UASB反应器处理低浓度有机废水的机理研究周琪

第23卷第2期1995年4月同济大学学报JOURNALOFTONGJIUNIVERSITYVol.23No.2Apr.1995UASB反应器处理低浓度有机废水的机理研究周琪(同济大学环境工程学院,上海,2以犯92)摘要研究了6.6LUASB反应器在常温下处理低浓度有机度水的启动、运行和基质降解动力学.研究表明:当污水水温大于15℃时,运行ZOd后出现顺杜污泥,46d塞本上完成反应器的启动.在水温为15一29℃下运行,水力停留时间在3~8.7h,COD去除率可达71.9%~88.5%.对反应器建立基质降解动力学模型,在平均沮度为17.2℃,22.3℃和26.4℃下减速增长速度常数凡分别为1.89x10一,,2.40xl0一,和2.77x10一aL/mgVSS·d.关键词UASB反应器;低浓度有机废水;厌氧颗粒污泥;基质降解动力学中图法分类号X7近年来由于城市废水污染环境日趋严重,迫切需要经济有效的处理方法.城市’`毛活污水和COD浓度在1ooomg/L以下(BOD。500mg/)L的工业有机废水属低浓度有机J发水.传统的厌氧处理装置不适用于处理低浓度且温度低于20℃的废水,其原因是在常温和租农度条件下厌氧微生物生长缓慢.进人本世纪六七十年代,一批新型高速厌氧反应器研制开发出来,其中UASB反应器已被广泛用于各种有机废水处理.其成功运行为常温低浓度有机废水处理创造了条件.80年代初,荷兰的Letitnga等人就开始了这方面研究〔`’.我国和其它一些国家的研究者对此做了许多工作,但总的说来对用UASB反应器在常温下处理低浓度有机废水的理论研究还不深人,一些方面还刚起步〔,’.本研究利用人工配制的低浓度有机废水作为处理对象,对UASB反应器在常温下启动及运行进行了研究.对不同条件下运行的反应器建立了基质降解动力学模型,以期指导反应器的设计和运行,并进一步揭示在常温低浓度条件下污泥颗粒化和反应器高效运行的本质.,试验设备和试验方法1.1试验装置及流程UASB反应器用有机玻璃管制成,上部为沉淀区,容积为2.Z;L下部为污泥悬浮层和污泥床,容积为4.6L.图1是试验装置和工艺流程示意图.整个系统设置在实验室内,不采用加本文收到日期:1994年4月27日第一作者:男,1955年生,副教授第2期周琪:UASB反应器处理低浓度有机废水的机理研究热设备.1.2试验用水采用葡萄糖配水为试验用水(模拟低浓度有机废水),用尿素作氮源,磷酸二氢钾作磷源,使COD:N:P=150:5:1,并适当补充微生物生长所必需的微量元素Fc,Ni,C。,M。和酵母浸出液,用碳酸钠调节进水碱度在320一soom酬L之间,COD控制在350mg/L左右.1.3分析项目COD、碱度、55和VSS按标准方法测定.pH用pH一2型酸度计测定,CH`,COZ和挥发酸用气相色谱仪测定.污泥最大比COD去除率用问歇试验法测定〔3’.~沼气出水一水封气体流盆计UASB反应器图1试验装置与工艺流程2试验结果.21反应器的启动特性本试验采用消化污泥接种启动,消化污泥的55为37.39/L,VSS/55~0.37,污泥最大比COD去除率:认.oco。~O.25kgCOD(/kgVSS·d).接种污泥按反应器总容积计算,55为9.7留L,启动温度在15℃左右.针对低浓度有机废水的特点,在启动期内应尽快提高反应器内污泥的有机负荷,同时又要避免污泥受冲刷而大量随出流带走.本试验采用逐步加大水力负荷的方法提高污泥负荷.水力负荷从初始的2.26m少(/m,·d)提高到5.30m3(/m3·d),相应的水力停留时间从10.6h减少到4.5h.运行到20d后,在污泥床下部观察到0.5一lmm大小的颗粒污泥,呈黑色,有一定机械强度,但数量少且大小不均匀.此时反应器的HRT为5.7h,污泥负荷在o.sZkgCOD/(kgVSS·d),污泥的U。二、.C。。已达到0.sikgCOD/(kgVSS·d).经46d运行,基本上完成了反应器启动,污泥的VSS/55值达到0.52,玩。.co。为0.85kgCOD(/kgVS.Sd),SVI为25,颗粒污泥最大粒径达3mm左右,这些数据都说明厌氧污泥己具有良好的活性和沉降性能..22反应器的运行特性本试验共进行了154d,运行结果见附表.当处理人工配制的低浓度废水,进水COD平均为342一383mg/L之间,温度在15一29℃时,反应器在水力停留时间为3一8.7h下运行,COD去除率可达71.9知一88.5%,出水COD平均在24一96mg/L之间.即使HRT在3h左右,仍有70%以上的COD去除率.整个试验期问测得出水挥发酸含量小于50mg/L,碱度在340一610mg/L之问,有很好缓冲能力,出水pH在7.0左右.从图2中可见COD去除率随着水力停留时间的缩短而下降.当温度在20℃以上,HRT在4h以上时,温度变化对处理效果影响不大,两条曲线基本重合.而温度在15一19℃时处理效率有所降低.当HRT在4.sh以上时,仍有80肠以上的COD去除率.图3表示在不同温度下COD去除负荷与沼气容积产量的关系,采用最小二乘法求得平均温度为17.2℃,22.3oC和26.4oC时的沼气表观产率分别为0.201,0`238和0.253m,/kgCOD去。,因为沼气在水中的溶解度与温度有关,温度越高,沼气表观产率越大.此外温度在一定范围内升高,使微生物分解有机物质的速率更快,同时作为分解产物的沼气产率也越高.沼气成份中CH`含量高于60%.同济大学学报第幻卷附表温度l)/℃水力负荷/m,·m一.ad一1HRT/h反应器污泥床进水运行试验结果COD/mg·L一’出水(总)出水(溶)”沼气容积产量/m,·m一,·d一`污泥床中污泥浓度民SS)/g’L一`.1…43635353069256`1119.…`123CO46252no八d`心08ZQ口445冉D.1…05no2dl.75…0426.4(25一29)22.3(20~24)35.034.03534348383343361一373376364622ǎ廿.…d`nOg曰`l.87.59..4130一..8262.40.31一..8663.45.3094859784235778823996237517.2(15~19)36.435.6翻.932一8注:1)该项数值为平均值,括号内数值为温度区间;2)通过用定性中速滤纸过滤后侧得滤液的COD值.创.50.40吧…日:日.3么、们t币件r班46HRT/h占~一一`一810L气次、哥淡稍00口容积COD去除负待八`.m一d一,图2不同温度下HRT与COD去除率的关系图3容积去除负荷与沼气容积产量关系反应器的厌氧污泥中含有大量颗粒污泥,粒径大于o.smm的颗粒质量分数在76%左右,最大粒径在3mm左右.电镜观察颗粒污泥表面微生物种类丰富,主要产甲烷菌是索氏产甲烷丝菌和嗜树木产甲烷短杆菌等.厌氧污泥的沉淀性能很好,SVI在20左右.3基质降解动力学研究.31基质降解动力学基础Eckcnfelder认为〔`’,当处理低浓度有机污水(BOD。300mg/)L时,污泥处于生产率下降阶段,基质的降解速率被残存的基质浓度所控制,与其浓度呈一级反应.其单位污泥的墓质降解速率为旦旦-一凡..xsdt(1)式中:S为t时刻的基质浓度(mg/)L;X为反应器中厌氧污泥(VS)S浓度(mg/)L;KZ为减速增长的速度常数(L(/mgVSS·d)).山于基质浓度低,加之厌氧污泥增长量小,故假定X不变,在计算中不会引起显著的误第2期周琪:UASB反应器处理低浓度有机废水的机理研究159差.3.2动力学模型的建立及参数求解在建立基质降解动力学模型之前,首先作如下假设:(l)水在反应器污泥床中停留时间较短(HRT在1.7一5.lh之间),加之厌氧消化产生的沼气对污泥床有较大的扰动,因此假设进人反应器的基质在反应区(污泥床)中是完全混合的.(2)进人反应器的基质不含有微生物.(3)生化反应只发生在污泥床中,污泥层和沉淀区中没有微生物代谢活动发生.(4)进水中所有可生物降解的基质均为溶解性的.(5)沉淀区固液分离良好,反应区所产沼气都立即释放,整个处理系统是在稳态下运行.由以上假设,可建立UASB反应器的工作状态模型,如图4所示.图中符号说明:①.V,叭,.V分别为污泥床、污泥悬浮层、沉淀区容积;②Q为进、出水流量,G、为沼气产量,55为悬浮固体;③X,.X分别为污泥床、污泥悬浮层的污泥浓度;④so,.s分别为进人和流出反应器的基质浓度.按反应器污泥床内基质的平衡,得到.VVV....5(((沉淀区)))VVV、,民,...X(((污泥悬浮层)))vvv.民工工(((污泥床)))图4UASB反应器的工作状态图osQ十vr器一seQ(2)将式(1)代人,并整理得so一&___—~入2饮Xt(3).26.2℃护侣.09肠一22.3℃r=0.990一17.2℃r吕0.朋8,40吕口坦rl一,式中:t为污泥床中的水力停留时间,t一Vr/Q,单位为.d将附表中的试验数据通过图解法,求得减速增长的速度常数K:,见图.5不同温度的K:如下:26.4℃2K=2.77x10一“(L/(mgVSS·d))22.3℃凡=2.40x10一“(L/(mgVSS·d))17.2oCK:一1.89x10一“(L/(mgVSS,d))一幻巧10肠。.0..00,S。A.l旨.吕。旨爪沂”一一。11;站|必图5动力学常数K:求解图.33温度对动力学参数KZ影响的讨论温度对凡的影响可以从不同温度区所计算的K:值变化反映出来.Arrhenins在热力学原理基础上建立了反应速率与温度之间的关系式:k=AO一KR/,(4)式中:k为反应速率常数;本试验为KZ;E为活化能(J/mol);A为常数(指前因子),单位与k相同;R为摩尔气休常数(8.314)/(mol·K));T为热力学温度(K).其对数形式如下式,式中k一凡,同济大学学报第23卷InK:=InA(5)通过一元回归分析可求得活化能E=3.70xl。灯/mol,指前因子A=6.43x102,因此凡与温度之间关系为凡=6.45x10,e一:07x:0’阴,从本试验所求得的活化能值是较低的,而且不遵从Van’七Hoff近似关系,即温度增加10℃,反应速率增长1倍的规律.Ahsare等人曾对厌氧污泥悬浮处理系统a(naeorbicsluryrsystem)进行总结,得出其活化能值E~6.27xl少J/mol,该结果近似符合Van’tHoff关系.Switeznbaum等人对厌氧附着膜膨胀床进行分析,得出其活化能E~2.48x104)/mol,这个值相当低,说明厌氧附着膜系统对温度变化不敏感〔`’.本试验的E大于附着膜系统的E,又小于悬浮增长系统的E.该结果表明UASB反应器对温度变化相对不敏感,即在较低的温度下也有较好的处理效果.这种抗温度变化能力的实质,是反应器内颗粒污泥既具有悬浮增长系统的性质,即废水与污泥接触面积大,传质较快,而又具有附着膜系统的性质,即保持生物量大,颗粒污泥的形成对厌氧微生物有保护作用,抗冲击负荷能力较强.以上理论分析证实了这点,故颗粒污泥的培养成功,是常温下处理低浓度生活污水的技术关键.4结论(l)反应器用消化污泥接种,在温度高于15℃下启动,运行20d后出现颗粒污泥,污泥负荷为o.sZkgCOD/(kgVSS·d).46d基本完成启动.(2)在水温为15一29℃下运行,水力停留时间在3一8.7h,COD去除率可达71.9%一88.5%,出水COD平均小于100mg/L.沼气表观产率在0.201一0.253m3(STP)/kgCOD去除之间.污泥中含大量颗粒污泥,有较好的活性和沉降性能.(3)在低浓度条件下,基质降解符合一级反应,由此得到在温度为17.2℃,22.3℃和26.4℃下,减速增长的速度常数KZ分别为1.89x10一3,2.40X10一“和2.77x10一3L/(m叭55·d).(4)从试验中求得活化能E一3.07xl少J/mol,这表明温度对KZ值影响不大,从理