【上流式厌氧污泥床（UASB）处理冬瓜食品加工废水的动力学研究】升流式厌氧污泥床
摘 要：采用常温上流式厌氧污泥床（UASB）反应器降解冬瓜食品加工废水，基于Monod方程和反应器理论，经过一定的假设和分析，对其动力学特性进行分析和研究，建立了UASB反应器处理冬瓜食品加工废水的基质降解与产甲烷的动力学模型，并计算出了其中的动力学参数，得出可信度较高的动力学方程。
关键词：厌氧；UASB反应器；冬瓜食品加工废水；动力学模型
厌氧消化过程是一个复杂的生物化学和微生物学过程，厌氧生物处理动力学就是研究如何把这些复杂的过程用相对较为简单、直观的数学表达式来描述。通过动力学研究可以预测反应器的效能，进行反应器的过程设计以及掌握并优化反应器的操作条件[1]。
冬瓜食品加工厂是以冬瓜食品为主的深加工企业，冬瓜加工废水可生化性较好，采用生化法处理具有良好的效果，厌氧处理不仅可以去除有机污染物，同时还能回收沼气[2]。本试验针对常温下UASB反应器处理冬瓜食品加工废水的动力学特性进行分析和研究，以获得有利于解决UASB反应器的设计型和操作型问题的参数。
1 试验材料与方法
1.1废水水质
冬瓜加工生产废水主要包括清洗废水和冬瓜切条粉碎蒸煮脱水及设备地面清洗水。废水中富含碳水化合物、膳食纤维、蛋白质、脂肪及各种维生素和氨基酸，冬瓜切条蒸煮脱水所产生的废水有机物浓度很高,其水质指标见表1。
根据当地环保部门要求，处理后的废水水质达到国家《污水综合排放标准》（GB8978-1996）一级排放标准，其出水水质指标见表2。
1.2 试验装置
试验的主要装置为UASB反应器,采用有机玻璃制成，内径为9cm，外径为13cm，反应区高度为50cm。反应器顶部设有三相分离器，其内径为13cm，高度为25cm。反应器总高度为75cm，总容积为4.77L，有效容积为3.18L。沿反应器高度设置了5个等间距（间距为10cm）的污泥取样口。
1.3 试验流程
试验所用UASB反应器接种的污泥为该反应器用于处理含酚废水形成的厌氧颗粒污泥。
新鲜冬瓜经压榨、粗滤、沉淀、过滤后配成模拟冬瓜食品加工废水，进水前投加NaHCO3调节pH到适当的范围内。将预调配好的废水置于进水桶内, 由计量水泵提升进入UASB厌氧反应器,恒温水浴箱维持水温在25～30℃之间变化，控制反应器在常温条件下运行。出水通过反应器顶部的出水口流出,厌氧产生的沼气进入气体测量装置。通过调节反应器的停留时间和有机负荷，经过4个多月的连续运行，UASB反应器的运行进入稳定阶段，定期测其出水的COD值和反应器的产气量。
注：1—进水容器；2—蠕动泵；3—恒温水浴箱；4—循环泵；5—恒温水浴夹套；6—UASB反应器；7—三相分离器； 8—污泥取样孔；9—气体采样孔；10—气体测量装置
2 UASB反应器的动力学研究
2.1 模型的建立
厌氧生物处理动力学的内容包括基质降解、微生物增长及产甲烷三部分，通过动力学研究可以预测反应器的效能，进行反应器的过程设计以及掌握并优化反应器的操作条件。
UASB反应器的实际运行状态是非常复杂的，为了考察主要因素对基质降解与产甲烷率的影响，以便于动力学模型的建立，在对UASB反应器进行动力学分析之前，首先作以下假设[3]：①反应器运行稳定；②进水污染物均为可溶性有机物且不含微生物；③颗粒污泥中微生物的生长始终处于对数生长期，颗粒污泥密度不变；④反应器产生的气体全部以甲烷计。⑤由于UASB反应器降解冬瓜食品加工废水是在严格厌氧的状态下进行，所以有机质的去除量可以用其被完全氧化的需氧量COD来计算。
甲烷消耗的氧当量可按下式计算：
■(1)
从式(1)中可以看出，氧化1mol(16g)的甲烷需消耗2mol(64g)的氧，这相当于氧化1mol(16g)的甲烷需消耗2mol(64g)的COD。在标准状态（0℃，101.325kpa）下，甲烷作为理想气体，1mol甲烷的体积为22.4L，因此1gCOD在标准状态下可生成0.35L甲烷。令G0为甲烷的产率系数，则G0的理论值为0.35L/COD。在非标准状态下的产气率系数G0’可按Boyle-Charles定律计算：
■(2)
式中，T为UASB反应器中的热力学绝对温度(K)；P为UASB反应器中的气压(Pa)。
对于一个稳定运行的厌氧反应器来说，废水中的有机物浓度用COD表示，则厌氧系统内的COD物料平衡关系如下：
CODin－CODout=CODCH4+COD (3)
即：■(4)
式中：Q为进、出水流量(m3/d)；Si、Se分别为进、出水底物质量浓度（用COD表示，g/m3）；GI为废水所产生的甲烷(L/d)；Y为产率因数，它代表每克营养物所产生的微生物质量；f为氧化单位微生物的氧当量，即1g微生物所代表的COD值。
根据Speece和McCarty提出的理论，用分子式C5H9NO3表示微生物细胞，则微生物的氧化分解可用如下的化学计量关系表示：
■(5)
按上式计算，每克微生物细胞完全氧化的氧当量为1.22g，即f=1.22。厌氧反应器中的总甲烷产量为废水和污泥（微生物）自身消化共同产生，即：
■(6)
式中，G为厌氧反应器所产甲烷总量(L/d)；GR为污泥自身消化（内源呼吸）所产生的甲烷量(L/d)。而：
■ (7)
式中，b为污泥自身消化系数(1/d)；Xa为反应器中厌氧颗粒污泥浓度(kg/m3)，可用反应器中污泥浓度表示；V为UASB反应器中污泥的容积(m3)，取反应区的体积。
将式(7)代入式(6)再代入式(4)得：
■(8)
由于f=1.22，式(8)可改写为：
G=G0’[Q(Si－Se)(1－1.22f)+1.22bXaV] (9)