UASB升流式厭氧污泥床-

1、UASB一、引言厭氧生物處理作為利用厭氧性微生物的代謝特性,在毋需提供外源能量的條件下,以被還原有機(jī)物作為受氫體,同時(shí)產(chǎn)生有能源價(jià)值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機(jī)廢水,進(jìn)水BOD最高濃度可達(dá)數(shù)萬(wàn)mg/l,也可適用于低濃度有機(jī)廢水,如城市污水等。厭氧生物處理過(guò)程能耗低;有機(jī)容積負(fù)荷高,一般為5-10kgCOD/m3.d,最高的可達(dá)30-50kgCOD/m3.d;剩余污泥量少;厭氧菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求低、耐毒性強(qiáng)、可降解的有機(jī)物分子量高;耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng);產(chǎn)出的沼氣是一種清潔能源。在全社會(huì)提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì),關(guān)注工業(yè)廢棄物實(shí)施資源化再生利用的今天,厭氧生物處理顯然是能夠使污水資源化的優(yōu)選工藝。近

2、年來(lái),污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速,各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn),包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物濾池、厭氧膨脹床和流化床,以及第三代厭氧工藝EGSB和IC厭氧反應(yīng)器,發(fā)展十分迅速。而升流式厭氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed,注:以下簡(jiǎn)稱(chēng)UASB工藝由于具有厭氧過(guò)濾及厭氧活性污泥法的雙重特點(diǎn),作為能夠?qū)⑽鬯械奈廴疚镛D(zhuǎn)化成再生清潔能源沼氣的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于不同含固量污水的適應(yīng)性也強(qiáng),且其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作維護(hù)管理相對(duì)簡(jiǎn)單,造價(jià)也相對(duì)較低,技術(shù)已經(jīng)成熟,正日益受到污水處理業(yè)界的重視,得到廣泛的歡迎和應(yīng)用。本文試圖就UASB的運(yùn)行機(jī)理和

3、工藝特征以及UASB的設(shè)計(jì)啟動(dòng)等方面作一簡(jiǎn)要闡述。二、UASB的由來(lái)1971年荷蘭瓦格寧根(Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)拉丁格(Lettinga教授通過(guò)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用重力場(chǎng)對(duì)不同密度物質(zhì)作用的差異,發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時(shí)間與廢水停留時(shí)間分離,形成了上流式厭氧污泥床(UASB反應(yīng)器的雛型。1974年荷蘭CSM公司在其6m3反應(yīng)器處理甜菜制糖廢水時(shí),發(fā)現(xiàn)了活性污泥自身固定化機(jī)制形成的生物聚體結(jié)構(gòu),即顆粒污泥(granular sludge。顆粒污泥的出現(xiàn),不僅促進(jìn)了以UASB為代表的第二代厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用和發(fā)展,而且還為第三代厭氧反應(yīng)器的誕生奠定了基礎(chǔ)。三、UASB工作原理UASB

4、由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器(包括沉淀區(qū)和氣室三部分組成。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥,具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進(jìn)行混合接觸,污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物,把它轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出,微小氣泡在上升過(guò)程中,不斷合并,逐漸形成較大的氣泡,在污泥床上部由于沼氣的攪動(dòng)形成一個(gè)污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進(jìn)入三相分離器,沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí),折向反射板的四周,然后穿過(guò)水層進(jìn)入氣室,集中在氣室沼氣,用導(dǎo)管導(dǎo)出,固液混合液經(jīng)過(guò)反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū),污水中的污泥發(fā)生絮凝,顆粒逐漸增大,并在重力

5、作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi),使反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累大量的污泥,與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出,然后排出污泥床?；境鲆笥?(1為污泥絮凝提供有利的物理、化學(xué)和力學(xué)條件,使厭氧污泥獲得并保持良好的沉淀性能;(2良好的污泥床?？尚纬梢环N相當(dāng)穩(wěn)定的生物相,保持特定的微生態(tài)環(huán)境,能抵抗較強(qiáng)的擾動(dòng)力,較大的絮體具有良好的沉淀性能,從而提高設(shè)備內(nèi)的污泥濃度;(3通過(guò)在污泥床設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個(gè)沉淀區(qū),使污泥細(xì)顆粒在沉淀區(qū)的污泥層內(nèi)進(jìn)一步絮凝和沉淀,然后回流入污泥床內(nèi)。四、UASB內(nèi)的流態(tài)和污泥分布UASB內(nèi)的流態(tài)相當(dāng)復(fù)雜,反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流態(tài)與產(chǎn)氣量和反應(yīng)區(qū)高度相關(guān),一般來(lái)說(shuō),反應(yīng)

6、區(qū)下部污泥層內(nèi),由于產(chǎn)氣的結(jié)果,部分?jǐn)嗝嫱ㄟ^(guò)的氣量較多,形成一股上升的氣流,帶動(dòng)部分混合液(指污泥與水作向上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),這股氣、水流周?chē)慕橘|(zhì)則向下運(yùn)動(dòng),造成逆向混合,這種流態(tài)造成水的短流。在遠(yuǎn)離這股上升氣、水流的地方容易形成死角。在這些死角處也具有一定的產(chǎn)氣量,形成污泥和水的緩慢而微弱的混合,所以說(shuō)在污泥層內(nèi)形成不同程度的混合區(qū),這些混合區(qū)的大小與短流程度有關(guān)。懸浮層內(nèi)混合液,由于氣體幣的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液體以較高速度上升和下降,形成較強(qiáng)的混合。在產(chǎn)氣量較少的情況下,有時(shí)污泥層與懸浮層有明顯的界線,而在產(chǎn)氣量較多的情況下,這個(gè)界面不明顯。有關(guān)試驗(yàn)表明,在沉淀區(qū)內(nèi)水流呈推流式,但沉淀區(qū)仍然還有死區(qū)

7、和混合區(qū)。UASB內(nèi)污泥濃度與設(shè)備的有機(jī)負(fù)荷率有關(guān)。是處理制糖廢水試驗(yàn)時(shí),UASB 內(nèi)污泥分布與負(fù)荷的關(guān)系。從圖中可看出污泥層污泥濃度比懸浮層污泥濃度高,懸浮層的上下部分污泥濃度差較小,說(shuō)明接近完全混合型流態(tài),反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥的頒,當(dāng)有機(jī)負(fù)荷很高時(shí)污泥層和懸浮層分界不明顯。試驗(yàn)表明,污水通過(guò)底部0.4 -0.6m的高度,已有90%的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化。由此可見(jiàn)厭氧污泥具有極高的活性,改變了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為厭氧處理過(guò)程進(jìn)行緩慢的概念。在厭氧污泥中,積累有大量高活性的厭氧污泥是這種設(shè)備具有巨大處理能力的主要原因,而這又歸于污泥具有良好的沉淀性能。UASB具有高的容積有機(jī)負(fù)荷率,其主要原因是設(shè)備內(nèi),特別是污泥層內(nèi)

8、保有大量的厭氧污泥。工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于生成具有優(yōu)良沉降性能和很高甲烷活性的污泥,尤其是顆粒狀污泥。與此相反,如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)的污泥以松散的絮凝狀體存在,往往出現(xiàn)污泥上浮流失,使UASB不能在較高的負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)UASB內(nèi)污泥形成的形態(tài)和達(dá)到的COD容積負(fù)荷,可以將污泥顆?；^(guò)程大致分為三個(gè)運(yùn)行期:(1接種啟動(dòng)期:從接種污泥開(kāi)始到污泥床內(nèi)的COD容積負(fù)荷達(dá)到5kgCOD/m3.d左右,此運(yùn)行期污泥沉降性能一般;(2顆粒污泥形成期:這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是有小顆粒污泥開(kāi)始出現(xiàn),當(dāng)污泥床內(nèi)的總SS量和總VSS量降至最低時(shí)本運(yùn)行期即告結(jié)束,這一運(yùn)行期污泥沉降性能不太好;(3顆粒污泥成熟期

9、:這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是顆粒污泥大量形成,由下至上逐步充滿整個(gè)UASB。當(dāng)污泥床容積負(fù)荷達(dá)到16kgCOD/m3.d以上時(shí),可以認(rèn)為顆粒污泥已培養(yǎng)成熟。該運(yùn)行期污泥沉降性很好。五、外設(shè)沉淀池防止污泥流失在UASB內(nèi)雖有氣液固三相分離器,混合液進(jìn)入沉淀區(qū)前已把氣體分離,但由于沉淀區(qū)內(nèi)的污泥仍具有較高的產(chǎn)甲烷活性,繼續(xù)在沉淀區(qū)內(nèi)產(chǎn)氣;或者由于沖擊負(fù)荷及水質(zhì)突然變化,可能使反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥膨脹,結(jié)果沉淀區(qū)固液分離不佳,發(fā)生污泥流失而影響了水質(zhì)和污泥床中污泥濃度。為了減少出水所帶的懸浮物進(jìn)入水體,外部另設(shè)一沉淀池,沉淀下來(lái)的污泥回流到污泥床內(nèi)。設(shè)置外部沉淀池的好處是:(1污泥回流可加速污泥的積累,縮短啟動(dòng)周期

10、;(2去除懸浮物,改善出水水質(zhì);(3當(dāng)偶爾發(fā)生大量漂泥時(shí),提高了可見(jiàn)性,能夠及時(shí)回收污泥保持工藝的穩(wěn)定性;(4回流污泥可作進(jìn)一步分解,可減少剩余污泥量。六、UASB的設(shè)計(jì)UASB的工藝設(shè)計(jì)主要是計(jì)算UASB的容積、產(chǎn)氣量、剩余污泥量、營(yíng)養(yǎng)需求的平衡量。UASB的池形狀有圓形、方形、矩形。污泥床高度一般為3-8m,多用鋼筋混凝土建造。當(dāng)污水有機(jī)物濃度比較高時(shí),需要的沉淀區(qū)與反應(yīng)區(qū)的容積比值小,反應(yīng)區(qū)的面積可采用與沉淀區(qū)相同的面積和池形。當(dāng)污水有機(jī)物濃度低時(shí),需要的沉淀面積大,為了保證反應(yīng)區(qū)的一定高度,反應(yīng)區(qū)的面積不能太大時(shí),則可采用反應(yīng)區(qū)的面積小于沉淀區(qū),即污泥床上部面積大于下部的池形。氣液固三

11、相分離器是UASB的重要組成部分,它對(duì)污泥床的正常運(yùn)行和獲良好的出水水質(zhì)起十分重要的作用,因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予特別的重視。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),三相分離器應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求:1、混和液進(jìn)入沉淀區(qū)之關(guān),必須將其中的氣泡予以脫出,防止氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)影響沉淀;2、沉淀器斜壁角度約可大于45度角;3、沉淀區(qū)的表面水力負(fù)荷應(yīng)在0.7m3/m2.h以下,進(jìn)入沉淀區(qū)前,通過(guò)沉淀槽低縫的流速不大于2m/m2.h;4、處于集氣器的液一氣界面上的污泥要很好地使之浸沒(méi)于水中;5、應(yīng)防止集氣器內(nèi)產(chǎn)生大量泡沫。第2、3兩個(gè)條件可以通過(guò)適當(dāng)選擇沉淀器的深度-面積比來(lái)加以滿足。對(duì)于低濃度污水,主要用限制表面水力負(fù)荷來(lái)控制;對(duì)于中等濃度和高

12、濃度污水,在極高負(fù)荷下,單位橫截面上釋放的氣體體積可能成為一個(gè)臨界指標(biāo)。但是直到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外所取得的成果表明,只要負(fù)荷率不超過(guò)20kgCOD/m3.d,UASB高度尚未見(jiàn)到有大于10m的報(bào)道,第三代厭氧反應(yīng)器除外。污泥與液體的分離基于污泥絮凝、沉淀和過(guò)濾作用。所以在運(yùn)行操作過(guò)程中,應(yīng)該盡可能創(chuàng)造污泥能夠形成絮凝沉降的水力條件,使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能,不僅對(duì)于分離器的工作是具有重要意義,對(duì)于整個(gè)有機(jī)物去除率更加至關(guān)重要。特別要注意避免氣泡進(jìn)入沉淀區(qū),要使固液進(jìn)入沉淀區(qū)之前就與氣泡很好分離。在氣液表面上形成浮渣能迫使一些氣泡進(jìn)入沉淀區(qū),所以在設(shè)計(jì)中必須事先就考慮到:(1采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施,盡

13、可能避免浮渣的形成條件,防范浮渣層的形成;(2必須要有沖散浮渣的設(shè)施或裝置,在污泥反應(yīng)區(qū)一旦出現(xiàn)浮渣的情況下,能夠及時(shí)破壞浮渣層的形成,或能夠及時(shí)排除浮渣。如上所述,UASB中污水與污泥的混合是靠上升的水流和發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡來(lái)完成的。因此,一般采用多點(diǎn)進(jìn)水,使進(jìn)水均勻地分布在床斷面上,其中的關(guān)鍵是要均勻勻速、勻量。UASB容積的計(jì)算一般按有機(jī)物容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)試驗(yàn)決定參數(shù)或參考同類(lèi)廢水的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。七、UASB的啟動(dòng)1、污泥的馴化UASB設(shè)備啟動(dòng)的難點(diǎn)是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。最好的辦法加以馴化,一般需要3-6個(gè)月,如果靠設(shè)備自身積累,投產(chǎn)期最長(zhǎng)可長(zhǎng)

14、達(dá)1-2年。實(shí)踐表明,投加少量的載體,有利于厭氧菌的附著,促進(jìn)初期顆粒污泥的形成;比重大的絮狀污泥比輕的易于顆?；?比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動(dòng)期。2、啟動(dòng)操作要點(diǎn)(1最好一次投加足夠量的接種污泥;(2啟動(dòng)初期從污泥床流出的污泥可以不予回流,以使特別輕的和細(xì)碎污泥跟懸浮物連續(xù)地從污泥床排出體外,使較重的活性污泥在床內(nèi)積累,并促進(jìn)其增殖逐步達(dá)到顆?；?(3啟動(dòng)開(kāi)始廢水COD濃度較低時(shí),未必就能讓污泥顆?；俣燃涌?(4最初污泥負(fù)荷率一般在0.1-0.2kgCOD/kgTSS.d左右比較合適;(5污水中原來(lái)存在的和厭氧分解出來(lái)的多種揮發(fā)酸未能有效分解之前,不應(yīng)隨意提高有機(jī)容積負(fù)荷,這需要跟蹤觀

15、察和水樣化驗(yàn);(6可降解的COD去除率達(dá)到7080%左右時(shí),可以逐步增加有機(jī)容積負(fù)荷率;(7為促進(jìn)污泥顆粒化,反應(yīng)區(qū)內(nèi)的最小空塔速度不可低于1m/d,采用較高的表面水力負(fù)荷有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開(kāi),使小顆粒污泥凝并為大顆粒。八、UASB工藝的優(yōu)缺點(diǎn)UASB的主要優(yōu)點(diǎn)是:1、UASB內(nèi)污泥濃度高,平均污泥濃度為20-40gVSS/1;2、有機(jī)負(fù)荷高,水力停留時(shí)間短,采用中溫發(fā)酵時(shí),容積負(fù)荷一般為10kgCOD/m3.d左右;3、無(wú)混合攪拌設(shè)備,靠發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動(dòng),使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài),對(duì)下部的污泥層也有一定程度的攪動(dòng);4、污泥床不填載體,節(jié)省造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵賽問(wèn)題;5、UASB內(nèi)設(shè)三相分離器,通