质、 水量的 不稳定性， 设置调节池用于调节进水的水质水量。调 节池设有酸、 碱投加泵和其他自控仪器及测控探头。 调节 池 设 计 为 钢 筋 混 凝 土 结 构， 尺 寸 10. 9 m 13. 8 m 5. 0 m 水深2. 5 m ， 容积375 m3， 水力停留 时间6 h， 在线控制废水酸碱性， pH 维持在 6 ～ 7， 1 台 功率为2. 2 kW的液下式搅拌器。 2. 3. 2厌氧池 厌氧池采用升流式厌氧污泥床反应器 UASB ， 上部设三相分离器， 中部为污泥悬浮层， 底层为污泥 层。厌氧池为钢筋混凝土结构， 温度保持 25 ～ 38 ℃ ， 尺寸为13. 8 m 8. 0 m 6. 5 m， 总容积500 m3， 分 2 格并联运行， 水力停留时间是8 h。COD 容积负荷为 6 kg/ m3d 。2 台功率为4 kW的液下式厌氧反应 器输水泵， 1 台功率为1. 5 kW厌氧反应器回流泵， 1 台功率为1. 5 kW热回收泵， 1 台直径0. 8 m、 高1. 2 m 的生物气截水器。设计出水 ρ COD 和 ρ BOD 分 别为200 mg/L和135 mg/L。 2. 3. 3好氧池 好氧池的主要结构是曝气池， 曝气池是活性污泥 法中的核心处理构筑物， 所以也叫曝气法。该好氧池 是由 2 座相同大小钢筋混凝土结构的曝气池组成， 尺 寸为13. 8 m 2. 5 m 5. 0 m 水深4. 5 m ， 总容积 300 m3， 池底设有 60 个微孔曝气管， 起到供氧和搅拌 的双重作用。好氧池的水力停留时间为5 h。2 台功 率为5. 5 kW的鼓风机， 2 台功率为1. 5 kW的活性污 泥回流泵， F/M 为0. 3 kg/ kg d， MLVSS 质量浓度 为2 250 mg/L。设计出水 ρ COD 和 ρ BOD 分别为 80 mg/L和20 mg/L。 2. 3. 4沉淀池 二沉池为辐流沉淀池， 采用半桥刮泥机自压排 泥， 废水在二沉池沉淀， 固液分离。二沉池直径9 m， 深 4 ～ 5 m， 有效水深2. 5 m， 水力停留时间3 h， 沉淀 部分有效面积为62. 5 m2， 2 台 100 回流泵， 1 台半 径5 m、 功率0. 55 kW的刮泥机。 3运行现状和问题分析 该污水处理系统自正式运行至问题出现之前， 效 果一直很好， 污水站最终出水稳定达标。但由于该污 水处理系统建造久远， 势必会出现设备老化和技术陈 旧， 没有随着技术的改进而对该系统进行必要的翻修 和持续的维护， 通过对这种系统的常见问题进行分析 比较， 找出该系统出现问题的原因。 3. 1运行现状和数据分析 该污水站在正常运行至 2009 年 6 月时开始出现 了一些微小的异常波动， 当进水 COD 的浓度比正常 偏高的时候， 污水站会偶尔出现出水超标的现象， 并 呈现出日渐严重的趋势。当这种现象持续到 8 月的 时候， 污水站出水就会出现经常性超标现象， 而经过 现场观察， 发现污水站的厌氧池出水颜色变黑， 并伴 有浓烈的刺激性气味， 池体表面不断有气泡浮出， 集 气装置不再有气体收集。初步判断问题的原因出现 在厌氧池， 所以就厌氧池的近一段时间的数据进行 分析。 在污水站运行正常时期的厌氧池水质情况见表 2。由表 2 可看出， 在低负荷运行状况下厌氧池的去 6 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 除 COD 效率明显， 低于200 mg/L的出水 COD 浓度稳 定的达到设计要求， 而且平均 90 的 COD 去除率意 味着厌氧池的净化作用在整个污水处理系统中占着 主要作用， 也直接决定着后续污水处理装置是否能发 挥应有的作用和最终出水的净化程度。在污水站运 行反常时期见表 3， 通过表 3 可看出， 在进水水质水 量变化不大的情况下， 厌氧池的 COD 去除效率降低 至 59 ， 并仍有下降的趋势， 使得厌氧池出水 COD 浓度远高于设计值， 严重影响了后续处理设备稳定的 环境， 所以在整个污水处理系统中占主导地位的厌氧 池的去除能力的下降， 直接导致污水站运行不正常和 最终污水站出水超标。 表 22009 年 4 月厌氧池水质情况 日期 / 月 － 日 水量 / m3 进水 ρ COD / mg L － 1 出水 ρ COD / mg L － 1 COD 去除 率 / 04 － 012901 22311990. 2 04 － 033011 47213390. 9 04 － 053011 30319285. 2 04 － 072881 42814489. 9 04 － 092551 4507195. 1 04 － 112501 48011092. 6 04 － 132811 57717588. 9 04 － 152502 03821889. 3 04 － 172622 03823188. 7 04 － 192771 41255. 696. 1 平均值275. 51 542. 1144. 890. 7 表 32009 年 8 月厌氧池水质情况 日期 / 月 － 日 水量 / m3 进水 ρ COD / mg L － 1 出水 ρ COD / mg L － 1 COD 去除 率 / 08 － 012801 57052766. 4 08 － 032861 98465167. 2 08 － 052612 50989664. 3 08 － 072811 45447867. 1 08 － 092731 96781858. 4 08 － 113591 31756457. 2 08 － 132702 5401 12055. 9 08 － 153611 71681252. 7 08 － 172682 2571 03654. 1 08 － 192611 45468053. 2 平均值2901 876. 8758. 259. 7 3. 2常见问题的分析比较 UASB － 曝气法污水处理系统的核心是 UASB 反 应器， 它的处理能力的下降可导致有机物去除率的大 幅下降， 所以针对 UASB 出现的一些常见问题进行分 析比较。UASB 反应器的常见问题主要有进水负荷 不稳定、 进水分配不均、 污泥过量流失、 厌氧微生物活 性降低和三相分离器失效。 3. 2. 1进水负荷不稳定 控制稳定的进水负荷， 是保持反应器内部平衡的 重要因素。过高的进水负荷会超过反应器的负荷能 力， 使水力停留时间不够， 进水有机物还没有反应完 全就被带出反应器， 增加了出水浓度; 过低的进水负 荷会延长水力停留时间， 破坏了原先进水负荷状态下 的反应平衡， 出现酸化和污泥累积的现象， 使厌氧池 去除有机物效率下降。虽然该系统的进水负荷远低 于设计值， 但通过好氧池的混合液回流循环满足了厌 氧池的进水负荷。所以该系统的进水负荷稳定， 不存 在问题。 3. 2. 2进水分配不均 进水分配对 UASB 的运行效果有很大的影响。 首先是防止水流短流的关键要素是单位面积的进水 分配基本相同， 如布水管有没有出现布水不均匀、 管 道堵塞等现象。其次满足水力搅拌的需要是保证进 水有机物和污泥混合的有利条件， 如进水方式是否有 助于搅拌效果等。经检查该 UASB 反应器布水管的 进水方式是脉冲式， 具有很好的搅拌效果， 有利于增 加活性污泥区的高度和抗冲击能力。但它的 3 根布 水管道中有一根管道因为腐蚀作用发生堵塞， 并且阀 门锈死无法开启， 所以这一定会使部分的水流发生短 流， 而不经过反应直接出水导致出水浓度增高。所以 该系统产生进水分配不均的原因在于池内的腐蚀作 用使管道堵塞， 造成了 UASB 反应器运行效果不好。 3. 2. 3污泥过量流失 污泥是反应器内微生物生长和附着的介质， 也是 UASB 内反应区的重要组成部分， 污泥的过量流失， 也就伴随着微生物的过量流失， 没有足够的微生物与 进水有机物反应， 将直接导致 UASB 反应器去除效率 的下降。造成污泥流失的原因主要有污泥的沉降性 能不好、 进水负荷高、 三相分离器失效等。通过检查 该系统发现， 厌氧池的出水发黑， 有大量的污泥随着 出水流失， 所以污泥过量流失是 UASB 效果不好的一 个原因。 3. 2. 4厌氧微生物活性降低 厌氧微生物的活性高低决定了反应效率大小， 而 7 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 影响微生物活性的因素主要包括温度、 pH 值和营养 物质， 其中任何因素不符合要求都可能会使厌氧微生 物的活性降低。有研究表明， 低于15 ℃ 或高于45 ℃ 的中温范围会使厌氧微生物的活性受到不同程度的 抑制， 低温时会由于产酸菌产生挥发酸的速度快于甲 烷菌将挥发酸转化为甲烷的速率而使新陈代谢失去 平衡， pH 值会逐渐降低， 最适宜厌氧反应的中温范围 应该在 20 ～ 42 ℃ ［ 3］。pH 值的变化不仅会使系统内 新陈代谢失去平衡， 还会影响污泥颗粒化的速度和颗 粒污泥的产甲烷活性 SMA ， 一定碱度范围内， 进水 碱度高的反应器污泥颗粒化速度快， 但颗粒污泥的 SMA 低; 进水碱度低的反应器污泥颗粒化速度慢， 但 颗粒污泥的 SMA 高。所以使微生物活性理想的 pH 值范围在 6 ～ 8. 2［ 4］。理想的微生物活性需要合适的 营养物质， 在处理化工废水时主要是控制碳、 氮、 磷的 比例来提供营养， 大量试验表明， 厌氧处理的碳∶ 氮∶ 磷控制在 200 ～ 300 ∶ 5∶ 1为宜 ［ 5］。该系统的温度常 年控制在 25 ～ 38 ℃ ， pH 值根据 pH 监控仪反馈的数 据随时向调节池内添加酸或碱， 维持 pH 值范围在 6 ～ 7， 但是该系统缺乏营养物质的添加， 因此营养物 质的失调可能是使厌氧微生物活性降低的原因， 也是 最终导致厌氧池去除效果不好的原因之一。 3. 2. 5三相分离器的失效 三相分离器在 UASB 反应器中起着重要的作用， 可以说是反应器中的关键构件。它一方面利用斜板 将泥水分离， 固体污泥具有沉降的性能从斜板滑至反 应区， 液体则上浮到液面从出水堰溢出， 而且斜板还 阻止了污泥床向上膨胀时的污泥进入沉降区， 有效防 止了活性污泥的流失。另一方面反应区产生的气体 集中到反应器的气室通过管道进入集气装置， 达到分 离和排放生物气的作用 ［ 6］。通过检查发现， 由于常 年的腐蚀作用， 腐蚀脱落的残渣覆盖着气室的液面表 层并堵住了集气管道， 造成了气体无法从气室逸出转 而经过沉降区从其液面逸出。在气体经过沉降区的 时候搅混了沉降区的泥水分离， 不仅使得出水堰的出 水因为混杂了部分的固体污泥而增加了出水浓度， 而 且还流失了大量的活性污泥， 减小了反应区的净化效 果， 因此共同的作用降低了 UASB 反应器的 COD 去 除率。所以三相分离器失效也是造成厌氧池效果不 好的原因之一。 4系统的整改和恢复 根据以上的分析判断， 确定导致该污水处理系统 发生异常的原因是池壁腐蚀、 污泥过量流失、 营养物 质缺乏和三相分离器失效。所以针对这些原因应该 首先维修反应器内的池壁腐蚀和管道堵塞， 再改进三 相分离器， 在整改后的情况下进行 UASB 反应器的二 次启动， 恢复系统的正常运行。 4. 1系统的整改 4. 1. 1池内的维修 因为长期的腐蚀作用， 使池壁脱落的泥渣堵住管 道和气液交界面， 所以在清理完污泥并通气一段时间 后可向反应器内部的混凝土表面塗刷一层涂料， 这是 一种耐强酸、 强碱、 强溶剂等腐蚀介质的氟橡胶重防 腐蚀涂料 ［ 7］。堵住的管道先疏通布水管和集气管， 再根据管道的腐蚀程度选择更换管道， 并更换锈死的 阀门。 4. 1. 2三相分离器的改进 在排空污泥的情况下， 将每个集气室的顶端安装 一个可伸至气液交界面的刮泥器， 一方面可刮开液面 的浮渣， 防止浮渣阻碍气体逸出， 另一方面具有轻微 搅拌的功能， 能帮助气体逸出。由于腐蚀的斜板阻碍 了污泥沉降的效率， 所以更换一种覆盖有塑料外表并 经过防腐侵渍的硬木板作为反应器内沉降区的斜板， 既能提高滑落效率又能防腐蚀。通过三相分离器的 改进不仅解决了气体逸出的问题， 还阻止了污泥的 流失。 4. 2系统的恢复 在完成了系统的整改后， 进行厌氧池的二次启 动。二次启动分两个阶段， 第一阶段是接种污泥阶 段， 以原先从厌氧池清理出的污泥作为接种污泥可缩 短二次启动时间， 在事先保持清理出的污泥不被氧化 的情况下重新进入厌氧池， 控制进水的 pH 值范围在 7 ～ 8， 通过向调节池投加尿素等营养物质， 使碳∶ 氮∶ 磷的比例控制在 200 ～ 300 ∶ 5∶ 1， 反应器的升温速 率在 2 ～ 3 ℃ /d 最终的温度控制在 25 ～ 38 ℃ ， 采 用间歇的进水启动方式， 控制适宜的启动负荷， 方可 进行接种污泥的驯化和培养。当 COD 反应器负荷上 升至 2 ～ 5 kg/m3d ， 观察到有明显的颗粒状污泥 时， 污泥对废水的驯化过程基本完成。 第二阶段为颗粒污泥床的形成阶段， 这一阶段的 污泥床约占整个反应器的 1 /3， 有机物被颗粒污泥表 面的微生物所吸收， 反应器已培养出活性较高、 沉降 性能优良的厌氧污泥， 当冲击负荷结束后系统能从突 下转第 12 页 8 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期 内渗滤液可以进行正常排放， ρ BOD5 /ρ COD 逐渐 增高， 在第 41 周时， 槽内产生渗滤液中 ρ BOD5 / ρ COD 为 0. 17， 至第 47 周时， 槽内产生渗滤液中 ρ BOD5 /ρ COD 降为 0. 03。这表明在填埋初期， 由于模拟降雨进行布水产生的水解和淋溶作用， 使反 应槽内渗滤液中 ρ BOD5 /ρ COD 不断增高， 此后 随着好氧填埋时间的逐渐延长， 在好氧微生物的作用 下， 可生化有机物含量逐渐减少， 至试验后期， 反应槽 内产生渗滤液中 ρ BOD5 /ρ COD 降至很低。 3结论 1 好氧填埋条件下， 渗滤液中 BOD5值快速降 低， 至试验后期， 槽内产生 渗 滤液 中 BOD5值 降至 10 mg/L， 降 解 效 率 为 99. 94 ， 渗 滤 液 出 水 指 标 BOD5值达 GB16889 － 2008 标准。 2 好氧填埋条件下， 对渗滤液中NH 4 -N的处理 效果 明 显，至 试 验 后 期，槽 内 产 生 渗 滤 液 中 ρ NH 4 -N 值为4 mg/L， 降解效率为 99. 78 ， 渗滤液 出水水质达 GB16889 － 2008 中NH 4 -N浓度标准。 3 好氧填埋条件下， 垃圾渗滤液可生化性迅速 降低， 至试验后期， 反应槽内产生渗滤液的可生化性 很低， 远远低于 0. 3， 较大程度地降低了垃圾堆体产 生渗滤液的危害。 参考文献 ［ 1］ 宫田刚史， 樋口状太郎， 花岛正孝， 等. 早期安定化填埋处理系 统的发展与研究［C］ / /第 18 回废弃物学会研究发表会讲演论 文集. 日本 2007. ［ 2］ Mark P H， Bernard J B，Jonh C M， et al. Aerobic landfill bioreactor ［P］ . US USP6364572， 2002. ［ 3］ 李兵， 董志颖， 赵勇胜， 等. 2 种 MSW 好氧生物反应器型填埋方 式的对比实验［J］ . 环境科学， 2005 3 180- 185. ［ 4］ 王晓龙. 准好氧填埋工艺氮的动态变化特征研究［D］ . 西安 西 北农林科技大学， 2008 18- 26. ［ 5］ 于晓华，李国建，何品晶， 等. 生物反应器填埋技术及其应用 ［J］ . 环境保护， 2003 2 24- 26. 作者通信处徐文龙100029北京市朝阳区惠新里 3 号 电话 010 64959710 E- mailchinamsw 263. net 2009 － 12 － 23 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櫅櫅櫅 收稿 上接第 8 页 变的 指 标 中 恢 复 原 来 状 态， COD 去 除 率 稳 定 在 75 ～ 85 ， 说明系统已具有一定的稳定性， 此时认 定反应器已经完成了启动过程， 可以进入正常运行 阶段 ［ 5］。 5总结 UASB － 曝气法在应用于处理饮料废水的早期都 运行正常， 而且运行效果稳定高效。但随着时间的推 移， 该系统出现了进水负荷不稳定、 进水分配不均、 污 泥流失、 微生物活性降低和三相分离器失效等常见问 题， 这些问题不加以解决就会造成整个系统的处理效 果不理想， 而使最终出水不达标的现象。本文针对该 工艺应用在安徽某饮料厂的基础上， 分析了该系统出 现异常的原因在于反应器池壁的腐蚀、 污泥过量流 失、 营养物质缺乏和三相分离器失效。提出对池内维 修和三相分离器的改进的建议， 再通过厌氧池的二次 启动恢复系统的运行， 以使 UASB － 曝气法能够再次 持续稳定的处理饮料废水。 参考文献 ［ 1］ 阮文权. 废水生物处理工程设计实例详解［M］ . 北京 化学工业 出版社， 2006. ［ 2］ 李艳春. UASB /接触氧化工艺处理玉米淀粉废水研究［J］ . 气象 与环境学报， 2009， 25 1 68- 71. ［ 3］ 傅金祥， 宋奇， 李璐. 温度对常温 UASB 运行的影响［J］ . 沈阳建 筑大学学报， 2007， 23 6 990- 993. ［ 4］ 崔玲， 牛凤奇. UASB 在废水处理中的应用及其影响因素［J］ . 广 西轻工业， 2007 4 80- 81. ［ 5］ 任南琪， 王爱杰. 厌氧生物技术原理与应用［M］ . 北京 化学工业 出版社， 2004. ［ 6］ 陈毅挺， 郑兆贤. 啤酒厂厌氧池 UASB 的调节与恢复［J］ . 闽江 学院学报， 2009， 30 2 84- 89. ［ 7］ 欧阳锋. 上流式厌氧污泥床反应器的腐蚀与防护［J］ . 西南交通 大学学报， 2001， 36 1 5- 7. 作者通信处熊鸿斌230009安徽省合肥市屯溪路 193 号合肥 工业大学资源与环境工程学院 E- mailxhb6324 sina. com;chenxue604 163. com 2010 － 02 － 05 收稿 21 环境工程 2010 年 10 月第 28 卷第 5 期