上流式厌氧污泥膨胀床

上流式厌氧污泥膨胀床•UpflowAnaerobicSludgeBlanket•UASB厌氧生物处理•优点：工艺稳定减少剩余污泥处置费用减少补充氮、磷营养的费用设施占地面积小贮存能量并具有经济和生态上的优点运行简单无尾气污染处理含表面活性剂废水无泡沫问题可降解好氧过程中不可生物降解的物质减少氯化有机物的毒性可处理季节性排放的废水厌氧处理•缺点为增加反应器内生物量，启动时间长低浓度或碳水化合物废水碱度不足某些情况下出水水质不能满足排放地表水的要求水质浓度低时产生的甲烷热量不足以使水温加热到35℃的厌氧生物处理最佳温度含有SO2-4的废水会产生硫化物和气味厌氧生物处理•缺点：无硝化作用氯化的脂肪族化合物对甲烷菌的毒性比对好氧异养菌大低温下动力学速率低生物活性最大时要求NH+4浓度高，约40-70mgN/l厌氧生物处理反应器类型•生物滤池•流化床•上流式厌氧污泥床（UASB）•厌氧折流板反应器（ABR）UASB反应器的基本构造和工作原理•污泥床•污泥悬浮层•沉淀区•三相分离器主要形式防止生物体流失的措施•设置外部的污泥捕集器，并使污泥回流至UASB中。•反应器内应排除高剪力环境，使生物絮体能更好形成并提高沉降性能。•低负荷（1-5kg/m3·d）反应器内X浓度为2-10g/l，高负荷（5-25kg/m3·d）反应器X需10-50g/l。•反应器接种量提高10倍，产率为3%时，启动时间减少80d。进水中悬浮固体浓度的控制•UASB反应器进水中SS应控制在一定范围之内，一般小于200mg/l。•低浓度废水的SS/COD的典型值为0.5。•高浓度废水的SS/COD比值应控制在0.5以下。钙盐沉淀问题钙盐会沉积在反应器底部和表面，引起反应器实际容积的减少。因此应预沉钙离子，或采取定期清除反应器中钙沉淀的措施。例：钙沉淀在如下条件下需多长时间钙沉淀（CaCO3）占满整个反应器的容积：Q=0.075m3/s，Ca2+去除量=230mg/l反应器容积=1980m3，每年有多少CaCO3沉淀？假定沉淀物密度为2。解：0.075m3/s×86400s/d×0.23kg/m3=1490kgCa2+/d=3275kgCaCO3/d=1.9m3CaCO3/d1980/1.9=1040d不到3年，沉淀就会占满整个反应器容积。硫酸盐浓度的控制•硫酸盐离子浓度应≤5000mg/l。•运行中UASB的COD/SO42+比值应大于10。•UASB反应器中的S2-小于100mg/l时，不会对反应造成影响。分级处理来补偿温度降低的影响•废水流量0.057m3/s，可生物降解COD=2300mg/l，反应器中MLVSS=20g/l温度25℃。试计算当出水COD100mg/l时单级连续搅拌反应器的容积。（kmax=4.6gCOD/gVSS·d，Ks=930mg/l）解：速率=kmaxSX/（Ks+S）=4.6×100×20/（930+100）=8.9kg/（m3·d）COD去除量=0.057×（2.3-0.1）×86400=10800kg/d单级处理容积=10800/8.9=1220m3•设第1级出水COD为500mg/l，第2级出水COD为100mg/l的两级处理所需容积。•解：速率=4.6×500×20/（930+100）=44.7kg/（m3·d）第1级处理容积=0.057×（2.3-0.5）×86400/44.7=200m3第2级处理容积=0.057×（0.5-0.1）×86400/8.9=220m3两级处理总容积=440m3单级处理容积=1220m3UASB的设计一、预处理设施•一般预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节(酸化)池、营养盐和pH调控系统。•在调节池中设有沉淀池时，容积需扣除沉淀区的体积；•根据颗粒化和pH调节的要求，当废水碱度和营养盐不够需要补充碱度和营养盐(N、P)等；可采用计量泵自动投加酸、碱和药剂，通过调节池水力或机械搅拌达中和作用。考虑预酸化或相分离的情况：•1)当采用预酸化可去除或改变对甲烷菌有毒或抑制性化合物的结构时；2)当废水存在有较高的Ca2+时，部分酸化可避免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢；3)当处理含高含悬浮物和/或采用高负荷，对非溶解性组分去除有限时；4)在调节池中取得部分酸化效果可以通过调节池的合理设计取得。例如，上向流进水方式，在反应器底部形成污泥层(1.0m)。底部布水孔口设计为5～10m2/孔即可。二、UASB反应器体积的设计a)负荷设计法采用有机负荷(q)或水力停留时间(HRT)设计UASB反应器是目前最为主要的方法。对某种特定废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确定。•V=QSo/q(1)•V=KQ•HRT(2)•式中：Q---废水流量，m3/d；So---进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L。国内外生产性UASB装置的设计负荷统计表序号废水类型负荷kgCOD/m3·d(国外资料)负荷kgCOD/m3·d(国内资料)平均最高最低厂家数平均最高最低厂家数1酒精生产11.615.77.176.520.02.0152啤酒厂9.818.85.6805.38.05.0103清凉饮料6.812.01.885.05.05.0124小麦淀粉8.610.76.665淀粉9.211.46.465.48.02.726酵母业9.812.46.0166.06.06.017柠檬酸生产8.414.31.0314.820.06.53b)经验公式方法•Lettinga等人采用经验公式描述不同厌氧处理系统处理生活污水HRT与去除率(E)之间的关系。式中：C1,C2——反应常数。c)动力学方法•厌氧动力学参数(Henxen和Harremoes，1982)培养mm(d-1)Y(mgVSS/mgCOD)Km[mgCOD/(mgVSS•d)]Ks(mgCOD/L)产酸菌2.00.1513200甲烷菌0.40.031350混合培养0.40.182--1)反应器的体积和高度•从设计、运行方面考虑：高流速增加系统扰动和污泥与进水之间的接触。但流速过高会引起污泥流失，因此上升流速不能超过一定的限值，从而使反应器的高度受到限制；反应器越高溶解的CO2浓度越高，pH值越低。如pH值低于最优值，会危害系统的效率。从经济上考虑:土方工程随池深增加而增加，但占地面积则相反；一般将反应器建造在半地下减少建筑和保温费用。最经济的反应器高度(深度)一般是在4到6m之间，并且在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。2)反应器的升流速度•UASB和EGSB允许上升流速(平均日流量)UASB反应器Vr=0.25~3.0m/h=0.75~1.0m/h颗粒污泥絮状污泥Vs≤8m/h≤1.5m/h颗粒污泥絮状污泥Vo≤12m/h≤3.0m/h颗粒污泥絮状污泥Vg＝1m/h建议最小值3)反应器的截面积和反应器的长、宽(或直径)•A=V/H。•同样的面积下正方形池的周长比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。•矩形池在长/宽比较大时，布水较均匀。矩形池在长/宽比为2:1以下较为经济。长/宽比为4:1时费用增加十分显著。•圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12%。但这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。（why？）4)单元反应器最大体积和分格化的反应器•在UASB反应器的设计中，采用分格化对运行操作是有益的。•分格化的单元尺寸不会过大，可避免体积过大带来的布水均匀性等问题；•可首先启动一个反应器，再用这个反应器的污泥去接种其他反应器；•检修时，可放空一个反应器进行检修，而不影响系统的运行。三、配水系统设计1、配水孔口负荷处理主要为溶解性废水时进水管口负荷污泥类型每个进水口负荷(m2)负荷(kgCOD/m3·d)颗粒污泥0.5～11～222.02～44絮状污泥40kgDS/m30.5～11～22～31.01～22中等浓度絮状污泥120～40kg/m31～22～51～222、进水分配系统•进水系统兼有配水和水力搅拌的功能•如下原则：a)确保单位面积的进水量基本相同，以防止短路等现象发生；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)便于观察到进水管的堵塞；d)当堵塞被发现后，很容易被清除。•在生产装置中采用的进水方式可分为：间歇式(脉冲式)、连续流、连续与间歇相结合等方式；•从布水管的形式有一管多孔、一管一孔和分枝状等多种形式。1)连续进水方式(一管一孔)•为确保进水均匀分布，每个进水管线仅仅与一个进水点相连接，是最为理想的情况。•为保证每一个进水点的流量相等，建议用高于反应器的水箱(或渠道式)进行分配，通过渠道或分配箱之间的三角堰来保证等量的进水。这种系统的好处是容易观察到堵塞。2)脉冲进水方式•我国UASB反应器与国外的最为显著的特点是很多采用脉冲进水方式。•有些研究者认为脉冲方式进水，使底层污泥交替进行收缩和膨胀，有助于底层污泥的混合。3)一管多孔配水方式•采用在反应器池底配水横管上开孔的方式布水，为了配水均匀，要求出水流速不小于2.0m/s。可用于脉冲进水系统。•一管多孔式配水方式的问题是容易发生堵塞，因此，应该尽可能避免在一个管上有过多的孔口。4)分枝式配水方式•这种配水系统的特点采用较长的配水支管增加沿程阻力，以达到布水均匀的目的。•根据实践，最大的分枝布水系统的负荷面积为54m2。•大阻力系统配水均匀度好，但水头损失大。小阻力系统水头损失小，如果不影响处理效率，可减少系统的复杂程度。3、配水管道设计•对重力布水方式，污水通过三角堰进入反应器时可能吸入空气，会引起对甲烷菌的抑制；•进入大量空气与产生的沼气会形成有爆炸可能的混合气体；•气泡太多可能还会影响沉淀功能。因为，大于2.0mm直径的气泡在水中以大约0.2～0.3m/s速度上升。在管道的垂直部分采用较大的管径，使液体的流速低于这一数值，同时还可避免气阻。•在反应器底部用较小直径，形成高的流速产生较强的扰动，使进水与污泥之间混合加强。四、气、固、液三相分离装置•三相分离器具有两个功能：1)能收集从分离器下的反应室产生的沼气；2)使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。三相分离器设计要点汇总：•1)集气室的隙缝部分的面积应该占反应器全部面积的15～20％；•2)在反应器高度为5～7m时，集气室的高度在1.5～2m；•3)在集气室内应保持气液界面以释放和收集气体，防止浮渣或泡沫层的形成；•4)在集气室的上部应该设置消泡喷嘴，当处理污水有严重泡沫问题时消泡；•5)反射板与隙缝之间的遮盖应该在100～200mm以避免上升的气体进入沉淀室；•6)出气管的直管应该充足以保证从集气室引出沼气，特别是有泡沫的情况。•对于低浓度污水处理，当水力负荷是限制性设计参数时，在三相分离器缝隙处保持大的过流面积，使得最大的上升流速在这一过水断面上尽可能的低是十分重要的。沉淀室设计•Vs=（QS·H1）/qS•H1=h1+（R-r）tg•VS=H1（R2-r2）/2qS-沉淀室表面负荷率，＜0.7m/h。R、r—上底半径、下底半径H1—沉淀室高，h1+h2水封高度计算•H=H1-H2=（h1+h2）-H2H1—集气室液面至出水面高度；H2—水封后的阻力h1—集气室顶部到出水面高度；h2—集气室高度，应保证出气管不被淹没，并防止浮渣堵塞。UASB运行控制要点•1.出水回流的缺点•降低了进水中的COD有效浓度；•污泥负荷为最大或接近最大时，污泥床漏出的COD和短链脂肪酸使水力负荷增加，超过最大值。2.基质对颗粒污泥形成的影响•开普顿研究小组发现，超负荷/废水中的碳源改变都会引起颗粒污泥性质的改变；•剩余活性污泥的热处理液不能形成颗粒污泥。•Lettinga研究得出含有不溶解物，或复杂物质的废水不能培养出颗粒污泥。3.UASB中传质的限制•颗粒污泥直径小于2mm时，VFA的传质不受限制。若有限制，可增加紊流程度（如提高回流比）。•上流速度为5.5m/h时，基质向较大颗粒污泥传递时，在生物膜扩散中有阻力。4.K+、N、P和Mg2+的影响•K+、N、P和Mg2+保持临界浓度，是污泥颗粒化的前提。•M