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1、上流式厌氧污泥床反应器UASB反应器（Up-flow Anaerobic Sludge Blanket）,苏州科技大学Group Member：广耀 剑虹 江波 尹朗,The content of UASB,一、UASB反应器的概述、构造以及工作原理二、厌氧颗粒污泥 三、UASB的运行控制四、UASB的应用,History of UASB,一、概述 UASB（升流式厌氧污泥床）工艺是由Lettinga等人在20世纪70年代开发。他们在研究用升流式厌氧滤池处理马铃薯加工和甲醇废水时取消了池内的全部填料，并在池子的上部设置了气、液、固三相分离器，于是一种结构简单、处理效率很高的新型厌氧反应器便诞生
2、了。UASB反应器一出现很快便获得广泛的关注与认可，并在世界范围内得到广泛应用。,The Structure of UASB,OperatingTheory of UASB,UASB反应器是集有机物去除以及泥、水、气三相分离于一体的集成化废水处理工艺，其工艺的突出特征是反应器中可以培养形成沉降性能良好的颗粒污泥、形成污泥浓度极高的污泥床，使其具有容积负荷率高、污泥截留效果好、反应器机构紧凑等一系列优良的运行特征。,ProcessCharacteristics,UASB 反应器运行的3 个重要的前提是:反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥。产气和进水的均匀分布所形成的良好的搅拌作用。设计
3、合理的三相分离器,能使沉淀性能良好的污泥保留在反应器内。,UASB,1 进水分配系统2 反应区（污泥床、污泥悬浮区）3 三相分离器4 出水系统5 排泥系统,1、进水分配系统 主要是将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并具有一定的水力搅拌功能。它是反应器高效运行的关键之一。UASB采用的进水方式大多为间歇式进水，脉冲式进水，连续均匀进水和连续进水与间歇进水相结合的方式。,2、反应区,反应区是UASB的核心，是培养和富集厌氧微生物的区域，废水与厌氧污泥在这里充分混合，产生强烈的生化反应，废水有机会被分解。,污泥床内具有很高的污泥生物量，一般为沉降性能好的颗粒污泥，MLSS一般为4080g/L,占反
4、应区容积的30%左右，对有机物的降解量占反应器全部降解量的70%90%。污泥悬浮层的污泥浓度通常为1530g/L,一般为非颗粒状污泥。,3 三相分离器 三相分离器由沉淀区、集气室和气封组成，主要作用是将气体、固体、液体三相加以分离。气体被分离进入集气室，然后固液混合物在沉淀区进行固液分离，将处理水引入出水区，下沉的污泥借助重力由回流缝进入反应区。,a和c构造简单，维护方便，但是泥水分离情况相对较差，在回流缝同时存在上升和下降两股流体，互相干扰，易导致污泥回流不畅。b构造相对复杂，但是污泥回流和水上升互不干扰，泥水分离效果好，气体分离效果也较好。,4、出水系统 出水均匀排出，对固液分离的影响较大
5、，也是保证反应器均匀稳定运行的关键。UASB反应器的出水槽布置与三相分离器沉淀区设计有关，通常每个单元三相分离器设一个出水槽，常用的两种布置形式如图所示。,5、排泥系统 UASB反应器的设计必须有剩余污泥排放口。一般认为剩余污泥排放口设置在反应器中部为好，也有的反应器设在底部或在三相分离器下方大约0.5m的地方。排泥点设置数量根据实际情况而定，一般每10m2设一个排泥口。当采用穿孔管配水系统时，可同时把穿孔管兼作排泥管，专设排泥管管径一般不小于200mm，以防堵塞。为了运行方便，可在反应器1/2高度处或三相分离器下0.5m处再设一个排泥装置，沿反应器高度均匀地设5-6个污泥取样口。,厌氧颗粒污
6、泥,作用形成机理形成过程影响因素,UASB中污泥的特性,UASB的有机负荷率与污泥浓度有关,试验表明，污水通过底部0.40.6m的高度，已有90的有机物被转化。由此可见厌氧污泥具有极高的活性，改变了长期以来认为厌氧处理过程进行缓慢的概念。工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于生成具有优良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是颗粒状污泥。与此相反，如果反应区内的污泥以松散的絮凝状体存在，往往出现污泥上浮流失，使UASB不能在较高的负荷下稳定运行。,污泥颗粒化机理,污泥颗粒化是一个较为复杂的过程，其形成机理没有完美的解释。由不同机理形成的颗粒污泥在外形、组成菌群、密实程度都不同。,选择压理论(1983
7、),颗粒化本质是对反应器中存在的污泥颗粒的连续选择过程 废水经水解酸化后含有大量VFA。Methanotrix对VFA的亲和力更高，作为优势菌具有聚集并附着在废水中其它颗粒物表面的能力。丝菌缠绕由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长核心生长而成,甲烷丝状菌在微絮体中的架桥作用(1987),甲烷丝菌特殊的形态和表面特性，其能在几个微絮体间架桥形成较大颗粒 甲烷丝菌通过形成使整个结构稳定的网状结构对颗粒强度有重要作用,微絮体电中和,微生物表面带负电荷，与废水中金属离子（Ca2+、Mg2+、Fe2+）间相互吸引发生电中和。通过电中和削弱了微生物间的排斥作用，更易形成颗粒。,胞
8、外聚合物假说,通过扫描电镜观察发现，颗粒污泥中某些细菌会分泌出胞外聚合物，而胞外聚合物为共生细菌间提供生成各种生物键的条件。微生物细胞连在一起形成微生物菌落的层状结构，在此基础上细菌进一步生长形成颗粒污泥。,开普敦假说(1987),颗粒化取决于以H2为唯一能源、能产生除半胱氨酸外的其所有氨基酸的微生物Methanobacterium AZ菌株,甲烷丝菌菌胶团为核心的多层颗粒(1990),结晶核心的形成(1997),颗粒污泥的形成类似结晶的过程。在晶核的基础上，颗粒不断发育最终形成颗粒污泥。颗粒化污泥的晶核来自废水中或泥中不溶性无机盐。在启动过程中加入Ca+加快晶核的形成，对已经形成的颗粒污泥镜
9、检表明颗粒内核中存在较多的CaCO3晶体。,质子转移-脱水理论(2000),理论认为污泥颗粒化过程由下述四步组成细菌表面的脱水胚胎颗粒污泥形成颗粒污泥成熟成熟后期水力剪切可减弱水合排斥力和细胞憎水性质，促进酸化菌、乙酸菌和甲烷菌能相互附着形成颗粒污泥的胚胎,污泥分类,以前人们认为污泥的颗粒化过程主要靠能形成胞囊的甲烷八叠球菌，但是甲烷八叠球菌的附着能力很差,产生的污泥颗粒小，它们在颗粒污泥中的出现是被丝状细菌网络其中的结果,颗粒结构的形成,有利于细菌之间代谢产物的交换,特别是有利于种间氢转移,颗粒污泥是以丝状甲烷菌为主体构成一个颗粒污泥的生长核,外周附着生长产氢产乙酸菌、产甲烷菌和水解产酸菌。
10、研究表明，反应器中丝菌污泥颗粒的数量是甲烷八叠球菌污泥的46倍，前者有更强的附着能力，更易颗粒化，形成的颗粒更大。,颗粒化过程,通常污泥颗粒化过程分为三个阶段：启动运行期、颖粒污泥出现和颗粒污泥成熟期。以丝菌颗粒污泥为例分为五个时期：絮凝污泥丝状菌增长期，颗粒污泥亚单位生成期，亚单位聚集期，初生颗粒生长期，颗粒污泥生长和成熟期。,絮凝污泥丝状菌增长期,在反应器启动时,接种的通常是絮凝性污泥。呈分散状的污泥逐渐形成有结构的絮凝体。活性污泥中非生物物质的数量逐渐减少,各种细菌,尤其是丝状细菌（主要是丝状甲烷菌）数量明显增多。随着絮凝体的出现,污泥活性明显增强,使得反应器内的VFA浓度逐渐下降并趋于
11、稳定，导Methanosarcina数量减少。,颗粒污泥亚单位生成期,具有大量甲烷毛发菌的絮凝污泥,随着反应器有机负荷和水力负荷的增加,逐步结聚成小的团块，这些团块是形成颗粒污泥的亚单位。结聚成的团块,由于丝状菌的缠绕和其分泌的胞外附着物的粘连,其结构变得较为致密,大小一般为 50100m形状不规则。,亚单位聚集期,当反应器中有大量颗粒污泥亚单位生成后,亚单位表面的丝状菌互相粘连,开始时可能只有23个亚单位粘连在一起,逐渐发展到许多亚单位聚集在一起;刚刚聚集在一起的颗粒,亚单位之间呈半透明状态,在光学显微镜下其界限明显可见,颗粒的边缘不整齐,整体呈桑箕状,称做初生颗粒。,初生颗粒生长期,由亚单
12、位聚集形成的初生颗粒,一般结构较疏松,亚单位之间呈半透明状态,颗粒表面无统一的基质膜包围,边缘不整齐。随着初生颖粒内细菌的生长和黑色金属硫化物在亚单位之间的沉积,颗粒逐渐变得致密,亚单位之间不再透明,颗粒表面逐渐被细菌代谢所产生的基质包围,表面变得光滑而整齐,形成一个具有一定强度和弹性的栋样黑色颗粒,这一过程称谓初生颗粒的生长过程。初生颗粒具有多种形状,但多数近于球形;伸展于颗粒外的丝状菌逐渐减少，至此一个完整的颗粒污泥初步形成。,颗粒污泥生长和成熟期,初生颗粒中各种细菌在颗粒中根据生态平衡原则不断生长繁殖,使颗粒不断长大成熟。在正常条件下,颗粒经过 5080d的生长,直径多保持在13mm之间
13、,平均为2mm左右,成熟颗粒绝大多数为近球形,从外形上看,初生颗粒和成熟颗粒没有区别。但是成熟颗粒中细菌密度明显比初生颗粒高,因而使反应器具有更高的效率。,影响污泥颗粒化的因素,水力条件,反应器中水流与污泥床的逆向流动所产生的对污泥床的搅拌作用，对絮凝性污泥有剪切作用，有利于丝状菌相互缠绕，为污泥颗粒化创造良好的外部条件。适当的上升流速对污泥有筛分作用，将比重较小的絮状污泥带到污泥悬浮层，把较重的颗粒污泥留在污泥床。,水质条件,进水中必须包含微生物生长所需的各种成分，合适的C:N:P，和作为甲烷菌辅酶的重要组分及对污泥颗粒化有加速作用的镍、钴、鉬、锌、锰、铁等微量元素。适宜的有机负荷是污泥颗粒
14、化的根本条件。研究表明，当有机负荷为0.3kg/(kgd)时,即可开始形成颗粒污泥，当有机负荷提到0.6kg/(kgd)时，颗粒化速度明显加快。为了使污泥颗粒具有良好的沉降性能，可以向进水中添加钙离子作为污泥颗粒的核心。,碱度,碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面:一是对颗粒化进程的影响,二是对颗粒污泥产甲烷活性（SMA）的影响。在一定的碱度范围内,进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快,但颗粒污泥的SMA 低;进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢,但颗粒污泥的SMA 高。因此,在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(但不能使反应器的pH 8.2,这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的
15、颗粒化,使反应器快速启动;而在颗粒化过程基本结束时,进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的SMA。,UASB反应器的运行控制,进水基质类型和营养比的控制,主要处理高浓度有机工业污水营养要均衡，C:N:P比例要适宜UASB启动时，进水COD浓度应该低些。补充微量金属离子可以增加活细胞的浓度以及它们的酶活性,加快颗粒污泥的形成,进水SS的控制,UASB反应器对进水SS比较敏感启动阶段不易高于2000mg/L过高的SS导致污泥活性降低，易堵塞和降低反应器有效容积,有机负荷的控制,甲烷菌的数量和活性是UASB效率的主要限制因素。负荷过高，反应器内水解菌和产酸菌增多，反应器内pH降低，产甲烷菌受到抑制。在启
16、动阶段，一次增加的负荷不宜过高，在低负荷阶段提负荷可以稍快，超过0.1kgCOD/kgSSd后每次负荷提高量为20%30%,在每一阶段要运行20天甚至更长时间。,水力负荷,水力负荷过小，不能将反应器底部污泥充分搅起。水力负荷过大，可能导致污泥层的崩溃。UASB反应器一般控制0.10.3m3/(m2h),VFA的控制,挥发酸的高低是颗粒污泥形成不同类型的重要因素。可以通过控制反应器内挥发酸浓度来选择污泥的优势菌种过量的挥发酸将直接影响甲烷菌的活性和产气量,温度的控制,实际应用中UASB反应器多为中温运行。水质不同，反应器内的优势菌会有差别，需要的最佳温度也不相同。尽量保证温度的稳定，温度波动范围
17、最好控制在3之内,碱度和PH的控制,碱度的作用是中和厌氧过程中产生的有机酸，维持适宜的PH.控制在20004000mg/L产甲烷菌对PH比较敏感。当PH偏低时，真菌大量繁殖，严重影响处理效果Ph过高的话，生化代谢速率明显变慢,有毒有害物质的控制,SO42-的控制SO42-的还原产物H2S对产甲烷菌有抑制作用,应控制进水COD/SO42-大于10.NH3-N的控制质量浓度在50-200mg/L时，对微生物有刺激作用,1500-3000mg/L时对微生物有明显的抑制作用其他有毒物质这些物质主要是:重金属、碱土金属、三氯甲烷、氰化物、酚类、硝酸盐和氯气.,沼气产量及其组分,反应器运行过程中，在一定的
18、COD容积负荷率下，沼气的产量是一定的。高浓度有机废水的产气率和COD去除率成线性关系。沼气中的CH4 含量和CO2 的含量也是基本稳定的.沼气产量及其组分的变化直接反映了处理工艺的运行状态.,排泥,UASB反应器排泥量很少，启动和运行最初100-200d几乎不需排泥，污泥龄很长UASB内污泥浓度的增加,处理效率会得到改善。超过一定高度，恶化出水水质。定期排放污泥，应从污泥床上部排泥，底部排杂质和细砂。,UASB常见的运行异常情况,酸败有机负荷过高，反应器内水解菌和产酸菌增多，反应器内pH降低，产甲烷菌受到抑制。污泥流失造成污泥流失的原因很多，实质是已形成的颗粒污泥性状发生变化,所以对反应器内
19、污泥量应定期监测。从液面跑气敞开式UASB反应器运行中有时会发现从反应器表面有气泡冒出,造成沉淀区污泥上翻,随出水流失。原因：1）水封罐液位过高或水封罐后管路压力过高 2）污泥回流间隙被污泥堵塞,沉淀区污泥不能及时回流到反应器中 3）气室体积太小,气室液面有大量浮泥,将出气口堵塞,沼气进入沉淀区,UASB的应用,制药废水处理造纸废水处理UASB的发展 IC反应器 EGSB反应器 UASB发展趋势 尹朗 环境工程,UASB的应用,UASB反应器处理工艺是目前研究较多、应用日趋广泛的新型污水厌氧处理工艺,他除了具有厌氧处理的优点,如工艺结构紧凑、处理能力大、无机械搅拌装置、处理效果好、投资省等优点
20、外,还具有其他厌氧处理工艺(厌氧流化床、厌氧滤池等)难以 比拟的优点:1.可实现污泥的颗粒化;2.生物固体的停留时间可长达100d；3.气、固、液的分离实现了一体化;4.通常情况下不发生堵塞,因而他具有很高的处理能力和处理效率,尤其适用于各种高浓度有机废水的处理,现已被列为国家重点推广技术。,UASB 工艺在制药废水处理中的应用,近几年来,随着我国各类医药化工及保健品制造业的迅猛发展,制药过程中产生的废水也日益增多,该行业也逐渐成为国家环保规划重点治理的行业之一。制药废水特点：成分复杂、毒性大、色度高、含难生物降解物质、水质水量变化大,是较难处理的工业废水。,制药废水处理流程：,车间废水,格栅
21、,集水调节池,铁碳电解器,中间沉淀池,中间水池,沉淀池,好氧池,UASB反应器,沼气利用,达标排放,剩余污泥排放,泵,泵,污泥回流,UASB 工艺在造纸废水处理中的应用,以稻草、小山竹为原料生产半化学浆制造餐盒纸板的小型制浆造纸厂，制浆黑液除一部分用于生产干粉外售外，多余黑液通过沉淀池及好氧曝气处理，再沉淀，最后经浅层气浮处理，废水达标排放。废水处理费用高，企业经济负担重。为了降低制浆废水处理成本，建一个小型厌氧处理系统，流程如下：,由上图可知：该系统投产后，运行正常，在进塔稀黑液COD5由原来的8376mg/L降到4310mg/L，仍不能满足生产要求，为了挖掘厌氧系统的生产潜力，结合厂里实际
22、情况，对该系统进行了改进，如下：,UASB反应器的发展,在UASB反应器工艺的过程中，仍存在一些目前尚难以解决的问题或不足，如三相分离器尚没有一个成熟的设计方法、对含有高浓度悬浮固体的废水需要考虑SS的预处理问题等。此外，污泥的颗粒化对工艺要求比较严格，并受多种运行和操作条件的影响，相关研究人员对UASB反应器工艺深入研究的基础上，通过对其三相分离器、污泥颗粒化条件、水力流态以及进水SS的适应性等方面的改进，进一步开发了IC和EGSB等新型厌氧处理工艺，进一步拓展了UASB反应器工艺的发展及其在不同废水处理中的推广应用。,IC反应器,IC 反应器（内循环反应器）可以看成是两个UASB 反应器串
23、联。其构造特点是具有很大的高径比,可达4-8,反应器的高度可达16 25m。其基本构造如下图：,EGSB膨胀颗粒污泥床厌氧反应器,EGSB反应器是对UASB反应器的改进,与UASB反应器相比,它们最大的区别在于反应器内液体上升流速的不同。在UASB 反应器中,水力上升流速Vup一般小于1m/h,污泥床更象一个静止床,而EGSB反应器通过采用出水循环,其Vup一般可达到5-10m/h。,UASB 工艺的发展趋势,就目前的应用水平而言,以UASB 反应器为代表的高速厌氧反应器所处理的废水污染物以碳水化合物及其降解产物为主。同时，毒性物质严重抑制细菌的生长。但是最新的发展正在突破以上界限,表现在:1.低温下UASB反应器的运行;2.高温厌氧处理；3.用于处理不积累或不产生新的颗粒污泥的UASB 反应器;4.处理含有高浓度毒性物质的废水;5.低浓度废水的厌氧处理.随着对UASB反应器研究的不断深入和启动、运行操作管理水平提高,UASB 反应器的应用前景是十分广阔的.,谢谢大家！,
