UASB反应器的探讨管锡珺

中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集UASB反应器的探讨管锡裙涂剑成(青岛理工大学环境与市政工程学院,青岛,2“033)【摘要]:UASB是运用最为广泛的厌氧反应器,改良UABS的结构,使活性污泥与废水充分混合,大大提高了UAss的处理负荷,在UAss反应器内水力上升流速和沼气上升流速的共同作用可以确定离散系数0,指出了O值的范围与颗粒污泥形成的关系。简述了颗粒污泥的形成机理、形成过程、影响因素与抑制其生长的物质。[关键词〕:UAsB;颗粒污泥;影响因素【中图分类号]:X703.1AnExPloartionofAUASBReaetorGUANXlJUN(CollegeofEnvironmenatlandMuoieiPalEngineering,QingdaoUnive朽iytofseieneeandEogineering,Qingdao,266033)Abstraet:UASBeractor15aikndofhtewideaPPlieationaaenorbieeraetosr,modiifedstI’UetrUeofhteatrditionalUASBeanmakeaetivesludgefully而xwihtwastewatertoarisevolumeitreloadingarteofUASB.hTeeffeetbohtvelociytofflowandhtemarshgasotgranularsludgeeanfomradispesredeoeiffeientDotgehte.rhTeseoPeofD,5valuehaserlationshiPwihthtefon闰以tionofgranularslduge.T七efon们。tionmechanism,fomartioneousre,influeneeafetosrandhteamtterofersatrininggrowhtofgranularsludgeweerdesicrbedbireflyinhtisPape「Keywords:UASB;GranularSludge;InnueneingFaetosr前言近20多年厌氧生物处理技术有了迅速的发展,在第2代反应器的基础上,出现了能够保持大量活性污泥、同时又能使废水与活性污泥充分接触的新型、高效的第3代厌氧反应器,这代反应器目前大多数应用受到限制。在大规模实际运用的众多厌氧反应器中,升流式厌氧污泥床(UP一nownAaeoribcsludgeBlar众et,简称UASB)具有一系列其它反应器所缺少的优良特性,受到世界各国的普遍重视。UASB反应器首先引出了颗粒污泥的概念,因此研究和改良UASB反应器具有重要的理论和实际意义。IUSAB的结构UASB反应器的具体结构型式很多,基本结构包括布水系统、主反应区、三相分离区。其构造特点是集生物反应与气固液分离于一体的一种“一元化”厌氧反应器。按应用结构分有2类:传统UASB反应器、外循环UASB反应器。1.1传统UASB的结构传统的UASB反应器废水由池底进入反应器,通过反应区经气体分离后混合液进入沉淀区进行固液分离。处理后的水由排水渠排走,厌氧污泥由于重力的作用自动返回到反应区,集气室的沼气由沼气收集系统收集,在反应器内不设搅拌装置,传质靠上升的水流和沼气的搅动川,其结构如图1所示.1.2外循环UASB的结构在传统UASB的基础上为了解决污泥与废水混合不充分的问题,采用水力循环,出现了外循环UASB(结构如图2所示)。外循环UASB可以增强反应器对废水水质变化的适应力。特别提出的是,此外循环UASB与其他的外循环UASB有区别,其他外循环UASB的循环是从上部出水口循环,这样会增加三相分离区的负荷,造成沉淀区容积增大。而此外循中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集环UASB是从悬浮区的上部,即从悬浮区和三相分离区之问进行循环,这样既可有效提高反应区的水力负荷和产气率,又不增加三相分离区的负荷和沉淀区的容积,是对以往UASB的发展和完善[2〕[3]。}}}}}}}!}))))图1传统刀ASB结构}}}}}}}}}!}}}...lll外循环UASB结构使得循环区成为一个完全混合区,使得废水与污泥充分接触,保证底部污泥能够获得充分的营养,增加循环区水流的上升流速,改善了颗粒污泥所需的水力条件.有助于颗粒污泥的快速形成。在循环区上部又形成一个平静的推流式反应区,废水在循环区得到了比传统UASB更大程度的处理。由于循环水量不通过三相分离器,因此减轻了上部反应区的处理压力,减轻了三相分离器的压力,有助于提高出水水质,在一定程度上也解决了出水水质携带污泥的问题,同时也形成了两个生物生长区。整个反应器集合完全混合与推流反应区的优点,使传统uAsB反应器的有机负荷能达到10kglm3.d以上,大大提升了UASB反应器的处理能力。整个UASB反应器容积中,污泥区的容积一般占30%左右,但它对反应器中有机物的降解量一般可占到整个反应器全部降解量的70%-习0%。这与污泥区具有很高的生物量和稳定的高活性的颗粒污泥有直接的关系。如何培养出具有沉降性能良好,产甲烷活性高的颗粒污泥,是UASB处理废水成功的关键。悬浮区位于污泥区的上部,它占整个UASB容积的70%左右,其污泥浓度低于污泥区,由高度絮凝的污泥组成,一般为非颗粒污泥,其处理量占整个反应器有机物降解量的10%一30%。污泥区和悬浮区,组成了UASB的反应区[4]无论是哪种形式,都是为了使得在反应器保持大量的活性污泥和使废水与活性污泥充分接触。由于UASB反应器的颗粒污泥培养、三相分离器的结构、布水系统的设计等等受专利保护的很多,在我国现阶段研究开发高效厌氧反应器有着重要的现实意义。2UASB反应器与颗粒污泥UASB反应器的运行稳定性和高效性很大程度上取决于是否能培养出具有优良沉降性能和高活性的产甲烷厌氧颗粒污泥。与此相反,如果反应器内的污泥以松散的絮状污泥体存在,则往往容易出现污泥流失,反应器不可能在高的容积负荷率下稳定运行。国内外很多学者对厌氧颗粒污泥的形成机理、过程、形成条件等进行了大量的卓有成效的研究工作。2.1颗粒污泥的形成机理为了探索颗粒污泥形成的机理,提出种种假说。主要有:晶核假说、电荷中和假说、胞外多聚物假说,spagheitt理论。(l)晶核假说晶核假说认为污泥颗粒形成类似于结晶过程,在晶核的基础上,颖粒不断发育到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源于反应器运行过程中的非溶解性无机盐结晶颗粒。(2)电荷中和假说电荷中和假说认为金属离子中和了细胞表面的负电荷,并通过盐桥作用而促进细胞的互相凝聚,形成颗粒。中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集()3胞外多聚物假说胞外多聚物(ExarteenularPolymer)ECP主要由蛋白质和多聚糖组成。胞外多聚物假说认为ECP能够改变细菌絮体的表面性质和颗粒污泥的物理性质,改变细菌表面电荷,从而产生凝聚作用。(4)sPagheitt理论该理论认为颗粒污泥的形成过程就是选择压等物理作用对微生物进行选择的过程.ls“。在污泥颗粒形成过程中,上述理论所述的作用都有,只是颗粒污泥因形成条件不同,在其形成时各种作用大小不一样,因此至今为止没有一种理论能够完美解释所有观测到的颗粒污泥形成过程。.22颗粒污泥的形成过程由絮状污泥形成一个0.14~51nln大小的颗粒污泥是一个十分复杂的物理化学与微生物学的过程。国内外对其形成过程仍在争论中。在1995年,.JE.schjmidt和.B.k八上irng总结了最近的研究成果,提出颗粒污泥形成的四步骤:(1)首先是单个细胞转移到一个非菌落的惰性物质或其它细胞的表面;(2)其次是在物理化学力的作用下在细菌细胞之间或对惰性物质之间发生的可逆吸附;(3)通过微生物的附肢或胞外多聚物使细菌细胞之间或对惰性物质之间产生不可逆吸附;(4)附着细胞的不断增殖和颗粒的发育。一个细胞可以通过不同的途径,如扩散、对流或鞭毛活动等转移到附着物上,我国学者也提出颗粒污泥形成5阶段理论,其实质与上述4阶段理论是一致的m。无论如何,反应器内水力条件对颗粒污泥形成的重要影响己成为研究者的共识。2.3颗粒污泥的影响因素颗粒污泥形成的影响因素有很多,其形成与废水性质、水力负荷率和产气负荷率、碱度、接种污泥,温度、pH值有关stj。(l)废水性质一般要求废水的C:N:P比为200:5:1,否则要适当加以调整。投加补充适量的镍、钻、铝等微量元素有利于提高污泥产甲烷活性,可加速污泥颗粒化过程。投加c扩+有利于带负电荷细菌相互粘接从而有利于污泥颗粒化。(2)水力负荷率和产气负荷率水力筛分使颗粒污泥处于反应器底部,颗粒污泥的形成及有利生长条件在反应器的上部。这组矛盾的合理解决是提高反应器负荷的关键。UAsB的水力条件是水流上升和沼气上升形成的,Letitnga和HulshoffPol把两者的作用的总和称为系统的选择压(seleeitonrPessuer)。选择压对污泥床产生了沿高度(水流)方向的搅拌作用和水力筛选作用。根据昊唯民、胡纪萃的研究,当水力负荷率为.025m3lmz.d,便可产生水力分级现象。胡纪萃、顾夏声、周琪(1995)采用UASB反应器处理生活污水发现水力负荷为3.。时m/3.d,I开汀为h8,沼气产量为.264扩lm3.d,整个反应器的颗粒污泥都颗粒化了,提出了选择压强度的数学模型O二0.OO33L十0.045G十0.073,D为离散系数,L为水力负荷率(扩/扩.d),G为产气负荷率(扩/矿.d),对于生活污水,。在0.088~0.095时可形成颗粒污泥l9[。利用概率统计原理对上式进行回归显著性检验(「检验):在给定置信水平1一。=0.95下,得到月一m(,。一,一l卜凡95(2,5)=.579。而本试验「=297,其))F.OFes(2,5),故回归效果高度显著。对各回归系数进行t检验,试验t,=2.87,tz=32.82,而认97。(7)二2.45,因为:中国化学会第七届水处理化学大会暨学术研讨会论文集!`l}`22.57)ro.97s(7)32.82),。.975(7)可知水力负荷L和沼气产量。对。的影响都显著。从中还可以看出,卜Zl)It;},这说明沼气容积产量的影响比水力负荷更大。我们现在来探讨一下D对反应器的影响和反应器结构设置。根据胡纪萃、顾夏声、周琪的研究:水力负荷为3.0耐m/3.d,取D二.009,形成颗粒污泥的产气负荷:G=(0.09一0.073一0.0033X3.0)/0.045=0.17(m,/m,.d)由此可见,即使是水力负荷为3.0时/心.d,对于絮状污泥几乎不能在反应器中存留的速度,在反应器的底部也不能满足颗粒污泥生成的条件。换句话说:颗粒污泥沉到反应器底部,不足以悬浮,即使不考虑进水酸化后对颗粒污泥的破坏,沉底的颗粒污泥也不能得到良好的传质,可能导致大量的自我消耗,从而造成颗粒污泥内部空壳现象,产生气泡带动浮升形成浮渣,一方面浮渣影响三相分离,另一方面影响颗粒污泥的增殖。特别是在UASB反应器的启动期,颗粒污泥几乎不存在,气体产量很低,要使反应器在满足颗粒污泥的形成条件的同时,使絮状污泥在反应器内维持高浓度,就要求UASB反应器进行改良,如本文1.2所述。如前所述,颗粒污泥区的容积一般占整个UABS容积的30%左右,悬浮区位于污泥区的上部,它占整个UABS容积的7。%左右,污泥区和悬浮区,组成了UABS的反应区。这种现象是水力分级的结果,并不对应反应器内颗粒污泥的生长区域。颗粒污泥不能很好的充满反应器,说明不是整个反应器都适合颗粒污泥生长,也证明了颗粒污泥成长受到了限制,不能够充分的发展到占有整个反应器。可见,反应器的结构是值得研究的重要对象。(3)接种污泥为了使反应器内快速实现污泥颗粒化,投加一定量的接种物是必要的,一般要求接种污泥具有一定的产甲烷活性。根据相关研究,厌氧消化污泥(包括城市污水厂污泥消化池消化污泥、双层沉淀池消化污泥、化粪池污泥等)是较好的接种污泥。接种污泥的量过小,会影响颖粒污泥形成