UASB在垃圾渗滤液处理中的应用研究

摘要：随着社会经济的快速发展，其带来的社会环境问题也日益严重。在将城市垃圾进行填埋处理的同时，垃圾渗滤液的处理排放也将成为当前急需解决的问题。UASB工艺具有节省动力消耗，污泥产量少且稳定优点，成为最成功的厌氧生物处理工艺。本论文针对垃圾渗滤液的特性和UASB工艺特点、工作原理，研究UASB在处理垃圾渗滤液的影响因素及运行参数，分析UASB反应器的反应动力学。并将研究与工程设计紧密结合起来，为处理工艺选择合理的设计参数和运行参数提供借鉴和参考。

关键字：上流式厌氧污泥床（UASB）垃圾渗滤液反应动力学温度

1 UASB处理垃圾渗滤液的影响因素

在UASB反应器的运行过程中，影响污泥颗粒化和处理效果的因素很多。UASB反应器的运行主要受接种污泥的性质、进水水质(有机物浓度及种类、营养比、悬浮固体含量、有毒有害物质)、反应器的工艺条件(污泥负荷、有机负荷，温度、pH值与碱度、挥发酸含量)等的影响。以下是影响反应器运行的几个主要的因素。

1.1温度的影响与控制

由试验可知温度范围在7～21℃，温度越高，处理效果越好，当温度低10℃时，平均去除率仅为20%，温度在15℃以上时，反应器具有比较稳定的处理效果。因此采用UASB处理垃圾渗滤液应保证温度在15℃以上。

1.2 pH值的影响与控制

渗滤液的pH值基本稳定在7.6～8.3，在此范围内，处理效果较为稳定[1]；当pH8.3时，COD去除率明显降低。当渗滤液pH值在8.1以下，可以认为pH值对反应器影响不显著，因此，采用UASB处理垃圾渗滤液应控制pH值在8.1以下。

1.3有机负荷的影响与控制

有机负荷较低时COD去除率较高，当负荷为8.8～9.7kgCOD/(m3•d)时去除率仅为15%，但当负荷在4～6kgCOD/(m3•d)时平均去除率为50.5%。因此，UASB处理渗滤液的有机负荷宜控制在5kgCOD/(m3•d)左右。

1.4水力停留时间的影响与控制

当HRT由12h增至48h时，COD去除率上升了13.2%；当HRT由48h增加至96h，对COD去除率影响较小。因此，HRT对出水COD的影响不是很明显，UASB反应器处理垃圾渗滤液的水力停留时间可选择2～4d之间[2]。

1.5营养物质比例的影响与控制

在处理各种废水时，当含氮量过低，合成菌体所需的氮量就不足，同时，消化液的缓冲能力也下降，而含氮量过高，有可能使pH升得过高，不利于产甲烷菌的生长及甲烷的合成。大量试验表明，厌氧处理的碳:氮:磷控制为(200～300):5:1为宜[3]，在装置启动时，稍微增加氮含量，有利于微生物的增殖，有利于提高反应器的缓冲能力。

2 UASB反应器反应动力学分析

Monod认为可以通过经典的米-门方程式[4]来描述底物浓度与微生物比增殖速度之间的关系，即方程式（1）：

(1)

微生物的比增殖速度u和底物的比降解速度v呈正比关系，因此，底物比降解速度可用米-门方程式描述，即式(2）：

(2)

底物的比降解速度，即单位时间内单位微生物量所降解的基质量，也可按下式(3)描述：

(3)

根据式(2)及式(3)，得出下式(4)：

(4)

在高浓度有机底物条件下，由式(2)(4)简化可知，有机底物以最大的降解速度进行降解，与底物的浓度无关，并呈零级反应关系；有机底物的降解速率与污泥浓度相关，而呈一级反应关系。因此，在处理垃圾渗滤液时，基质降解速度与污泥浓度成比例，在实际运行中应提高反应器内的污泥浓度。

将化学工程中的传质阻力理论运用于微生物增长的反应动力学中，给出了如下的方程式(5)：

(5)

可将式(5)化为Monod方程的形式，则有下式(6)：

(6)

式(6)阐明了Monod方程中饱和常数Ks的物理意义，Ks是生物过程中的综合参数，与生物反应活性、传质特性以及微生物的几何性质有关。同时，反应器的上流速度和进水基质浓度也是影响Ks变化的因素。

图1 UASB反应器数学模型

图1为UASB反应器数学模型图，可将反应器的流型抽象为污泥床和悬浮层认为是完全混合型，而沉淀区则可认为是推流型。而污泥床和污泥悬浮层靠废水流量Q、上升污泥流量Q w b和返回污泥流量Q b w相联系。

根据UASB反应器中废水流动分布进行物料平衡分析建立如下方程(7)：

（7）

对UASB反应器污泥床和污泥悬浮层进行COD平衡分析得出方程式(8)(9)：

式中：―废水流量，m3/h；

―反应器内上升污泥流量，m3/h；

―反应器内返回污泥流量，m3/h；

―进水COD浓度，mg/L；

―污泥床COD浓度，mg/L；

―悬浮层COD浓度，mg/L；

―不可生物降解的COD浓度，mg/L；

―污泥床体积，m3；

―悬浮层体积，m3；

―污泥床悬浮物浓度，mg/L；

―悬浮层悬浮物浓度，mg/L；

―COD降解速度，d-1；

―饱和常数；

―生物不可降解的COD百分率。

由式(7)(8)(9)可以得出，当改变进水COD浓度或进水流量时，污泥床和污泥悬浮层体积将发生变化。

假设反应器的容积负荷和COD去除负荷不变，则有方程式(10) ：

（10）

将式(10)代入污泥床和悬浮层的COD平衡关系式，得出式 (11)(12)：

式中：―容积负荷，d-1；

―有效高度，m；

―污泥床高度，m；

―悬浮层高度，m。

由式(11)(12)可得出，当反应器稳定运行时，在反应器的进水流量、进水COD浓度和COD去除率保持不变的情况下，反应器的运行状况与反应器的截面积关系不大，而与反应器的高度相关。

3 工程设计

由研究可知在温度大于20℃，UASB处理垃圾渗滤液的COD去除率基本上能达到60%以上。

3.1 垃圾渗滤液水质及水量预测

通过对西安市江村沟及国内北京、上海、广州等城市垃圾填埋场垃圾渗滤液水质数据[5]进行调研，最终确定铜川市垃圾渗滤液中COD、BOD、SS、氨氮各项指标分别为20000mg/L、10000 mg/L、600 mg/L、800 mg/L。

铜川市垃圾填埋场由于采用了HDPE膜防渗，填埋场内渗滤液的产生量主要取决于降雨情况。渗滤液产生量按多年平均降雨量作计算依据，采用经验公式法进行预测，其计算公式如下：

Q=C×I×A/1000

根据已有资料，工程拟建地多年平均日降雨量为1.40mm/d。计算渗滤液产生量约为Q=55m3/d，设计中渗滤液产生量按Q=60m3/d考虑。本工程以有机容积负荷确定UASB反应器所需的容积为240m3。