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升流式厌氧污泥床反应器(UASB)的过程控制

文章出处：未知发表时间：2021-07-02 15:40:26

UASB反应器的过程控制包括启动控制和运行控制，其中启动控制主要包括污泥接种、进水控制、颗粒污泥的培养等，运行控制包括废水营养要求、悬浮固体控制、有毒物质控制、碱度及挥发酸的控制等。

1、UASB反应器的启动控制
UASB反应器的启动控制通常指对一个新建的UASB系统以未经驯化的非颗粒污泥接种，使反应器达到设计负荷和有机物去除效率的过程。通常这一过程伴随着颗粒化的完成，因此也称为污泥的颗粒化。
（1）污泥接种
处理工业废水的UASB反应器，在启动前必须投加接种污泥，接种污泥首先选择处理同类废水UASB反应器排出的新鲜剩余污泥，反应器启动很迅速，如接种颗粒污泥量达2～2.2m高的污泥床区，两周即可达到设计负荷；其次选择厌氧絮体污泥如城市污水厂消化池污泥，接种量以整个反应器容积计，以6～8kgVSS/m³为宜；最后选择好氧污泥，如好氧活性污泥过程的二沉池剩余污泥或生物膜过程的二沉池沉淀污泥，接种量以8～10kgVSS/m³为宜。
由于厌氧微生物，特别是产甲烷菌的增殖很慢，厌氧反应器的启动需要较长时间，这被认为是高速厌氧反应器的一个不足之处。但是一旦完成启动，停止运行后的再次启动可以迅速完成。当使用现有废水处理系统的厌氧颗粒污泥启动时，它比其他任何高速厌氧反应器的启动要快得多。关于UASB反应器初次启动的要点见表1.

表1 UASB反应器初次启动的要点

种泥
①可供细菌附着的载体物质微粒对细胞的聚集是有益的
②种泥的比产甲烷活性对启动的影响不大。尽管浓度大于60gSS/L的稠消化污泥的产甲烷活性小于较稀的消化污泥，前者却更有利于UASB的初次启动。
③添加部分颗粒污泥或破碎的颗粒污泥也可以提高颗粒化过程。

启动操作模式
启动中必须相当充分地洗出接种污泥中较轻的污泥，保存较重的污泥，以推动颗粒污泥在其中形成。推荐的要点如下：
①洗出的污泥不再返回反应器；
②当进液COD浓度大于5000mg/L时采用出水循环或稀释进液；
③逐渐增加有机负荷，有机负荷的增加应当在可降解COD能被去除80%后再进行；
④保持乙酸的浓度始终低于1000mg/L；
⑤启动时稠型污泥的接种量大约为10～15kgVSS/m³，浓度小于40gSS/L的稀消化污泥的接种量可以略小些。

废水特征
①废水浓度：低浓度废水有利于颗粒化的快速形成，但浓度也应当足够维持良好的细菌生长条件，最小的COD浓度应为1000mg/L；
② 废水性质：过量的悬浮物阻碍颗粒化的形成；
③ 废水成分：以溶解性碳水化合物为主要底物的废水比以VFA为主要底物的废水颗粒化过程快。当废水含有蛋白质时，应使蛋白质尽可能降解。
④ 金属离子：高的离子浓度（如Ca²⁺、Mg²⁺）能引起化学沉淀（CaCO₃、CaHPO₄、MgNH₄PO₄），由此导致形成灰分含量高的颗粒污泥。

环境因素
① 在中温范围，最佳温度为38～40℃；高温范围为50～60℃；
② 反应器内的pH值应始终保持在6.2以上；
③ N、P、S等营养物质和微量元素（如Fe、Ni、Co）应当满足微生物生长的需要；
④毒性化合物应当低于抑制浓度或给予污泥足够的驯化时间。

由表1可以看出，UASB系统的初次启动和颗粒污泥的形成过程一般可分为3个阶段。
① 第一阶段为启动与污泥活性提高阶段在此阶段内，反应器的有机负荷一般控制在2.0kgCOD/(m³·d) 以下，运行时间约需1～1.5个月。在此运行阶段内必须注意以下几点：a. 最初的污泥负荷应采取0.05～0.2kgCOD/（kgVSS·d）；b. 废水中原有的及处理过程中产生出来的各种挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器的负荷；c. 反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧微生物良好繁殖的状态下。同时在UASB反应器投产时还需注意使反应器能有效地截留重质污泥并允许多余的稳定性差的污泥随出水流出反应器，在此阶段内，污泥对被处理水的特性逐渐适应，其活性也相应地不断得到提高。
② 第二阶段为颗粒污泥形成阶段在此阶段内，有机负荷一般控制在2.0～5.0kgCOD/(m³·d)。由于有机负荷逐渐提高，那些颗粒比较细小和沉降性能比较差的污泥将随出水流出反应器，而重质污泥则留在反应器内。由于产气及其搅拌作用，截留在反应器内的污泥将在重质污泥颗粒的表面富集、絮凝并生长繁殖，做最终形成粒径为1～5mm的颗粒。在污泥负荷为0.6kgCOD/(kgVSS·d)时，可观察到颗粒污泥的形成。此阶段一般也需要1～1.5个月。
③ 第三阶段为污泥床形成阶段在此阶段内，反应器的有机负荷大于5kgCOD/(m³·d)。随着有机负荷的不断提高，反应器内的污泥浓度逐步提高，颗粒污泥床的高度也相应地不断增高，正常运行时。此阶段内的有机负荷可逐渐增加至30～50kgCOD/（m³·d）或更高。通常当接种污泥充足且操作条件控制得当时，形成具有一定高度的颗粒污泥床需要3～6个月。
（2）进水控制
UASB启动期间的进水控制包括进水方式及进水pH值、温度控制等。
启动初期的进水方式可采用间歇进水或连续小流量进水，前者可采用出水回流与原水混合，然后间歇脉冲进料，一天进料5～8次；后者采用低于设计流量的连续进水，根据污泥驯化情况逐渐增加进水流量。
启动期间的进水pH值应根据出水pH值进行控制，通常控制的7.5～8.0范围内比较适宜。
通过对回流水加热，将进水温度维持在高于反应器工作温度8～15℃范围，可保证微生物在规定的工作条件下进行正常的厌氧发酵。

2、UASB反应器的运行控制
处理效果良好的UASB反应器内通常可形成大量的颗粒污泥，颗粒污泥内活性生物量占70%～80%，外观为球形或椭球形，呈灰黑或褐黑色，表面包裹肉眼可见的灰白色生物膜。其相关指标为：相对密度1.01～1.05，粒径0.5～3mm(最大可达5mm)，沉降速度5～10mm/s，污泥指数SVI值为10～20mL/gMLSS。VSS/SS值为70%～80%，碳、氢、氮含量分别为40%～50%、7%和10%左右。
影响颗粒污泥形成或UASB反应器效能的因素主要有进水水质、接种污泥性质、工艺条件等。
（1）进水底物的控制
运行中一般控制厌氧反应器中C:N:P为（200～300）：5：1；且研究表明，采用未经酸化的废水培养颗粒污泥时，其过程要比由挥发酸为主要基质的废水更快；UASB反应器启动时，进水COD的浓度宜控制在4000～5000mg/L。
（2）进水中SS的控制
UASB反应器与其他厌氧生物处理工艺的明显不同是对进水SS的严格控制。若进水中SS浓度过高，一则不利于污泥与进水中有机底物的充分接触而影响产气；二则容易造成反应器的堵塞。研究表明，进水中SS浓度小于2000mg/L时，可成功地培养颗粒污泥。对于低浓度废水，SS/COD值为0.5时，不影响UASB反应器的处理效果；对于高浓度有机废水，SS/COD须控制在0.5以下。
（3）有毒有害物质的控制
对厌氧微生物有毒有害的物质包括氨氮、硫酸盐、重金属、碱土金属、二氯甲烷、氰化物、酚类、硝酸盐和氯气等，其中氨氮浓度在50～1500mg/L时，对厌氧微生物有刺激作用；氨氮浓度的1500～3000mg/L时，将产生明显的抑制作用，一般宜将其控制在1000mg/L以下。
废水中硫酸盐含量较高时，一则硫酸盐还原菌会与产甲烷菌竞争氮原子而抑制产甲烷过程；二则是硫酸根还原产生的未离解态硫化氢对微生物毒性很大。研究表明，COD/SO₄^2-比值小于10时，硫化物浓度超过100mg/L便可产生抑制作用。一般情况下，UASB反应器中硫酸盐离子浓度不宜大于5000mg/L，运行中COD/SO₄^2-应大于10。
（4）碱度和挥发酸浓度的控制
UASB反应器内碱度的正常范围一般为1000～5000mg/L，碱度不够，则会因缓冲能力不够而使消化液的pH值降低；监督过高，又会导致pH值过高。
在UASB反应器中，由于缓冲物质的存在，仅根据pH值难以判断挥发酸的累积情况，而挥发酸的过量累积将直接影响产甲烷菌的活性和产气量，一般来讲，VFA的浓度需小于200mg/L。

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