UASB的启动及其影响因素

UASB的启动及其影响因素孙振世 陈英旭 杨 晔(浙江大学环境工程系,浙江杭州 310029)摘 要:本文从实际应用的角度结合最新研究进展总结了影响UASB启动的诸因素及启动时应注意的问题,最后介绍了几种加快启动的最新措施。

关键词:UASB;启动;影响因素中图分类号:X703 1,S216 4 文献标识码:A 文章编号:1000-1166(2000)02-0017-04Start up of UASB and In fluencing Factors/SUN Zhen shi;CHE N Ying xu;YANG Ye(Department of Environmental E ngineering,Zhejiang University,HangZhou,310029,P R China)Abs tract:Factors influencing UASB start up and attentions that s hould be payed were discussed in this paper in term of prac tices.Furthermore,s ome of effec tive ways of quickening the start up were introduced.K ey words: UASB;start up;infl uencing factors自二十世纪70年代Lettinga等人研制成功UASB以来,UASB已成为现代高效厌氧反应器中应用最广泛的反应器之一。

但是,由于大多数厌氧菌很敏感的特性和专性厌氧微生物的酶系统对氧的极端不稳定性,使反应器的菌群对极小的变化比好氧系统表现得更加敏感,因此厌氧系统的启动时间较长,短的二三个月,长的达半年甚至一年之久,严重影响了UASB工艺在污水处理中的应用。

如何有针对性地克服启动难的问题,对UASB工艺的实际应用具有深远的意义。

1 影响UASB启动的主要因素一般认为,启动是以反应器接种污泥开始,以反应器中得到足够的适应于待处理废水并且能存留在反应器中的生物活性污泥为结束。

根据UASB反应器运行期间污泥形态的变化情况和运行控制条件的差异,启动过程可分为污泥驯化期、逐步提高负荷期和满负荷运行期三个阶段。

UASB的启动关键就是要形成适应待处理废水有机物的颗粒化污泥,并使其具有良收稿日期:2000-01-18好的沉淀功能。

UASB工艺之所以能高效稳定地运行,其原因除了通过对反应器的合理设计外,还主要在于操作过程对物理、化学和生物因子的综合优化。

污泥的颗粒化即为优化的重要结果,它是UASB工艺付之实际应用的关键。

影响UASB启动的操作因素主要包括:接种污泥的性质、数量与活性;废水的性质,包括废水的组成及污染物的浓度;环境条件,包括工艺运行的温度、pH值、营养配比、微量无机元素的种类与数量等;启动运行条件,包括初始负荷、负荷的提高方法、水力停留时间及混合等。

1 1 接种污泥UASB的处理能力主要取决于两个参数:反应器内保存的生物体数量和残留生物体的比活性,因而反应器的启动快慢很大程度上决定于接种污泥的性质。

一般说来,用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的,但在没有同类型污泥时,寻找合适的种泥便成了能否启动成功的关键之一。

厌氧消化污泥或粪便可优先考虑,陆正禹等[1]在常温下启动UASB处理啤酒废水时发现,好氧污泥也可作为厌氧反应器的接种污泥,但反应器的运行稳定性和抗冲击负荷的能力不17中国沼气 China Biogas2000,18(2)足,随着运行时间的延长可以达到厌氧污泥接种的水平,但驯化时间远远长于厌氧污泥接种的情况。

不同的厌氧污泥同样对反应器的启动具有一定的影响,Fang等[2]分别利用絮状消化污泥,正常运行的UASB颗粒污泥及碎裂的颗粒污泥接种,发现虽然三个反应器经过110天后都能形成颗粒污泥,但用絮状污泥接种的厌氧反应器启动时间明显长于后两者。

利用UASB处理有毒有机废水时,对消化污泥进行短期的人工培养,可以有效地缩短启动时间[3]。

Lepisto[4]等在一项研究中发现,利用中温颗状污泥接种,经28d可以得到稳定的亚甲基源与60%以上的COD 去除率。

厌氧微生物的生长率比好氧微生物要低得多,因此在启动厌氧反应器时,有足够的接种量要比好氧系统更重要。

根据Lettinga的经验,中温型UASB反应器的污泥接种量需稠密型污泥12~15kgVSS m-3或稀薄型污泥6kgVSS m-3。

高温型UASB反应器最佳接种量在6~15kgVSS m-3。

过低的接种污泥量会造成初始的污泥负荷过高,污泥量的迅速增长会使反应器内各种群数量不平衡,降低运行的稳定性,一旦控制不当便会造成反应器的酸化。

较多的接种菌液可大大缩短启动所需的时间,但过多的接种污泥量没有必要。

1 2 废水的性质Lettinga认为,低浓度废水有利于UASB 反应器的启动,C OD浓度以4000~5000mg L-1为宜,高浓度废水最好稀释后再用作进水。

浓度为1000-4000mg L-1的废水可直接用作进水,不会因浓度低而遇到启动上的困难。

若用高浓度废水直接进水,则需回流,以降低局部区域的基质浓度。

另外,启动过程中,悬浮物浓度应控制在2000mg L-1以下,Souza[5]等研究认为,SS须同时满足两个条件,即:SS小于1000mg L-1和SS/COD小于0 5,UASB反应器才能启动成功。

废水中有机物的性质对启动效果影响较大。

对可生化较差的化工废水,启动时适当加入易生化物质是有益的。

如北京市环科所处理醋酸生产废水和苯二甲酸生产废水时,分别添加了生活污水和淀粉,有效地加速了UASB的启动。

同时还必须注意到,在微生物关键性的形成阶段,应尽量避免进水的剧烈变化和由此造成的细菌环境的改变。

1 3 环境条件温度对于UASB的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。

UASB反应器在常温(25),中温(33~41)和高温(55)下均能顺利启动,并形成颗粒污泥。

但绝大多数UASB启动过程的研究都是在中温条件下进行的,也有少数低温启动的报道[6,7]。

另外,不同种群产甲烷菌对生长的温度范围,均有严格要求。

因此,需要对厌氧反应的介质保持恒温。

不论何种原因导致反应温度的短期突变,对厌氧发酵过程均有明显的影响。

特别是高温发酵最为敏感。

有资料表明,采用高温发酵温度突变!3,就有可能导致厌氧发酵过程发生变化。

另外一项研究还发现嗜温发酵的启动温度对甲烷的形成及丁酸的降解影响十分明显[8]。

如接种污泥量足够,可将所需污泥一次性装入反应器内,然后逐渐升温,恢复生物活性。

升温要渐次进行,升温太快,会造成大量污泥浮升膨胀,堵塞三相分离器。

如其他厌氧反应装置一样,UASB的营养平衡也很重要,细胞的生长和维持需要一定数量的养分,但有些养分过量会抑制厌氧系统的启动。

一般而言,营养比约为C∀N∀P= 75∀5∀1,如以C为C OD的化学计量关系推算,则C OD∀N∀P=200∀5∀1。

也有人认为COD可高至300。

氮源不足时,可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基酸渣及剩余活性污泥等。

磷源不足时,可适当投加磷肥。

同时还必须注意到,适量的碳源对反应器细菌的最佳生长和活性是决定性的条件,然而与其它许多养分一样,碳源浓度的增加应有一个限度,超过限度微生物的生长率就会下降,这一影响通常称为基质抑制。

碳水化合物基质抑18中国沼气 China Biogas2000,18(2)制的一般浓度约为100~150g L-1[9]。

另外无机微量元素对UASB的启动时间长短也有影响。

总之,在启动过程中,营养负荷应逐渐增加,投配量尽可能随着生物体的增加而增加,直至达到稳态运行。

pH值、进水的碱度及惰性物也影响反应器的启动。

颗粒污泥利用不同底物时的生长适应pH范围不同,一般认为,反应器内的pH 值应保持在7 2~7 6之间。

对于以碳水化合物为主的废水,进水碱度与C OD之比大于1∀3是必要的,但对于含较高有机氮和硫酸盐的废水,碱度的控制方式有所不同。

陆正禹等[10]研究链霉素废水的启动过程中发现,控制出水的碱度在1000mgCaCO3 L-1以上能成功地培养出颗粒污泥,颗粒污泥成熟以后,对进水的碱度要求并不高,可以不投或少投纯碱。

适量惰性物如Ca2+、Mg2+和CO2-3、SO2-4等离子的存在,能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。

1 4 启动运行条件UASB反应器启动初始阶段的负荷率必须较低,一般情况下为0 05~0 10kgCOD kgVSS-1 d-1,当观察到气体产量增加并正常运行后,再增加负荷,以增加分级作用,每周可增加约50%,这取决于欲处理的废水,但负荷不宜大于0 6kgCOD kgVSS-1 d-1。

在启动期间必须防止超负荷或过低负荷[11]。

超负荷会对启动产生不利影响,因为在气固分离器中的气体会由于发酵器内气体的提升及污泥的上浮而妨碍污泥的沉淀;过低负荷会形成大量密实的污泥。

选择压对污泥的颗粒化起着很大的作用,提高选择压可促进污泥的颗粒化。

表面水力负荷是形成选择压的主要因素之一,一般要求表面水力负荷应大于0 3m3 m-2 h-1,以保持较大的水力分级作用,冲走轻质污泥絮体。

2 缩短UASB启动时间的新途径针对UASB反应器启动慢这一限制其广泛利用的因素,环保工作者进行了大量的研究,以获得有效的措施缩短其启动时间。

2 1 投加无机絮凝剂或高聚物为了保证反应器内的最佳生长条件,必要时可改变废水的成分,其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。

Macarie和Guyot[12]研究发现,在处理生物难降解有机污染物亚甲基安息香酸废水时,向废水中投加FeSO4和生物易降解培养基后,可以有效地降低原系统的氧化还原能力,达到一个合适的亚甲基源水平,缩短UASB的启动时间。

另一项研究表明,在UASB反应器启动时,向反应器内加入750mg L-1亲水性高聚物(WAP)能够加速颗粒污泥的形成,从而缩短启动时间[13]。

2 2 投加细微颗粒物在UASB启动初期,人为地向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等,有利于缩短颗粒污泥的出现时间,但投加过量的惰性颗粒会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、摩擦,造成强烈的剪切作用,阻碍初成体的聚集和粘结,对于颗粒污泥的成长有害无益。

周律[14]在反应器中投加了少量陶粒、颗粒活性炭等,启动时间明显缩短,这部分细颗粒物的体积约占反应器有效容积的2%~3%。

用石化厂含有机氯化物的废水进行对比实验表明,在其它条件相同时,投加粒径小于0 4m m的颗粒活性炭后,启动时间几乎缩短了一半。

启动阶段投加的细颗粒物似乎仅起着初期颗粒污泥晶核的作用,这是利用颗粒物的表面性质,在短期内加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在细颗粒物表面的富集。