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              水處理技術

              UASB工藝的啟動、運行與維護最全技術

              文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/11/16     瀏覽次數:    
              升流式厭氧污泥床反應器是一種處理污水的厭氧生物方法,又叫升流式厭氧污泥床,英文縮寫UASB(Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket)。由荷蘭Lettinga教授于1977年發明。污水自下而上通過UASB。反應器底部有一個高濃度、高活性的污泥床,污水中的大部分有機污染物在此間經過厭氧發酵降解為甲烷和二氧化碳。
              UASB 工藝的主要特點



              1、 利用微生物細胞固定化技術-污泥顆?;?/span>

              UASB 反應器利用微生物細胞固定化技術—污泥顆?;?/span>,實現了水力停留時間和污泥停留時間的分離,從而延長了污泥泥齡,保持了高濃度的污泥。

              顆粒厭氧污泥具有良好的沉降性能和高比產甲烷活性,且相對密度比人工載體小,靠產生的氣體來實現污泥與基質的充分接觸,節省了攪拌和回流污泥的設備和能耗,也無需附設沉淀分離裝置;同時反應器內不需投加填料和載體,提高了容積利用率,避免了堵塞問題,具有能耗低、成本低的特點。

              2、由產氣和進水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用

              在 UASB 反應器中,由產氣和進水形成的上升液流和上竄氣泡對反應區內的污泥顆粒產生重要的分級作用。這種作用不僅影響污泥顆?;M程,同時還對形成的顆粒污泥的質量有很大的影響,同時這種攪拌作用實現了污泥與基質的充分接觸。

              3、設計合理的三相分離器的應用

              三相分離器是 UASB 反應器中最重要的設備,它可收集從反應區產生的沼氣,同時使分離器上的懸浮物沉淀下來,使沉淀性能良好的污泥能保留在反應器內。三相分離器的應用避免了輔設沉淀分離裝置、脫氣裝置和回流污泥設備,簡化了工藝,節約了投資和運行費用。

              4、容積負荷率高

              對中高濃度有機廢水容積負荷可達 20kgCOD/(m3?d),COD 去除率均可穩定在 80%左右。

              5、污泥產量低

              與傳統好氧工藝相比,污泥產量低,污泥產率一般為 0.05kgVSS/kgCOD~ 0.10kgVSS/kgCOD,僅為活性污泥產泥量的 1/5 左右。反應器產生的剩余污泥又是新厭氧系統運行所必需的菌種。

              6、能夠回收生物能——沼氣

              沼氣是一種發熱量很高的可燃氣體,特大型 UASB 系統產生的沼氣可進行發電利用,并替代或補償廢水污染治理設施的電力消耗;中、小型 UASB 系統可結合生產實際情況進行沼氣利用,如用于炊事、采暖或作為厭氧換熱的熱源。




              UASB反應器組成



              UASB 反應器主要由布水系統、三相分離器、出水收集系統、排泥系統組成。

              1、布水系統

              布水系統的合理設計對 UASB 反應器的良好運轉是至關重要的,進水系統兼有配水和水力攪拌的功能,為了保證這兩個功能的實現,設計時需要滿足如下原則

              a、確保各單位面積的進水量基本相同,以防止短路或表面負荷不均勻等現象發生; 

              b、盡可能滿足水力攪拌需要,保證進水有機物與污泥迅速混合;

              c、易觀察到進水管的堵塞;

              d、當堵塞被發現后,易被清除。

              目前布水系統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狀布水方式。

              (1)對于壓力流采用穿孔管布水(一管多孔或分枝狀)

              a. 進水采用重力流(管道及渠道)或壓力流,后者需設逆止裝置;

              b. 當水力篩縫隙為3mm~5mm時,出水孔大于 15mm,一般在15mm~25mm之間;

              c. 需考慮設液體反沖洗或清堵裝置,可以采用停水分池分段反沖,用液體反沖時,壓力為1.0kg/cm2~2.0kg/cm2,流量為正常進水量的 3~5 倍;

              (2)采用重力流布水方式(一管一孔)

              如果進水水位差僅僅比反應器的水位稍高(水位差小于 10cm)會經常發生堵塞現象。因為進水水頭不足以消除阻塞。當水箱中的水位(三角堰的底部)與反應器中的水位差大于30cm 時很少發生堵塞現象。

              a. 采用布水器布水時,從布水器到布水口應盡可能少地采用彎頭等非直管;

              b. 廢水通過布水器進入池內時會吸入空氣,直徑大于 2.0mm 氣泡會以 0.2m/s~0.3m/s 速度上升,在管道垂直段(或頂部)流速應低于這一數值;

              c. 上部管徑應大于下部,可適當地避免大的空氣泡進入反應器;

              d. 反應器底部較小直徑可以產生高的流速,從而產生較強的擾動,使進水與污泥之間充分接觸;

              e. 為了增強底部污泥和廢水之間的接觸,建議進水點距反應器池底保持 150mm~250mm 的距離。

              2、三相分離器

              三相分離器是 UASB 反應器最有特點和最重要的設備,它同時具有收集從下部反應室產生的沼氣、沉淀分離器上部的懸浮物、污泥回流三個功能。

              上述功能均要求三相分離器的設計應能避免沼氣氣泡上升到沉淀區,如其上升到表面將引起出水混濁,沉淀效率降低,產生沼氣損失等不利影響。

              三相分離器的設計應注意以下幾點

              (1)間隙和出水面的截面積比:該面積比會影響到進入沉淀區和保持在污泥相中的絮體的沉降速度;

              (2)分離器相對于出水液面的位置:這個位置確定反應區(下部)和沉淀區(上部) 的比例,在多數 UASB 反應器中內部沉淀區是總體積的 15%~20%;

              (3)三相分離器的傾角:這個角度要使固體可滑回到反應器的反應區,在實際中是在55°~60°之間,這個角度也確定了三相分離器的高度,從而確定了所需的材料;

              (4)分離器下氣液界面的面積:它確定了沼氣單位界面面積的釋放速率,合理的氣體釋放速率約為 1 m3/(m2·h)~3m3/(m2·h)(低濃度廢水達不到這個速率)。速率過低可能形成浮渣層,速率過高會導致在界面上形成氣沫層,兩者都可能導致堵塞氣體釋放管。

              3、出水收集系統

              出水裝置應設置在 UASB 反應器的頂部,盡可能保證均勻地收集處理過的廢水。

              大部分厭氧反應器的出水堰與傳統沉淀池的出水裝置相同,即在水平匯水槽內一定距離間隔設三角堰。為保證出水均勻,大部分的 UASB 反應器采用多槽式出水方式,每個槽兩側設有三角堰。

              當處理的廢水中含有蛋白質、脂肪或大量懸浮固體時,出水一般也夾帶有大量懸浮固體或漂浮污泥,為了減少出水懸浮固體量,在出水槽前設置擋板,這樣可減少出水中懸浮固體數量,有利于提高出水水質。但是設有出水擋板容易形成污渣層,此時可采用浮沫撇除裝置,如刮渣機等,因此是否設擋板需根據處理廢水的實際情況確定。

              出水設施經常出現的問題是部分出水槽即使設置浮渣擋板,也會被漂浮的固體堵塞,從而引起出水不均勻,或發生堰不是完全水平的問題,較小的水頭會引起相對大的誤差。為了消除或最終減少這些問題,應當要求堰上水頭不小于 25mm。三角堰的設計要使其可以調整高度。

              4、排泥系統

              厭氧反應器內保持足夠的污泥量,是保證反應器高效運行的基礎。但經過較長時間的運行后,污泥量過度時,會因污泥沉淀使有效容積縮小而降低處理效率,甚至會因堵塞而影響正常運行,或使出水中夾帶大量污泥,影響出水水質,因此必須定期對厭氧反應器進行適量的排泥。UASB 反應器排泥一般采用重力方式排泥,排出量由污泥界面儀控制。

              反應器的排泥頻率根據污泥濃度分布曲線確定。即在反應器全高上設置若干(5 個~6 個)取樣管,可以取反應器內的污泥樣品,以獲得污泥濃度沿深度的分布曲線,并可計算反應器的存泥總量,以確定是否需要排泥。排泥點宜設在污泥區中上部和底部兩點。

              一般在污泥床的底層宜形成濃污泥,濃污泥由于顆粒和小砂粒積累等原因活性變低,因此建議從反應器的底部排泥,這樣可以避免或減少在反應器內積累砂礫;中上部排泥點宜保持在距清水區0.5m~1.5m 的位置,這樣既可保證水力運行的暢通,又可使懸浮污泥有沉降的空間。





              UASB工藝的啟動



              1、污泥顆粒

              對于一個新建的 UASB 反應器,啟動過程主要是用未經馴化的絮狀污泥對其進行接種, 并經過一定時間的啟動調試運行,使反應器達到設計負荷并實現有機物的去除,通常這一過程會伴隨污泥顆?;膶崿F,因此也稱之為污泥顆?;?,污泥顆?;谴蠖鄶?UASB 反應器啟動的目標和啟動成功的標志。

              顆粒污泥的形成使 UASB 反應器內可以保留高濃度的厭氧污泥。絮狀污泥沉降性能較差,當產氣量較高、廢水上升流速度略高時,絮狀污泥則容易被沖出反應器。產氣與水流的剪切力也易于使絮狀污泥進一步分散,這加劇了絮狀污泥的洗出。顆粒污泥有良好的沉降性能, 它能在很高的產氣量和高上升流速下保留在厭氧反應器內。因此,污泥的顆?;梢允?UASB 反應器允許具備更高的有機容積負荷和水力負荷。

              2、啟動時間

              利用絮狀污泥作為接種物首次啟動 UASB 反應器,在形成明顯的顆粒污泥床之前可能會需要幾個月的時間。

              厭氧反應器的啟動之所以需要較長的時間,除了甲烷菌生長速率較慢外,接種污泥低的比甲烷活性和在反應器啟動初期相對高的污泥流失也是重要的影響因素。但是,當 UASB 正常運行后反應器內可以產生大量的顆粒污泥,這些顆粒污泥可以在常溫下保存很長時間而不損失其活性,因此在停止運行后的再次啟動可以迅速完成。

              3、接種污泥

              UASB 反應器可采用絮狀污泥或顆粒污泥進行啟動。接種污泥的數量和活性是影響反應器成功啟動的重要因素。

              一般絮狀接種污泥濃度控制在 30gVSS/L~40gVSS/L,顆粒污泥接種濃度控制在 20gVSS/L~30gVSS/L。

              采用絮狀污泥接種時,為縮短啟動時間,可在污泥中添加少量破碎的顆粒污泥,促進顆?;^程。添加少量的顆粒污泥至少有兩個優點:一是顆粒污泥里含有大量活的甲烷微生物, 而絮狀污泥僅含大約 2%甲烷污泥(通過比活性估計),添加少量顆粒污泥可使甲烷活性有較大的提高;二是通過將顆粒污泥破碎為大量小的顆粒碎片,顆粒碎片會作為新的顆粒污泥“前體”,為新的顆粒提供了大量生長核心。

              采用顆粒污泥啟動允許有較大的接種量,啟動時間的長短很大程度上取決于顆粒污泥的來源,即顆粒污泥在原反應器中的培養條件以及原來處理的廢水種類。新啟動的反應器在選擇種泥時應盡量使種泥的原處理廢水種類與擬處理的廢水種類一致,廢水種類與性質越接近,馴化所需時間則越少,可大大縮短啟動時間。

              在實踐中,有時難以得到從同一種廢水培養的顆粒污泥,但只要在啟動的第一星期將初始污泥負荷控制在最大污泥負荷能力的 50% 之下也可順利啟動。

              采用絮狀污泥和顆粒污泥啟動中,可能遇到的問題及解決方法可參考表 1。

              表1  UASB 反應器可能遇到的問題及解決方法一覽表

              問題

              原因

              解決

              1. 污泥生長不充分

              a 微量或營養元素限制

              b 進水預酸化程度太高

              c 污泥負荷太低

              d 顆粒污泥流失(見 4,5)

              e 顆粒污泥解體(見 6),懸浮污泥沖出

              a 提高進水中微量或營養元素濃度

              b 減少預酸化的程度

              c 增加反應器負荷

              2. 甲烷菌能力不足(超負荷)

              a 反應器內沒有足夠的污泥  

              b 甲烷活性不足(見 3)

              a 提高污泥量降低負荷。污托邦采用外部接種,促進污泥生長(見 1),減少污泥流失(見 3-6)

              b 減少污泥負荷,增加污泥活性(見 3)

              3. 甲烷菌活性不足

              a 微量或營養元素缺乏

              b 酸化菌大量生長

              c 污泥床累積大量有機懸浮物

              d 工藝溫度太低

              e 進水含有毒性物質或抑制活性的物質(見 6)

              a 增加營養或微量元素

              b 增加污水的預酸化程度,污托邦減少負荷

              c 降低進水中懸浮物濃度

              d 增加溫度

              4.顆粒流失

              a 中空顆粒捕捉氣泡。污托邦不充分驅動力形成太大顆粒污泥: 低溫、低負荷、低進水濃度下易形成大而中空的顆粒污泥

              b 形成多層結構捕捉氣體,顆粒有一層酸化菌

              a 增加對顆粒的驅動力,減少顆粒的尺寸。

              b 用更穩定工藝條件,增加污水的預酸化程度

              5.污泥流失,形成膨脹污泥和蓬松的顆粒污泥

              a 由于進液中的懸浮產酸菌的作用,顆粒污泥結聚成團

              b 大量懸浮或酸化菌附著顆粒表面

              c 形成蓬松顆粒污泥,附著酸化菌生長迅速

              a 去除進水懸浮物質,減少預酸化程度 

              b 增加預酸化程度,增加混合強度。

              c 增加預酸化程度,降低污泥負荷。

              6. 顆粒污泥的解體

              a “延遲”啟動問題

              b 突然變化負荷率和/或進水濃度

              c 突然增加預酸化程度,污托邦使酸化菌呈“饑餓”狀態

              d (周期性的)暴露在毒性化合物的有害條件下

              e 機械攪拌力太強

              f 由于不充足的選擇壓形成絮狀污泥

              a 啟動策略(增加污泥負荷)選擇接種物

              b 采用更加穩定的工藝條件

              c 采用更穩定預酸化條件(啟動選擇其他接種污泥)

              d 有毒物去除或解毒,長馴化期,較大水力緩沖

              e 防止太強的機械攪拌力,降低水流的剪切力

              f 穩定工藝條件。增加選擇壓(出水回流)

              4. 啟動過程

              啟動中會洗出接種污泥中較輕的污泥,保存較重的污泥,以推動顆粒污泥在反應器中的形成。啟動過程中應注意以下幾點:

              (1)UASB 反應器的啟動負荷應小于 1kgCOD/(m3·d),上升流速應小于 0.2m/h,進水 COD 濃度大于 5000mg/L 或有毒廢水應進行適當稀釋。

              (2)應逐步升溫(以每日升溫 2℃為宜使 UASB 反應器達到設計的運行溫度。

              (3)當出水 COD 去除率達 80%以上,或出水有機酸濃度低于 200mg/L~300mg/L 后,可逐步提高進水容積負荷;

              負荷的提高幅度一般在設計負荷的 20%~30%為宜,直至達到設計負荷和設計去除率。

              (4)當直接采用顆粒污泥啟動時,因采用的接種量較大,同時顆粒污泥的活性比其它種泥要高得多,啟動的初始負荷可提高至 3kgCOD/(m3·d)。

              5. 環境因素

              (1)常溫厭氧的溫度應保持在 20℃~25℃,中溫厭氧應保持在 30℃~35℃,高溫厭氧應保持在 50℃~55℃。

              (2) UASB 反應器內 pH 值保持在 6.5~7.8 之間。

              (3)適宜的營養,保持 COD:N:P=200:5:1。

              (4)嚴格控制有毒物質濃度,使其在允許濃度以下。

              (5)厭氧反應池中堿度(以 CaCO3 計)宜高于 2000mg/L,揮發性脂肪酸(VFA)宜控制在 2000mg/L 以內,氧化還原電位(ORP)應在+100mV~-400mV 之間。

              (6) N、P、S 等營養物質和微量元素應當滿足微生物生長的需要。




              UASB工藝的運行與維護



              1、運行控制

              啟動后厭氧反應器系統運行,應控制好各項工藝參數,保持厭氧系統的平衡性,使系統的設計負荷效率穩定。

              UASB 厭氧反應器正常運行控制的工藝條件如下:

              (1)嚴禁進水有機負荷過高或過低、溫度驟升或驟降等情況發生。

              (2) 厭氧反應器污泥層應維持在出水口下 0.5m~1.5m,污泥過多時,應進行排泥。

              (3)采用熱交換器加熱時,應每日測量熱交換器進、出口的水溫。UASB 厭氧反應器正常運行經常發生的異?,F象及解決方法可參考表2。

              表2 UASB 反應器運行時發生異?,F象的原因及解決方法

              問題

              原因

              解決

              1.產氣量下降

              a 接種污泥濃度過低,甲烷菌的底物不足b 污泥排量過大,破壞了甲烷菌和營養的平衡

              c 反應器溫度降低,污托邦可能是投配污泥過多或加熱設備發生故障

              d 反應器的容積太少

              e 有機酸積累,堿度不足

              a 提高接種污泥濃度

              b 減少排泥量

              c 減少投配量,檢查加溫設備,保持反應器消化溫度

              d 檢查沉砂池的沉砂效果,并及時排除浮渣與沉砂

              e 減少投配量,繼續加熱,觀察池內堿度變化,如不能改善,應增加堿度,如投加 NaHCO3 等

              2.上清液水質惡化

              a 排泥量不夠b 固體負荷過大

              a 增加排泥量

              b 減少固體負荷

              3.沼氣的氣泡異常

              a 連續噴出像啤酒開蓋后出現的氣泡,這是消化狀態嚴重惡化的征兆

              b 大量氣泡劇烈噴出,但產氣量正常

              c 不起泡

              a 排泥量過大或有機物負荷過高

              b 浮渣層過厚

              c 污泥投加過量

              a 減少或停止排泥,減少污泥投配

              b 破碎浮渣層

              c 可暫時減少或停止投加污泥

              2、停產控制

              工業廢水處理因工廠停產檢修或因季節性生產等原因,厭氧反應器可能會有停運情況發生。這種停運對厭氧消化系統的保持并無重大的影響,因為在不進水運行的條件下,厭氧污泥的活性可以保持一年或更長時間。

              在停運期間,宜使反應器內液體的溫度保持在 4℃~20℃。這是因為相對而言,在此溫度范圍內保存的污泥,重新啟動只需較短時間就可以恢復到原有的性能。

              此外,在停運期間還應繼續使反應器的進、出水口及導氣管口保持與大氣不直接溝通的厭氧狀態。

              停運后的再啟動,一般只需將系統的溫度增高,再按原來運行中的平均負荷率進水運行, 在短時間內就能夠達到停運前的效能水平。

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