UBF廢水生物處理新工藝的研究現狀及應用
UBF廢水生物處理新工藝的研究現狀及應用
梅玫
1984年，加拿大的Guiot[1]在AF和UASB的基礎上開發出了上流式污泥床-過濾器(Upflow Blanket Filter，簡稱UBF)復合式厭氧反應器。相較于上述兩種工藝，UBF反應器具有以下優點：(1)上部的填料層可以有效的阻止污泥的流失，還能夠起到三相分離的作用，因此結構上較UASB要更簡單；(2)與AF相比，UBF反應器只用部分填料，既減輕了濾器底部易出現的短流和堵塞，也少用了填料[2]。UBF目前是水污染防治領域中一項極具開發應用前景的生物處理新技術。
1.研究進展
目前國內外對UBF反應器的動力學模型、啟動、運行性能及其影響因素都有研究。
1.1 動力學模型
物料在反應器中不同的流動情況直接與反應器內基質濃度、溫度和反應時間等工藝條件密切相關，因此對反應器中流體流動模型的研究是反應器放大應用的一個重要環節。
Nurdan B y kkamaci等人運用不同數學模型，對在不同有機負荷(OLR)和水力停留時間(HRT)條件下處理合成廢水的UBF進行動力學分析，發現只Second-order模型和Stover-Kincannon模型最能描述反應器的動力學行為，相關系數分別高達98%和99%。
劉忠生等人[3]提出了UBF液體流動組合模型，它將污泥床、污泥層和填料層視為相互隔開、各帶死區的全混流反應單元，它們之間用上流和返混依次相連， 并有原料水自污泥床入口旁流(短路)到污泥層和填料層，進而利用該模型和比基質降解Monod方程建立了UBF基質降解動力學模型，并通過試驗取得了精對苯二甲酸廢水基質動力學常數。
1.2 啟動
啟動的目標是為需處理的污水培養最適宜的微生物，一旦活性污泥形成，不管是顆粒或絮體，反應器的運行都很穩定。因此，厭氧反應器能否成功地快速啟動是決定反應器運行成敗的先決條件[4]。
Hashemian等人[5]對用聚氨酯為填料的UBF的啟動進行了研究。認為雖然聚氨酯填料代價高，但能夠縮短啟動時間。Huub等人[6]對用聚氨酯為填料的UBF與UASB的啟動進行了對比研究，發現UBF較UASB啟動更快。可能是由于在前者中產甲烷菌群快速固定的緣故。
李斗等人[7]采用UBF反應器以某化工廠生產廢水(含大量環己烷、環己醇及少量酸鈉)為處理對象對反應器的啟動進行了試驗研究，結果表明當COD容積負荷(VLR)為2.12kg/m3·d時，其COD去除率最高(82%)，反應器中形成厭氧顆粒污泥。試驗驗證了UBF在處理高濃度降解廢水時，具有啟動快特點。
1.3 運行性能及其影響因素
UBF是工業、生活油脂、印染、啤酒、制藥、制糖、屠宰等行業高運行穩定、抗沖擊負荷能力強是UBF的又一大顯著特點，其對容積負荷、溫度、pH的波動有較好的承受能力。濃度有機廢水進行高效生化處理較理想的設備，啟動速度快，運行效率高是其一大優點。影響其運行效能的因素如下：
1.3.1溫度
根據熱力學原理，溫度越高，生化反應速率越大，同時，從生物學角度看，溫度越高，酶的活性越大。但溫度過高，將影響酶的活力和細菌的代謝功能，綜合考慮各因素，反應器的試驗溫度采用厭氧菌中段最佳溫度35℃。
胡鋒平[8] [9]在常溫25℃采用兩相厭氧法對養雞場離心廢水進行處理，結果表明：進水CODCr為18300mg/L，系統容積負荷17.26kgCODCr/m3·d，水力停留時間25.47h，CODCr去除率為76.13%，BOD5去除率為87.76%，產氣率為0.410m3/kg·CODCr；在中溫35℃時結果表明：進水CODCr為19000mg/L，系統容積負荷21.54kgCODCr/m3·d，水力停留時間21.17h，CODCr去除率為81.98%，BOD5去除率為90.45%，產氣率為0.446m3/kg·CODCr。由此可得35℃比25℃時，處理效率較好，產氣量也較大。
1.3.2 填料
UBF所用的填料可根據廢水生物反應特性及水力學特征進行選擇，投加填料后不僅可提高反應器中污泥濃度，減小污泥負荷，而且填料上生物膜內部缺氧區的存在可以抑制溶液中絲狀微生物的生長，還使反應器內流化狀態改善，增大厭氧菌與廢水的接觸時間，從而強化處理效果，對水質變化，如pH變化、抑制物濃度、廢水濃度等均有較大的適應能力。
目前常用的填料有：聚氨酯泡沫填料、YDT彈性填料、BIO-ECO聚丙烯填料、半軟性纖維填料、陶瓷希臘環、聚乙烯拉西環、塑料環、活性炭、焦碳、浮石、礫石等[10]。其中應用最多的是聚氨酯泡沫填料。這是因為聚氯酯泡沫[11]的比表面積大(2400m2/m3)，空隙度高(97％)，具有網狀結構，微生物能在其上密實而迅速地增殖，是厭氧優勢菌落的良好基質。
1.3.3 水力停留時間和有機負荷率
HRT和相對應的OLR是影響UBF處理效率的關鍵因素。Droste等[12]1987年報道在UBF反應器中，當HRT為2h或更少，OLR為3. 6-12kgCOD/ m3·d時，生物固體要洗出。而由Rafael等[13]的對比實驗看，對高濃度廢水來說，HRT也許比在實驗中所觀察到的要更長。對顆粒污泥研究表明，填充介質并不是影響顆粒污泥沉降性能的關鍵因素。當HRT和OLR分別接近0. 3d 和17-18 kgCOD/ m3·d 時，COD去除率從95%劇烈下降到70%。由此表明，COD的去除率受生物量的增殖、OLR和HRT 影響最大。
1.3.4 顆粒污泥
厭氧反應器能否高效、穩定運行的關鍵是培養和馴化沉降性能好、活性好的顆粒污泥[14]。UBF下部的UASB最大特點就是能夠形成沉降性能良好、產甲烷活性高的顆粒污泥，厭氧顆粒污泥的形成使UASB中有較高濃度的生物相，
從而確保厭氧生化過程穩定高效運行。而污泥顆粒化影響因素很多，包括環境的、生物學的和工程的因素都會影響到污泥顆粒化過程。其提高的方法有：適當的增加進水中的堿度, 提高水力負荷，對甲烷菌的馴化，啟動初期保持低濃度進水，排除懸浮層污泥等。
2. 應用
2.1 高濃度有機廢水的應用
2.1.1印染廢水
陳文樂[15]對UBF處理高濃度印染廢水進行了試驗研究。溫度35℃，進水的pH值在8.5-9.0間(保證進入反應器內經稀釋中和后pH值在6.5-7.5間)。厭氧段的HRT(水力停留時間)為15h，容積負荷為2.5 kgCOD/m3·d。好氧段的HRT為8h，容積負荷為4.6kgCOD/m3·d。進水COD為1500mg/L、色度為600倍的印染廢水。以2.5kgCOD/m3·d的容積負荷通過厭氧段，可使得COD的去除率在25％以上，色度降到80倍以下，在好氧段曝氣8h，即容積負荷為4.6kgCOD/m3·d，總去除率可達90％，出水為160mg/L，色度降至60倍，色度去除率在90％以上。
薄國柱等人[16]研究上流式厭氧生物濾池反應器處理難降解印染退漿廢水，試驗結果表明，在中溫（35℃ 3℃）條件下，用混合酸調節pH值，在水力停留時間為8.9h、CODCr負荷率為13.1kg/m3·d情況下，CODCr去除率達到了68%。
2.1.2 造紙廢水
陳南南等人[17]對用UBF處理廢紙漿造紙廢水進行了實驗研究。實驗表明，UBF反應器經過三個月達到穩定運行，培養出適合水質要求的厭氧污泥，運行結果表明，在進水CODCr為1800mg/L左右的條件下，出水CODCr一般在600-700mg/L，平均去除率穩定在85.7%左右。
2.1.3 制藥廢水
倪利曉等[18]采用以聚丙烯拉西環為填料的上流式污泥床-過濾器復合式厭氧反應器處理生產病毒唑的制藥廢水。試驗結果表明：當水力停留時間為6.910h，進水COD質量濃度為7000mg/L、有機負荷達25.05 kg/(m3·d)時，COD去除率可達72.8％，出水COD質量濃度為1900mg/L左右，同時，填料上生物膜對COD的去除率為32％-47％，且能截留大量污泥。
侯愛東等人[19]針對某制藥業廢水的特點，采用了“微電-UBF-CASS”為主體的組合處理工藝。工程運行結果表明：在進水CODCr為10000-12000mg/L，處理后出水CODCr小于200mg/L，平均去除率達到98％以上，系統出水達到《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)中的二級標準。
2.1.4 釀造廢水
苗利等[20]進行的UBF-SBR工藝處理啤酒工業廢水工程應用表明，當UBF的水力停留時間為10h時，UBF的進水和出水CODCr、BOD5、SS分別為1022mg/L，543 mg/L，383 mg/L和290 mg/L，128 mg/L，273 mg/L；UBF出水采用SBR進行處理，當SBR 的運行周期為12h時，SBR出水的CODCr、BOD5、SS分別為67 mg/L，12 mg/L，96 mg/L，出水水質穩定達到國家啤酒工業廢水排放標準。此工藝技術具有投資省，電耗和運行費用低，啟動速度快，運行穩定可靠，占地面積小，污泥排放量少，管理方便等明顯特點。
2.1.5 垃圾滲濾液
曹占平等[21]同對UBF反應器處理垃圾滲濾液進行了中試研究．在2個月內啟動完成反應器，系統在常溫、HRT=6d的穩定運行期間，對CODCr、BOD的去除率較高。去除率分別為70.6％-73.9％、74.5％-78.1％．同時對SS也有40％作用的去除率，進水CODCr在5431-8723之間，可降到2276.7以下。
溫麗麗等人[22]采用新型復合工藝UBF-BAF固定化微生物系統處理中老齡垃圾滲濾液。實驗表明，在滲濾液進水CODCr和NH4+-N濃度范圍分別為6000-14500mg/L和880-1500mg/L的條件下，出水CODCr濃度低于400mg/L，NH4+-N濃度低于10mg/L；CODCr、NH4+-N和TIN平均去除率分別達到93.8％、97.3％和84.1％左右。系統最佳水力停留時間為84h．系統中高游離氨濃度沒有對污染物去除效率造成影響。采用GC/MS對低分子量有機污染物成分進行分析，結果表明出水中有機污染物種類明顯減少，大部分有機物得到了有效去除。另一方面系統中生物量大，生物種類豐富，含有短桿菌、長桿菌和球菌等．該系統在滲濾液沒有經過預處理、污染物濃度變化很大的情況下，能實現高污染物去除率，證明其處理垃圾滲濾液是可行的。
2.2 低濃度生活廢水的應用
曾國揆[23]等利用UBF反應器在常溫下進行實驗小試，處理COD在500-600mg/L的自配廢水時發現，在水力停留時間HTR為4.17h、進水負荷為3.08kgCOD/m3·d時，其COD去除率可達70%左右，產氣率為0.135m3/m3·d，反應器中污泥活性很強，整個系統運行穩定。
董良飛[24]等人針對船舶生活污水的特點，對UBF-接觸氧化工藝處理船舶生活污水進行了實驗研究，在UBF、接觸氧化池、接觸沉淀池的有效水力停留時間分別為1.5 h、2.0h、1.0 h時，出水BOD5、SS均小于50 mg/L，并實現了污水、污泥的一體化處理。
2.3 處理高含鹽度廢水
劉鋒等人[25][26]對利用上流式厭氧生物濾池反應器處理高含鹽有機廢水的情況進行了試驗研究。結果表明，在容積負荷4kgCOD/m3·d，進水氯離子濃度在3000 mg/L，水力停留時問24h時，COD去除效率達到85％左右。另外在用厭氧法處理檸檬酸生產過程中產生的pH值低(3-5)、含鹽量高(C1-=3000-5000mg/L)的離子交換廢水時，遇到顆粒污泥很難形成的問題。為了解決此問題，于是他們設計和建設了4座直徑為12m、高為23m、體積為2500m3的大型組合厭氧濾池(UBF)。經過近2年的啟動和實際運行，在容積負荷為3-4 kgCOD/m3·d、不用堿性物質調節pH值的奈件下，對COD的去除率>75％，出水SS<200mg／L，污泥量緩慢增加，未出現堵塞現象。
3. 結語
將UASB和AF聯合開發出的UBF工藝，是一種高效厭氧廢水處理工藝，具有微生物濃度高，固體停留時間(SRT)長，容積負荷高，體積減小，混合充分，濾料成本低，系統緊湊、占地面積小，可回收沼氣能源，建設費用和運行成本低等特點。因此，UBF工藝在有機廢水的處理中, 具有很大的發展前景和應用潛力，值得大力推廣。此外，其對低濃度生活污水也具有一定的處理能力。
然而，UBF還有很多值得研究的地方，如反應器填料的研究，顆粒污泥的培養技術，反應器的優化設計以及大規模應用中參數的確定等方面。對這些問題的深入研究，將更有利于UBF的推廣發展和應用。
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