UASB反应器的启动与运行.docx

1、UASB反应器的启动与运行UASB反应器的启动与运行UASB反应器的启动与运行1.污泥颗粒化的意义厌氧反应器内颗粒污泥形成的过程称之为颗粒污泥化，颗粒污泥化是大多数UASB反应器启动的目标和启动成功的标志。污泥的颗粒化可以使UASB反应器允许有更高的有机物容积负荷和水力负荷。一般絮状污泥的UASB负荷在10kgCOD/(m3d)以下，而颗粒污泥UASB反应器负荷甚至可高达3050kgCOD/(m3d)。据Hulshoff Pol，颗粒污泥化还具有如下优点。1)细菌形成颗粒状的聚集体是一个微生态系统，其中不同类型的种群组成了共生或互生体系，有利于形成细菌生长的生理生化条件并有利于有机物的降解。2

2、)颗粒的形成有利于其中的细菌对营养的吸收。3)颗粒使发酵菌的中间产物的扩散距离大大缩短，对复杂有机物的降解是很重要的。4)在废水突然变化时（例如pH值、毒性物的浓度等），颗粒污泥能维持一个相对稳定的微环境，使代谢过程继续进行。2.UASB反应器的初次启动泥形成，部分破裂的颗粒污泥碎片会成为新生的颗粒污泥的载体。当用非颗粒污泥接种时，则应当注意反应器的操作。如前所述，为避免絮状污泥在反应器里大量生长从而妨碍颗粒污泥的形成，必须将絮状污泥和分散的细小污泥由反应器“洗出”，这是反应器完成颗粒化的先决条件。但是洗出应当是缓慢的逐步进行的过程，过度的洗出会使反应器内污泥量减少太多而导致启动失败。表2为不

3、同温度下操作6m高的生产性UASB反应器所得到的污泥停留时间范围。表2 不同温度下操作6m高的生产性UASB反应器所得到的污泥停留时间范围温度/最大污泥负荷/kgCOD/(kgVSSd)最小SRT/d最高SRT/d101525303337400.210.471.982.803.583.743.6610043.510.57.45.85.55.630013132221717171)启动的阶段一般把UASB的初次启动和颗粒化过程分为三个阶段，分别为启动与提高污泥活性阶段、形成颗粒污泥阶段、逐渐形成颗粒污泥床阶段。阶段1启动的初始阶段。这一阶段是指反应器负荷低于2kgCOD/(m3d)的阶段。这一阶段

4、反应器由0.51.5 kgCOD/(m3d)或污泥负荷0.050.1 kgCOD/(kgVSSd)开始。这一阶段洗出的污泥仅限于种泥中非常细小的分散污泥，洗出的原因主要是水的上流速度和逐渐产生的少量沼气。阶段2反应器负荷上升至25 kgCOD/(m3d)的启动阶段。在这一阶段污泥的洗出量增大，其中大多为絮状的污泥。洗出的原因是产气和上流速度的增加引起的污泥床的膨胀。大量污泥洗出的结果是在留下的污泥中开始产生颗粒状污泥。一般在从开始启动到40d左右，可以在反应器底部观察到颗粒污泥。在这一阶段污泥负荷的增加较快，这是因为污泥对废水的驯化过程基本完成，污泥的活性增加。这一阶段末期，污泥的洗出由于颗粒

5、污泥的形成而减少，颗粒污泥的良好沉淀性能使其保留在反应器内。这一阶段里，反应器内的污泥浓度由于絮状污泥的洗出降低到最低的程度。而实际上，在反应器里对较重的颗粒污泥和分散的、絮状的污泥进行了选择。阶段3这一阶段指反应器负荷超过5 kgCOD/(m3d)。在这一阶段里，絮状污泥变得迅速减少，而颗粒污泥加速形成，直到反应器内不再有絮状污泥存在。在这一阶段反应器负荷可以增加到很高，当反应器大部分被颗粒污泥充满时，其最大负荷可以超过50 kgCOD/(m3d)。2)启动前应了解的废水特征废水特征对厌氧反应器的操作有重要影响。因此必须对废水特征有明确了解。工业废水的种类时非常多的。即使同一类工业废水，其性

6、质也会因其工艺的不同区别很大。因此对一种废水在启动前，首先了解废水特征。首先要知道废水的有机物浓度过低浓度的废水可能并不适合于传统的UASB的应用。Lettinga等人曾认为低于100mgCOD/L的废水不宜于使用UASB，或者说在此浓度下UASB的使用不能充分表现其优越性。近年来由于EGSB反应器的发展和UASB上流速度的有效提高，因此又提出了低于100mgCOD/L的废水不宜于使用UASB的说法。而在较高的浓度下废水则可能需要稀释回流。废水的厌氧可降解性由废水的可降解性可以预测出UASB反应器出水的质量或COD的去除效率。废水的pH值缓冲能力碱度是衡量缓冲能力的一个参数，对碱度特别小的废水

7、，可以加入Na2CO3提高其碱度，具体看前面所述。另一个实用的检查废水缓冲能力的方法是向废水中加入相当于COD浓度40的乙酸（COD浓度计），假如废水pH值仍然维持6.5以上，则其缓冲能力是没有问题的。假如pH值在加乙酸后低于6.5，则说明废水的缓冲能力不是非常强，在操作中应小心控制，后一种情况下，在废水处理中产生的NH3也能提高其缓冲能力。废水中维持细菌生长必需的营养厌氧菌需要的营养较少，粗略地讲，N和P的需求大约为COD：N：P（350500）：5：1。但由于发酵产酸菌的生长速率大大高于产甲烷菌，因此，较为精确的估算应当是CODBD：N：P：S约为（50/Y）：5：1：1。其中Y为细胞产率

8、，对于发酵产酸菌，Y0.15；对于甲烷菌，Y0.03。典型地，对完全未酸化的废水，取Y0.15；对于一个完全酸化的废水，取Y0.03。此外，甲烷菌细胞组成中有较高浓度的铁、镍和钴。在以冷凝液为主的废水中，有时在例如玉米、土豆加工废水中，这些元素可能非常少，在此情况下应当加入这些微量元素，有时也增加锌和钼。废水中悬浮物的含量废水中悬浮物的含量如果太高，则可能不大适宜于UASB处理。当废水悬浮物质量浓度超过3000mg/L，并且它们不能生物降解而且能滞留在反应器内，就会引起较大麻烦。但如果这些悬浮物能够生物降解，或者它们不在反应器内滞留，则不会引起任何问题。悬浮物能否在反应器内滞留取决于悬浮物和污

9、泥的颗粒大小与密度，当反应器形成颗粒污泥，在悬浮物不容易停留在反应器内。对于可以降解的悬浮物，应当知道它降解的速率以便计算悬浮物在反应器里的保留量。了解废水中是否含有有毒化合物和在厌氧过程中转化为有毒化合物一般情况下，应当了解总氮（凯氏氮）和氨氮、硫酸盐和亚硫酸盐的浓度，并要了解在废水产生的工厂里是否使用了杀菌剂、消毒剂等。3)初次启动的一些要点UASB的反应器启动的过程实质上是对菌种的驯化、选择、增殖的过程。因此在启动阶段应有一定的目标和遵循某些基本规则。初次启动是一个需要熟练技艺和经验的过程，尽管许多人已成功完成过各类UASB的启动，但不同规模、不同设计和处理不同废水的UASB的启动模式和

10、启动花费的时间有时相当不同，因此从根本上了解启动的一些要点比一个启动模式更有用。下面将叙述一下一般承认的要点和注意事项。对启动初期的目标应明确在UASB的启动初期，特别是第一阶段，不能够片面追求反应器的处理效率、产气率的改进和出水的质量等。因为初期的目标是反应器逐渐进入“工作”状态，从微生物角度看，它实质上是使菌种由休眠状态恢复及活化的过程，在这一过程中，理所当然有一个停滞期存在。当菌种从休眠中恢复到营养细胞的状态后，它们还要经历对废水性质的适应。在整个颗粒化过程中，选择、驯化、增殖过程都在进行，而原种泥中可能浓度较低的甲烷菌增长速度相对于产酸菌要慢得多。因此在颗粒污泥出现前的这一阶段可能相对

11、较长，这一阶段里不可能有较大的反应器负荷。进液的浓度废水质量浓度低于5000mgCOD/L时，一般不需要稀释可直接进液，除非废水中含高浓度的有毒物质。当废水浓度过高时，最好将废水稀释到大约5000mgCOD/L。在没有低浓度的其它稀释水时，可以简单地采用反应器出水的循环。但出水循环在启动阶段也应谨慎从事，因为启动阶段的出水有时仍会有相当浓度的未降解的COD，以这种出水不能有效稀释进水有时反而会引起过负荷。在这种情况下如果负荷的因素更重要时，则不必采用出水的循环。当采用出水循环时，可以参照表3给出的要点。表3 UASB出水循环的应用要点当废水COD质量浓度低于5000mg/L时，不需要出水循环；

12、但当亚硫酸盐质量浓度大于200mg/L，则应采用循环使进液亚硫酸盐质量浓度低于100 mg/L当废水COD质量浓度在500020000mg/L时， 采用出水循环启动，使进液浓度在5000mg/L左右废水COD质量浓度超过20000mg/L时，在启动阶段可以采用其它稀释水。高浓度废水常常含有高的盐浓度，这使得甲烷产率增加很慢。因此，以其它含盐少的或清水稀释有利于菌的增殖，最后直接稀释到5000mg/L。如果不能稀释至5000 mg/L，则至少稀释到20000 mg/L，并同时采用出水循环当增加负荷时，必须记住出水COD浓度会有短暂的增加阶段，此时采用循环时可以通过计算得出反应器的真正负荷或进液浓

13、度。真正进入反应器的混合水浓度为：(cin+fcoff)/( 1+f)，其中f为循环比；cin为原水进液浓度；coff为出水浓度注：这些原则一般也适用于启动后的正常操作。负荷增加的操作方法启动的最初负荷可以从0.51 kgCOD/(m3d)开始，当可生物降解的COD去除率达到80后再逐步增大负荷。为保险起见，反应器开始负荷不应太高，只要容积负荷略高于0.2 kgCOD/(m3d)即可，水力时间大于24h。反应器开始操作，在最低的负荷下连续运转直到有气体产生，5d后，检查产气是否达到略高于0.1m3/(m3d)。如果5d后反应器的产气量仍未达到这一数值，可以停止进液3d后再恢复进液，直到产气量增

14、加。如果产气量已达到0.1m3/(m3d)，则下一步是检查出水的VFA 浓度了。出水VFA 浓度是非常重要的参数，出水VFA浓度过高，意味着甲烷菌活力还不够高或环境因素使甲烷菌活力下降而导致VFA利用不充分。启动阶段，当环境因素例如pH值、温度等正常时，出水VFA过高则表明反应器负荷相对于当时的菌种活力偏高。出水VFA若高于8mmol/L，则应当停止进液，直到反应器内VFA低于3mmol/L后，再继续以原浓度、原负荷进液。如果出水VFA低于3mmol/L，说明反应器运行状态良好，反应器可以以原负荷继续运行。这一阶段需要运行很长时间而不改变负荷，运行时间可能有1个月之久。由于上流速度和产气量很小

15、，基本上没有污泥洗出。出水VFA需至少每两天测一次，直到连续进液多日，出水VFA始终保持在3mmol/L以下后，再采用增加负荷的措施。增加负荷可以通过增大进液量或者降低进液稀释比的方法进行。负荷每次可增加30。如果废水经过很大程度的稀释，则可以把稀释比降低30，仍维持HRT不变，则负荷也就增加了30。负荷的增加必须使出水VFA比原先略有上升，当出水VFA高于8mmol/L，此时不停止进液但要观察反应器内pH值的变化防止“酸化”的发生。增大负荷后的短时间内，产气量也有可能降低，这是因为细小的甲烷菌微粒被洗出。几天后产气量会重新上升，出水VFA浓度也会下降。但是如果出水VFA增大到15 mmol/

16、L，则必须把负荷降至原来的水平，并保证反应器内pH值不低于6.5，万一pH值下降至6.5以下，有必要加入碱调节pH值。待一切恢复正常后，可以把负荷提高的幅度降至20。以上负荷增加的步骤可以重复进行直到负荷达到2.0 kgCOD/(m3d)，也就是说，负荷增大的步骤可能重复810次。每次操作所需要时间可能长短不一，有时可能长达两周，有时仅有几天。当负荷达2.0 kgCOD/(m3d)以上时，每次负荷可增加20，增加负荷的时机（出水VFA浓度小于3mmol/L）及方式如前所述。负荷达到5.0 kgCOD/(m3d)后，除了依照前面所述的方法操作外，也应当每周再检查一次反应器中污泥的活性和污泥沿反应

17、器高度的浓度变化。颗粒化很可能在负荷达到5.0 kgCOD/(m3d)前后很快形成，其中反应器的负荷可以较快地增加。表4给出了一些促进颗粒化形成的操作要点。表4 当负荷上升至2.0 kgCOD/(m3d)后促进颗粒化形成的启动操作要点出水VFA一旦低于3 mmol/L即增加反应器负荷使细小分散的污泥洗出，不使这些洗出的污泥返回反应器使反应器保持最佳的细菌生长条件。一般地，pH6.87.5；温度3038（中温范围）或5358（高温范围）；保证微生物生长所需要的营养与微量元素为防止过负荷，在每次增加负荷时应总是小于50启动6周后，以显微镜和放大镜作污泥的镜检，在4001000放大倍数下应当看到污泥

18、中的丝状物当HRT达到大约5d后，开始降低稀释用水的量；在HRT小于20时，对于COD质量浓度小于15g/L的废水，稀释不再是必需的；如果废水COD质量浓度大于15g/L，则需要出水循环3.UASB反应器的二次启动UASB反应器的二次启动是相对于初次启动说的。所谓初次启动是指用颗粒污泥以外的其它污泥作为种泥启动一个UASB反应器的过程。而二次启动是指使用颗粒污泥作为种泥对UASB反应器的启动。颗粒污泥是UASB启动的理想的种泥，使用颗粒污泥的二次启动大大缩短了启动时间，即使对于性质不同的废水，颗粒污泥也能很快适应。使用颗粒污泥接种允许有较大的接种量，较大的接种量可缩短启动的时间。启动时间的长短

19、很大程度上取决于颗粒污泥的来源，即颗粒污泥在原反应器中的培养条件（温度、pH值等）以及原来处理的废水种类。新启动的反应器在选择种泥时，应尽量地选用与所处理水种类相近的废水种类，废水种类与性质越接近，所需驯化的时间越少。同时应尽量采用同一温度范围的种泥，例如采用高温种泥不利于中温反应器的启动，而中温的种泥启动高温反应器也较慢。二次启动采用较大的接种量，颗粒污泥的活性比其它种泥高得多，二次启动的初始反应器负荷可以较高，有关报道推荐初始的反应器负荷可为3 kgCOD/(m3d)。二次启动进液浓度在开始时一般与初次启动相当，但可以相对迅速地增大进液浓度。负荷和浓度增加的模式与初次启动类似，但相对容易。

20、产气、出水VFA等仍是重要的控制参数，COD去除率、pH值等也是重要的监测指标。二次启动在原则上如上所述，但启动中可能遇到某些以外的问题或现象，这些问题如果处理得当，会有利于新的颗粒污泥的形成和加快启动过程。表5是关于UASB反应器的二次启动过程可能出现的问题及解决办法。表5 UASB反应器的二次启动过程可能出现的问题及解决办法问题与现象原因解决办法1.污泥生长过于缓慢营养与微量元素不足进液预酸化程度过高污泥负荷过低颗粒污泥洗出（4，5条）颗粒污泥的分裂（6条）增加进液营养与微量元素浓度减少预酸化程度增加反应器负荷2.反应器过负荷反应器中污泥量不足污泥产甲烷活性不足降低负荷；提高污泥量增加种泥

21、量或促进污泥生产；适当减少污泥洗出减少污泥负荷，增加污泥活性（3条）3.污泥产甲烷活性不足营养或微量元素缺乏产酸菌生长过于旺盛有机悬浮物在反应器中积累反应器中温度降低废水中存在有毒物质或形成抑制活性的环境条件（6条）无机物例如Ca2+等引起沉淀添加营养或微量元素增加废水预酸化程度降低反应器负荷降低悬浮物的浓度增加温度减少进液中Ca2+浓度；在UASB前采用沉淀池4.颗粒污泥洗出气体聚集于空的颗粒中，在低温、低负荷、低进液浓度下易形成大而空的颗粒污泥由于颗粒形成分层结构，产酸菌在颗粒污泥外大量覆盖使产气聚集在颗粒内颗粒污泥因废水中含大量蛋白质和脂肪而有上浮趋势增大污泥负荷，采用内部水循环以增大水

22、对颗粒的剪切力，使颗粒尺寸减小应用更稳定的工艺条件，增加废水预酸化的程度采用预酸化（沉淀或化学絮凝）去除蛋白质与脂肪5.絮状污泥或表面松散“起毛”的颗粒污泥形成并洗出由于进液中的悬浮的产酸菌的作用颗粒污泥聚集在一起在颗粒表面或以悬浮状态大量地生长产酸菌表面“起毛”的颗粒形成，产酸菌大量附着于颗粒表面从进液中去除悬浮物，减少预酸化程度增加预酸化程度，加强废水与污泥混合的强度增加预酸化程度，降低污泥负荷6.颗粒污泥破裂分散负荷或进液浓度的突然变化预酸化程度突然增加，使产酸菌呈“饥饿”状态有毒物质存在于废水中过强的机械力作用由于选择压力过小而形成絮状污泥采用更稳定的工艺应用更稳定的预酸化条件废水脱毒

23、预处理；延长驯化时间；稀释进液降低负荷和上流速度，以降低水流的剪切力采用出水循环增大选择压力，使絮状污泥洗出4.UASB反应器启动后的运行UASB反应器的运行是在高负荷下的生物化学过程，这一过程由厌氧微生物的生命过程完成。因此反应器的运行从根本上讲必须满足微生物对环境条件的需求，这些环境条件应尽量接近微生物的最佳生长条件，同时也应力求避免大的波动。具体的环境条件和有关废水特征的影响因素可参考前面所述。在实际运行中，进出液的COD浓度、进液流量，进水与出水的pH值、反应器内的pH值，产气量及其组成，出水VFA浓度及其组成，反应器内的温度都是被监测的指标。1)出水的VFA浓度与组成出水的VFA浓度

24、在反应器内的控制中被认为是最重要的参数，这是因为VFA的除去程度可以直接反映出反应器运行状况，同时也应为VFA浓度的分析较为快速和灵敏地反映出反应器行为的微小变化。在正常情况下，底物由酸化菌转化为VFA，VFA可以被甲烷菌转化为甲烷。因此甲烷菌活跃时，出水VFA浓度较低。当出水VFA质量浓度低于200mg乙酸/L时，反应器的运行状态最为良好。任何不利于甲烷菌生长的因素都会导致产生VFA浓度的上升，这是因为甲烷菌活性降低使VFA积累所致。温度的突然降低或过高、毒性物质浓度的增加、pH值的波动、负荷的突然加大等都会由出水VFA的升高反映出来。进水状态稳定时，出水pH值的下降也能反映出VFA的升高，

25、但是pH值的变化要比VFA的变化迟缓，有时VFA可升高数倍而pH值尚没有明显改变。因此从监测出水VFA浓度可快速反映出反应器运行的状况，并因此有利于操作过程的及时调节。过负荷常是出水VFA升高的原因。因此当出水VFA的升高而环境因素（温度、进水pH值、出水水质等）没有变化时，出水VFA的升高可由降低反应器负荷来调节，过负荷可能由进水COD浓度或进水量的升高引起，也会由反应器内污泥过多流失引起。出水VFA浓度的上升直接影响废水处理的效果，过高的出水VFA浓度表明反应器内大量的VFA积累，因此是反应器pH值下降或导致 “酸化”的前期讯号。一般认为，当VFA的质量浓度超过800mg/L时，反应器即面

26、临酸化危险，应立即降低负荷或暂停进液，并检查环境因素有无改变。在正常运行中，应保持出水VFA浓度在400mg/L以下，而以200mg/L以下为最佳。出水VFA的组成也是反应器运行中监测的指标之一。正常运行中，VFA浓度较低，出水VFA以乙酸为主，占VFA总量90以上，只有少量丙酸与丁酸。当乙酸不能很好被甲烷菌利用时，底物会转化为较多的丙酸与丁酸。因此出水VFA的组成也能反映反应器的运行状况。2)pH值在UASB反应器运行过程中，反应器内的pH值应保持在6.57.8范围之内，并且应尽量减少波动。PH值在6.5以下，甲烷菌即已受到抑制，pH值低于6.0时，甲烷菌已严重抑制，反应器内产酸菌呈现优势生

27、长，此时反应器已严重酸化，恢复十分困难。VFA浓度增高是pH值下降的主要原因，虽然pH值的检测非常方便，但它的变化比VFA浓度的变化要滞后许多。当甲烷菌活性降低，或因过负荷导致VFA开始积累时，由于废水的缓冲能力，pH值尚没有明显变化，从pH值的监测上尚反映不出潜在的问题。当VFA积累至一定程度时，pH值才会有明显变化。因此测定VFA是控制反应器pH值降低的有效措施。当pH值降低较多时，应立即采取措施，减少或停止进液是常采用的应急措施。在pH值和VFA浓度恢复正常后，反应器在较低的负荷下运行。进行pH的降低可能是反应器内pH值下降的原因，因此如果反应器内pH值降低，应立即检查进液pH值有无改变

28、。3)产气量与组成产气量也是非常重要的监测指标。首先，产气量能够迅速反映出反应器运行状态；其次，产气量可以从进水反应器的COD总量、COD的去除率等数据估算出来，实际产气量应当与估算接近并维持稳定。当产气量突然减少，而反应器负荷没有变化时，说明运行不正常导致甲烷菌活性降低。pH值的变化，温度的降低，有毒物质等均可能是产气突然下降的原因。在稳定的UASB反应器中，当废水组成变化时，产气量也会发生迅速的变化。产气的组成也能反映出反应器的运行状态。当正常运行时，甲烷在产气中约占6080，这一比例与废水成分有关。当运行中产气甲烷比例明显下降，可能是甲烷菌活力下降造成。当反应器内产酸菌优势生长，VFA积

29、累导致pH值降低以及影响甲烷菌生长的其它环境因素都会导致产气中甲烷比例下降。4)污泥的洗出另外一个监测的指标是运行过程中污泥的洗出。在反应器的启动阶段相当多的污泥从反应器中洗出，这是正常的。在启动后的运行中，也会有一定量的污泥从反应器中洗出。但是污泥在运行阶段被洗出的量应当有其限度，这一限度即洗出的污泥量不应大于同期产生的污泥量，否则反应器内污泥量大量流失，反应器将不能维持较高的负荷。因此在运行中应通过测出水悬浮物的量来估计污泥洗出量。污泥的洗出原因与限制污泥大量流失的办法可参见表5。5)反应器运行的其它监测指标在相对稳定的操作条件下（温度、进液pH值、进液的COD浓度与组成，进液流率等相对稳

30、定），通过以上参数的监测即可确认反应器是否稳定运行。在实际操作中，为了了解反应器调运行效率和分析问题出现的原因，则往往可能测试更多的参数。这些参数的测定有些是必须经常进行的，有些根据需要偶尔进行。现分述如下。对于进液和出液要测定以下参数：a.COD浓度；BOD浓度或可生物降解的COD浓度；b.VFA浓度与组成；c.温度；d.pH值和碳酸氢盐碱度；e.流量；f.TSS和VSS浓度，悬浮物的沉降性能；g.废水中的氮、磷等营养物质；h.SO42-、SO32-、S2-的浓度；i.有毒物质和抑制物质的存在。由进液和出液的测定，可以做以下计算：a.BOD与COD的浓度比；b.反应器的COD或BOD负荷；c

31、.各种参数的波动；d.COD和BOD的去除率；e.TSS的去除率；f.SO42-和SO32的去除率；g.有机氮转化为氨氮的转化率。关于产气量和组成可以测定以下参数：a.产气量（m3/h）；b.产气组成，包括CH4含量、CO2含量、H2S含量、H2含量、N2含量等。以上测量可以计算出COD转化为CH4的转化率。为了监测反应器内污泥床的变化，可测定以下参数：a.污泥浓度沿反应器高度的分布曲线；b.随上流速度的变化污泥床的膨胀率；c.污泥的产甲烷活性；d.污泥颗粒的形状、大小、强度、沉降性能等；e.污泥的灰分与VSS百分比，如有必要测定污泥中以S2-、CaHPO4、MgNH4PO4等形式存在的沉淀物；f.污泥中N、P和S含量。由污泥测量中可以计算出：a.反应器中的污泥总量；b.反应器具有的大负荷潜力，安全的运行负荷应保证始终低于其最大负荷潜力；c.反应器剩余污泥产量。