上流式厌氧污泥床反应器

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1、上流式厌氧污泥床反应器(UASB),一、UASB反应器概述,UASB是上流式厌氧污泥床反应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)的简称。 该工艺具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，是一项能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的技术。,1971年荷兰瓦格宁根（Wageningen）农业大学拉丁格（Lettinga）教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床（UASB）反应器的雏型。,1974年荷兰CSM公司在其6m3反应器处理甜菜制糖废水时，发现了活性污泥自身固定化

2、机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥（granular sludge）。 颗粒污泥的出现，不仅促进了以UASB为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。,继荷兰之后，德国、瑞士、瑞典、美国、加拿大、澳大利亚、泰国、芬兰、西班牙以及中国也相继开展了对UASB的深入研究和开发工作，使这种厌氧处理工艺成为一种应用迅速、使用广泛的新型反应器技术，在高浓度有机工业废水处理中发挥它的作用。,国内对UASB反应器的研究是从80年代初开始的。北京市环境保护科学研究所首先开展了探索性的研究工作。此后，国内很多科研单位和大专院校也开展了研究工作先后对UASB的颗粒污泥培养、反应

3、器的启动、颗粒污泥性能的分析、工艺运行条件的控制以及反应器的工艺设计等进行了广泛而深入的研究。,二、UASB反应器的基本构造,总的来讲，UASB反应器的构造型式主要有两种类型。 一种类型是周边出水、顶部出沼气的构造型式； 另一种类型是周边出沼气、顶部出水的构造型式； 当反应器容积较大时，也可以设多个出水口或多个沼气出气口的组合结构形式。,UASB反应器的基本构造主要包括以下几个部分： 污泥床 污泥悬浮层 沉淀区 三相分离器 进水和配水系统,1、污泥床,污泥床位于整个UASB反应器的底部。 污泥床内具有很高的污泥生物量，其污泥浓度(MLSS)一般为4000080000mg/L,污泥床中污泥由高度

4、发展的颗粒污泥组成，其中活性生物量(或细菌)占70%80%以上的，正常运行的UASB中颗粒污泥的粒径一般在0.55mm之间，具有优良的沉降性能， 沉降速度一般为1.21.4cm/s， 典型的污泥容积指数(SVI)为1020ml/g。 颗粒污泥中的生物相组成比较复杂，主要是杆菌、球菌和丝状菌等。,污泥床的容积一般占整个UASB反应器容积的30%左右，但它对UASB反应器的整体处理效率起着极为重要的作用，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%90%。 污泥床对有机物如此有效的降解作用，使得在污泥床内产生大量的沼气，微小的沼气气泡经过不断的积累、合并而逐渐形成较大的气泡，并

5、通过其上升的作用而将整个污泥床层得到良好的混合。,2、污泥悬浮层,污泥悬浮层位于污泥床的上部，占据整个UASB反应器容积的70%左右。 其中的污泥浓度要低于污泥床，通常为1500030000mg/L,污泥悬浮层由高度絮凝的污泥组成，一般为非颗粒状污泥，其沉速要明显小于颗粒污泥的沉速，SVI一般在3040ml/g之间，靠来自污泥床中上升的气泡使此层污泥得到良好的混合。 污泥悬浮层中絮凝污泥的浓度呈自下而上逐渐减小的分布状态。这一层污泥担负着整个UASB反应器有机物降解量的10%30%。,3、沉淀区,沉淀区位于UASB反应器的顶部。,其作用是使得由于水流的夹带作用而随上升水流进入出水区的固体颗粒(

6、主要是污泥悬浮层中的絮凝性污泥)在沉淀区沉降下来，并沿沉淀区底部的斜壁滑下而重新回到反应区内(包括污泥床和污泥悬浮层)，以保证反应器中污泥不致流失而同时保证污泥床中污泥的浓度。 可以通过合理调整沉淀区的水位高度来保证整个反应器的集气室的有效空间高度而防止集气空间的破坏。,4、三相分离器,三相分离器是UASB反应器中最有特点和最重要的装置，一般设置在沉淀区的下部，但也可将其设置在反应器的顶部，具体视所用的反应器的型式而定。,三相分离器由气体收集器和折流挡板组成。有时，也可将沉淀装置看做三相分离器的一个组成。 其主要作用是将气体(反应过程中产生的沼气)、固体(反应器中的污泥)和液体(被处理的废水)

7、等三项加以分离。将沼气引入集气室，将处理出水引入出水区，将固体颗粒导入反应区。相当于传统污水处理工艺中的二次沉淀池，并同时具有污泥回流的功能。,5、进水和配水系统,UASB反应器的进水系统兼有配水和水力搅拌的功能。 目前生产性UASB反应器装置所采用的进水方式: 间隙式进水、 脉冲式进水、 连续均匀进水 连续进水与间隙回流相结合的进水方式,UASB反应器中一般情况下多采用连续进水的运行方式，必要时也可采用脉冲式进水和连续进水与间隙回流相结合的进水方式。采用后两种进水方式的目的是使反应器内的絮凝、颗粒污泥经常性地处于均匀混合和颗粒松散状态，多在反应器的启动初期或反应器中出现沟流时使用。当反应器运

8、行正常后，一般不必进行回流，而进行连续进水。,三、UASB反应器的反应机理,UASB反应器中的厌氧反应过程与其它厌氧生物处理工艺一样，包括了极为复杂的生物反应过程。虽然迄今为止仍未完全了解反应过程中的复杂机理(对于诸如纤维素等非溶解性的复杂有机物而言更是如此)，但目前业已提出了比较全面的厌氧反应过程的有关基本过程。,厌氧反应过程与好氧处理过程不同，它有多种不同的微生物参与了底物的转化过程，经过复杂的反应将底物转化为最终产物。 在反应过程中，经过水解、发酵、产酸和产气步骤，复杂的底物被厌氧微生物转化为多种多样的中间产物，如糖类、有机酸、醇、醛和氢等，并最终转化为沼气。,在厌氧消化过程中参与反应的

9、厌氧微生物主要有以下几种： 水解发酵(酸化)细菌：将复杂的聚合底物水解成各种有机酸、乙醇、糖类、氢和二氧化碳。 乙酸化细菌：将第一步水解发酵的产物(有机酸和糖类等)转化为氢、乙酸和二氧化碳。 产甲烷菌：将简单的底物，如乙酸、甲醇和二氧化碳，与氢转化为甲烷。,非溶解性有机聚合物(蛋白质、脂类和碳水化合物等)的厌氧分解还可以更细致地划分为六个明显的步骤： 聚合物(蛋白质、脂类或碳水化合物)水解； 氨基酸和糖发酵成氢、乙酸盐、短链脂肪酸和乙醇；,长链脂肪酸和乙醇的无氧氧化； 中间产物如挥发酸(乙酸除外)的无氧氧化； 嗜乙酸微生物将乙酸转化为甲烷； 嗜氢微生物将氢转化为甲烷(二氧化碳还原)。,四、UA

10、SB反应器的工作原理,需要处理的废水以一定的流速自反应器的底部进入反应器，水流在反应器中呈推流形式上升，废水流速一般为0.51.5m/h，多宜在0.60.9m/h之间。 进水首先流入反应器底部的污泥床，随后流入污泥悬浮层，与反应区中的污泥充分混合接触，污泥中的微生物对厌氧分解水中的有机物，把它转化为沼气。,厌氧分解过程中产生的沼气在上升过程中将污泥颗粒托起，由于大量气泡的产生，即使在较低的有机和水力负荷条件下也能看到污泥床明显的膨胀。 沼气以微小气泡的形式不断放出，微小气泡在上升过程中相互结合而逐渐形成较大的气泡，将污泥颗粒向反应器的上部携带，最后由于气泡的破裂，绝大部分污泥颗粒又返回到污泥区

11、，对污泥起到搅拌的作用。,随着反应器产气量的不断增加，由气泡上升所产生的搅拌作用变得日趋激烈，从而降低了污泥中夹带气泡的阻力，气体便从污泥床内突发性地逸出，引起污泥床表面呈沸腾和流化状态。反应器中沉淀性较差的絮体状污泥则在气体的搅拌作用下，在反应器上部形成污泥悬浮层。沉淀性能良好的颗粒状污泥则处于反应器的下部形成高浓度的污泥床。,随着水流的上升流动，气、水、泥三相混合液上升至三相分离器中。 沼气碰到分离器下部的反射板后折向集气室，被有效地分离收集，并通过沼气管道排出。 污泥和水进入反应器上部的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，在重力的作用下沉降，发生泥水分离。回落至斜壁上的污泥沿斜壁

12、滑回反应器的反应区。处理过的水从沉淀区溢流堰溢出，排出反应器。,由于三相分离器的作用，使得反应器混合液中的污泥有一个良好的沉淀、分离和再絮凝的环境，有利于提高污泥的沉降性能。在一定的水力负荷条件下，绝大部分污泥能在反应器中保持很长的停留时间，使反应器中具有足够的污泥量。,五、UASB反应器的特点,UASB反应器的优点： 反应器内污泥浓度高。 一般平均污泥浓度为3040g/L，污泥床为4080g/L，污泥悬浮层为1530g/L。 反应器中的污泥颗粒化。 颗粒污泥具有生物固体沉降性能好、生物浓度高、固液分离好的特点，使反应器对不利条件的抗性增强，是UASB反应器的一个重要特征。,反应器的有机负荷高

13、。 COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达2040kg COD/(m3d)，在大型生产装置中可达到 68kg COD/(m3d)。 工艺简单，投资和运行费用低。 反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，因而无污泥回流设备。,反应器无混合搅拌设备。 投产运行后，利用进水和本身产生的沼气进行搅动，实现基质与污泥的充分接触。 反应器中不使用填料。 提高了容积利用率，节省造价及避免堵塞问题。而填料在其它构型中为生物有效停留提供稳定环境，是必须的。,UASB反应器的局限： 大型装置内易发生短流现象，影响处理能力，对配水系统的性能要求较高。 反应器进水SS不宜超过200mg/L，以避

14、免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞。,反应器在没有颗粒污泥接种的情况下，启动时间长。 反应器对进水水质和负荷的突然变化比较敏感，耐冲击力较差。 反应器中所要求的水温较高，最好在35左右。,六、UASB反应器的控制要点,在UASB反应器的运行中，其控制要点及常见问题主要有以下四个方面： 反应器的启动和颗粒污泥培养 反应器污泥流失及解决方法 反应器中的酸碱平衡及pH值的控制 反应器中硫酸盐、硫化氢的控制技术,1、反应器的启动和颗粒污泥培养,对于一个新建的UASB反应器来说，启动过程主要是用未经驯化的絮状污泥对其进行接种，并经过一定时间的启动调试运行，使反应器达到设计负荷并实现有

15、机物的去除效果，通常这一过程会伴随着污泥颗粒化的实现，因此也称为污泥的颗粒化。 由于厌氧微生物，特别是甲烷菌增殖很慢，厌氧反应器的启动需要很长时间。但是，一旦启动完成，在停止运行后的再次启动可以迅速完成。,当没有现成的厌氧污泥或颗粒污泥时，采用最多的是城市污水处理厂的消化污泥。除消化污泥之外，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。一些污水沟的污泥和沉淀物或富微生物的河泥也可以被用于接种，甚至好氧活性污泥也可以做为接种污泥。污泥的接种浓度以68kgVSS/m3 (按反应器总有效容积计算)为宜，至少不少于5kgVSS/m3，接种污泥的填充量应不超过反应器容积的60%。,当接种污泥

16、不是颗粒污泥时，为了培养颗粒污泥或沉降性能好的活性污泥，都存在着一个将絮状污泥和分散的细小污泥从反应器内“洗出”的过程，这是UASB反应器实现颗粒化的先决条件之一。 这一过程是一个微生物逐步筛选和进化的过程，控制的关键因素之一是反应器内的水力停留时间或上升流速。经验表明，升流速度在0.41.0m/s之间较合适，如果有必要可以采用出水回流方式以适当提高反应器内的升流速度。 一般来说，在颗粒污泥培养期内随水被冲出反应器的污泥是没有必要回流到反应器中去的。,从负荷角度考虑UASB的初次启动和颗粒化过程，可分为三个阶段： 启动的初始阶段，这一阶段是低负荷阶段(2kgCOD/(m3d) 当反应器负荷上升至25kgCOD/(m3d)的启动阶段。在这阶段污泥的洗出量增大，其中大多为细小的絮状污泥。实际上这一阶段在对较重的污泥颗粒和分散的、絮状的污泥进行选择，使这一阶段的末期留下的污泥中开始产生颗粒状污泥。,这一阶段是反应器负荷超过5kgCOD/(m3d) 在此时，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