UASB的启动

UASB反应器的启动与运行1.污泥颗粒化的意义厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程称之为颗粒污泥化，颗粒污泥化是大多数UASB反应器启动的目标和启动成功的标志。污泥的颗粒化可以使UASB反应器允许有更高的有机物容积负荷和水力负荷。一般絮状污泥的UASB负荷在10kgCOD/(m3.d)以下，而颗粒污泥UASB反应器负荷甚至可高达30～50kgCOD/(m3.d)。据Hulshoff.Pol，颗粒污泥化还具有如下优点。1)细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌生长的生理生化条件并有利于有机物的降解。2)颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收。3)颗粒使发酵菌的中间产物的扩散距离大大缩短，对复杂有机物的降解是很重要的。4)在废水突然变化时（例如pH值、毒性物的浓度等），颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代谢过程继续进行。2.UASB反应器的初次启动初次启动是对一个新建的UASB系统以未驯化的非颗粒污泥接种，使反应器达到设计负荷和有机物去除效率的过程，通过这一过程伴随着颗粒化的完成。厌氧微生物，特别是甲烷菌增值很慢，厌氧反应器的启动需要较长的时间，这被认为是高速厌氧反应器的一个不足之处。但一旦启动完成，在停止运行后的再次启动可以迅速完成。关于厌氧污泥的颗粒化和UASB的初次启动有很多深入的研究，表1是Hulshoff.Pol和Lettinga对第一次启动的若干要点总结。表1UASB反应器初次启动的若干认识种泥1.可供细菌附着的载体物质微粒对刺激和发动细胞的聚集是有益的2.种泥的产甲烷活性对启动的影响不大，尽管质量浓度大于60gTss/L的稠消化污泥的产甲烷活性小于较稀的消化污泥，前者却有利于UASB的初次启动3.添加部分颗粒污泥或破碎的颗粒污泥，也可提高颗粒化过程启动过程的操作模式在启动中必须相当充分地洗出接种污泥中较轻的污泥，保存较重的污泥，以推动颗粒污泥在其中的形成，要点如下1.洗出污泥不再返回反应器2.当进液COD质量浓度大于5000mg/L时采用出水循环或稀释进液3.逐步增加有机负荷，有机负荷的增加应当在降解COD能被去除80％后再进行4.保持乙酸质量浓度始终低于1000mg/L5.启动时稠型污泥的接种量为大约10～15kgVSS/m3；质量浓度小于40kgVSS/m3的稀消化污泥接种量可以小一些废水特征1.废水浓度低浓度有利于颗粒化的快速形成，但浓度也应当足够维持良好的细菌生长条件，最小的COD质量浓度应为1000mg/L2.污染物性质过量的悬浮物阻碍颗粒化的形成3.废水成分溶解性碳水化合物为主要底物的废水比VFA为主的废水颗粒化过程快，当废水含有蛋白质时，应使蛋白质尽可能降解4.高的离子浓度（例如Ca2+、Mg2+）能引起化学沉淀（CaCO3、MgNH4PO4），由此导致形成灰分含量高的颗粒污泥环境因素1.在中温范围，最佳温度为38～40℃；高温范围为50～60℃2.反应器内的pH值应始终保持在6.2以上3.N、P、S等营养物质和微量元素（例如Fe、Ni、Co）应当满足微生物的需要4.毒性化合物应当低于抑制浓度或应给予污泥足够的驯化时间1)接种接种的过程是相当简单的，由于水中的溶解氧会很快被种泥中的兼性厌氧菌消耗并形成严格的厌氧条件，所以启动时不需要严格的厌氧条件。当没有现成的颗粒污泥时，应用最多的种泥是污水处理厂消化池的消化污泥。稠的消化污泥对于颗粒化的形成有利，从而可加快初次启动的速度。除了消化污泥之外，可用作接种的物料很多，例如牛粪和各类粪肥，下水道污泥等。一些污水沟沉淀物和富微生物的河泥也可以被用于接种，但不应当有太多砂子。污泥的接种质量浓度至少不低于10kgVSS/m3反应器容积。接种污泥的填充量应不超过反应器容积的60％。“载体物质”对启动初期细胞聚集体系形成是有益的，但加入任何形式的填料是不需要的。这里的“载体物质”仅指细胞本身的菌胶团物质，因此这种载体物质会自然存在于各种种泥中。Hulshoff.Pol在其博士论文中讨论了少量Ca2+对初次启动的作用，认为它对颗粒化的发展是有促进作用的，原因是Ca2+的沉淀会形成这种载体内核。但Ca2+的添加也不是必须的。一旦颗粒污泥形成，部分破裂的颗粒污泥碎片会成为新生的颗粒污泥的载体。当用非颗粒污泥接种时，则应当注意反应器的操作。如前所述，为避免絮状污泥在反应器里大量生长从而妨碍颗粒污泥的形成，必须将絮状污泥和分散的细小污泥由反应器“洗出”，这是反应器完成颗粒化的先决条件。但是洗出应当是缓慢的逐步进行的过程，过度的洗出会使反应器内污泥量减少太多而导致启动失败。表2为不同温度下操作6m高的生产性UASB反应器所得到的污泥停留时间范围。表2不同温度下操作6m高的生产性UASB反应器所得到的污泥停留时间范围温度/℃最大污泥负荷/[kgCOD/(kgVSS·d)]最小SRT/d最高SRT/d101525303337400.210.471.982.803.583.743.6610043.510.57.45.85.55.630013132221717172)启动的阶段一般把UASB的初次启动和颗粒化过程分为三个阶段，分别为启动与提高污泥活性阶段、形成颗粒污泥阶段、逐渐形成颗粒污泥床阶段。①阶段1启动的初始阶段。这一阶段是指反应器负荷低于2kgCOD/(m3.d)的阶段。这一阶段反应器由0.5～1.5kgCOD/(m3.d)或污泥负荷0.05～0.1kgCOD/(kgVSS.d)开始。这一阶段洗出的污泥仅限于种泥中非常细小的分散污泥，洗出的原因主要是水的上流速度和逐渐产生的少量沼气。②阶段2反应器负荷上升至2～5kgCOD/(m3d)的启动阶段。在这一阶段污泥的洗出量增大，其中大多为絮状的污泥。洗出的原因是产气和上流速度的增加引起的污泥床的膨胀。大量污泥洗出的结果是在留下的污泥中开始产生颗粒状污泥。一般在从开始启动到40d左右，可以在反应器底部观察到颗粒污泥。在这一阶段污泥负荷的增加较快，这是因为污泥对废水的驯化过程基本完成，污泥的活性增加。这一阶段末期，污泥的洗出由于颗粒污泥的形成而减少，颗粒污泥的良好沉淀性能使其保留在反应器内。这一阶段里，反应器内的污泥浓度由于絮状污泥的洗出降低到最低的程度。而实际上，在反应器里对较重的颗粒污泥和分散的、絮状的污泥进行了选择。③阶段3这一阶段指反应器负荷超过5kgCOD/(m3.d)。在这一阶段里，絮状污泥变得迅速减少，而颗粒污泥加速形成，直到反应器内不再有絮状污泥存在。在这一阶段反应器负荷可以增加到很高，当反应器大部分被颗粒污泥充满时，其最大负荷可以超过50kgCOD/(m3.d)。1)启动前应了解的废水特征废水特征对厌氧反应器的操作有重要影响。因此必须对废水特征有明确了解。工业废水的种类时非常多的。即使同一类工业废水，其性质也会因其工艺的不同区别很大。因此对一种废水在启动前，首先了解废水特征。①首先要知道废水的有机物浓度过低浓度的废水可能并不适合于传统的UASB的应用。Lettinga等人曾认为低于100mgCOD/L的废水不宜于使用UASB，或者说在此浓度下UASB的使用不能充分表现其优越性。近年来由于EGSB反应器的发展和UASB上流速度的有效提高，因此又提出了低于100mgCOD/L的废水不宜于使用UASB的说法。而在较高的浓度下废水则可能需要稀释回流。②废水的厌氧可降解性由废水的可降解性可以预测出UASB反应器出水的质量或COD的去除效率。③废水的pH值缓冲能力碱度是衡量缓冲能力的一个参数，对碱度特别小的废水，可以加入Na2CO3提高其碱度，具体看前面所述。另一个实用的检查废水缓冲能力的方法是向废水中加入相当于COD浓度40％的乙酸（COD浓度计），假如废水pH值仍然维持6.5以上，则其缓冲能力是没有问题的。假如pH值在加乙酸后低于6.5，则说明废水的缓冲能力不是非常强，在操作中应小心控制，后一种情况下，在废水处理中产生的NH3也能提高其缓冲能力。④废水中维持细菌生长必需的营养厌氧菌需要的营养较少，粗略地讲，N和P的需求大约为COD：N：P≈（350～500）：5：1。但由于发酵产酸菌的生长速率大大高于产甲烷菌，因此，较为精确的估算应当是CODBD：N：P：S约为（50/Y）：5：1：1。其中Y为细胞产率，对于发酵产酸菌，Y＝0.15；对于甲烷菌，Y＝0.03。典型地，对完全未酸化的废水，取Y＝0.15；对于一个完全酸化的废水，取Y＝0.03。此外，甲烷菌细胞组成中有较高浓度的铁、镍和钴。在以冷凝液为主的废水中，有时在例如玉米、土豆加工废水中，这些元素可能非常少，在此情况下应当加入这些微量元素，有时也增加锌和钼。⑤废水中悬浮物的含量废水中悬浮物的含量如果太高，则可能不大适宜于UASB处理。当废水悬浮物质量浓度超过3000mg/L，并且它们不能生物降解而且能滞留在反应器内，就会引起较大麻烦。但如果这些悬浮物能够生物降解，或者它们不在反应器内滞留，则不会引起任何问题。悬浮物能否在反应器内滞留取决于悬浮物和污泥的颗粒大小与密度，当反应器形成颗粒污泥，在悬浮物不容易停留在反应器内。对于可以降解的悬浮物，应当知道它降解的速率以便计算悬浮物在反应器里的保留量。⑥了解废水中是否含有有毒化合物和在厌氧过程中转化为有毒化合物一般情况下，应当了解总氮（凯氏氮）和氨氮、硫酸盐和亚硫酸盐的浓度，并要了解在废水产生的工厂里是否使用了杀菌剂、消毒剂等。2)初次启动的一些要点UASB的反应器启动的过程实质上是对菌种的驯化、选择、增殖的过程。因此在启动阶段应有一定的目标和遵循某些基本规则。初次启动是一个需要熟练技艺和经验的过程，尽管许多人已成功完成过各类UASB的启动，但不同规模、不同设计和处理不同废水的UASB的启动模式和启动花费的时间有时相当不同，因此从根本上了解启动的一些要点比一个启动模式更有用。下面将叙述一下一般承认的要点和注意事项。①对启动初期的目标应明确在UASB的启动初期，特别是第一阶段，不能够片面追求反应器的处理效率、产气率的改进和出水的质量等。因为初期的目标是反应器逐渐进入“工作”状态，从微生物角度看，它实质上是使菌种由休眠状态恢复及活化的过程，在这一过程中，理所当然有一个停滞期存在。当菌种从休眠中恢复到营养细胞的状态后，它们还要经历对废水性质的适应。在整个颗粒化过程中，选择、驯化、增殖过程都在进行，而原种泥中可能浓度较低的甲烷菌增长速度相对于产酸菌要慢得多。因此在颗粒污泥出现前的这一阶段可能相对较长，这一阶段里不可能有较大的反应器负荷。②进液的浓度废水质量浓度低于5000mgCOD/L时，一般不需要稀释可直接进液，除非废水中含高浓度的有毒物质。当废水浓度过高时，最好将废水稀释到大约5000mgCOD/L。在没有低浓度的其它稀释水时，可以简单地采用反应器出水的循环。但出水循环在启动阶段也应谨慎从事，因为启动阶段的出水有时仍会有相当浓度的未降解的COD，以这种出水不能有效稀释进水有时反而会引起过负荷。在这种情况下如果负荷的因素更重要时，则不必采用出水的循环。当采用出水循环时，可以参照表3给出的要点。表3UASB出水循环的应用要点当废水COD质量浓度低于5000mg/L时，不需要出水循环；但当亚硫酸盐质量浓度大于200mg/L，则应采用循环使进液亚硫酸盐质量浓度低于100mg/L当废水COD质量浓度在5000～20000mg/L时，采用出水循环启动，使进液浓度在5000mg/L左右废水COD质量浓度超过20000mg/L时，在启动阶段可以采用其它稀释水。高浓度废水常常含有高的盐浓度，这使得甲烷产率增加很慢。因此，以其它含盐少的或清水稀释有利于菌的增殖，最后直接稀释到5000mg/L。如果不能稀释至5000mg/L，则至少稀释到20000mg/L，并同时采用出水循环当增加负荷时，必须记住出水COD浓度会有短暂的增加阶段，此时采用循环时可以通过计算得出反应器的真正负荷或进液浓度。真正进入反应器的混合水浓度为：(cin+fcoff)/(1+f)，其中f为循环比；cin为原水进液浓度；