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快乐小地鼠的博客
正文
2019-12-10 10:41:37 | 分类:污水处理 | 标签:给水排水,颗粒影响


    UASB((Upflow Anaerobic Sludge Blanket升流式厌氧污泥床反应器)工艺及其它液体和/或气体升流速率较高的工艺要求生物污泥泥具有优异的沉降性能。典型的污泥,这些处理过程使用的是在无机状况下生长的粒状污泥或厌氧污泥。

    在影响粒状污泥的形成和发展方面人们已经做了很多研究,特别是在大多数反应器结构中,众所周知,TSS/COD比值太高,对粒状污泥的形成过程,以及对反应器的性能构成威胁,所以污水进入反应器前要求预先将TSS(悬浮颗粒)去除。

    本文集中研究高含量的不同类型的颗粒物质(硅藻士、大麦屑、酵母细胞和好氧污泥)对污泥特性,及在UASB工艺性能方面的影响。我们讨论由西格斯卓越技术建造和运行的中试和实比规模装置所得出的结论。

    看来在受控条件下可以在UASB装置内处理含大量悬浮颗粒的污水而不会对处理过程构成威胁,从而省略了预沉淀步骤,减少了装置的投资和运行费用。

    本文完全集中在中试和实比规模装置的实际经验。

    介绍

    升流式厌氧污泥床(UASB) 反应器发展至今已有二十多年(Lettinga et al, 1980),对该工艺所依赖的、具有高沉降速度的颗粒或细菌团的发展方面已经做了很多研究。厌氧废水处理、特别是UASB的应用日趋普遍已经在厌氧生物污泥颗粒的基本原理和新型升流式厌氧污泥处理工艺(如厌氧膨胀床床反应器EGSB)领域内提供了一持续性的研究。但是总结对颗粒的形成和生长会有影响的不同参数,我们无法回避这样的情形,即颗粒化是由不同混合机制组成的一个非常繁复的过程,它的真正机制目前还未被完全搞清楚。

    细菌团尺寸达到0.25 mm即为颗粒化。在影响颗粒化的进水参数中,钙认为在细菌的吸附和粘附同时还有污泥的生长方面有着积极的影响(Yu et al., 2001)300mg/l的钙浓度同4000mg/lCOD被认为是最佳参数的(Yu et al., 2001),但是,除非进水含有碳水化合物(Van Langerak et al., 2000),太高的钙含量会降低特种甲烷菌的活性(SMA)。另一方面,据报道钙在污泥负荷较低时,并不促进颗粒化(Guiot et al., 1987)

    碳水化合物的存在促进细胞外多糖 (EPS)的产生,这增强了细菌的凝聚,并且因此被认为对小颗粒化进程是必须的(Quarmby et al., 1995; Batstone et al., 2001)。与此相反,蛋白质似乎引起细胞脱粒,也许是因为它们的代谢物改变了水的表面张力,这妨碍了细菌凝聚过程(Thaveesri et al., 1994)。据报道表面张力确实在颗粒化进程中扮演着重要的角色。当进水含有碳水化合物,它降低了大量水的表面张力,并增加了污泥的产出,因此引起在外层颗粒边沿带亲水性乙酸菌的污泥颗粒的形成,只同样促进了生物气泡的释放并限制了颗粒上浮的危险(Thaveesri et al, 1995)

    此结果与先前的研究是一致的,在先前的研究里显示了含有碳水化合物的进水与处在外面的产酸菌和处在内部的产甲烷菌引起分层颗粒的形成,与此同时添加具有生长限制的水解/发酵的措施(如蛋白质)并不显示任何分层模式(Fang, 2000)。从总体上看,低COD/SO4 比率抑制了产甲烷菌污泥,颗粒化由发展减少硫酸盐细菌替代(Yamaguchi et al., 1999).

    某些添加剂显示可增加污泥颗粒化:活性碳和特别天然物质(El-Mamouni et al.,1998)及阳离子聚合体(Wirtz et al., 1996)。并且据报道添加Fe2+ 对污泥颗粒化有积极的影响,但在COD去除率和减少SMA方面没有影响(Yu et al., 2000),从而增加微量金属在污泥活性和颗粒化方面有积极的效果(Guiot et al, 1988)

    据报道工艺参数在污泥颗粒化方面也扮演着重要作用,我们相信最小每天0.6 gCOD/gVSS的污泥负荷可增强颗粒性能(Hulshoff Pol et al., 1982)。某些作者声称在启动时的初始污泥停留时间(SRT)应当根据污泥种的属性来调节,为颗粒化创造最佳的条件;稀释污泥种要求较短的污泥停留时间(de Zeeuw; 1987)。相反高SRT时间和因此迟缓的颗粒生长显示出有一个更高机械阻力(Pereboom, 1997)。但是其它作者写道决定厌氧污泥颗粒生长的条件很少取决于进水COD的属性(Fang, 2000)。类似地,某些作者相信反应器的设计(UASB EGSB)应当在污泥的属性方面仅仅影响轻微(Jeison, 1999),并且象升流速率和负荷率这类主要工艺参数同样从属于进水属性(Batstone, 2001)

    不幸的是,在实比规模UASB的起动阶段上面列出的参数只有一小部分可以得到控制。进一步来说,那些只有劣质污泥或干脆没有厌氧的国家在装置的启动开始时,留给颗粒优化的余地甚至更小。

    令人我们感到惊讶的是,在悬浮固体(SS)对颗粒起始和成长期方面的影响方面几乎没有什么研究,只有小量的悬浮固体被报道起到加强Methanosaeta (以前称为Methanothrix)污泥附着性、并且有利于颗粒化(Wiegand, 1987)。但是在进水起步阶段太高的进水悬浮固体物成分意味着少量的生物污泥会有大量可用的表面,这导致生物污泥极易冲散(Hulshoff Pol, 1987)。同样在进水有高含量的粘土或小粒悬浮固体物时,预处理是必须的(Van Wambeke et al, 1990; Mennen et al, 1996)。极大部分的进水惰性悬浮固体物占大约10%的进水CODtot,但很大程度上作为相当多的部分取决于COD的属性可以在被控制的条件下处理并设计适当的反应器(西格斯,未发表的结果)

    但是不仅进水有时某种SS的存在是无法避免,而且在UASB装置里处理某些SS可能是一个相当大的优势,它允许省略预处理,并且避免了常常需要和其它污泥分开排出的初污泥的产生。本文的目的是要报道厌氧污泥颗粒化的悬浮固体物在中试和实比规模装置的某些经验。

    原料与方法

    中试试验是在一个25升水量和15升活性量的反应器中完成。反应器由一个直径为15 cm的垂直放置的圆柱体和覆盖的一个三相分离器所组成。在反应器里小粒污泥是从运行于食物处理排水的实比UASB那里取来的,产生的气体由一个气体收集容器测量,在反应器里的实际液体升流速率在0.51 m/h之间变化,液体升流速度依靠反应器的排水再循环保持稳定,pH值和温度每天测量。取决于试验要求,进水从二个不同的酿酒厂收集。添加到进水的酵母和好氧剩余污泥从一个酿酒厂取来。储存的进水每周更新,在储存的进水中的悬浮固体靠搅拌保持悬浮。来自于酵母或活性污泥的COD部分逐渐增加;在典型情况下4-8周达到设计负荷。

    实比UASB装置是UNITANKanaerobic® 装置,所有装置带一个好氧后处理,所有反应器在底部和与顶部合成的一个三相分离器处配备有一个进水分配系统,反应器的基本设计相同;升流速率在0.5-1 m/h范围内,同时体积负荷比例变化如在表中所提及。

用于中试试验的酵母流量在45-60°C至少需36小时的时间进行一个热预处理,以使所有酵母细胞非活性化并增加细胞体的溶解性,溶解后的细胞流随后供给到反应器。

    结果与讨论

    酵母的添加

    中试试验在进水添加酵母的情况下完成,由酵母引起的COD上升值占60%的酿酒废水起始COD值,进水、排水和主要参数列在下表1.

参数

单位

最小-最大值

平均值

进水CODtot

mg/l

3020-5750

4120

进水TSS

mg/l

702-1170

901

进水TSS/COD比率

%

10-60

26

出水CODtot

mg/l

229-1020

755

出水TSS

mg/l

114-521

258

温度

°C

27-35

27

CODtot去除率

%

62-93

79

污泥负荷

kgCOD/kgDM.d

0.3-1.7

0.7

特定气体产量

l gas/gCODrem

150-423

285

1:带酵母添加剂的试验装置在酿酒废水排水方面的数据


    酿酒废水低特定气体产量和相当低的进水COD是由于在废水的储存期间进水COD部分分解。

Feat11_techpap_UASB_CN_pic1



    CODtot负载在开始到25天期间从1逐渐增加到10 gCODtot/m3.d,并且保持在大约13 gCODtot/m3.d,在进水处每当增加酵母会导致污泥冲散增加,但在后来污泥得以稳定和减少。在出水CODtot和特定气体产量保持在同样的范围(未显示),气体产量也显示出了在酵母添加后相当大的增加,这说明酵母增补的COD被生物污泥所吸收。但是当酵母部分增加超过一定值后,观察到所有颗粒的分解及排水CODtot在可溶COD和气体产量保持不变的情况下有所增加。

    在观察到污泥脱粒(大约100天),酵母剂量再次减少到大约45%的CODtot,排水CODtot逐渐减少并且几星期后污泥床再次含有相当多的颗粒分子,这证实了TSS/COD含量有一个限制值,为了保持最佳的污泥颗粒条件这个限定值最好不要超过。可能这个限定值取决于污泥负荷、污泥龄和进水特性;在此领域会进行进一步研究。

    取决于污泥颗粒瓦解的危险程度,随着带絮凝剂污泥冲失量的增加,UASB反应器的设计必须随之调节。为了确保UASB处理的最大可靠性,涉及脱粒过程的主要工艺参数必须谨慎控制以最小化污泥流失。

    在初级沉淀阶段整个处理工艺提供一个非常重要的优势,特别是以生物转换方式将初级污泥转化为沼气,当来自于初级沉淀池不能挥发作用时这是特别有价值的。一套基于此工艺的实比装置由西格斯卓越技术集团水处理公司正在运行。

    好氧污泥的添加

 

添加了活性污泥的酿酒厂废水中试试验在西格斯卓越技术集团水处理公司的试验室内运行。试验的目的是要确定好氧污泥返回到反应器对颗粒的影响,并且评价这套系统是否能减少厌氧-好氧系统的污泥产量。

    中试在低温下进行,模拟条件不利的冬季运行工况。

参数

单位

最大-最小值

平均值

进水CODtot

mg/l

1985-3326

2610

进水TSS/COD 比率

%

8-15

10

出水CODtot

mg/l

122-650

310

出水TSS

mg/l

38-820

167

温度

°C

22-27

26

COD去除率

%

70-94

87

体积负荷率

kg COD/m3.d

7-11

8.5

2:添加好氧污泥的酿酒厂排水的中时运行

    8-15%的比例是基于实比厌氧处理,厌氧处理接着一个好氧处理。处理过程中所有好氧剩余污泥会返回到反应器里。如同酵母添加到进水的中试试验,污泥流失随负载增加而增加,但随后稳定和减少。在几星期内运行达到稳定,并且排水非常令人满意。

开始后几星期,绝大部分颗粒被分解并且COD去除率显著降低。进水含0.2-0.8 毫克/升的非溶解氧,这是由于在进水箱里混合强烈。进水箱的修改使得排水质量得到改进,回到最初值。不幸的是,这部分试验不得不被停止并且在污泥质量的恢复方面没有进行进一步研究。

    之后,在同样的反应器做了另一个试验,期间研究了在添加来自于有剩余磷酸铁盐沉淀物的一个活性污泥处理装置的好氧剩余污泥方面的影响。酿酒进水和好氧污泥+FePO4 的混合物添加到沼气反应器里,进水CODtot 2100 3250 毫克/升之间变化;体积负荷率保持在8 +/- 2 gCODtot/l.d。几星期后,观察到释放出大部分沉淀铁(见下面的图表)。

    即使无法建立详细的物料平衡,分析排水数据显示来自于活性污泥混合物的磷酸铁分解及随后铁与来自于进水硫酸盐还原的硫化物起化学反应。铁硫化铁部分积累在反应器的底部,但也使排水变黑。与此同时磷酸盐也随排水离开反应器,这证实了返回到沼气反应器的好氧污泥不能同时应用于含有磷酸铁的好氧后处理


Feat11_techpap_UASB_CN_pic2 

酿酒厂废水和含有+ FePO4的好氧污泥在UASB反应器处理后的出水中可溶性COD, PO4-PPtot的演变值

    大颗粒物的添加

    和那些已被证明在控制条件下可消化的如酵母或活性污泥这类小颗粒的悬浮固体的相比,象大麦屑这样的大颗粒物的存在显示对厌氧污泥的颗粒成长受到真正威胁,这现象在酿酒排水实比厌氧的UNITANK anaerobic ® 已经观察到,这套装置的污泥种是来自于一座运行食品工业废水的UASB装置,运行温度是30-35°C

 

参数

单位

A

B

进水CODtot

mg/l

2050-3580

1900-3520

进水BODtot

mg/l

1250-2250

-

进水TSS

mg/l

558-1020

430-825

进水TSS/COD 比率

%

34-53

大约 35

排水CODtot

mg/l

208-3550

155-378

排水BODtot

mg/l

51-476

-

排水TSS

mg/l

64-5210

35-250

体积负荷率

kg COD/m3.d

7.5-11

7.2-10.2

A:进水大悬浮固体排放期间最大-最小值
B:进水大悬浮固体物去除后最大-最小值
3:酿酒排水实比负荷数据

    应当注意到如同前面二个试验,在这次试验期间排水COD可溶性保持在60-210 毫克/升的范围内,并且沼气产量在AB二个阶段保持稳定(数据未显示)。在A阶段反应器较差的性能是因为污泥流失。

    大麦屑来自没有筛滤过的废水的经常性意外排放,而没有筛滤过的废水含大量尺寸在0.512 mm之间变化的大麦屑和大麦。这些不易被水浸湿的颗粒物表面增进了产甲烷菌的附着,因此干饶了有利于颗粒成长和保持的条件。此外,进水含有其它小颗粒如硅藻土,占进水CODtot悬浮固体物平均总含量的40%。

    在几个实比UNITANKanaerobic® 装置的观察中发现无机惰性材料如硅藻土的积累常常会影响颗粒的形成尺寸,并且导致污泥流失的增加。不过其它参数如在污泥下部的水力条件也扮演了一个重要角色,并可以克服硅藻土带来的负面影响。但是大颗粒在污泥质量的影响已经被一个事实证明,那就是一旦这些大颗粒的意外排放得以避免,污泥流失的情况会显著减少(表3中的B值)。

    对一个UASB反应器里污泥流失的观察常常引起许多疑问,污泥流失的影响明显只在排水中可见,即在反应器的顶部。因此我们容易相信问题的来源只位于三相分离装置。但是应该说进水的特性,某些位于反应器底部的沼气反应器的关键工艺参数和水力条件也同样重要。

    结论

    现在可得出下面的几个结论

    在不影响整体工艺并谨慎控制过程的情况下,试验显示添加小颗粒物质到一个UASB (最多可达 40%,单位以TSS/COD表示)反应器是可行的。

    活性污泥到一个UASB反应器的循环可能导致污泥的脱粒。

    此外,当污泥含有磷酸铁时,好氧污泥的循环则不可能实施;厌氧过程会促进磷的释放。

    诸如大麦屑之类的大颗粒物质在颗粒污泥方面有许多更显著的影响,可能是由于厌氧菌落不平衡造成颗粒溃散。

    UASB的设计提供了省略一个初沉阶段或减少有氧污泥脱水处理的可能性,它具有重要前景,即减少了装置的投资又减少了运行成本。

    参考书目

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颗粒对UASB反应器性能的影响:中试和实比规模研究


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