一文带你了解处理污水的新方法——UASB

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升流式厌氧污泥床反应器是一种处理污水的厌氧生物方法,又叫升流式厌氧污泥床,英文缩写UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket)。由荷兰Lettinga教授于1977年发明。污水自下而上通过UASB。反应器底部有一个高浓度、高活性的污泥床,污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。

1、UASB工艺的主要特点


1)利用微生物细胞固定化技术-污泥颗粒化


UASB反应器利用微生物细胞固定化技术—污泥颗粒化,实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离,从而延长了污泥泥龄,保持了高浓度的污泥。颗粒厌氧污泥具有良好的沉降性能和高比产甲烷活性,且相对密度比人工载体小,靠产生的气体来实现污泥与基质的充分接触,节省了搅拌和回流污泥的设备和能耗,也无需附设沉淀分离装置;同时反应器内不需投加填料和载体,提高了容积利用率,避免了堵塞问题,具有能耗低、成本低的特点。


2)由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用


在UASB反应器中,由产气和进水形成的上升液流和上窜气泡对反应区内的污泥颗粒产生重要的分级作用。这种作用不仅影响污泥颗粒化进程,同时还对形成的颗粒污泥的质量有很大的影响,同时这种搅拌作用实现了污泥与基质的充分接触。


3)设计合理的三相分离器的应用


三相分离器是UASB反应器中重要的设备,它可收集从反应区产生的沼气,同时使分离器上的悬浮物沉淀下来,使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内。三相分离器的应用避免了辅设沉淀分离装置、脱气装置和回流污泥设备,简化了工艺,节约了投资和运行费用。

4)容积负荷率高


对中高浓度有机废水容积负荷可达20kgCOD/(m3•d),COD去除率均可稳定在80%左右。


5)污泥产量低


与传统好氧工艺相比,污泥产量低,污泥产率一般为0.05kgVSS/kgCOD~0.10kgVSS/kgCOD,仅为活性污泥产泥量的1/5左右。反应器产生的剩余污泥又是新厌氧系统运行所必需的菌种。


6)能够回收生物能——沼气


沼气是一种发热量很高的可燃气体,特大型UASB系统产生的沼气可进行发电利用,并替代或补偿废水污染治理设施的电力消耗;中、小型UASB系统可结合生产实际情况进行沼气利用,如用于炊事、采暖或作为厌氧换热的热源。


2、UASB反应器组成


UASB反应器主要由布水系统、三相分离器、出水收集系统、排泥系统组成。


1、布水系统


布水系统的合理设计对UASB反应器的良好运转是至关重要的,进水系统兼有配水和水力搅拌的功能,为了保证这两个功能的实现,设计时需要满足如下原则:a、确保各单位面积的进水量基本相同,以防止短路或表面负荷不均匀等现象发生;b、尽可能满足水力搅拌需要,保证进水有机物与污泥迅速混合;c、易观察到进水管的堵塞;d、当堵塞被发现后,易被清除。


目前布水系统的形式一般可以采用一管多孔式布水,一管一孔式布水或枝状布水方式。

1)对于压力流采用穿孔管布水(一管多孔或分枝状)


a.进水采用重力流(管道及渠道)或压力流,后者需设逆止装置;


b.当水力筛缝隙为3mm~5mm时,出水孔大于15mm,一般在15mm~25mm之间;


c.需考虑设液体反冲洗或清堵装置,可以采用停水分池分段反冲,用液体反冲时,压力为1.0kg/cm2~2.0kg/cm2,流量为正常进水量的3~5倍;


2)采用重力流布水方式(一管一孔)


如果进水水位差仅仅比反应器的水位稍高(水位差小于10cm)会经常发生堵塞现象。因为进水水头不足以消除阻塞。当水箱中的水位(三角堰的底部)与反应器中的水位差大于30cm时很少发生堵塞现象。


a.采用布水器布水时,从布水器到布水口应尽可能少地采用弯头等非直管;


b.废水通过布水器进入池内时会吸入空气,直径大于2.0mm气泡会以0.2m/s~0.3m/s速度上升,在管道垂直段(或顶部)流速应低于这一数值;


c.上部管径应大于下部,可适当地避免大的空气泡进入反应器;


d.反应器底部较小直径可以产生高的流速,从而产生较强的扰动,使进水与污泥之间充分接触;


e.为了增强底部污泥和废水之间的接触,建议进水点距反应器池底保持150mm~250mm的距离。


2、三相分离器


三相分离器是UASB反应器有特点和重要的设备,它同时具有收集从下部反应室产生的沼气、沉淀分离器上部的悬浮物、污泥回流三个功能。


上述功能均要求三相分离器的设计应能避免沼气气泡上升到沉淀区,如其上升到表面将引起出水混浊,沉淀效率降低,产生沼气损失等不利影响。三相分离器的设计应注意以下几点:


(1)间隙和出水面的截面积比:该面积比会影响到进入沉淀区和保持在污泥相中的絮体的沉降速度;


(2)分离器相对于出水液面的位置:这个位置确定反应区(下部)和沉淀区(上部)的比例,在多数UASB反应器中内部沉淀区是总体积的15%~20%;


(3)三相分离器的倾角:这个角度要使固体可滑回到反应器的反应区,在实际中是在55°~60°之间,这个角度也确定了三相分离器的高度,从而确定了所需的材料;


(4)分离器下气液界面的面积:它确定了沼气单位界面面积的释放速率,合理的气体释放速率约为1 m3/(m2·h)~3m3/(m2·h)(低浓度废水达不到这个速率)。速率过低可能形成浮渣层,速率过高会导致在界面上形成气沫层,两者都可能导致堵塞气体释放管。

3、出水收集系统


出水装置应设置在UASB反应器的顶部,尽可能保证均匀地收集处理过的废水。大部分厌氧反应器的出水堰与传统沉淀池的出水装置相同,即在水平汇水槽内一定距离间隔设三角堰。为保证出水均匀,大部分的UASB反应器采用多槽式出水方式,每个槽两侧设有三角堰。


当处理的废水中含有蛋白质、脂肪或大量悬浮固体时,出水一般也夹带有大量悬浮固体或漂浮污泥,为了减少出水悬浮固体量,在出水槽前设置挡板,这样可减少出水中悬浮固体数量,有利于提高出水水质。但是设有出水挡板容易形成污渣层,此时可采用浮沫撇除装置,如刮渣机等,因此是否设挡板需根据处理废水的实际情况确定。


出水设施经常出现的问题是部分出水槽即使设置浮渣挡板,也会被漂浮的固体堵塞,从而引起出水不均匀,或发生堰不是完全水平的问题,较小的水头会引起相对大的误差。为了消除或最终减少这些问题,应当要求堰上水头不小于25mm。三角堰的设计要使其可以调整高度。


4、排泥系统


厌氧反应器内保持足够的污泥量,是保证反应器高效运行的基础。但经过较长时间的运行后,污泥量过度时,会因污泥沉淀使有效容积缩小而降低处理效率,甚至会因堵塞而影响正常运行,或使出水中夹带大量污泥,影响出水水质,因此必须定期对厌氧反应器进行适量的排泥。UASB反应器排泥一般采用重力方式排泥,排出量由污泥界面仪控制。


反应器的排泥频率根据污泥浓度分布曲线确定。即在反应器全高上设置若干(5个~6个)取样管,可以取反应器内的污泥样品,以获得污泥浓度沿深度的分布曲线,并可计算反应器的存泥总量,以确定是否需要排泥。排泥点宜设在污泥区中上部和底部两点。一般在污泥床的底层宜形成浓污泥,浓污泥由于颗粒和小砂粒积累等原因活性变低,因此建议从反应器的底部排泥,这样可以避免或减少在反应器内积累砂砾;中上部排泥点宜保持在距清水区0.5m~1.5m的位置,这样既可保证水力运行的畅通,又可使悬浮污泥有沉降的空间。


3、UASB工艺的启动


1、反应器启动


1.污泥颗粒化


对于一个新建的UASB反应器,启动过程主要是用未经驯化的絮状污泥对其进行接种,并经过一定时间的启动调试运行,使反应器达到设计负荷并实现有机物的去除,通常这一过程会伴随污泥颗粒化的实现,因此也称之为污泥颗粒化,污泥颗粒化是大多数UASB反应器启动的目标和启动成功的标志。


颗粒污泥的形成使UASB反应器内可以保留高浓度的厌氧污泥。絮状污泥沉降性能较差,当产气量较高、废水上升流速度略高时,絮状污泥则容易被冲出反应器。产气与水流的剪切力也易于使絮状污泥进一步分散,这加剧了絮状污泥的洗出。颗粒污泥有良好的沉降性能,它能在很高的产气量和高上升流速下保留在厌氧反应器内。因此,污泥的颗粒化可以使UASB反应器允许具备更高的有机容积负荷和水力负荷。


2.启动时间


利用絮状污泥作为接种物首次启动UASB反应器,在形成明显的颗粒污泥床之前可能会需要几个月的时间。厌氧反应器的启动之所以需要较长的时间,除了甲烷菌生长速率较慢外,接种污泥低的比甲烷活性和在反应器启动初期相对高的污泥流失也是重要的影响因素。但是,当UASB正常运行后反应器内可以产生大量的颗粒污泥,这些颗粒污泥可以在常温下保存很长时间而不损失其活性,因此在停止运行后的再次启动可以迅速完成。


3.接种污泥


UASB反应器可采用絮状污泥或颗粒污泥进行启动。接种污泥的数量和活性是影响反应器成功启动的重要因素。一般絮状接种污泥浓度控制在30gVSS/L~40gVSS/L,颗粒污泥接种浓度控制在20gVSS/L~30gVSS/L。


采用絮状污泥接种时,为缩短启动时间,可在污泥中添加少量破碎的颗粒污泥,促进颗粒化过程。添加少量的颗粒污泥至少有两个优点:一是颗粒污泥里含有大量活的甲烷微生物,而絮状污泥仅含大约2%甲烷污泥(通过比活性估计),添加少量颗粒污泥可使甲烷活性有较大的提高;二是通过将颗粒污泥破碎为大量小的颗粒碎片,颗粒碎片会作为新的颗粒污泥“前体”,为新的颗粒提供了大量生长核心。


采用颗粒污泥启动允许有较大的接种量,启动时间的长短很大程度上取决于颗粒污泥的来源,即颗粒污泥在原反应器中的培养条件以及原来处理的废水种类。新启动的反应器在选择种泥时应尽量使种泥的原处理废水种类与拟处理的废水种类一致,废水种类与性质越接近,驯化所需时间则越少,可大大缩短启动时间。在实践中,有时难以得到从同一种废水培养的颗粒污泥,但只要在启动的第一星期将初始污泥负荷控制在最大污泥负荷能力的50%之下也可顺利启动。


4.启动过程


启动中会洗出接种污泥中较轻的污泥,保存较重的污泥,以推动颗粒污泥在反应器中的形成。启动过程中应注意以下几点:


1)UASB反应器的启动负荷应小于1kgCOD/(m3·d),上升流速应小于0.2m/h,进水COD浓度大于5000mg/L或有毒废水应进行适当稀释。


2)应逐步升温(以每日升温2℃为宜)使UASB反应器达到设计的运行温度。


3)当出水COD去除率达80%以上,或出水有机酸浓度低于200mg/L~300mg/L后,可逐步提高进水容积负荷;负荷的提高幅度一般在设计负荷的20%~30%为宜,直至达到设计负荷和设计去除率。


4)当直接采用颗粒污泥启动时,因采用的接种量较大,同时颗粒污泥的活性比其它种泥要高得多,启动的初始负荷可提高至3kgCOD/(m3·d)。


5.环境因素


1)常温厌氧的温度应保持在20℃~25℃,中温厌氧应保持在30℃~35℃,高温厌氧应保持在50℃~55℃。


2)UASB反应器内pH值保持在6.5~7.8之间。


3)适宜的营养,保持COD:N:P=200:5:1。


4)严格控制有毒物质浓度,使其在允许浓度以下。


5)厌氧反应池中碱度(以CaCO3计)宜高于2000mg/L,挥发性脂肪酸(VFA)宜控制在2000mg/L以内,氧化还原电位(ORP)应在+100mV~-400mV之间。


6)N、P、S等营养物质和微量元素应当满足微生物生长的需要。


4、UASB工艺的运行与维护


1、运行控制


启动后厌氧反应器系统运行,应控制好各项工艺参数,保持厌氧系统的平衡性,使系统的设计负荷效率稳定。


UASB厌氧反应器正常运行控制的工艺条件如下:


1)严禁进水有机负荷过高或过低、温度骤升或骤降等情况发生。


常温厌氧的温度应保持在20℃~25℃,中温厌氧应保持在30℃~35℃,高温厌氧应保持在50℃~55℃。


UASB反应器内pH值保持在6.5~7.8之间。


适宜的营养,保持COD:N:P=200:5:1。


严格控制有毒物质浓度,使其在允许浓度以下。


厌氧反应池中碱度(以CaCO3计)宜高于2000mg/L,挥发性脂肪酸(VFA)宜控制在2000mg/L以内,氧化还原电位(ORP)应在+100mV~-400mV之间。


N、P、S等营养物质和微量元素应当满足微生物生长的需要。


2)厌氧反应器污泥层应维持在出水口下0.5m~1.5m,污泥过多时,应进行排泥。


3)采用热交换器加热时,应每日测量热交换器进、出口的水温。


2、停产控制


工业废水处理因工厂停产检修或因季节性生产等原因,厌氧反应器可能会有停运情况发生。这种停运对厌氧消化系统的保持并无重大的影响,因为在不进水运行的条件下,厌氧污泥的活性可以保持一年或更长时间。


在停运期间,宜使反应器内液体的温度保持在4℃~20℃。这是因为相对而言,在此温度范围内保存的污泥,重新启动只需较短时间就可以恢复到原有的性能。


此外,在停运期间还应继续使反应器的进、出水口及导气管口保持与大气不直接沟通的厌氧状态。


停运后的再启动,一般只需将系统的温度增高,再按原来运行中的平均负荷率进水运行,在短时间内就能够达到停运前的效能水平。

来源:环保工程师

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