隨著我國污水產量的逐漸上升，城市污水處理廠污泥產量也持續增加。厭氧消化不僅可緩解能源緊缺，同時可降低環境污染，已廣泛應用于城市污水廠污泥的處理，但存在生物轉化效率低等問題。我國目前污泥產量及其處理能力存在極大差距，熱水解技術的發展和應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升級改造的可選工藝之一。
熱水解可有效釋放胞內水分，并用于改善污泥脫水性能，在后續研究中，污泥熱水解可改善高含固污泥流態并提升厭氧消化效率。近期研究表明，熱水解實現了污泥中有機物的相分離，即熱水解后污泥中大部分可被甲烷化的有機物轉移至液相，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行厭氧處理，會大幅降低污泥厭氧處理建設及運行費用。
高含固污泥熱水解濾液具有高有機物、高氮特點。熱水解濾液厭氧消化的pH及氨氮濃度會維持在較高水平，存在一定的氨抑制風險。同時，啟動過程中由于熱水解濾液有機物濃度較高、啟動有機負荷較低，UASB內氣體及液體上升流速不足。而目前國內外對熱水解濾液采用UASB進行處理的啟動特性探究較少。因此，筆者采用UASB處理熱水解濾液，在分析進出水水質變化的基礎上，探討高含固污泥熱水解濾液的厭氧處理特性及啟動過程中存在的問題，為實現高效、低成本污泥處理提供一定的理論依據。
1、材料與方法
1.1 高含固污泥熱水解濾液來源及其水質指標
試驗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%，經過165℃、30min熱水解后（高壓反應釜）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。對熱水解濾液水質情況進行測定，其結果如下：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 試驗裝置
UASB系統由反應器、進出水泵、氣體流量計、恒溫水浴循環箱等組成，如圖1所示。其中反應器由有機玻璃制成，高度為110cm，內徑為7.5cm，有效容積為3.5L，內部設置三相分離器，恒溫水浴循環系統將反應器溫度控制在（35±1）℃。沼氣采用濕式氣體流量計計量，進水采用蠕動泵控制。
1.3 系統啟動方式及運行參數
UASB接種污泥取自西安市某啤酒廠UASB反應器，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，充入反應器容積的1/2，隨后注入濾液，直至12d后無氣體產生，開始啟動UASB。
在維持熱水解濾液COD濃度穩定的基礎上，逐漸降低水力停留時間（HRT），以提高系統負荷的方式啟動UASB。根據運行方式的不同，啟動階段分為第1階段和第2階段，見表1。第1階段：間歇式運行+回流階段，在HRT為26d和13d時，由于進水量較少，針對該階段上升流速及氣體產量較低的問題，采用間歇式進水及回流以改善UASB內的上升流速。第2階段：連續運行階段，在HRT為7.8d時，由于上升流速及氣體產量較高，因此可采用連續進水方式運行。
1.4 測定項目及方法
pH采用pH計測定；COD采用標準重鉻酸鉀法測定；NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定；TS、SS、VSS采用標準重量法測定；沼氣中氣體組分采用氣相色譜儀測定，使用TCD熱導檢測器，TDX-01填充柱，測定條件為進樣口溫度100℃、柱箱溫度150℃、檢測器溫度160℃。
2、結果與討論
2.1 啟動階段COD的變化
為了探討UASB在啟動過程對熱水解濾液中有機物去除率的變化，測定進出水COD濃度并計算去除率，結果如圖2所示。
由圖2可以看出，進水COD濃度為（36.45±2.44）g/L，當HRT為26、13、7.8d時，COD去除率分別為（52.53±6.17）%、（59.93±3.00）%及（65.92±2.44）%。在反應器啟動時，由于UASB中厭氧污泥未適應熱水解濾液，維持HRT為26和13d直至COD去除率增至60%以上。當HRT為7.8d時，UASB的有機負荷上升及進水量增加。李俊生等采用中溫UASB處理精對苯二甲酸（PTA）廢水，啟動初期也通過內回流增加進水和底部污泥的充分接觸，去除系統中的細小和老舊污泥。本系統運行方式由間歇進水+內回流調整為連續進水，此時COD去除率仍維持在60%以上，且在穩定一段時間后COD去除率可達到65%以上。因此，隨著有機負荷的提升，COD去除率進一步增加，說明在UASB啟動階段厭氧污泥馴化良好。
啟動階段，UASB有機負荷在HRT為26、13、7.8d時分別為（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），其有機負荷由第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），當進水負荷增至2.66kg/（m3·d）時，COD去除率逐漸增加并穩定在34%左右。對比先前的研究結果，本試驗UASB在有機負荷為（4.56±0.10）kg/（m3·d）階段運行穩定后（90d后），COD去除率可達（67.22±0.75）%，認為UASB處理熱水解濾液啟動成功。
2.2 啟動階段反應器產氣量的變化
在厭氧處理過程中，產氣量可直觀反映有機物分解效率的變化。為了探討UASB啟動過程中產氣情況，記錄日沼氣產量，測定氣體組分，結果見圖3。
由圖3可知，UASB產氣量隨著有機負荷的增加而增加，當HRT為26、13、7.8d時，產氣量分別為0.41、1.42、3.81L/d。在負荷增加初期，產氣量會出現波動，這是由于負荷提升對UASB厭氧系統產生沖擊。經短暫時間的適應和調整，反應器的產氣性能快速恢復，說明反應器內產甲烷菌群具有較好的活性。甲烷含量比產氣量更敏感，可以反映反應器的即時狀態。測定沼氣中甲烷含量發現，啟動初期氣體組分中甲烷含量較高，在76.86%~81.69%之間，當平均有機負荷升至4.56kg/（m3·d）時，產氣中甲烷含量下降至64.26%~66.81%。
為了進一步分析UASB處理熱水解濾液的產甲烷性能，計算理論甲烷產率并對比實際甲烷產率，結果如圖4所示。可知，當HRT為26、13、7.8d時，產甲烷量分別為（0.31±0.21）、（1.12±0.33）、（2.49±0.13）L/d，經計算甲烷產率為64、112、157mL/gCOD投加，啟動過程中微生物對熱水解濾液中有機物甲烷化的性能逐漸提高。
2.3 啟動階段氨氮的變化
出水氨氮濃度不僅可表征污泥中有機物的分解情況，也是UASB中緩沖體系的重要組成部分。為了探討啟動階段污泥中氨氮的生成特性，對啟動階段進出水氨氮濃度變化進行測定，結果如圖5所示。可以看出，啟動階段熱水解濾液氨氮濃度為（701.40±185.77）mg/L，啟動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分解效率的增加，出水氨氮濃度進一步升高，當HRT為26、13、7.8d時分別為（2259.06±134.40）、（2449.73±167.40）、（2532.37±129.93）mg/L，低于研究報道的高含固污泥中溫厭氧消化氨氮抑制濃度（3000~4000mg/L）。進一步計算出水游離氨濃度，當HRT為26、13、7.8d時分別為167.49、206.61、339.02mg/L，低于研究所報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）。由于污泥中有機物的主要組分為蛋白質，在有機物被大量轉化為甲烷及二氧化碳的同時，氨基酸水解產生的氨氮會進一步提升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，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險。
2.4 啟動階段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啟動階段pH的變化如圖6所示。
由圖6可知，進水pH為5.61±0.06，當HRT為26、13、7.8d時，出水pH分別為7.74±0.16、7.80±0.17、8.02±0.28，pH隨著啟動階段負荷的增加而增加。pH的增加說明UASB系統中有機酸含量下降和氨氮濃度上升，這是由于濾液中含有的有機酸在產甲烷階段轉化為甲烷和二氧化碳，且含氮有機物的水解會增加厭氧處理系統的堿度。UASB的pH均處于較高的水平，較常規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，出水中酸度隨著負荷的增加而降低。
3、討論
3.1 UASB處理熱水解濾液的啟動特性
熱水解濾液作為高含固污泥熱水解脫水產物，具有高有機物、高氮、高磷含量以及水質呈酸性等特點。UASB處理熱水解濾液的初期啟動階段（HRT為26d）出現厭氧微生物對熱水解濾液未完全適應導致處理效率下降、沼氣產量及上升流速不足、氨氮及pH升高等現象。
啟動初期UASB的甲烷產率較低，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）進行生物化學甲烷勢測定，其COD為42.6g/L、甲烷產量為305.0mL、甲烷產率為238.7mL/gCOD投加。李彬彬等研究厭氧污泥對有機物的去除作用時發現，初期的去除主要依靠吸附作用，達到吸附極限時對COD的去除依靠水解酸化及厭氧生物降解。說明該UASB反應器在低負荷運行初期，厭氧污泥對有機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初期，應保持較低的COD有機負荷，直至甲烷產率增至較高水平再進一步提升負荷。
由于啟動階段甲烷菌活性較低，熱水解濾液pH較低（5.61±0.06），且易于產酸，因此在啟動階段存在酸化的可能性。在常規含固率污泥厭氧消化啟動過程中易出現酸化，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啟動過程中，有機負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致游離氨濃度上升。相對于有機負荷提升導致的酸積累，更需注意啟動過程中的氨抑制。
3.2 存在的問題及解決方法
熱水解濾液有機物含量較高，因此UASB在處理熱水解濾液的啟動階段有機負荷較低，出現的問題及解決方法如下：
①上升流速不足
啟動階段UASB中的上升流速及沼氣產量在HRT為26、13d階段均較低，為了進一步改善反應器的運行效果，在該階段UASB以間歇式運行并增加內回流來提升上升流速，同時強化反應器內的混合效果。劉陽春等采用在UASB三相分離器下方設混合液回流口處理沖廁水，對COD的平均去除率達到75%。余亞琴等采用出水回流UASB處理太湖富藻水，有機負荷提高至3kg/（m3·d），COD去除率可以穩定在75%左右。因此，UASB在啟動階段可采用間歇式進水并增加內回流方式促進厭氧污泥適應熱水解濾液，同時提升其活性。
②氣泡及泡沫
啟動初期，可觀察到反應器中產生細微的少量氣泡黏附于外壁，同時三相分離器出水液面出現泡沫。這可能是由于沼氣產量低、上升流速不足且存在一定的邊壁效應導致的。該現象將隨著有機負荷的增加而得到有效緩解，或采用內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充分厭氧消化后會產生大量氨氮，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產生一定濃度的氨氮，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中的氨抑制風險。熱水解濾液經UASB處理后氨氮濃度較高，而COD濃度相對較低。若采用傳統硝化-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生成大量磷酸鹽，也可考慮采用鳥糞石結晶法對UASB出水進行脫氮除磷。
4、結論
①在UASB啟動階段，COD去除率及甲烷產率隨著有機負荷的提升而增加，在HRT為7.8d時，COD去除率可達（65.92±2.44）%、甲烷產率可達157mL/gCOD投加。相比于COD去除率，UASB啟動初期更應關注甲烷產量的變化。UASB可有效去除熱水解濾液中有機物并轉化為甲烷，具有實現污泥高效穩定化及資源化的潛力。
②高含固污泥熱水解濾液進行UASB厭氧處理時，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，相比于有機負荷提升引起的酸積累，應更注重氨抑制的風險。
③UASB啟動初期，由于沼氣產量及進水量較低，導致UASB中氣體及液體的上升流速較低，進而引起處理效率下降及氣泡產生的問題，可采用間歇進水運行并增設內回流的方式，增加UASB內的上升流速。待有機負荷進一步提升及產氣量增加后，可采用連續運行的方式。（來源：西安建筑科技大學環境與市政工程學院，中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，西安益維普泰環保股份有限公司）
