uasb工艺设计

UASB工艺系统设计方法探讨一、概述 厌氧处理已经成功地应用于各种高、中浓度的工业废水处理中。虽然中、高浓度的废水在相当程度上得到了解决，但是当污水中含有抑制性物质时，如含有硫酸盐的味精废水在处理上仍有一定的难度。在厌氧处理领域应用最为广泛的是UASB反应器，所以本文重点讨论UASB反应器的设计方法。但是，其与其它的厌氧处理工艺有一定的共同点，例如，流化床和UASB都有三相分离器。而UASB和厌氧滤床对于布水的要求是一致的，所以结果也可以作为其他反应器设计参考。 包含厌氧处理单元的水处理过程一般包括预处理、厌氧处理(包括沼气的收集、处理和利用)、好氧后处理和污泥处理等部分，可以用图1所示的流程表示。二、UASB系统设计1、预处理设施一般预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节(酸化)池、营养盐和pH调控系统。格栅和沉砂池的目的是去除粗大固体物和无机的可沉固体，这对对于保护各种类型厌氧反应器的布水管免于堵塞是必需的。当污水中含有砂砾时，例如以薯干为原料的酿酒废水，怎么强调去除砂砾的重要性也不过分。不可生物降解的固体，在厌氧反应器内积累会占据大量的池容，反应器池容的不断减少最终将导致系统完全失效。由于厌氧反应对水质、水量和冲击负荷较为敏感，所以对于工业废水适当尺寸的调节池，对水质、水量的调节是厌氧反应稳定运行的保证。调节池的作用是均质和均量，一般还可考虑兼有沉淀、混合、加药、中和和预酸化等功能。在调节池中设有沉淀池时，容积需扣除沉淀区的体积；根据颗粒化和pH调节的要求，当废水碱度和营养盐不够需要补充碱度和营养盐(N、P)等；可采用计量泵自动投加酸、碱和药剂，通过调节池水力或机械搅拌达中和作用。同时，酸化池或两相系统是去除和改变，对厌氧过程有抑制作用的物质、改善生物反应条件和可生化性也是厌氧预处理的主要手段，也是厌氧预处理的目的之一。仅考虑溶解性废水时，一般不需考虑酸化作用。对于复杂废水，可在调节池中取得一定程度的酸化，但是完全的酸化是没有必要的，甚至是有害处的。因为达到完全酸化后，污水pH会下降，需采用投药调整pH值。另外有证据表明完全酸化对UASB反应器的颗粒过程有不利的影响。对以下情况考虑酸化或相分离可能是有利的：1) 当采用预酸化可去除或改变对甲烷菌有毒或抑制性化合物的结构时；2) 当废水存在有较高的Ca2+时，部分酸化可避免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢；3) 当处理含高含悬浮物和/或采用高负荷，对非溶解性组分去除有限时；4) 在调节池中取得部分酸化效果可以通过调节池的合理设计取得。例如，上向流进水方式，在反应器底部形成污泥层(1.0m)。底部布水孔口设计为510m2/孔即可。2、UASB反应器体积的设计a) 负荷设计法采用有机负荷(q)或水力停留时间(HRT) 设计UASB反应器是目前最为主要的方法。一旦q或HRT确定，反应器的体积(V)可以很容易根据公式(1或2)计算。对某种特定废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确定。V = QSo/q (1)V =KQ.HRT (2)式中：Q-废水流量，m3/d；So-进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L。表1给出不同类型废水国内外采用UASB反应器处理的负荷数据，需要说明的是表中无法一一注明采用的预处理条件和厌氧污泥类型等情况，这些条件对选择设计负荷是至关重要的。下表供设计人员设计时参考，选用前必须进行必要的实验和进一步查询有关的技术资料。表1国内外生产性UASB装置的设计负荷统计表序号废水类型负荷kgCOD/m3d(国外资料)负荷kgCOD/m3d(国内资料)平均最高最低厂家数平均最高最低厂家数1酒精生产11.615.77.176.520.02.0152啤酒厂9.818.85.6805.38.05.0103造酒厂13.918.59.9366.410.04.084葡萄酒厂10.212.08.045清凉饮料6.812.01.885.05.05.0126小麦淀粉8.610.76.667淀粉9.211.46.465.48.02.728土豆加工等9.516.84.0249酵母业9.812.46.0166.06.06.0110柠檬酸生产8.414.31.0314.820.06.5311味精3.24.02.3212再生纸,纸浆12.320.07.91513造纸12.738.96.03914食品加工9.113.30.8103.54.03.0215屠宰废水6.26.26.213.14.02.3416制糖15.222.58.21217制药厂10.933.26.3115.08.00.8518家畜饲料厂10.510.510.5119垃圾滤液9.912.07.97b) 经验公式方法Lettinga等人采用同样经验公式描述不同厌氧处理系统处理生活污水HRT与去除率(E)之间的关系，并且对不同反应器处理生活污水的数据进行了统计，得出了参数值。 式中：C1 ,C2反应常数。c) 动力学方法许多研究者致力于动力学的研究，Henxen和Harremoes(1983)根据众多研究结果汇总了酸性发酵和甲烷发酵过程重要的动力学常数(见表2)。到目前为止，动力学理论的发展，还没有使它能够在选择和设计厌氧处理系统过程中成为有力的工具，通过评价所获得的实验结果的经验方法现在仍是设计和优化厌氧消化系统的唯一的选择。表2 厌氧动力学参数(Henxen和Harremoes，1982)培养mm(d-1) Y(mgVSS/mgCOD)KmmgCOD/(mgVSS?d)Ks(mgCOD/L) 产酸菌 2.0 0.1513200甲烷菌 0.4 0.031350混合培养0.40.182-3、UASB反应器的详细设计1) 反应器的体积和高度 采用水力停留时间进行设计时，体积(V)按公式(1)或(2)计算。选择反应器高度的原则是设计、运行和经济上综合考虑的结果。从设计、运行方面考虑：高度会影响上升流速，高流速增加系统扰动和污泥与进水之间的接触。但流速过高会引起污泥流失，为保持足够多的污泥，上升流速不能超过一定的限值，从而使反应器的高度受到限制；高度与CO2溶解度有关，反应器越高溶解的CO2浓度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最优值，会危害系统的效率。从经济上考虑: 土方工程随池深增加而增加，但占地面积则相反；考虑当地的气候和地形条件，一般将反应器建造在半地下减少建筑和保温费用。最经济的反应器高度(深度)一般是在4到6m之间，并且在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。2) 反应器的升流速度 对于UASB反应器还有其他的流速关系(图2)。对于日平均上升流速的推荐值见表3，应该注意对短时间(如26h)的高峰值是可以承受的(即暂时的高峰流量可以接收)。表3 UASB和EGSB允许上升流速(平均日流量)UASB反应器 Vr0.253.0m/h 0.751.0m/h 颗粒污泥 絮状污泥 Vs1.5m/h 絮状污泥 8m/h 颗粒污泥 Vo12m/h 颗粒污泥 3.0m/h 絮状污泥 Vg1m/h 建议最小值 3) 反应器的截面积和反应器的长、宽(或直径)在确定反应器的容积和高度(H)之后，可确定反应器的截面积(A)。从而确定反应器的长和宽，在同样的面积下正方形池的周长比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以表面积为600m2的反应器为例，3020m的反应器与15m40m的反应器周长相差10%，这意味着建筑费用要增加10%。但从布水均匀性考虑，矩形在长/宽比较大较为合适。从布水均匀性和经济性考虑，矩形池在长/宽比在2:1以下较为合适。长/宽比在4:1时费用增加十分显著。圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12%。但这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共用壁。对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大的影响。如果不考虑其他因素，这是一个在设计中需要优化的参数。4) 单元反应器最大体积和分格化的反应器在UASB反应器的设计中，采用分格化对运行操作是有益的。首先，分格化的单元尺寸不会过大，可避免体积过大带来的布水均匀性等问题；同时多个反应器对系统的启动也是有益的，可首先启动一个反应器，再用这个反应器的污泥去接种其他反应器；另外，有利于维护和检修，可放空一个反应器进行检修，而不影响系统的运行。从目前实践看最大的单体UASB反应器(不是最优的)可为1000-2000m3。5) 单元反应器的系列化单元的标准化根据三相分离器尺寸进行，三相分离器的型式趋向于多层箱体的设备化结构。以25m的三相分离器为例，原则上讲有多种配合形式。但从标准化和系列化考虑，要求具有通用性和简单性。所以，池子宽度是以5m为模数，长度方向是以2m为模数。布置单元尺寸的方式可分成单池单个分离器和单池两个分离器的形式。原则上如果采用管道或渠道布水，池子的长度是不受限制。如前所述，由于长宽比涉及到反应器的经济性，所以要结合池子组数考虑适当的长宽比。对宽度为10m的单个反应器，2:1的长宽比的反应器可达到2000m3的池容。对更大的反应器，如果需要也可采用双池共用壁的型式。NextPage 三、反应器的配水系统的设计1、配水孔口负荷一个进水点服务的最大面积问题是应该进行深入的实验研究。对于UASB反应器Lettinga建议在完成了起动之后，每个进水点负担2.0到4.0m2对获得满意的去除效率是足够的。但是在温度低于20或低负荷的情况，产气率较低并且污泥和进水的混合不充分时，需要较高密度的布水点。对于城市污水De Man和Van der Last (1990)建议12m2/孔。表4是Lettinga等人根据UASB反应器的大量实践推荐的进水管负荷。升流式厌氧污泥床UASB工艺概论 作者:王志刚 出处:原创 发布时间:2006-03-10 08:43 升流式厌氧污泥床UASB工艺概论一、引言 厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性，在毋需提供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体。厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水BOD最高浓度可达数万mg/l，也可适用于低浓度有机废水，如城市污水等。 厌氧生物处理过程能耗低；有机容积负荷高，一般为510kgCOD/m3.d，最高的可达30-50kgCOD/m3.d；剩余污泥量少；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高；耐冲击负荷能力强；产出的沼气是一种清洁能源。 在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺EGSB和IC厌氧反应器，发展十分迅速。 而升流式厌氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注：以下简称UASB）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。 本文试图就UASB的运行机理和工艺特征以及UASB的设计启动等方面作一简要阐述。 二、UASB的由来 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。三、UASB工作原理 UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。 基本出要求有： （1）为污泥絮凝提供有利的物理、化学和力学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能； （2）良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，保持特定的微生态环境，能抵抗较强的扰动力，较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度； （3）通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。 四、UASB内的流态和污泥分布 UASB内的流态相当复杂，反应区内的流态与产气量和反应区高度相关，一般来说，反应区下部污泥层内，由于产气的结果，部分断面通过的气量较多，形成一股上升的气流，带动部分混合液（指污泥与水）作向上运动。与此同时，这股气、水流周围的介质则向下运动，造成逆向混合，这种流态造成水的短流。在远离这股上升气、水流的地方容易形成死角。在这些死角处也具有一定的产气量，形成污泥和水的缓慢而微弱的混合，所以说在污泥层内形成不同程度的混合区，这些混合区的大小与短流程度有关。悬浮层内混合液，由于气体币的运动带动液体以较高速度上升和下降，形成较强的混合。在产气量较少的情况下，有时污泥层与悬浮层有明显的界线，而在产气量较多的情况下，这个界面不明显。有关试验表明，在沉淀区内水流呈推流式，但沉淀区仍然还有死区和混合区。 UASB内污泥浓度与设备的有机负荷率有关。是处理制糖废水试验时，UASB内污泥分布与负荷的关系。从图中可看出污泥层污泥浓度比悬浮层污泥浓度高，悬浮层的上下部分污泥浓度差较小，说明接近完全混合型流态，反应区内污泥的颁，当有机负荷很高时污泥层和悬浮层分界不明显。试验表明，污水通过底部0406m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。在厌氧污泥中，积累有大量高活性的厌氧污泥是这种设备具有巨大处理能力的主要原因，而这又归于污泥具有良好的沉淀性能。 UASB具有高的容积有机负荷率，其主要原因是设备内，特别是污泥层内保有大量的厌氧污泥。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。 根据UASB内污泥形成的形态和达到的COD容积负荷，可以将污泥颗粒化过程大致分为三个运行期： （1）接种启动期：从接种污泥开始到污泥床内的COD容积负荷达到5kgCOD/m3d左右，此运行期污泥沉降性能一般； （2）颗粒污泥形成期：这一运行期的特点是有小颗粒污泥开始出现，当污泥床内的总SS量和总VSS量降至最低时本运行期即告结束，这一运行期污泥沉降性能不太好； （3）颗粒污泥成熟期：这一运行期的特点是颗粒污泥大量形成，由下至上逐步充满整个UASB。当污泥床容积负荷达到16kgCOD/m3d以上时，可以认为颗粒污泥已培养成熟。该运行期污泥沉降性很好。 五、外设沉淀池防止污泥流失 在UASB内虽有气液固三相分离器，混合液进入沉淀区前已把气体分离，但由于沉淀区内的污泥仍具有较高的产甲烷活性，继续在沉淀区内产气；或者由于冲击负荷及水质突然变化，可能使反应区内污泥膨胀，结果沉淀区固液分离不佳，发生污泥流失而影响了水质和污泥床中污泥浓度。为了减少出水所带的悬浮物进入水体，外部另设一沉淀池，沉淀下来的污泥回流到污泥床内。 设置外部沉淀池的好处是： （1）污泥回流可加速污泥的积累，缩短启动周期； （2）去除悬浮物，改善出水水质； （3）当偶尔发生大量漂泥时，提高了可见性，能够及时回收污泥保持工艺的稳定性； （4）回流污泥可作进一步分解，可减少剩余污泥量。 六、UASB的设计 UASB的工艺设计主要是计算UASB的容积、产气量、剩余污泥量、营养需求的平衡量。UASB的池形状有圆形、方形、矩形。污泥床高度一般为38m，多用钢筋混凝土建造。当污水有机物浓度比较高时，需要的沉淀区与反应区的容积比值小，反应区的面积可采用与沉淀区相同的面积和池形。当污水有机物浓度低时，需要的沉淀面积大，为了保证反应区的一定高度，反应区的面积不能太大时，则可采用反应区的面积小于沉淀区，即污泥床上部面积大于下部的池形。 气液固三相分离器是UASB的重要组成部分，它对污泥床的正常运行和获良好的出水水质起十分重要的作用，因此设计时应给予特别的重视。根据经验，三相分离器应满足以下几点要求： 1、混和液进入沉淀区之关，必须将其中的气泡予以脱出，防止气泡进入沉淀区影响沉淀； 2、沉淀器斜壁角度约可大于45度角； 3、沉淀区的表面水力负荷应在0.7m3/m2.h以下，进入沉淀区前，通过沉淀槽低缝的流速不大于2m/m2.h； 4、处于集气器的液一气界面上的污泥要很好地使之浸没于水中； 5、应防止集气器内产生大量泡沫。 第2、3两个条件可以通过适当选择沉淀器的深度面积比来加以满足。对于低浓度污水，主要用限制表面水力负荷来控制；对于中等浓度和高浓度污水，在极高负荷下，单位横截面上释放的气体体积可能成为一个临界指标。但是直到现在国内外所取得的成果表明，只要负荷率不超过20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未见到有大于10m的报道，第三代厌氧反应器除外。 污泥与液体的分离基于污泥絮凝、沉淀和过滤作用。所以在运行操作过程中，应该尽可能创造污泥能够形成絮凝沉降的水力条件，使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能，不仅对于分离器的工作是具有重要意义，对于整个有机物去除率更加至关重要。 特别要注意避免气泡进入沉淀区，要使固液进入沉淀区之前就与气泡很好分离。在气液表面上形成浮渣能迫使一些气泡进入沉淀区，所以在设计中必须事先就考虑到： （1）采用适当的技术措施，尽可能避免浮渣的形成条件，防范浮渣层的形成； （2）必须要有冲散浮渣的设施或装置，在污泥反应区一旦出现浮渣的情况下，能够及时破坏浮渣层的形成，或能够及时排除浮渣。 如上所述，UASB中污水与污泥的混合是靠上升的水流和发酵过程中产生的气泡来完成的。因此，一般采用多点进水，使进水均匀地分布在床断面上，其中的关键是要均匀匀速、匀量。 UASB容积的计算一般按有机物容积负荷或水力停留时间进行。设计时可通过试验决定参数或参考同类废水的设计和运行参数。 七、UASB的启动 1、污泥的驯化 UASB设备启动的难点是获得大量沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。最好的办法加以驯化，一般需要36个月，如果靠设备自身积累，投产期最长可长达12年。实践表明，投加少量的载体，有利于厌氧菌的附着，促进初期颗粒污泥的形成；比重大的絮状污泥比轻的易于颗粒化；比甲烷活性高的厌氧污泥可缩短启动期。 2、启动操作要点 （1）最好一次投加足够量的接种污泥； （2）启动初期从污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特别轻的和细碎污泥跟悬浮物连续地从污泥床排出体外，使较重的活性污泥在床内积累，并促进其增殖逐步达到颗粒化； （3）启动开始废水COD浓度较低时，未必就能让污泥颗粒化速度加快； （4）最初污泥负荷率一般在0.10.2kgCOD/kgTSS.d左右比较合适； （5）污水中原来存在的和厌氧分解出来的多种挥发酸未能有效分解之前，不应随意提高有机容积负荷，这需要跟踪观察和水样化验； （6）可降解的COD去除率达到7080左右时，可以逐步增