隨著我國污水產(chǎn)量的逐漸上升，城市污水處理廠污泥產(chǎn)量也持續(xù)增加。厭氧消化不僅可緩解能源緊缺，同時(shí)可降低環(huán)境污染，已廣泛應(yīng)用于城市污水廠污泥的處理，但存在生物轉(zhuǎn)化效率低等問題。我國目前污泥產(chǎn)量及其處理能力存在極大差距，熱水解技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用突破了高含固污泥厭氧消化（含固率>10%）速率低的瓶頸，高含固污泥熱水解-厭氧消化工藝成為污水廠污泥厭氧處理系統(tǒng)升級改造的可選工藝之一。

熱水解可有效釋放胞內(nèi)水分，并用于改善污泥脫水性能，在后續(xù)研究中，污泥熱水解可改善高含固污泥流態(tài)并提升厭氧消化效率。近期研究表明，熱水解實(shí)現(xiàn)了污泥中有機(jī)物的相分離，即熱水解后污泥中大部分可被甲烷化的有機(jī)物轉(zhuǎn)移至液相，熱水解濾液具有極高的甲烷化潛力。從理論角度分析，若采用UASB等高效厭氧處理方法對污泥熱水解濾液進(jìn)行厭氧處理，會(huì)大幅降低污泥厭氧處理建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用。

高含固污泥熱水解濾液具有高有機(jī)物、高氮特點(diǎn)。熱水解濾液厭氧消化的pH及氨氮濃度會(huì)維持在較高水平，存在一定的氨抑制風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，啟動(dòng)過程中由于熱水解濾液有機(jī)物濃度較高、啟動(dòng)有機(jī)負(fù)荷較低，UASB內(nèi)氣體及液體上升流速不足。而目前國內(nèi)外對熱水解濾液采用UASB進(jìn)行處理的啟動(dòng)特性探究較少。因此，筆者采用UASB處理熱水解濾液，在分析進(jìn)出水水質(zhì)變化的基礎(chǔ)上，探討高含固污泥熱水解濾液的厭氧處理特性及啟動(dòng)過程中存在的問題，為實(shí)現(xiàn)高效、低成本污泥處理提供一定的理論依據(jù)。

1、材料與方法

1.1 高含固污泥熱水解濾液來源及其水質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)污泥為西安市某污水處理廠剩余污泥，該污水處理廠采用A2O工藝。剩余污泥脫水至含固率為10%，經(jīng)過165℃、30min熱水解后（高壓反應(yīng)釜）離心脫水（4000r/min、10min、4℃）。取上清液作為熱水解濾液，于（4±1）℃貯存待用。對熱水解濾液水質(zhì)情況進(jìn)行測定，其結(jié)果如下：pH為5.61±0.06，COD濃度為（36.41±1.85）g/L，氨氮濃度為（0.77±0.11）g/L，磷酸鹽濃度為（0.74±0.08）g/L，總氮濃度為（3.31±0.08）g/L，總磷濃度為（0.80±0.01）g/L，蛋白質(zhì)濃度為（19.95±0.31）g/L，碳水化合物濃度為（8.00±1.54）g/L。

1.2 試驗(yàn)裝置

UASB系統(tǒng)由反應(yīng)器、進(jìn)出水泵、氣體流量計(jì)、恒溫水浴循環(huán)箱等組成，如圖1所示。其中反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，高度為110cm，內(nèi)徑為7.5cm，有效容積為3.5L，內(nèi)部設(shè)置三相分離器，恒溫水浴循環(huán)系統(tǒng)將反應(yīng)器溫度控制在（35±1）℃。沼氣采用濕式氣體流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)水采用蠕動(dòng)泵控制。

1.3 系統(tǒng)啟動(dòng)方式及運(yùn)行參數(shù)

UASB接種污泥取自西安市某啤酒廠UASB反應(yīng)器，其TS為104.66g/L、SS為99.06g/L、VSS為33.45g/L。接種污泥與無氧水混合后，充入反應(yīng)器容積的1/2，隨后注入濾液，直至12d后無氣體產(chǎn)生，開始啟動(dòng)UASB。

在維持熱水解濾液COD濃度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，逐漸降低水力停留時(shí)間（HRT），以提高系統(tǒng)負(fù)荷的方式啟動(dòng)UASB。根據(jù)運(yùn)行方式的不同，啟動(dòng)階段分為第1階段和第2階段，見表1。第1階段：間歇式運(yùn)行+回流階段，在HRT為26d和13d時(shí)，由于進(jìn)水量較少，針對該階段上升流速及氣體產(chǎn)量較低的問題，采用間歇式進(jìn)水及回流以改善UASB內(nèi)的上升流速。第2階段：連續(xù)運(yùn)行階段，在HRT為7.8d時(shí)，由于上升流速及氣體產(chǎn)量較高，因此可采用連續(xù)進(jìn)水方式運(yùn)行。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

pH采用pH計(jì)測定；COD采用標(biāo)準(zhǔn)重鉻酸鉀法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；TS、SS、VSS采用標(biāo)準(zhǔn)重量法測定；沼氣中氣體組分采用氣相色譜儀測定，使用TCD熱導(dǎo)檢測器，TDX-01填充柱，測定條件為進(jìn)樣口溫度100℃、柱箱溫度150℃、檢測器溫度160℃。

2、結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)階段COD的變化

為了探討UASB在啟動(dòng)過程對熱水解濾液中有機(jī)物去除率的變化，測定進(jìn)出水COD濃度并計(jì)算去除率，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，進(jìn)水COD濃度為（36.45±2.44）g/L，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)，COD去除率分別為（52.53±6.17）%、（59.93±3.00）%及（65.92±2.44）%。在反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)，由于UASB中厭氧污泥未適應(yīng)熱水解濾液，維持HRT為26和13d直至COD去除率增至60%以上。當(dāng)HRT為7.8d時(shí)，UASB的有機(jī)負(fù)荷上升及進(jìn)水量增加。李俊生等采用中溫UASB處理精對苯二甲酸（PTA）廢水，啟動(dòng)初期也通過內(nèi)回流增加進(jìn)水和底部污泥的充分接觸，去除系統(tǒng)中的細(xì)小和老舊污泥。本系統(tǒng)運(yùn)行方式由間歇進(jìn)水+內(nèi)回流調(diào)整為連續(xù)進(jìn)水，此時(shí)COD去除率仍維持在60%以上，且在穩(wěn)定一段時(shí)間后COD去除率可達(dá)到65%以上。因此，隨著有機(jī)負(fù)荷的提升，COD去除率進(jìn)一步增加，說明在UASB啟動(dòng)階段厭氧污泥馴化良好。

啟動(dòng)階段，UASB有機(jī)負(fù)荷在HRT為26、13、7.8d時(shí)分別為（1.40±0.07）、（2.87±0.07）及（4.56±0.10）kg/（m3·d）。Qiao等采用中試EGSB處理城市污水廠污泥熱水解濾液（COD約為24.0g/L），其有機(jī)負(fù)荷由第1階段的2.0~8.0kg/（m3·d）逐漸提升至第4階段的11.0kg/（m3·d），該階段COD去除率約為63%。鄭俊等采用EGSB處理焦化廢水（COD為2650~2900mg/L），當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷增至2.66kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率逐漸增加并穩(wěn)定在34%左右。對比先前的研究結(jié)果，本試驗(yàn)UASB在有機(jī)負(fù)荷為（4.56±0.10）kg/（m3·d）階段運(yùn)行穩(wěn)定后（90d后），COD去除率可達(dá)（67.22±0.75）%，認(rèn)為UASB處理熱水解濾液啟動(dòng)成功。

2.2 啟動(dòng)階段反應(yīng)器產(chǎn)氣量的變化

在厭氧處理過程中，產(chǎn)氣量可直觀反映有機(jī)物分解效率的變化。為了探討UASB啟動(dòng)過程中產(chǎn)氣情況，記錄日沼氣產(chǎn)量，測定氣體組分，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，UASB產(chǎn)氣量隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而增加，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)，產(chǎn)氣量分別為0.41、1.42、3.81L/d。在負(fù)荷增加初期，產(chǎn)氣量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這是由于負(fù)荷提升對UASB厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。經(jīng)短暫時(shí)間的適應(yīng)和調(diào)整，反應(yīng)器的產(chǎn)氣性能快速恢復(fù)，說明反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)甲烷菌群具有較好的活性。甲烷含量比產(chǎn)氣量更敏感，可以反映反應(yīng)器的即時(shí)狀態(tài)。測定沼氣中甲烷含量發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)初期氣體組分中甲烷含量較高，在76.86%~81.69%之間，當(dāng)平均有機(jī)負(fù)荷升至4.56kg/（m3·d）時(shí)，產(chǎn)氣中甲烷含量下降至64.26%~66.81%。

為了進(jìn)一步分析UASB處理熱水解濾液的產(chǎn)甲烷性能，計(jì)算理論甲烷產(chǎn)率并對比實(shí)際甲烷產(chǎn)率，結(jié)果如圖4所示。可知，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)，產(chǎn)甲烷量分別為（0.31±0.21）、（1.12±0.33）、（2.49±0.13）L/d，經(jīng)計(jì)算甲烷產(chǎn)率為64、112、157mL/gCOD投加，啟動(dòng)過程中微生物對熱水解濾液中有機(jī)物甲烷化的性能逐漸提高。

2.3 啟動(dòng)階段氨氮的變化

出水氨氮濃度不僅可表征污泥中有機(jī)物的分解情況，也是UASB中緩沖體系的重要組成部分。為了探討啟動(dòng)階段污泥中氨氮的生成特性，對啟動(dòng)階段進(jìn)出水氨氮濃度變化進(jìn)行測定，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯瑔?dòng)階段熱水解濾液氨氮濃度為（701.40±185.77）mg/L，啟動(dòng)初期出水氨氮濃度上升至1773.85~2066.38mg/L。隨著UASB中厭氧顆粒污泥對熱水解濾液中蛋白質(zhì)分解效率的增加，出水氨氮濃度進(jìn)一步升高，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)分別為（2259.06±134.40）、（2449.73±167.40）、（2532.37±129.93）mg/L，低于研究報(bào)道的高含固污泥中溫厭氧消化氨氮抑制濃度（3000~4000mg/L）。進(jìn)一步計(jì)算出水游離氨濃度，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)分別為167.49、206.61、339.02mg/L，低于研究所報(bào)道的高含固污泥中溫厭氧消化游離氨顯著抑制閾值（600~800mg/L）。由于污泥中有機(jī)物的主要組分為蛋白質(zhì)，在有機(jī)物被大量轉(zhuǎn)化為甲烷及二氧化碳的同時(shí)，氨基酸水解產(chǎn)生的氨氮會(huì)進(jìn)一步提升UASB中的氨氮濃度。因此，在以高含固污泥熱水解濾液為處理對象時(shí)，UASB中氨氮濃度的上升一方面可有效增加緩沖性能，另一方面也增加了氨抑制的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 啟動(dòng)階段pH的變化

pH不僅影響厭氧消化過程中微生物的活性、甲烷濃度等，還反映了消化過程中酸度與堿度的變化。UASB啟動(dòng)階段pH的變化如圖6所示。

由圖6可知，進(jìn)水pH為5.61±0.06，當(dāng)HRT為26、13、7.8d時(shí)，出水pH分別為7.74±0.16、7.80±0.17、8.02±0.28，pH隨著啟動(dòng)階段負(fù)荷的增加而增加。pH的增加說明UASB系統(tǒng)中有機(jī)酸含量下降和氨氮濃度上升，這是由于濾液中含有的有機(jī)酸在產(chǎn)甲烷階段轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，且含氮有機(jī)物的水解會(huì)增加厭氧處理系統(tǒng)的堿度。UASB的pH均處于較高的水平，較常規(guī)含固率污泥厭氧消化，高含固污泥熱水解-UASB處理的pH約為8.0。啟動(dòng)過程中出水pH逐漸上升，說明UASB中微生物活性增加，出水中酸度隨著負(fù)荷的增加而降低。

3、討論

3.1 UASB處理熱水解濾液的啟動(dòng)特性

熱水解濾液作為高含固污泥熱水解脫水產(chǎn)物，具有高有機(jī)物、高氮、高磷含量以及水質(zhì)呈酸性等特點(diǎn)。UASB處理熱水解濾液的初期啟動(dòng)階段（HRT為26d）出現(xiàn)厭氧微生物對熱水解濾液未完全適應(yīng)導(dǎo)致處理效率下降、沼氣產(chǎn)量及上升流速不足、氨氮及pH升高等現(xiàn)象。

啟動(dòng)初期UASB的甲烷產(chǎn)率較低，僅為64mL/gCOD投加。韓蕓等對30mL含固率為10%的污泥熱水解濾液（165℃、50min）進(jìn)行生物化學(xué)甲烷勢測定，其COD為42.6g/L、甲烷產(chǎn)量為305.0mL、甲烷產(chǎn)率為238.7mL/gCOD投加。李彬彬等研究厭氧污泥對有機(jī)物的去除作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，初期的去除主要依靠吸附作用，達(dá)到吸附極限時(shí)對COD的去除依靠水解酸化及厭氧生物降解。說明該UASB反應(yīng)器在低負(fù)荷運(yùn)行初期，厭氧污泥對有機(jī)物的去除基本依靠吸附和水解酸化作用。因此，在UASB處理熱水解濾液啟動(dòng)初期，應(yīng)保持較低的COD有機(jī)負(fù)荷，直至甲烷產(chǎn)率增至較高水平再進(jìn)一步提升負(fù)荷。

由于啟動(dòng)階段甲烷菌活性較低，熱水解濾液pH較低（5.61±0.06），且易于產(chǎn)酸，因此在啟動(dòng)階段存在酸化的可能性。在常規(guī)含固率污泥厭氧消化啟動(dòng)過程中易出現(xiàn)酸化，而對于高含固率污泥厭氧消化，由于熱水解濾液在消化過程中較易生成氨氮，UASB可維持較好的緩沖性能。因此，在UASB啟動(dòng)過程中，有機(jī)負(fù)荷的增加對出水氨氮濃度的影響較小，且pH可維持在較高范圍。產(chǎn)甲烷菌生長的最佳pH范圍為6.5~8.2，pH及氨氮濃度增加將導(dǎo)致游離氨濃度上升。相對于有機(jī)負(fù)荷提升導(dǎo)致的酸積累，更需注意啟動(dòng)過程中的氨抑制。

3.2 存在的問題及解決方法

熱水解濾液有機(jī)物含量較高，因此UASB在處理熱水解濾液的啟動(dòng)階段有機(jī)負(fù)荷較低，出現(xiàn)的問題及解決方法如下：

①上升流速不足

啟動(dòng)階段UASB中的上升流速及沼氣產(chǎn)量在HRT為26、13d階段均較低，為了進(jìn)一步改善反應(yīng)器的運(yùn)行效果，在該階段UASB以間歇式運(yùn)行并增加內(nèi)回流來提升上升流速，同時(shí)強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)的混合效果。劉陽春等采用在UASB三相分離器下方設(shè)混合液回流口處理沖廁水，對COD的平均去除率達(dá)到75%。余亞琴等采用出水回流UASB處理太湖富藻水，有機(jī)負(fù)荷提高至3kg/（m3·d），COD去除率可以穩(wěn)定在75%左右。因此，UASB在啟動(dòng)階段可采用間歇式進(jìn)水并增加內(nèi)回流方式促進(jìn)厭氧污泥適應(yīng)熱水解濾液，同時(shí)提升其活性。

②氣泡及泡沫

啟動(dòng)初期，可觀察到反應(yīng)器中產(chǎn)生細(xì)微的少量氣泡黏附于外壁，同時(shí)三相分離器出水液面出現(xiàn)泡沫。這可能是由于沼氣產(chǎn)量低、上升流速不足且存在一定的邊壁效應(yīng)導(dǎo)致的。該現(xiàn)象將隨著有機(jī)負(fù)荷的增加而得到有效緩解，或采用內(nèi)回流方式增加液體上升流速來消除。

③氨氮濃度較高

由于污泥熱水解濾液經(jīng)充分厭氧消化后會(huì)產(chǎn)生大量氨氮，因此在處理過程中需注意出水氨氮及pH的變化。由于污泥在熱水解過程中會(huì)產(chǎn)生一定濃度的氨氮，因此可采用出水回流稀釋、蒸氨或氨吹脫的方式去除部分氨氮，降低UASB中的氨抑制風(fēng)險(xiǎn)。熱水解濾液經(jīng)UASB處理后氨氮濃度較高，而COD濃度相對較低。若采用傳統(tǒng)硝化-反硝化方式脫氮將存在碳源不足的問題，而采用厭氧氨氧化進(jìn)行脫氮無需碳源，因此可考慮采用厭氧氨氧化處理UASB出水。由于污泥在熱水解及厭氧消化過程中會(huì)生成大量磷酸鹽，也可考慮采用鳥糞石結(jié)晶法對UASB出水進(jìn)行脫氮除磷。

4、結(jié)論

①在UASB啟動(dòng)階段，COD去除率及甲烷產(chǎn)率隨著有機(jī)負(fù)荷的提升而增加，在HRT為7.8d時(shí)，COD去除率可達(dá)（65.92±2.44）%、甲烷產(chǎn)率可達(dá)157mL/gCOD投加。相比于COD去除率，UASB啟動(dòng)初期更應(yīng)關(guān)注甲烷產(chǎn)量的變化。UASB可有效去除熱水解濾液中有機(jī)物并轉(zhuǎn)化為甲烷，具有實(shí)現(xiàn)污泥高效穩(wěn)定化及資源化的潛力。

②高含固污泥熱水解濾液進(jìn)行UASB厭氧處理時(shí)，出水氨氮濃度及pH可分別升至（2532.37±129.93）mg/L、8.02±0.28，具有良好的緩沖能力。因此，在UASB處理熱水解濾液時(shí)，相比于有機(jī)負(fù)荷提升引起的酸積累，應(yīng)更注重氨抑制的風(fēng)險(xiǎn)。

③UASB啟動(dòng)初期，由于沼氣產(chǎn)量及進(jìn)水量較低，導(dǎo)致UASB中氣體及液體的上升流速較低，進(jìn)而引起處理效率下降及氣泡產(chǎn)生的問題，可采用間歇進(jìn)水運(yùn)行并增設(shè)內(nèi)回流的方式，增加UASB內(nèi)的上升流速。待有機(jī)負(fù)荷進(jìn)一步提升及產(chǎn)氣量增加后，可采用連續(xù)運(yùn)行的方式。