《废水厌氧生物处理过程设计与优化.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《废水厌氧生物处理过程设计与优化.ppt（435页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、废水厌氧生物处理过程设计与优化,一、厌氧生物处理过程及其特征二、厌氧消化微生物三、厌氧生物处理的影响因素四、厌氧消化工艺的发展及其应用五、升流式厌氧污泥床反应器的设计六、升流式厌氧污泥床反应器的启动和应用七、第三代厌氧反应器,废水厌氧生物处理过程设计与优化,一、厌氧生物处理过程及其特征 厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由活性污泥中的多种微生物共同作用，使有机物分解并生成CH4和CO2的过程。,人们对有机物厌氧消化的认识不断深化：两段说三段说四种群说,1、两段说,1930年Buswell 和Neave 肯定了Thumm 和Reichie(1914)与Imhoff(1916)的看法，把
2、有机物厌氧消化过程分为:酸性发酵和碱性发酵两个阶段。,两阶段厌氧消化过程,有机物厌氧消化过程中pH的变化,2、三阶段理论,1979年布利安特(Bryant)等人提出了厌氧消化的三阶段理论。三阶段理论认为，厌氧消化过程是按以下步骤进行的：,三阶段厌氧消化过程,第一阶段，水解、发酵阶段,复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵。例如，多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。,第二阶段，产氢、产乙酸阶段,由一类专门的细菌，称为产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和C02。,第三阶段，产甲
3、烷阶段,由产甲烷细菌利用乙酸和H2、C02，产生CH4。研究表明，厌氧生物处理过程中约有70%CH4产自乙酸的分解，其余少量则产自H2和CO2的合成。,三阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。,几乎与Bryant提出三阶段理论的同时，Zeikus(1979)在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论。,4、四种群说理论,复杂有机物厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，四种群即是：水解发酵菌，产氢产乙酸菌，同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌），以及产甲烷菌。,四种群说有机物厌氧降解示意图,5、有硫酸盐存在条件下葡萄糖的厌氧消化,6、厌氧生物处理的主要特征,与好氧生物处理相比较，厌氧生物处
4、理的主要特征有：能量需求大大降低，还可产生能量。因为厌氧生物处理不要求供给氧气，相反却能生产出含有50%70%甲烷(CH4)的沼气，含有较高的热值(约为21000 25000Kg/m3)，可用作能源。,为去除1kgCOD，好氧生物处理大约需消耗0.51.0kWh电能。而厌氧生物处理每去除1kgCOD大约能产生3.5kWh电能。,污泥产量极低。因为厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。一般，厌氧消化中产酸细菌的产率(VSS/COD)为0.150.34，产甲烷细菌为0.03左右，混合菌群的产率约 0.17；而好氧微生物的产率约为0.25 0.6。,因此，去除每千克COD，好氧生物处理的污泥产量约
5、为250600g VSS；而厌氧生物处理的污泥产量仅为180200gVSS。,对温度、pH等环境因素更为敏感。厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类，其适宜的温度范围分别为55左右和35左右。,如温度降至10以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，在5以上的温度条件下均能较好地发挥作用。产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小。,如温度降至10以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下。而好氧微生物对温度的适应能力较强，在5以上的温度条件下均能较好地发挥作用。产甲烷菌的最适pH范围也较好氧菌为小。,温度对微生物活性的影响,处理后废水有机物浓度高于好氧处理。,厌氧微生物可对好氧
6、微生物所不能降解的一些有机物进行降解(或部分降解)。,处理过程的反应较复杂。厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程，远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。,二、厌氧消化微生物,(一)发酵细菌(产酸细菌)主要包括梭菌属(Clostridigm)、似杆菌属(Bacteroides)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真细菌属(Eubacterium)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等。,这类细菌的主要功能是先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸，醇类等。不溶性有机物 可溶性有机物可溶性的大分子有
7、机物 小分子,研究表明，该类细菌对有机物的水解过程相当缓慢，pH和细胞平均停留时间等因素对水解速率的影响很大。,因此，当处理的废水中含有大量难水解的类脂时，水解就会成为厌氧消化过程的限速步骤。但产酸的反应速率较快，并远高于产甲烷反应。,发酵细菌大多数为专性厌氧菌，但也有大量兼性厌氧菌。除发酵细菌外，在厌氧消化的发酵阶段，也可发现真菌和为数不多的原生动物。,(二)产氢产乙酸菌,近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包括互营单孢菌属(Syntrophomonas)、杆菌属(Syntrophobacter)、梭菌属(Clostridium)、暗杆菌属(Petobacter)等。,这类细菌能把各种挥发性脂肪
8、酸降解为乙酸和H2。其反应如下：降解乙醇 CH3CH2OH十H2OCH3COOH+2H2 降解丙酸 CH3CH2COOH十2H2O CH3COOH+3H2+CO2 降解丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O 2CH3COOH+2H2,上述反应只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也很低时才能完成。产氢产乙酸细菌可能是绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌。,(三)产甲烷细菌,产甲烷菌大致可分为两类：一类主要利用乙酸产生甲烷；另一类数量较少，利用氢和CO2合成生成甲烷。也有极少量细菌，既能利用乙酸，也能利用氢。,以下是两个典型的产甲烷反应：利用乙酸 CH3COOH CH4+CO2 利用H2和CO2 4H2十CO2
9、CH4+2H2O,产甲烷菌都是绝对厌氧细菌，要求生活环境的氧化还原电位在150400mV范围内。氧和氧化剂对产甲烷菌有很强的毒害作用。,产甲烷菌的增殖速率慢，繁殖世代期长，甚至达46d。因此，在一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的控制阶段。,(四)厌氧微生物群体间的关系,在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条件，但又相互制约。,厌氧微生物群体间的相互关系,1不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质 不产甲烷细菌把各种复杂的有机物质，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行厌氧降解，生成游离氢、二氧化碳、氨、乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、甲
10、醇、乙醇等产物。,丙酸、丁酸、乙醇等又可被产氢产乙酸菌转化为氢、二氧化碳、乙酸等。,所以，不产甲烷细菌通过其生命活动为产甲烷细菌提供了合成细胞物质和产甲烷所需的碳前体和电子供体、氢供体和氮源。,产甲烷细菌充当厌氧环境有机物分解中微生物食物链的最后一个生物体。,2不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件 厌氧发酵初期，由于加料使空气进入发酵池，原料、水本身也携带氧气，这对产甲烷细菌是有害的。不产甲烷细菌类群中那些需氧和兼性厌氧微生物将其去除。,各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应不相同，通过它们有顺序地交替生长和代谢活动，使发酵液氧化还原电位不断下降，逐步为产甲烷细菌生长和产甲烷创造适宜的氧
11、化还原条件。,3不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质 在以工业废水或废弃物为发酵原料时，其中可能含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸、重金属等对于产甲烷细菌有毒害作用的物质。,不产甲烷细菌中有许多种类能裂解苯环、降解氰化物等从中获得能源和碳源。这些作用不仅解除了对产甲烷细菌的毒害，而且给产甲烷细菌提供了养分。,此外，不产甲烷细菌的产物硫化氢，可以与重金属离子作用生成不溶性的金属硫化物沉淀，从而解除一些重金属的毒害作用,4产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制 不产甲烷细菌的发酵产物可以抑制其本身的不断形成。氢的积累可以抑制产氢细菌的继续产氢，酸的积累可以抑制产酸细菌继续产酸。,A+B
12、C+D,在正常的厌氧发酵中，产甲烷细菌连续利用由不产甲烷细菌产生的氢、乙酸、二氧化碳等，使厌氧系统中不致有氢和酸的积累，就不会产生反馈抑制，不产甲烷细菌也就得以继续正常的生长和代谢。,例如：降解乙醇 CH3CH2OH十H2O CH3COOH+2H2,5不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值 在厌氧发酵初期，不产甲烷细菌首先降解原料中的糖类、淀粉等物，产大量的有机酸，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的pH明显下降。,而此时，一方面不产甲烷细菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨中和部分酸；,厌氧消化过程,另一方面，产甲烷细菌利用乙酸、甲酸、氢和二氧化碳形成甲烷，消耗酸和二氧
13、化碳。,因此，两个类群的共同作用使pH稳定在一个适宜范围内。,三、厌氧生物处理的影响因素,由于产甲烷菌对环境因素的影响较非产甲烷菌(包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌)敏感得多，产甲烷反应常是厌氧消化的控制阶段。,1温度 温度是影响微生物生命活动最重要因素之一，其对厌氧微生物尤为显著。,可见，厌氧消化速率随温度的变化比较复杂，在厌氧消化过程中存在着两个不同的最佳稳度范围：一为55左右，一为35左右。,厌氧微生物分为嗜热菌(高温细菌)和嗜温菌(中温细菌)两大类，相应的厌氧消化则被称为高温消化(55左右)和中温消化(35左右)。,高温消化的反应速率约为中温消化的1.51.9倍，产气率也高。但气体中甲烷所
14、占百分率却较中温消化为低。,当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，采用高温消化可取得较理想的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好。,在工程实践中，当然还应考虑经济因素，采用高温消化需要消耗较多的能量，当处理废水量很大时，往往不宜采用。,随着各种新型厌氧反应器的开发，温度对厌氧消化的影响由于生物量的增加而变得不再显著。因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件(2025)下进行，以节省能量的消耗和运行费用。,2.pH 产甲烷菌最适pH范围为6.87.2。在pH=6.5以下或 pH=8.2以上的环境中，厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是对产甲烷菌的抑制。水解细菌和产酸菌也不能承受低pH的环境。,厌
15、氧发酵体系中的pH除受进水pH的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡。影响酸碱平衡的主要参数：挥发性脂肪酸、碱度和CO2含量。,但产甲烷细菌的作用会产生HCO3，使系统的pH回升。系统中没有足够的HCO3，将使挥发酸积累，导致系统缓冲作用的破坏，即所谓的“酸化”。,3氧化还原电位 绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，可以用氧化还原电位表示厌氧反应器中含氧浓度。,不产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100100mV的环境下进行正常的生理活动；,产甲烷菌的最适氧化还原电位为：150400mV，培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于320mV。,4营养 厌氧微生物对碳、氮等营养物质
16、的要求略低于好氧微生物。但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能。,为了保证细菌的增殖和活动，还需要补充某些专门的营养，如钾、钠、钙等金属盐类是形成细胞或非细胞的金属络合物所必需的，而镍、铝、钴、钼等微量金属，则可提高若干酶系统的活性，使产气量增加。,主要是对化工废水,5食料/微生物比 与好氧生物处理相似，厌氧生物处理过程中的食料/微生物比对其进程影响很大。在实际中常以有机负荷(COD/VSS)表示，单位为kg/(kgd)。,在有机负荷、处理程度和产气量三者之间，存在着密切的联系和平衡关系。一般，较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。,再者，由于厌氧消化过程中产酸阶
17、段的反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得多，必须十分谨慎地选择有机负荷，使挥发酸的生成及消耗平衡，不致形成挥发酸的积累。,有机负荷,处理程度,产气量,为保持系统的平衡，有机负荷的绝对值不宜太高。,随着反应器中生物量(厌氧污泥)浓度的增加，有可能在保持相对较低污泥负荷的条件下得到较高的容积负荷。这样，能够在满足一定处理程度的同时，缩短消化时间，减少反应容积。,总的说来，（厌氧生物）处理可采用较（好氧生物）处理高得多的有机负荷。一般COD浓度可达510kg/(m3d)，有的甚至可高达50kg/(m3d)。,6有毒物质 有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。,最
18、常见的抑制性物质为硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。如：铜。,硫酸盐和其他硫的氧化物容易在厌氧消化过程中被还原为硫化物。可溶性的硫化物和 H2S气体在达到一定浓度时，对产甲烷过程产生抑制。如何减轻硫化物的抑制作用？,氨是厌氧消化的缓冲剂，但高浓度的氨对厌氧消化有害。有人认为NH3-N浓度50200mg/L即能产生控制，但通过对产甲烷细菌的驯化，厌氧过程对氨的适应能力能够得到加强。,重金属常能使厌氧消化过程失效，表现为产气量降低和挥发酸的积累。原因是细菌的代谢酶受到破坏而失活，是一种非竞争性抑制。不同重金属离子及其不同的存在形态，会产生不同的抑制作用。,据报道277mg/L的
19、硫酸镍不会引起消化过程的变化，而30mg/L的硝酸镍却能使产气量减少80%。,重金属的浓度也会显著影响其抑制作用。当氯化镍的浓度为500mg/L时，其对沼气产量的影响可以忽略不计，而浓度为1000mg/L时会使产气量大大减少。,氰化物对厌氧消化的抑制作用决定于其浓度和接触时间。如浓度小于10mg/L，接触时间为1h，抑制作用不明显。浓度如增高到100mg/L，气体产量会明显降低。,研究表明，厌氧微生物对很多在好氧条件下难以降解的合成有机物，如蒽醌类染料、偶氮染料、含氯的有机杀虫剂等，都具有降解的能力。,但仍有相当一部分合成有机物对厌氧微生物有毒害作用，其作用大小与浓度相关，如3-氧-1，2-丙
20、二醇、2氯丙酸、1-氯丙烷、2-氯丙烯、丙烯醛和甲醛等。,提高降解有毒有机物的措施,A、在厌氧条件下混合细菌种群对有毒性的合成有机物进行降解的速率要比单一菌种的速率要快。,B、对厌氧微生物的驯化也可提高其适应和降解合成有机物的能力。其他？,四、厌氧消化工艺的发展及其应用,人类对厌氧生物处理方法的研究首先从处理粪便开始。,随着工业的发展和人口的增加，并不断向城镇集中，城镇污水和工业废水的处理才引起人们的重视。,废水厌氧生物处理可追溯到100多年前。1860年，法国人Louis Mouras把简易沉淀池改进作为污水处理构筑物使用。1881年法国Cosmos杂志登载介绍了Mouras创造的处理污水污
21、泥的自动净化器（Automatic Scasenger）。后来人们把Mouras作为厌氧消化处理的创始人。,1890年，Scotto-Moncrieff第一个建造了初步的厌氧滤池（Anaerobic Filter）。该池底部空，上面铺一层石子。石子的作用是拦截废水中的固体颗粒物。,1894年Talbot设计了一个与Mouras自动净化器相似的消化罐，主要不同是中间设置了一些垂直挡板，用于阻挡流过的废水。,1895年，Donald Cameron在英国设计了世界上第一个厌氧化粪池（Septic Tank）。这是厌氧处理工艺发展史上的一个里程碑。,化粪池,1899年，Harry W Clerk设计
22、了一个分离的消化器（Separate Digester），先把污水沉淀后，再厌氧发酵。,1903年，Travis发明了Travis池。废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀分离的污泥在反应池中间的下部消化，产生的沼气从中间上部排出。,Travis反应池,1906年德国人Imhoff对Travis反应池作了改进，设计了Imhoff池，又称隐化池，也称双层沉淀池。,Imhoff池,Imhoff池把污水的沉淀和污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。,鉴于敞开式厌氧消化池消化效果不好，而且向周围环境散发恶臭，1912年德国人Kremer提出了加盖的密闭式消化池，称为传统消化池（Conventional
23、Digester），又称普通消化池。,传统消化池（普通消化池）,为了提高传统消化池的产气效率和缩小反应池体积，人们常采取一定措施，主要是：（1）加热（2）增设搅拌设备使之成为高速消化池（High Rate Digester）,高速消化池,1950年南非人Stander发现厌氧反应器中保持大量细菌的重要性，开发了处理酒厂和药厂废水的所谓厌氧澄清器（Anaerobic Claridigester）。把厌氧消化和沉淀合为一体。,厌氧澄清器,废水从池底流进污泥区，污泥中产生的甲烷和二氧化碳气体上升起搅拌作用，消化液自下而上经过中间小洞进入沉淀区；沉淀下来的污泥自上而下通过小洞下掉返回消化区。,1956
24、年Schroefer等人成功开发出厌氧接触工艺（Anaerobic Contact Process）。由于采用回流，使消化池保持足够实力的厌氧菌，使反应器容积负荷提高，处理效能提高。,厌氧接触工艺,厌氧接触工艺标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生。,1967年J.C.Young 和P.L.McCarty开发出厌氧滤池（Anaerobic Filter）。起初，厌氧滤池以块石作为填料，为厌氧微生物的附着提供支撑。近来填料材质有了很大改进。不足是：可能有堵塞，空间利用率较低。,厌氧滤池,1974年荷兰G Lettinga等人开发出升流式厌氧污泥层反应器（Upflow Anaerobic Sludg
25、e Blanket），简称UASB。特点是形成颗粒污泥，处理不含固体颗粒的废水。,升流式厌氧污泥层反应器,1978年W J Jewell 等人和1979年 R P Bowker 等人分别开发出厌氧膨胀污泥床（Anaerobic Expanded Blanket）和厌氧流化床（Anaerobic Fluidized Bed）。,厌氧膨胀床和流化床,反应器的特点是反应器内充填着细颗粒载体，如细砂。为使充填物膨胀或流化，均需要部分出水回流。,1980年S J Tait等人开发出厌氧生物转盘工艺（Anaerobic Rotating Biological Reactor）。,厌氧生物转盘,1982年M
26、cCarty等人开发出厌氧折流板反应器（Anaerobic Baffled Reactor）。,厌氧折流板反应器,新型厌氧反应器,1981年，Lettinga等人在利用UASB反应器处理生活污水时，为了增加污水与污泥的接触，更有效地利用反应器的容积，改变了UASB反应器的结构设计和操作参数，使反应器中颗粒污泥床在较高的液体表面上升流速下充分膨胀，由此产生了EGSB（Expanded Granular Sludge Bed）反应器。,1982年加拿大人Guiot把UASB反应器和厌氧滤池相结合，开发出厌氧复合反应器（Upflow Anaerobic Bed-filter）,1985年由荷兰Paq
27、ues公司在反应器的基础上开发成功的高效厌氧反应器内循环厌氧反应器，即IC反应器（Internal Circulation）。,1982年美国Fannion等人在处理海藻废水时，开发出UBR反应器（Upflow Solid Reactor）。反应器不需要三相分离器和污泥回流，靠SS的自然沉淀作用，使SRT比HRT更长，提高了SS的消化率。,USR反应器 1.储料槽；2.进料泵；3.USR；4.取样口；5.出水；6.沼气；7气水分离器；8.沼气计量；9.排渣管,新型厌氧反应器打破了传统观念：厌氧处理工艺处理效率低；需要较高温度、较高废水浓度和较长停留时间。,厌氧生物处理工艺与好氧生物处理工艺存在
28、一定联系。,厌氧处理工艺的发展过程及与好氧处理工艺的关系,早期厌氧消化的运行条件如温度等均未得到控制，这些初级的厌氧处理设备均需很长的停留时间，出水水质也较差。,但化粪池和双层沉淀池曾在美、德、法等国得到推广，并沿用至今。在我国的很多大小城市中，目前也仍有不少化粪池在运行。,至今，人们公认厌氧接触法的诞生，标志着厌氧消化工艺的发展进入了一个新阶段。,运用20世纪50年代获得的一些厌氧处理经验和厌氧处理所涉及的微生物学、生物化学和生化工程的最新研究成果，开发出一批厌氧反应器，称为“第二代废水厌氧处理反应器”。,其中典型的代表有：厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧流化床(A
29、FB)等。,高效厌氧消化反应器的共同特点是保持有很高浓度的生物量，通过不同的方式，使生物量在反应器中停留时间很长。,第二代厌氧反应器解决了厌氧微生物生长缓慢(厌氧过程本身特点)和生物量易随液体流出(传统消化池的弱点)等不利于反应器高效运行的关键问题。,它们具有以下突出的优点,具有相当高的有机负荷和水力负荷，因而反应器的容积比传统装置减少90以上；在不利条件下(低温、冲击负荷、存在抑制物等)仍具有很高的稳定性；,反应器构造简单，结构紧凑，从而投资小，占地面积少。并适合于各种规模和可作为运行单元被结合在整体的处理技术中；,处理低浓废水的高效率已具备与好氧处理竞争的能力；通常几乎不需要操作和管理费用
30、，是能源净生产过程。,20世纪90年代初国际上相继出现：以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环反应器(IC）、升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)为典型代表的厌氧反应器，称为第三代厌氧反应器,第三代厌氧反应器的共同特点是：微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高；能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能；,具有较大的高径比，一般在5-10以上；占地面积小；动力消耗小。,厌氧消化工艺的应用范围,用于城市废水处理厂污泥的稳定化处理；用于高浓度有机工业废水的处理；,与好氧过程串联配合使用，用于城市废水的处理，包括去除有机物，除磷、脱氮；用于含难降解有机物的工
31、业废水的处理。,谢谢！,化粪池,普通消化池,厌氧接触氧化,厌氧膨胀床反应器,厌氧生物转盘,厌氧折流板反应器,升流式厌氧污泥层反应器（UASB）,新型厌氧反应器,五、升流式厌氧污泥床反应器的设计,升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器是荷兰学者莱廷格(Lettinga)等人在20世纪70年代初开发的。,(一)升流式厌氧污泥床反应器的特点和构造 1升流式厌氧污泥床反应器的特点 UASB反应器工作原理示意,UASB反应器由反应区和沉降区两部分组成。反应区又可根据污泥的情况分为污泥悬浮层区和污泥床区。,污泥床主要由沉降性能良好的厌氧污泥组成，
32、SS浓度可达50100个g/L或更高。,污泥悬浮层主要靠反应过程中产生的气体的上升搅拌作用形成，污泥浓度较低，SS一般在540g/L范围内。,在反应器上部设有气(沼气)、固(污泥)、液(废水)三相分离器，分离器首先使生成的沼气气泡上升过程受偏折，然后穿过水层进入气室，由导管排出反应器。,脱气后的混合液在沉降区进一步进行固、液分离，沉降下的污泥返回反应区，使反应区内积累大量的微生物。待处理的废水由底部布水系统进入，澄清后的处理水从沉淀区溢流排出。,由于在UASB反应器中能够培养得到一种具有良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒厌氧污泥(granular anaerobic sludge)，因而相对于
33、其他同类装置，颗粒污泥UASB反应器具有一定的优势。,UASB特点,有机负荷居第二代反应器之首，水力负荷能满足要求。污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强。,将污泥或流出液人工回流的机械搅拌一般维持在最低限度，甚至可完全取消。因此，UASB可省去搅拌和回流污泥所需的设备和能耗。,在反应器上部设置的气固液三相分离器，对沉降良好的污泥或颗粒污泥避免了附设沉淀分离装置、辅助脱气装置和回流污泥设备，简化了工艺，节约了投资和运行费用。在反应器内不需投加填料和载体，提高了容积利用率，避免了堵塞问题。,因此，UASB反应器已成为第二代厌氧处理反应器中发展最为迅速、应用最为广泛的装置。目前UASB反应器不仅
34、用于处理高、中等浓度的有机废水，也开始用于处理如城市废水这样的低浓度有机废水。,2升流式厌氧污泥床反应器的构造,UASB反应器主要由下列几部分组成：(1)进水配水系统 进水配水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。,(2)反应区 包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解，是反应器的主要部位。,(3)三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。污泥经沉淀区沉淀后由回流缝回流到反应区，沼气分离后进入气室。,三相分离器,(4)出水系统 作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地加以收集，排出反应器。
35、(5)气室 也称集气罩，其作用是收集沼气。,(6)浮渣清除系统 其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣。如浮渣不多可省略。(7)排泥系统 其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。,根据不同的处理对象，UASB反应器构造主要可分为开敞式和封闭式两种。,开敞式UASB反应器,特点是反应器的顶部不加密封，出水水面是开放的，或加一层不密封的盖板。主要适用于处理中低浓度的有机废水。中低浓度废水经UASB反应器处理后，出水中的有机物浓度较低，所以在沉淀区产生的沼气数量很少，一般不再收集。反应器构造较简单，易于施工安装和维修。,封闭式UASB反应器,其特点是反应器的顶部加盖密封。在液面与池顶之间形成一个气室，可
36、以同时收集反应区和沉淀区产生的沼气。这种型式反应器适用于处理高浓度有机废水或含硫酸盐较高的有机废水。此种型式反应器的池盖也可为浮盖式。,UASB反应器的断面形状一般为圆形或矩形。反应器常为钢结构或钢筋混凝土结构。当采用钢结构时，常采用圆形断面；当采用钢筋混凝土结构时，则用矩形断面。由于三相分离器的构造要求，采用矩形断面便于设计和施工。,UASB反应器处理废水一般不加热，利用废水本身的水温。如果需要加热提高反应的温度。但反应器一般都采用保温措施，方法同消化池。反应器必须采取防腐蚀措施。,(二)升流式厌氧污泥床反应器的设计 自UASB反应器首先在荷兰用于甜菜制糖废水的处理，此后在西欧及北美诸国也开
37、始建造UASB装置，在亚洲及澳洲也开始有实际应用。,主要处理的食品工业易生物降解的有机废水。主要设计参数COD负荷范围为 518kg/(m3d)，其中以61lkg/(m3d)的最多。反应器的容积为305 500m3，其中 400-2 000m3者为数较多。,我国是从1981年开始进行了UASB反应器处理有机废水方面的大量试验研究工作，但生产性的装置建造的还不够多。,大型UASB反应器的优化设计和程序化设计包括:反应器的主体结构、反应器上部的三相分离器、反应器的布水系统等。,UASB反应器应用于生产的历史尚较短，对生产实践经验的总结不多，还不能提出完整的工程设计方法，尚待进一步总结和提高。,UA
38、SB反应器设计的一般原则,首先根据处理废水的性质选定适宜的池型和确定有效容积及其主要部位的尺寸，如高、直径、长宽比等；其次，设计进水配水系统、出水系统和三相分离器；此外，还要考虑排泥和刮渣系统。,1UASB反应器容积及主要构造尺寸的确定目前，UASB反应器有效容积(包括沉淀区和反应区)均采用进水容积负荷法进行确定。,式中 V反应器有效容积，m3；Q废水流量，m3/d；So进水COD或BOD5浓度，g/L；NvCOD或BOD5容积负荷，kg/(m3d),容积负荷值（Nv）与反应器的温度、废水的性质和浓度有关，同时与反应器内是否形成颗粒污泥也有很大关系。对某种废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确
39、定，如有同类型的废水处理资料，可以作为参考选用。,食品工业废水或与其性质相似的其他工业废水，采用UASB反应器处理，在反应器内 往往能够形成厌氧颗粒污泥。不同反应温度下的进水容积负荷可参考所列数据表确定，COD去除率一般可达80%90%。,不同温度下的设计容积负荷,但如果反应器内不能形成厌氧颗粒污泥，而主要为絮状污泥，则反应器的容积负荷不可能很高。因为负荷高絮状污泥将会大量流失，所以进水COD容积负荷一般不超过5kg/(m3d)。,从理论上讲，反应器的容积和反应器的效率无直接影响。但是实践中由于反应器的布水系统和反应器中的混合程度是影响反应器处理效能的重要因素之一，大型反应器的进水均匀性较难保
40、证；,根据前人的工程实践，反应器的容积以200300m3为宜，最大反应器的容积不应超过500m3。在需要大容积反应器时，可采取分格多单元(单元体积小于500m3)方式设计，启动时可依次进行。,反应器的有效高度通常应通过试验确定。现行UASB的生产性装置的有效高度常采用 58m。一般最大高度不超过10m。,有效容积进水COD容积负荷一般5kg/(m3d)；反应器的容积以200300m3为宜；有效高度常采用 58m。,2进水配水系统的设计,进水必须在反应器底部均匀分配。确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路或表面负荷不均匀等现象发生。,在满足污泥床水力搅拌需要的同时，应充分考虑水力搅拌和过程产
41、生的沼气搅拌，对进水与污泥混合效果的影响，尽可能防止局部产生酸化现象。,UASB反应器进水配水系统有多种形式。但多属专利，具体设计数据未公开。,配水系统的形式有以下几种。(1)树枝管式配水系统 一般采用对称布置，各支管出水口向下距池底约20cm，位于所服务面积的中心。管口对准的池底所设的反射锥体，使射流向四周散开，均匀布于池底，一般出水口直径采用1520mm，每个出水口服务面积为 24m2。,(2)穿孔管配水系统,为了配水均匀，配水管中心距可采用1.0 2.0m，出水孔也可采用1.02.0m，孔径一般为1020mm，常采用15mm，孔口向下或与垂线呈45方向，每个出水孔服务面积一般为24m2。
42、,配水管的直径最好不小于100mm，配水管中心距池底一般为2025cm。,(3)多点多管配水系统 该配水系统的特点是一根配水管只服务一 个配水点，配水管根数与配水点数相同。只要保证每根配水管流量相等，则即可达到每个配水点流量相等的要求。,一般多采用配水渠道通过三角堰把废水均匀流入配水管的方式。国外有些专利采用脉冲配水器，每根管是间歇进水的，但整个反应器是连续进水的。,配水系统的形式确定后，就可进行管道布置、计算管径和水头损失。根据水头损失和反应器(或配水渠)水面和调节池(或集水池)水面高程差计算进水水泵所需的扬程，选择合适的水泵型号。,3三相分离器设计(1)三相分离器的基本构造 主要功能均为气
43、液分离、固液分离和污泥回流；主要组成部分为气封、沉淀区和回流缝。,(a)式构造简单，但泥水分离的情况不佳，在回流缝处同时存在上升和下降两股流体，相互干扰，污泥回流不通畅。(c)式也存在类似情况。,(b)式的构造较为复杂，但污泥回流和水流上升互不干扰，污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离效果也较好。,(2)三相分离器的布置形式 对于容积较大的UASB反应器，往往有若干个连续安装的三相分离器系统。,(3)三相分离器的设计方法 三相分离器的设计可分为3个内容：沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。,沉淀区设计。三相分离器沉淀区的设计主要考虑沉淀面积和水深。,沉淀区的面积根据废水量和沉淀区的表面负
44、荷确定。由于在沉淀区的厌氧污泥与水中残余的有机物尚能产生生化反应，有少量的沼气产生，对固液分离有一定的干扰。所以表面负荷一般应1.0m3/(m2h)。,图2-37(c)所示形式的三相分离器：集气罩(气室)顶以上的覆盖水深可采用0.51.0m，集气罩斜面的坡度应采用5560，沉淀区斜面(或斗)的高度建议采用0.51.0m。不论何种形式三相分离器，其沉淀区的总水深应1.5m，并保证在沉淀区的停留时间介于1.52.0h。,回流缝设计。由图2-38可知，三相分离器由上、下二组重叠的三角形集气罩所组成，根据几何关系可得：,式中 b1下三角形集气罩底的1/2宽度，m；下三角形集气罩斜面的水平夹角，一般可采
45、用5560；h3下三角形集气罩的垂直高，m。式中 b2=b2b1式中 b2相邻两个下三角形集气罩之间的水平距离，即污泥的回流缝之一，m；b单元三相分离器的宽度，m。,下三角形集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速(1)可用下式计算：,式中1回流缝中混合液上升流速，m/h；Q反应器设计废水流量，m3h；S1下三角形集气罩回流缝的总面积，m2；l反应器的宽度，即三相分离器的长度，m；n反应器的三相分离器单元数。为了使回流缝的水流稳定，污泥能顺利地回流，建议流速v12m/h。,上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间回流缝的流速(2)可用下式计算：,式中 S2上三角形集气罩回流缝的总面积，m2；c三
46、角形集气罩回流缝的宽度，m，即为图2-38中的C点至AB斜面的垂直距离CE，建议c0.2m。,为了使回流缝和沉淀区的水流稳定，确保良好的固液分离效果和污泥的顺利回流，要求满足下列条件：,v2 v1 2.0 m/h,气液分离设计。欲达到气液分离目的，上下两组三角形集气罩的斜边必须重叠，重叠的水平距离(AB的水平投影)越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离效果的影响越小。,由反应区上升的水流从下三角形集气罩回流缝过渡到上三角形集气罩，回流缝再进入沉淀区，其水流状态比较复杂。当混合液上升到A点后将沿着AB方向斜面流动，并设流速为va，同时假定A点的气泡以速度vB 垂直上升，所以
47、气泡的运动轨迹将沿着va和vb合成速度的方向运动。,根据速度合成的平行四边形法则，则有：,要使气泡分离后进人沉淀区的必要条件是：,气泡上升速度(Vb)与其直径、水温、液体和气体的密度、废水的黏滞系数等因素有关。,4出水系统的设计出水的均匀排除也是保证反应器均匀稳定运行的关键，尤其对固液分离的影响较大。,UASB反应器的出水槽布置常用的两种布置形式.图中(a)出水槽的宽度常采用20cm，深度由计算确定；(b)所示出水槽的特点是出水槽与三相分离器集气罩成一整体。,当UASB反应器为封闭式时，总出气管必须通过一个水封，以防漏气和确保厌氧条件。在出水槽前设置挡板，可减少出水中悬浮固体数量，有利于提高出
48、水水质。,5浮渣清除系统设计 在处理含蛋白质或脂肪较高的工业废水时，这些化合物的存在会促进泡沫的产生和污泥的漂浮，在集气室和反应器的液面可能形成一层很厚的浮渣层，对正常运行带来一些问题,如阻碍沼气的顺利释放，或堵塞出气管，导致部分沼气从沉淀区逸出，干扰了沉淀区的沉淀效果。为了清除浮渣层，必须设置专门的清除设备或采取预防措施。,在沉淀区液面产生的浮渣层，可用刮渣机清除，它们的构造与沉淀池和气浮池的刮渣机相同。气室里形成的浮渣较难清除，可用定期进行循环水或沼气反冲等方法减少或去除。这时必须设置冲洗管和循环水泵(或气泵)。,6排泥系统设计 UASB反应器污泥床区均匀排泥也是使反应器正常工作的重要因素
49、,大型反应器一般都不设污泥斗，池底面积又较大，所以不宜集中在一点排泥，否则污泥床区的污泥分布不均匀，在排泥口附近的污泥浓度会大大降低，从而影响该处废水的处理效果。因此必须进行均匀的多点排泥。,建议每10m2设一个排泥口。当采用穿孔管配水系统时，同时把穿孔管兼作排泥管是较为适宜的。专设排泥管管径一般不小于200mm，以防堵塞。为了运行方便，可在反应器高1/2处或三相分离器下0.5m处再设一个排泥口。沿反应器高度均匀地设56个污泥取样管。,7防腐措施一般反应器正常运行时腐蚀较轻，但在反应器的上部，特别是反应器的顶盖和三相分离器部分腐蚀较为严重。因此，UASB反应器应重点进行顶部的防腐处理。,8沼气
50、的收集、贮存沼气的热值很高，是一种可利用的生物能源，有一定的经济价值。在设计消化池时必须同时考虑相应的沼气收集、贮存和利用等配套设施。,(1)厌氧消化中沼气产量的估算 糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和二氧化碳等气体，统称为沼气。,产生沼气的数量和成分决定于被消化的有机物的化学组成，可用下式进行估算：,一般1gBOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于在标准状态下沼气体积0.35L。由于一部分产生的沼气将溶于水中，一部分有机物要用于微生物的合成，实际沼气产量要比理论值小。,一般说来，糖类物质厌氧消化的沼气产量较少，沼气中甲烷含量也较低。脂类物质沼气产量较高，甲
