马铃薯淀粉废水处理UASB装置制作与试验∗

陈晓燕，何秉宇，左昌平，陈磊，曹宏丽

(1.新疆大学资源与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830046；2.新疆大学智慧城市与环境建模自治区高校重点实验室，新疆乌鲁木齐830046；3.新疆联创华润环保节能科技有限公司)

0 引言

马铃薯具有食用价值、药用价值、工业价值等多种价值，适宜生长地区广泛，在亚洲、欧洲、美洲、非洲和大洋洲均有种植.中国马铃薯的主产区包括西南、西北、内蒙古和东北地区.新疆北疆广泛种植马铃薯.马铃薯淀粉废水是以马铃薯为原料生产淀粉的过程中产生的废液，其COD可达10 000 mg/l以上，属于高浓度有机废水，不加处理直接排放将给环境带来巨大的危害[1].

马铃薯淀粉废水来源：一是淀粉乳提取产生的废水，主要是马铃薯自身的细胞液，成份为糖、蛋白质、脂肪等.二是淀粉提取产生的废水，生产过程中对水质的要求高，但用水量小，也称为工艺废水.该废水中主要含有淀粉、蛋白质[2]等有机物，COD、BOD浓度非常高.目前马铃薯淀粉企业排放的污水主要为细胞液和工艺废水.

1 实验目的

马铃薯淀粉废水目前主要处理方法有内循环（IC）厌氧反应器，升流式厌氧污泥层（UASB）反应器，折流式厌氧反应器（ABR)，厌氧生物滤池[3].其中IC反应器有很高的容积负荷率，节省基建投资和占地面积，靠沼气提升实现内循环的不必外加动力，抗冲击负荷能力强、具有缓冲pH能力、出水稳定性好[4]，但厌氧启动时间长、结构复杂，增加了安装和日常维护的困难，高径比大、水泵的能耗大.折流式厌氧反应器结构简单、投资少、运行稳定、抗冲击负荷能力强、处理效率高，但在应用实际前需进行大量的试验及理论分析，缺乏实际工程实验.厌氧生物滤池生物浓度高、微生物停留时间长、耐冲击负荷、停止运行再启动容易，但占地面积大、基建投资高.UASB反应内污泥浓度高、有机负荷高、水力停留时间短、污泥床不填载体、节省造价及避免因填料发生堵塞.故本文利用设计制作UASB装置，探讨UASB装置处理马铃薯淀粉废水的最适温度、pH值.

2 实验装置

实验的装置为UASB反应器采用有机玻璃制成，直径90 mm，高度400 mm，反应器的容积为0.002 5 m3，有效容积为0.002 m3.反应器上下各开小口供进出水，反应器下部约30 mm处开口利用蠕动泵将马铃薯淀粉废水自下而上升泵入反应器，反应器上端约30 mm处开口排出处理过后的马铃薯淀粉废水；在反应器顶部用橡胶塞封闭以便造成厌氧环境，在橡胶塞上打了两个孔，一个用于排出反应产生的沼气，另一个插入搅拌器使污泥与马铃薯淀粉废水充分反应（图1）.

图1 UASB装置图

3 UASB反应器工作原理

UASB反应器在处理各种有机废水时，反应器内一般情况均能形成厌氧颗粒污泥，而厌氧颗粒污泥不仅具有良好的沉降性能，而且有较高的比产甲烷活性.并且该反应器有很高的容积负荷率和处理效率以及运行稳定性[6]，其具有有机负荷率和去除率高、耐冲击负荷性能好等特点[7].UASB反应器废水被尽可能均匀的引入反应器的底部，马铃薯淀粉废水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床.厌氧反应污泥颗粒的接触过程，在厌氧状态下产生沼气（主要是甲烷和二氧化碳）引起了内部循环，这对颗粒污泥的形成和维持有利，再加上安装了搅拌器使污泥与废水充分接触反应.在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，这部分气体向反应器顶部上升.上升到表面的污泥碰到橡胶塞，会沉淀到污泥床的表面，这部分气体会从橡胶塞孔中溢出.

4 实验方案与过程

4.1 试验方案

1.计算有机负荷，自行设计、制作UASB装置；2.配置不同COD浓度的马铃薯淀粉废水；3.运用控制变量法（pH值、温度）进行降低COD的试验；4.COD监测数据分析；5.探讨并确定马铃薯淀粉废水优化的运行条件.

4.2 实验过程

4.2.1 接种

污泥来源于乌鲁木齐城北再生污水处理厂；接种污泥量占UASB反应器有效容积的1/3左右.

4.2.2 污泥驯化

接种完污泥立即投放不同浓度的马铃薯淀粉废水，分别在常温（20◦C左右）、中温（35◦C左右）、高温（55◦C左右）等环境条件下培养出厌氧活性污泥.一般来说，温度越高，实现污泥颗粒化所需时间越短，但温度过高或过低对培养颗粒污泥都是不利的[8].

此外，保持适宜的pH值（6.8-7.2之间）是极其重要的[9].利用碳酸钠调节pH值为7左右，避光，在厌氧环境下进行污泥驯化.在实验过程中投加混凝剂聚合氯化铝，有利于污泥的聚集，形成较大的絮体，提高COD去除率.每天在显微镜下观察污泥的形状变化，并记录.通过实验得出污泥的沉降比SV=28%，污泥浓度MLSS=3 g/L，污泥容积指数SVIZZ=93.3 mL/g.

对土壤沙化、水土流失、草场退化、土地污染等生态环境退化区域，综合利用化学方法、工程措施及生物措施，加大退化、污染、损毁农田改良和修复力度。严格控制农药使用量，禁止使用高毒、高残留农药，完善生物农药、引诱剂管理制度，加大使用推广力度；继续实施灌区坡耕地改造、淤堤坝建设、造林绿化工程，建设农田保护林和道路、河道绿化带，创新推广生态治理与改良技术，切实改善河道沿岸和灌区生态环境，提高土地的生态承载力。

马铃薯淀粉废水进水COD浓度从869.6 mg/L不断增加到5 946.59 mg/L，COD去除率从最初的45.13%不断增加到92.36%（图2），驯化11—15天时COD去除率达到一个小高峰，出水COD值降低明显；驯化25—31天COD去除率和出水COD值都在不断趋于稳定，即29天后COD去除率持续保持在90%以上，微生物生长过程是稳定的，故可认为污泥驯化达到了预期结果.

逐步提高负荷.运行一段时间得出微生物对高浓度的马铃薯淀粉废水有了适应性，7天后COD去除率上升到70%以上，11天后COD去除率逐渐稳定在80%以上，COD出水浓度在600-700 mg/L左右，故得出微生物在驯化后能较好的适应马铃薯淀粉废水.负荷容积率直接反应基质与微生物之间的平衡关系，是一项重要的控制参数.在一定时间内，进水COD出现大波动，但出水没有出现太大波动[8].

图2 驯化时COD去除率的变化

图3 容积负荷与去除率的变化

由V=QSo/Lv[5]，得出驯化过程中负荷与去除率的关系，从图3可以看出容积负荷与COD去除率在不断增高，从最初的0.47不断增高，最高稳定于5左右，得出UASB装置耐冲击负荷能力强，负荷的提高使COD去除率不断增加.

4.2.3 装置的启动

UASB反应器的启动是指反应器达到设计负荷和有机物去除效率的过程，称为污泥的快速颗粒化.其实质是对菌种驯化、选择、增值的过程.一般可采用颗粒污泥成熟作为反应器启动完成的标志[10].污泥先是呈现絮状，接着开始出现颗粒化污泥，最后颗粒污泥不断增大，絮状污泥逐渐减少，污泥实现颗粒化.

4.3 测量方法

COD用重铬酸钾法滴定[11]；温度用温度计测定；pH值用pH计测定；SV，MLSS，SV测定[12].

5 结果与讨论

5.1 pH影响分析

UASB在运行过程中为了保证厌氧反应器的处理效果和颗粒污泥的形成，pH值一般控制在6.5-7.5[13].由于UASB装置在较高负荷运行过程中，乙酸积累会抑制产甲烷化过程，从而引起pH迅速降低，产生酸化[14]，pH值过高或者过低，产甲烷菌的生长繁殖就会受到抑制，进而对整个厌氧反应产生不利影响，故需调节UASB反应器中pH值，使它达到最适值，提高COD的去除率.通过控制进出水及反应器pH值基本保持在正常范围，但pH值的波动已经影响了厌氧菌的活性，让厌氧菌的培养驯化的时间增加，所以我们在寻找最适pH值，来调节UASB装置的COD去除率.

图4中可观察到随着运行时间的增加，pH值逐渐降低，运行到第7—12天时，pH很低（4左右），影响了反应器的正常运行，故向反应器加碱（碳酸钠），提高pH值，加入后pH值明显上升，但接着又降低.原因其一为马铃薯淀粉废水偏酸性，其二为产酸菌食物充足，大量繁殖，然而产甲烷菌不能充分利用产酸菌的产物，导致反应器内酸积累.在运行过程中为了防止反应器内酸积累，使甲烷菌不能正常生长，需要不断调节pH值，即加碱（碳酸钠），提高UASB反应器处理效率.

在避光，35◦C条件下，加入碳酸氢钠调节pH值，监测COD去除率的变化情况，如图5.

图4 pH值变化

图5 pH值与COD去除率变化

从图5pH值与COD去除率变化可知，在初期前15天，出水pH值从8.2降至4.1，COD去除率在50%左右，后来随着添加碳酸氢钠pH值逐渐增加，COD的去除率效率明显提高.随后出水pH值出现波动，COD去除率也随之变动.当pH值介于4.1—6.8，COD去除率低于70%，处理效果不好；当pH值介于7.1—8.0，COD去除率可达到85%以上，处理效果好；当pH值稳定在7.5—8.0左右时，COD去除率接近90%.故说明最佳pH值略大于7.5.

5.2 温度影响分析

温度控制在试验中是极为重要的因素，对于厌氧微生物来说，温度的突变会对生物活性产生显著的影响，降温幅度越大，低温持续时间越长，产气量的下降就越严重，所以温度将直接影响有机物的去除率，在厌氧消化中存在两个最适温度区即中温消化为33-37◦C，高温消化50-55◦C[15].将驯化好的污泥放入UASB装置，利用蠕动泵将配置的高浓度马铃薯淀粉废水泵入UASB装置，设不同的温度梯度，在UASB装置中进行.由于装置的水力停留时间为20 h，故设计20◦C、25◦C、30◦C、35◦C、40◦C、45◦C、50◦C、55◦C、60◦C不同梯度，每个温度运行时间为3天.图6为避光，pH值为7.5条件下的温度与COD去除率的关系图.

从图6温度与COD去除率的变化可以看出：温度是影响生物生命过程的重要影响因素，所以温度直接影响有机物马铃薯淀粉废水的去除率.从图中可以看出，当温度从20◦C增加到35◦C，出水COD值与去除率在同步变化；40◦C-55◦C出水COD值与去除率不稳定，在不断变化；60◦C出水COD值与去除率变化不大，但去除率较低；温度为35◦C时和55◦C时COD去除率达到一小高峰，出水COD值达到最低；可以得出在厌氧消化中存在两个最适温度，中温消化的最适值为35◦C左右，高温消化最适值为55◦C左右.在工艺生产过程中，采用中温消化，更节省资源且能够很好的去除高浓度有机马铃薯淀粉废水，故此次实验的最适温度为35◦C左右.

5.3 利用UASB装置COD去除率变化

在避光，温度为35◦C左右，利用碳酸氢钠调节pH值为7.5左右，配置进水COD浓度为4 854.27 mg/L的马铃薯淀粉废水，利用UASB装置，监测出水COD浓度的变化与COD去除率的变化情况.

图6 温度与COD去除率的变化

图7 UASB装置运行COD变化

如图7为UASB装置运行COD变化.配置好的马铃薯淀粉废水进水COD浓度4 854.27 mg/L.实验监测历时63天，出水COD浓度从最初的2 269.86 mg/L降至166.02 mg/L，其中37天后COD出水浓度在1 000 mg/L以下，51天后COD出水浓度在700 mg/L以下，59天后COD出水浓度在300 mg/L以下；COD去除率45天后保持在80%以上，55天后保持在95%以上.通过实验数据图，可以得出利用UASB装置处理高浓度马铃薯淀粉废水其COD去除率在不断提升.

6 结论

对UASB反应器处理高浓度马铃薯淀粉废水进行了实验研究，实验结果分析可以得出以下结论.

（1）处理过程中的pH值应控制在略大于7.5，当pH值低于6.8时，COD的去除率明显降低，当pH值稳定在7.5—8.0区间时，COD的去除率达到最好状态；

（2）在避光、pH值为7.5的条件下，存在两个处理最适温度：中温为35◦C左右，高温为55◦C左右；

（3）实验表明，UASB装置去除马铃薯淀粉废水中COD的环境优化组合条件：温度为35◦C左右，pH值为7.5左右.