UASB处理甲苯氧化废水试验研究
摘要：采用UASB反应器处理甲苯氧化废水，接种颗粒污泥，当进水p(COD)为6 000 mg/L，运行负荷(以COD计)为6 kg/(m。·d)时，COD去除率达到84Z左右，出水p(COD)为853～985mg/L，其适宜的运行条件为进水pH值为5～6，p(COD)为5 000~6 000 mg/L，水力停留时间为24 h，容积负荷(以COD计)为5～6 kg/(m ·d)。通过对污泥的培养驯化和合理的运行方式，甲苯对厌氧消化的抑制影响可以得到很好的控制。
关键词：UASB；颗粒污泥；甲苯氧化；废水处理
在己内酰胺生产过程中，甲苯氧化单元生产苯甲酸时会排放一股高浓度生产废水，主要污染物为甲酸、乙酸和少量的甲苯、苯甲酸，COD质量浓度在40 000 mg/L左右，治理难度较大，属难降解高浓度有机废水[1-2]。目前企业将这部分废水送入现有废水处理站进行处理，不仅增加了废水处理站的进水COD负荷，使废水的处理成本增加，而且对废水处理站造成冲击，影响其正常运行。为此，拟对甲苯氧化生产废水进行预处理后，再送入废水处理站进一步处理，以减轻废水处理站的压力，确保全厂废水实现稳定达标排放。
对于高浓度有机废水处理而言，厌氧生物技术是最为理想的选择，与好氧生物技术及其他技术相比，具有容积负荷高、净化效率高、能耗低、污泥产量少和可回收清洁能源—— 沼气等优点，在国外得到广泛的应用，目前应用最成熟的厌氧反应器是UASB反应器[3-4]。厌氧生物技术在石油化工废水处理方面的应用较少[5-6]。从甲苯氧化生产废水水质来看，该废水适宜采用厌氧工艺进行处理，但废水中的甲苯会对厌氧消化产生一定的抑制影响[2]。本研究以甲苯氧化装置排放的生产废水为研究对象，采用接种颗粒污泥UASB反应器进行厌氧消化处理试验，考察废水厌氧生物处理可行性，并确定其最佳的运行控制参数，为该废水处理的工程设计提供依据。
1 试验材料及方法
1．1 试验装置
试验采用自制UASB反应器，由有机玻璃管制成，容积为3．2 L，总高1 150 mm，反应区直径为52mm，高1 000 mm。反应器置于保温箱内，用电加热，温度控制在(35士1)℃ 。试验装置见图1。
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1．2 试验用水
试验用水取自石家庄化纤有限责任公司己内酰胺生产过程中甲苯氧化装置排放的生产废水，其水质pH值为1．9～2．1，ID(COD)为39 000～42 000mg/L，调节水质后作为试验用水。
1．3 接种污泥
UASB反应器接种污泥取自处理淀粉废水的UASB反应器中的颗粒污泥，污泥的P(VSS)/ID(SS)一0．75，污泥接种量(以VSS 计)为22．3 g/L。
1．4 分析方法
pH值：采用pHS一2型酸度计[7] ；COD：重铬酸钾法[7]。
2 试验结果及分析
2．1 试验结果
试验运行过程可分为启动阶段和负荷提高阶段。
第1阶段：启动阶段(第1-40运行Et)厌氧反应器的启动阶段主要是使接种污泥经过培养驯化适应废水水质，并达到一定的容积负荷和净化效果。
启动初期采用低浓度连续进水方式。厌氧反应器的启动容积负荷(以COD计，下同)为2．0 kg/(m3·d)左右，调节后反应器进水水质pH 值为7．5～8．0，p(COD)为1 921～2 105 mg/L。经过20d的运行，出水p(COD)由501 mg/L降至96 mg/L左右，COD去除率由最初的74．3 提高到94．9 9/5以上。随后调整运行方式，将进水ID(COD)提高到3 000 mg/L左右，控制容积负荷不变。调整负荷初期COD去除率下降到80%左右，经过20 d的运行，出水p(COD)降至150 mg/L左右，COD去除率达到95 以上。反应器启动成功。
第2阶段：负荷提高阶段(第41—108运行Et)进一步提高进水p(COD)到4 000 mg/L左右，通过调节进水量将反应器的容积负荷提高到4．0kg/(m3·d)左右，又经过20 d的运行，出水p(COD)由702 mg/L降低至317mg/L左右，COD去除率由最初的82．4 9/6迅速提高到92 9/6以上。随后将进水p(COD)提高到5 000 mg/L左右，控制负荷不变。运行了20 d，反应器出水p(COD)在462～541 mg/L之间，COD去除率仍维持在90％ 左右，系统运行稳定。可见，反应器负荷还有较大的提升空间。
在此基础上进一步提高反应器负荷，考察厌氧反应器的运行效果。将进水p(COD)提高到6 000mg/L左右，负荷提高到6．0 kg/(m3·d)左右，又运行了20 d，出水p(COD)为853～985 mg/L，COD去除率降到84 9/6左右。随后将容积负荷提高到7．0kg/(m3·d)左右，进水p(COD)提高到7 000 mg/L左右，运行8 d，系统COD去除率从84%下降到65%，停止试验。
厌氧反应器试验结果见图2。
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2．2 结果分析
1)污泥床的运行状态对厌氧消化的影响启动期反应器上水流速度小、产气量小，污泥床层与废水不能得到有效接触，容易产生短流和污泥脱节现象。为克服上述不足，启动阶段采用低浓度连续进水方式，通过较大的水流速度搅拌污泥床层，并通过调节进水量控制反应器的容积负荷，取得了较好的效果，系统运行稳定。在负荷提高阶段，产气量较大，通过气流搅拌和水力搅拌的共同作用，颗粒污泥在反应器内呈悬浮状态，保证了污泥与废水的充分接触，为系统的稳定运行提供了保障。
2)容积负荷对反应器运行效果的影响
容积负荷是厌氧反应器运行过程中最主要的控制参数，它直接反映了基质与微生物之间的平衡关系。当反应器拥有的污泥浓度和生物活性一定时，要想得到一定的COD去除率，反应器的容积负荷必须控制在一定的限度，才可保证反应器正常运行，否则将引起反应器运行恶化。反应器容积负荷与COD去除率的关系见图3。
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从图3可以看出，第1次调负荷在启动阶段结束时，进水p(COD)由3 000 mg/L提高到4 000mg/L，负荷由2．0 kg/(m3·d)突然增加1倍提高到4．0 kg/(m。·d)，COD去除率由95％ 降低至82．4%，之后4～5 d迅速提高并稳定在92 9/6以上。第2次调负荷在负荷提高阶段，进水p(COD)由5 000 mg/L提高到6 000 mg/L，负荷由4．0 kg/(m3·d)一下提高到6．0 kg/(m。·d)，COD去除率由90%降低至84%左右，并很快稳定。这说明系统能保持较强的耐冲击负荷能力和相对稳定的去除率，具有进一步提高负荷的潜力。第3次调负荷到7．0 kg/(m3·d)左右，运行8 d，系统COD去除率从84%下降到65%，说明系统不能再提高容积负荷。
3)水力停留时间(HRT)对反应器运行效果的影响
本实验采用低浓度进水方式启动，反应器的容积负荷提高依靠增大进水量来实现，亦即缩短废水的HRT 来实现。试验期间反应器容积负荷与HRT的关系见图4。
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图3和图4显示：反应器HRT由启动阶段的37 h降至24 h，容积负荷由2．0 kg/(m3·d)左右提高到了6．0 kg/(m ·d)左右，COD去除率由95％降至84％ 。说明HRT的长短对反应器运行效果影响很大。
4)碱度和pH值对厌氧消化的影响
在厌氧体系中，碱度表明了反应体系的缓冲能力。如碱度越低，体系的缓冲能力越小，挥发性脂肪酸(VFA)的变化对体系的pH 值影响则较大。可见，足够的碱度是维持厌氧体系pH值基本稳定的保证。
由于试验用水的pH值在2．0左右，为保证反应器的正常启动，防止系统酸败，在启动时厌氧进水用Na2CO3调整pH 值为7．5～8．0。由于该废水中主要污染物为小分子有机弱酸，易被生物降解，生成碱度，故在负荷提高阶段控制进水pH 值在5．0～6．0，出水pH值可达到7．4～7．6，而且净化效率很高。这说明系统具备较强的缓冲能力，主要原因在于系统有CO；一和HCO{以及HAC和AC一构成的2个缓冲体系，使厌氧反应器能在一个稳定的碱度和pH值条件下运行，从而保证系统具有较稳定的净化效果。
5)甲苯对厌氧消化的影响
从废水水质分析，废水中主要污染物为醋酸等弱酸，可生化性较好，但废水中少量的甲苯对厌氧消化有一定的抑制作用。从试验结果可以看出，当反应器容积负荷提高到7．0 kg/(m3·d)左右，系统COD去除率有明显下降趋势，说明反应器中甲苯浓度增加到一定值时会影响反应器的净化效果。从负荷提高阶段的运行效果来看，反应器每次以2．0 kg/(m3·d)左右提高容积负荷时，系统的净化效率有一个短期的下降，运行4—5 d后就能稳定在一个较高的净化水平。可见反应器内微生物的活性较高，微生物群体分布合理，具有较强的抗冲击负荷能力。说明通过安排合理的运行方式，可以使污泥得到有效的培养驯化，基本可以消除甲苯对厌氧消化的抑制影响。
3 结 论
1)采用UASB反应器处理甲苯氧化生产废水是可行的。反应器接种颗粒污泥，当进水p(COD)为6 000 mg/L，容积负荷为6．0 kg/(m ·d)时，COD去除率约为84％ ，出水P(COD)在853～985mg/L之间。
2)采用UASB反应器处理甲苯氧化生产废水的较适宜运行条件如下：进水pH 值为5～6，p(COD)为5 000 6 000 mg/L，水力停留时间为24h，容积负荷为5．0～6．0 kg/(m3·d)。
3)厌氧动态试验表明废水中甲苯对厌氧消化会产生一定的抑制影响，但通过对污泥的培养驯化以及合理的运行方式，甲苯对厌氧消化的抑制影响可以得到很好的控制。
参考文献：
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[3] 任南琪，王爱杰．厌氧生物处理技术与应用[M]．北京：化学工业出版社，2004．
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[6] 凌文华．上流式厌氧污泥反应器在己内酰胺高浓度废水预处理中的应用[J]．石油炼制与化工，2004，35(3)：64—67．
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