上流式厌氧污泥床反应器UASB反应器 Up flowAnaerobicSludgeBlanket GroupMember 广耀剑虹江波尹朗 1 ThecontentofUASB 一 UASB反应器的概述 构造以及工作原理二 厌氧颗粒污泥三 UASB的运行控制四 UASB的应用 2 HistoryofUASB 一 概述UASB 升流式厌氧污泥床 工艺是由Lettinga等人在20世纪70年代开发 他们在研究用升流式厌氧滤池处理马铃薯加工和甲醇废水时取消了池内的全部填料 并在池子的上部设置了气 液 固三相分离器 于是一种结构简单 处理效率很高的新型厌氧反应器便诞生了 UASB反应器一出现很快便获得广泛的关注与认可 并在世界范围内得到广泛应用 3 TheStructureofUASB 4 OperatingTheoryofUASB UASB反应器是集有机物去除以及泥 水 气三相分离于一体的集成化废水处理工艺 其工艺的突出特征是反应器中可以培养形成沉降性能良好的颗粒污泥 形成污泥浓度极高的污泥床 使其具有容积负荷率高 污泥截留效果好 反应器机构紧凑等一系列优良的运行特征 5 ProcessCharacteristics UASB反应器运行的3个重要的前提是 反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥 产气和进水的均匀分布所形成的良好的搅拌作用 设计合理的三相分离器 能使沉淀性能良好的污泥保留在反应器内 6 UASB 1进水分配系统2反应区 污泥床 污泥悬浮区 3三相分离器4出水系统5排泥系统 7 1 进水分配系统主要是将废水尽可能均匀地分配到整个反应器 并具有一定的水力搅拌功能 它是反应器高效运行的关键之一 UASB采用的进水方式大多为间歇式进水 脉冲式进水 连续均匀进水和连续进水与间歇进水相结合的方式 8 2 反应区 反应区是UASB的核心 是培养和富集厌氧微生物的区域 废水与厌氧污泥在这里充分混合 产生强烈的生化反应 废水有机会被分解 污泥床内具有很高的污泥生物量 一般为沉降性能好的颗粒污泥 MLSS一般为40 80g L 占反应区容积的30 左右 对有机物的降解量占反应器全部降解量的70 90 污泥悬浮层的污泥浓度通常为15 30g L 一般为非颗粒状污泥 9 3三相分离器三相分离器由沉淀区 集气室和气封组成 主要作用是将气体 固体 液体三相加以分离 气体被分离进入集气室 然后固液混合物在沉淀区进行固液分离 将处理水引入出水区 下沉的污泥借助重力由回流缝进入反应区 a和c构造简单 维护方便 但是泥水分离情况相对较差 在回流缝同时存在上升和下降两股流体 互相干扰 易导致污泥回流不畅 b构造相对复杂 但是污泥回流和水上升互不干扰 泥水分离效果好 气体分离效果也较好 10 4 出水系统出水均匀排出 对固液分离的影响较大 也是保证反应器均匀稳定运行的关键 UASB反应器的出水槽布置与三相分离器沉淀区设计有关 通常每个单元三相分离器设一个出水槽 常用的两种布置形式如图所示 11 5 排泥系统UASB反应器的设计必须有剩余污泥排放口 一般认为剩余污泥排放口设置在反应器中部为好 也有的反应器设在底部或在三相分离器下方大约0 5m的地方 排泥点设置数量根据实际情况而定 一般每10m2设一个排泥口 当采用穿孔管配水系统时 可同时把穿孔管兼作排泥管 专设排泥管管径一般不小于200mm 以防堵塞 为了运行方便 可在反应器1 2高度处或三相分离器下0 5m处再设一个排泥装置 沿反应器高度均匀地设5 6个污泥取样口 12 厌氧颗粒污泥 作用形成机理形成过程影响因素 13 UASB中污泥的特性 UASB的有机负荷率与污泥浓度有关 试验表明 污水通过底部0 4 0 6m的高度 已有90 的有机物被转化 由此可见厌氧污泥具有极高的活性 改变了长期以来认为厌氧处理过程进行缓慢的概念 工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于生成具有优良沉降性能和很高甲烷活性的污泥 尤其是颗粒状污泥 与此相反 如果反应区内的污泥以松散的絮凝状体存在 往往出现污泥上浮流失 使UASB不能在较高的负荷下稳定运行 14 污泥颗粒化机理 污泥颗粒化是一个较为复杂的过程 其形成机理没有完美的解释 由不同机理形成的颗粒污泥在外形 组成菌群 密实程度都不同 15 选择压理论 1983 颗粒化本质是对反应器中存在的污泥颗粒的连续选择过程废水经水解酸化后含有大量VFA Methanotrix对VFA的亲和力更高 作为优势菌具有聚集并附着在废水中其它颗粒物表面的能力 丝菌缠绕由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长核心生长而成 16 甲烷丝状菌在微絮体中的架桥作用 1987 甲烷丝菌特殊的形态和表面特性 其能在几个微絮体间架桥形成较大颗粒甲烷丝菌通过形成使整个结构稳定的网状结构对颗粒强度有重要作用 17 微絮体电中和 微生物表面带负电荷 与废水中金属离子 Ca2 Mg2 Fe2 间相互吸引发生电中和 通过电中和削弱了微生物间的排斥作用 更易形成颗粒 18 胞外聚合物假说 通过扫描电镜观察发现 颗粒污泥中某些细菌会分泌出胞外聚合物 而胞外聚合物为共生细菌间提供生成各种生物键的条件 微生物细胞连在一起形成微生物菌落的层状结构 在此基础上细菌进一步生长形成颗粒污泥 19 开普敦假说 1987 颗粒化取决于以H2为唯一能源 能产生除半胱氨酸外的其所有氨基酸的微生物MethanobacteriumAZ菌株 20 甲烷丝菌菌胶团为核心的多层颗粒 1990 21 结晶核心的形成 1997 颗粒污泥的形成类似结晶的过程 在晶核的基础上 颗粒不断发育最终形成颗粒污泥 颗粒化污泥的晶核来自废水中或泥中不溶性无机盐 在启动过程中加入Ca 加快晶核的形成 对已经形成的颗粒污泥镜检表明颗粒内核中存在较多的CaCO3晶体 22 质子转移 脱水理论 2000 理论认为污泥颗粒化过程由下述四步组成细菌表面的脱水胚胎颗粒污泥形成颗粒污泥成熟成熟后期水力剪切可减弱水合排斥力和细胞憎水性质 促进酸化菌 乙酸菌和甲烷菌能相互附着形成颗粒污泥的胚胎 23 污泥分类 24 以前人们认为污泥的颗粒化过程主要靠能形成胞囊的甲烷八叠球菌 但是甲烷八叠球菌的附着能力很差 产生的污泥颗粒小 它们在颗粒污泥中的出现是被丝状细菌网络其中的结果 颗粒结构的形成 有利于细菌之间代谢产物的交换 特别是有利于种间氢转移 颗粒污泥是以丝状甲烷菌为主体构成一个颗粒污泥的生长核 外周附着生长产氢产乙酸菌 产甲烷菌和水解产酸菌 研究表明 反应器中丝菌污泥颗粒的数量是甲烷八叠球菌污泥的4 6倍 前者有更强的附着能力 更易颗粒化 形成的颗粒更大 25 颗粒化过程 通常污泥颗粒化过程分为三个阶段 启动运行期 颖粒污泥出现和颗粒污泥成熟期 以丝菌颗粒污泥为例分为五个时期 絮凝污泥丝状菌增长期 颗粒污泥亚单位生成期 亚单位聚集期 初生颗粒生长期 颗粒污泥生长和成熟期 26 絮凝污泥丝状菌增长期 在反应器启动时 接种的通常是絮凝性污泥 呈分散状的污泥逐渐形成有结构的絮凝体 活性污泥中非生物物质的数量逐渐减少 各种细菌 尤其是丝状细菌 主要是丝状甲烷菌 数量明显增多 随着絮凝体的出现 污泥活性明显增强 使得反应器内的VFA浓度逐渐下降并趋于稳定 导Methanosarcina数量减少 27 颗粒污泥亚单位生成期 具有大量甲烷毛发菌的絮凝污泥 随着反应器有机负荷和水力负荷的增加 逐步结聚成小的团块 这些团块是形成颗粒污泥的亚单位 结聚成的团块 由于丝状菌的缠绕和其分泌的胞外附着物的粘连 其结构变得较为致密 大小一般为50 100 m形状不规则 28 亚单位聚集期 当反应器中有大量颗粒污泥亚单位生成后 亚单位表面的丝状菌互相粘连 开始时可能只有2 3个亚单位粘连在一起 逐渐发展到许多亚单位聚集在一起 刚刚聚集在一起的颗粒 亚单位之间呈半透明状态 在光学显微镜下其界限明显可见 颗粒的边缘不整齐 整体呈桑箕状 称做初生颗粒 29 初生颗粒生长期 由亚单位聚集形成的初生颗粒 一般结构较疏松 亚单位之间呈半透明状态 颗粒表面无统一的基质膜包围 边缘不整齐 随着初生颖粒内细菌的生长和黑色金属硫化物在亚单位之间的沉积 颗粒逐渐变得致密 亚单位之间不再透明 颗粒表面逐渐被细菌代谢所产生的基质包围 表面变得光滑而整齐 形成一个具有一定强度和弹性的栋样黑色颗粒 这一过程称谓初生颗粒的生长过程 初生颗粒具有多种形状 但多数近于球形 伸展于颗粒外的丝状菌逐渐减少 至此一个完整的颗粒污泥初步形成 30 颗粒污泥生长和成熟期 初生颗粒中各种细菌在颗粒中根据生态平衡原则不断生长繁殖 使颗粒不断长大成熟 在正常条件下 颗粒经过50 80d的生长 直径多保持在1 3mm之间 平均为2mm左右 成熟颗粒绝大多数为近球形 从外形上看 初生颗粒和成熟颗粒没有区别 但是成熟颗粒中细菌密度明显比初生颗粒高 因而使反应器具有更高的效率 31 影响污泥颗粒化的因素 32 水力条件 反应器中水流与污泥床的逆向流动所产生的对污泥床的搅拌作用 对絮凝性污泥有剪切作用 有利于丝状菌相互缠绕 为污泥颗粒化创造良好的外部条件 适当的上升流速对污泥有筛分作用 将比重较小的絮状污泥带到污泥悬浮层 把较重的颗粒污泥留在污泥床 33 水质条件 进水中必须包含微生物生长所需的各种成分 合适的C N P 和作为甲烷菌辅酶的重要组分及对污泥颗粒化有加速作用的镍 钴 鉬 锌 锰 铁等微量元素 适宜的有机负荷是污泥颗粒化的根本条件 研究表明 当有机负荷为0 3kg kg d 时 即可开始形成颗粒污泥 当有机负荷提到0 6kg kg d 时 颗粒化速度明显加快 为了使污泥颗粒具有良好的沉降性能 可以向进水中添加钙离子作为污泥颗粒的核心 34 碱度 碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面 一是对颗粒化进程的影响 二是对颗粒污泥产甲烷活性 SMA 的影响 在一定的碱度范围内 进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快 但颗粒污泥的SMA低 进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢 但颗粒污泥的SMA高 因此 在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高 但不能使反应器的pH 8 2 这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制 以加速污泥的颗粒化 使反应器快速启动 而在颗粒化过程基本结束时 进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的SMA 35 UASB反应器的运行控制 36 进水基质类型和营养比的控制 主要处理高浓度有机工业污水营养要均衡 C N P比例要适宜UASB启动时 进水COD浓度应该低些 补充微量金属离子可以增加活细胞的浓度以及它们的酶活性 加快颗粒污泥的形成 进水SS的控制 UASB反应器对进水SS比较敏感启动阶段不易高于2000mg L过高的SS导致污泥活性降低 易堵塞和降低反应器有效容积 37 有机负荷的控制 甲烷菌的数量和活性是UASB效率的主要限制因素 负荷过高 反应器内水解菌和产酸菌增多 反应器内pH降低 产甲烷菌受到抑制 在启动阶段 一次增加的负荷不宜过高 在低负荷阶段提负荷可以稍快 超过0 1kgCOD kgSS d后每次负荷提高量为20 30 在每一阶段要运行20天甚至更长时间 38 水力负荷 水力负荷过小 不能将反应器底部污泥充分搅起 水力负荷过大 可能导致污泥层的崩溃 UASB反应器一般控制0 1 0 3m3 m2 h VFA的控制 挥发酸的高低是颗粒污泥形成不同类型的重要因素 可以通过控制反应器内挥发酸浓度来选择污泥的优势菌种过量的挥发酸将直接影响甲烷菌的活性和产气量 39 温度的控制 实际应用中UASB反应器多为中温运行 水质不同 反应器内的优势菌会有差别 需要的最佳温度也不相同 尽量保证温度的稳定 温度波动范围最好控制在3 之内 碱度和PH的控制 碱度的作用是中和厌氧过程中产生的有机酸 维持适宜的PH 控制在2000 4000mg L产甲烷菌对PH比较敏感 当PH偏低时 真菌大量繁殖 严重影响处理效果Ph过高的话 生化代谢速率明显变慢 40 有毒有害物质的控制 SO42 的控制SO42 的还原产物H2S对产甲烷菌有抑制作用 应控制