UASB的最主要的作用是什么?

【專家解說】：一、引言 厭氧生物處理作為利用厭氧性微生物的代謝特性，在毋需提供外源能量的條件下，以被還原有機物作為受氫體，同時產生有能源價值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機廢水，進水BOD最高濃度可達數(shù)萬mg/l，也可適用于低濃度有機廢水，如城市污水等。 厭氧生物處理過程能耗低;有機容積負荷高，一般為5-10kgCOD/m3.d，最高的可達30-50kgCOD/m3.d;剩余污泥量少;厭氧菌對營養(yǎng)需求低、耐毒性強、可降解的有機物分子量高;耐沖擊負荷能力強;產出的沼氣是一種清潔能源。 在全社會提倡循環(huán)經(jīng)濟，關注工業(yè)廢棄物實施資源化再生利用的今天，厭氧生物處理顯然是能夠使污水資源化的優(yōu)選工藝。近年來，污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn)，包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物濾池、厭氧膨脹床和流化床，以及第三代厭氧工藝EGSB和IC厭氧反應器，發(fā)展十分迅速。 而升流式厭氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注:以下簡稱UASB)工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點，作為能夠將污水中的污染物轉化成再生清潔能源--沼氣的一項技術。對于不同含固量污水的適應性也強，且其結構、運行操作維護管理相對簡單，造價也相對較低，技術已經(jīng)成熟，正日益受到污水處理業(yè)界的重視，得到廣泛的歡迎和應用。 本文試圖就UASB的運行機理和工藝特征以及UASB的設計啟動等方面作一簡要闡述。 二、UASB的由來 1971年荷蘭瓦格寧根(Wageningen)農業(yè)大學拉丁格(Lettinga)教授通過物理結構設計，利用重力場對不同密度物質作用的差異，發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時間與廢水停留時間分離，形成了上流式厭氧污泥床(UASB)反應器的雛型。1974年荷蘭CSM公司在其6m3反應器處理甜菜制糖廢水時，發(fā)現(xiàn)了活性污泥自身固定化機制形成的生物聚體結構，即顆粒污泥(granular sludge)。顆粒污泥的出現(xiàn)，不僅促進了以UASB為代表的第二代厭氧反應器的應用和發(fā)展，而且還為第三代厭氧反應器的誕生奠定了基礎。 三、UASB工作原理 UASB由污泥反應區(qū)、氣液固三相分離器(包括沉淀區(qū))和氣室三部分組成。在底部反應區(qū)內存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機物，把它轉化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時，折向反射板的四周，然后穿過水層進入氣室，集中在氣室沼氣，用導管導出，固液混合液經(jīng)過反射進入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼著斜壁滑回厭氧反應區(qū)內，使反應區(qū)內積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。 基本出要求有: (1)為污泥絮凝提供有利的物理、化學和力學條件，使厭氧污泥獲得并保持良好的沉淀性能; (2)良好的污泥床常可形成一種相當穩(wěn)定的生物相，保持特定的微生態(tài)環(huán)境，能抵抗較強的擾動力，較大的絮體具有良好的沉淀性能，從而提高設備內的污泥濃度; (3)通過在污泥床設備內設置一個沉淀區(qū)，使污泥細顆粒在沉淀區(qū)的污泥層內進一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床內。 四、UASB內的流態(tài)和污泥分布 UASB內的流態(tài)相當復雜，反應區(qū)內的流態(tài)與產氣量和反應區(qū)高度相關，一般來說，反應區(qū)下部污泥層內，由于產氣的結果，部分斷面通過的氣量較多，形成一股上升的氣流，帶動部分混合液(指污泥與水)作向上運動。與此同時，這股氣、水流周圍的介質則向下運動，造成逆向混合，這種流態(tài)造成水的短流。在遠離這股上升氣、水流的地方容易形成死角。在這些死角處也具有一定的產氣量，形成污泥和水的緩慢而微弱的混合，所以說在污泥層內形成不同程度的混合區(qū)，這些混合區(qū)的大小與短流程度有關。懸浮層內混合液，由于氣體幣的運動帶動液體以較高速度上升和下降，形成較強的混合。在產氣量較少的情況下，有時污泥層與懸浮層有明顯的界線，而在產氣量較多的情況下，這個界面不明顯。有關試驗表明，在沉淀區(qū)內水流呈推流式，但沉淀區(qū)仍然還有死區(qū)和混合區(qū)。 UASB內污泥濃度與設備的有機負荷率有關。是處理制糖廢水試驗時，UASB內污泥分布與負荷的關系。從圖中可看出污泥層污泥濃度比懸浮層污泥濃度高，懸浮層的上下部分污泥濃度差較小，說明接近完全混合型流態(tài)，反應區(qū)內污泥的頒，當有機負荷很高時污泥層和懸浮層分界不明顯。試驗表明，污水通過底部0.4-0.6m的高度，已有90%的有機物被轉化。由此可見厭氧污泥具有極高的活性，改變了長期以來認為厭氧處理過程進行緩慢的概念。在厭氧污泥中，積累有大量高活性的厭氧污泥是這種設備具有巨大處理能力的主要原因，而這又歸于污泥具有良好的沉淀性能。 UASB具有高的容積有機負荷率，其主要原因是設備內，特別是污泥層內保有大量的厭氧污泥。工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于生成具有優(yōu)良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是顆粒狀污泥。與此相反，如果反應區(qū)內的污泥以松散的絮凝狀體存在，往往出現(xiàn)污泥上浮流失，使UASB不能在較高的負荷下穩(wěn)定運行。 根據(jù)UASB內污泥形成的形態(tài)和達到的COD容積負荷，可以將污泥顆?；^程大致分為三個運行期: (1)接種啟動期:從接種污泥開始到污泥床內的COD容積負荷達到5kgCOD/m3.d左右，此運行期污泥沉降性能一般; (2)顆粒污泥形成期:這一運行期的特點是有小顆粒污泥開始出現(xiàn)，當污泥床內的總SS量和總VSS量降至最低時本運行期即告結束，這一運行期污泥沉降性能不太好; (3)顆粒污泥成熟期:這一運行期的特點是顆粒污泥大量形成，由下至上逐步充滿整個UASB。當污泥床容積負荷達到16kgCOD/m3.d以上時，可以認為顆粒污泥已培養(yǎng)成熟。該運行期污泥沉降性很好。 五、外設沉淀池防止污泥流失 在UASB內雖有氣液固三相分離器，混合液進入沉淀區(qū)前已把氣體分離，但由于沉淀區(qū)內的污泥仍具有較高的產甲烷活性，繼續(xù)在沉淀區(qū)內產氣;或者由于沖擊負荷及水質突然變化，可能使反應區(qū)內污泥膨脹，結果沉淀區(qū)固液分離不佳，發(fā)生污泥流失而影響了水質和污泥床中污泥濃度。為了減少出水所帶的懸浮物進入水體，外部另設一沉淀池，沉淀下來的污泥回流到污泥床內。 設置外部沉淀池的好處是: (1)污泥回流可加速污泥的積累，縮短啟動周期; (2)去除懸浮物，改善出水水質; (3)當偶爾發(fā)生大量漂泥時，提高了可見性，能夠及時回收污泥保持工藝的穩(wěn)定性; (4)回流污泥可作進一步分解，可減少剩余污泥量。 六、UASB的設計 UASB的工藝設計主要是計算UASB的容積、產氣量、剩余污泥量、營養(yǎng)需求的平衡量。 UASB的池形狀有圓形、方形、矩形。污泥床高度一般為3-8m，多用鋼筋混凝土建造。當污水有機物濃度比較高時，需要的沉淀區(qū)與反應區(qū)的容積比值小，反應區(qū)的面積可采用與沉淀區(qū)相同的面積和池形。當污水有機物濃度低時，需要的沉淀面積大，為了保證反應區(qū)的一定高度，反應區(qū)的面積不能太大時，則可采用反應區(qū)的面積小于沉淀區(qū)，即污泥床上部面積大于下部的池形。 氣液固三相分離器是UASB的重要組成部分，它對污泥床的正常運行和獲良好的出水水質起十分重要的作用，因此設計時應給予特別的重視。根據(jù)經(jīng)驗，三相分離器應滿足以下幾點要求: 1、混和液進入沉淀區(qū)之關，必須將其中的氣泡予以脫出，防止氣泡進入沉淀區(qū)影響沉淀; 2、沉淀器斜壁角度約可大于45度角; 3、沉淀區(qū)的表面水力負荷應在0.7m3/m2.h以下，進入沉淀區(qū)前，通過沉淀槽低縫的流速不大于2m/m2.h; 4、處于集氣器的液一氣界面上的污泥要很好地使之浸沒于水中; 5、應防止集氣器內產生大量泡沫。 第2、3兩個條件可以通過適當選擇沉淀器的深度-面積比來加以滿足。 對于低濃度污水，主要用限制表面水力負荷來控制;對于中等濃度和高濃度污水，在極高負荷下，單位橫截面上釋放的氣體體積可能成為一個臨界指標。但是直到現(xiàn)在國內外所取得的成果表明，只要負荷率不超過20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未見到有大于10m的報道，第三代厭氧反應器除外。 污泥與液體的分離基于污泥絮凝、沉淀和過濾作用。所以在運行操作過程中，應該盡可能創(chuàng)造污泥能夠形成絮凝沉降的水力條件，使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能，不僅對于分離器的工作是具有重要意義，對于整個有機物去除率更加至關重要。 特別要注意避免氣泡進入沉淀區(qū)，要使固--液進入沉淀區(qū)之前就與氣泡很好分離。在氣--液表面上形成浮渣能迫使一些氣泡進入沉淀區(qū)，所以在設計中必須事先就考慮到: (1)采用適當?shù)募夹g措施，盡可能避免浮渣的形成條件，防范浮渣層的形成; (2)必須要有沖散浮渣的設施或裝置，在污泥反應區(qū)一旦出現(xiàn)浮渣的情況下，能夠及時破壞浮渣層的形成，或能夠及時排除浮渣。 如上所述，UASB中污水與污泥的混合是靠上升的水流和發(fā)酵過程中產生的氣泡來完成的。因此，一般采用多點進水，使進水均勻地分布在床斷面上，其中的關鍵是要均勻--勻速、勻量。 UASB容積的計算一般按有機物容積負荷或水力停留時間進行。設計時可通過試驗決定參數(shù)或參考同類廢水的設計和運行參數(shù)。 七、UASB的啟動 1、污泥的馴化 UASB設備啟動的難點是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。最好的辦法加以馴化，一般需要3-6個月，如果靠設備自身積累，投產期最長可長達1-2年。實踐表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進初期顆粒污泥的形成;比重大的絮狀污泥比輕的易于顆?；?比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動期。 2、啟動操作要點 (1)最好一次投加足夠量的接種污泥; (2)啟動初期從污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特別輕的和細碎污泥跟懸浮物連續(xù)地從污泥床排出體外，使較重的活性污泥在床內積累，并促進其增殖逐步達到顆粒化; (3)啟動開始廢水COD濃度較低時，未必就能讓污泥顆粒化速度加快; (4)最初污泥負荷率一般在0.1-0.2kgCOD/kgTSS.d左右比較合適; (5)污水中原來存在的和厭氧分解出來的多種揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應隨意提高有機容積負荷，這需要跟蹤觀察和水樣化驗; (6)可降解的COD去除率達到70-80%左右時，可以逐步增加有機容積負荷率; (7)為促進污泥顆?；磻獏^(qū)內的最小空塔速度不可低于1m/d，采用較高的表面水力負荷有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開，使小顆粒污泥凝并為大顆粒。 八、UASB工藝的優(yōu)缺點 UASB的主要優(yōu)點是: 1、UASB內污泥濃度高，平均污泥濃度為20-40gVSS/1; 2、有機負荷高，水力停留時間短，采用中溫發(fā)酵時，容積負荷一般為10kgCOD/m3.d左右; 3、無混合攪拌設備，靠發(fā)酵過程中產生的沼氣的上升運動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動; 4、污泥床不填載體，節(jié)省造價及避免因填料發(fā)生堵賽問題; 5、UASB內設三相分離器，通常不設沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應區(qū)內，通?？梢圆辉O污泥回流設備。 主要缺點是: 1、進水中懸浮物需要適當控制，不宜過高，一般控制在100mg/l以下; 2、污泥床內有短流現(xiàn)象，影響處理能力; 3、對水質和負荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。 九、結語 UASB工藝近年來在國內外發(fā)展很快，應用面很寬，在各個行業(yè)都有應用，生產性規(guī)模不等。實踐證明，它是污水實現(xiàn)資源化的一種技術成熟可行的污水處理工藝，既解決了環(huán)境污染問題，又能取得較好的經(jīng)濟效益，具有廣闊的應用前景。