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冀州市UASB厭氧反應器工作原理

原理

   在厭氧處理過程中，廢水中的機物經大量微生物的共同，被終轉化為甲烷、二氧化碳、水、硫化氫和氨等。在此過程中，不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了復雜的生態系統。對高分子機物的厭氧過程的敘述，助于我們了解這一過程的基本內容。高分子機物的厭氧降解過程可以被分為四個階段：水解階段、發酵(或酸化)階段、產乙酸階段和產甲烷階段。
水解階段
   水解可定義為復雜的非溶解性的聚合物被轉化為簡單的溶解性單體或二聚體的過程。
高分子機物因相對分子量巨大，不能透過細胞膜，因此不可能為細菌直接利用。它們在*階段被細菌胞外酶分解為小分子。例如：纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質被蛋白質酶水解為短肽與氨基酸等。這些小分子的水解產物能夠溶解于水并透過細胞膜為細菌所利用。水解過程通常較緩慢，因此被認為是含高分子機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。多種因素如溫度、機物的組成、水解產物的濃度等可能影響水解的速度與水解的程度。水解速度的可由以下動力學方程加以描述：ρ=ρo/(1+Kh.T)
ρ ——可降解的非溶解性底物濃度（g/L）
ρo———非溶解性底物的初始濃度（g/L）
Kh——水解常數（d^-1）
T——停留時間（d）
發酵或酸化階段
發酵可定義為機物化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過程，在此過程中溶解性機物被轉化為以揮發性脂肪酸為主的末端產物，因此這一過程也稱為酸化。
在這一階段，上述小分子的化合物發酵細菌（即酸化菌）的細胞內轉化為更為簡單的化合物并分泌到細胞外。發酵細菌絕大多數是嚴格厭氧菌，但通常約1%的兼性厭氧菌存在于厭氧環境中，這些兼性厭氧菌能夠起到保護像甲烷菌這樣的嚴格厭氧菌免受氧的損害與抑制。這一階段的主要產物揮發性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫、氨、硫化氫等，產物的組成取決于厭氧降解的條件、底物種類和參與酸化的微生物種群。與此同時，酸化菌也利用部分物質合成新的細胞物質，因此，未酸化廢水厭氧處理時產生更多的剩余污泥。
在厭氧降解過程中，酸化細菌對酸的耐受力必須加以考慮。酸化過程pH下降到4時能可以進行。但是產甲烷過程pH值的范圍在6.5～7.5之間，因此pH值的下降將會減少甲烷的生成和氫的消耗，并進一步引起酸化末端產物組成的改變。
產乙酸階段
在產氫產乙酸菌的下，上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫、碳酸以及新的細胞物質。
其某些反應式如下：
CH3CHOHCOO-+2H2O —> CH3COO-+HCO3-+H++2H2 ΔG’0=-4.2KJ/MOL
CH3CH2OH+H2O－> CH3COO-+H++2H2O ΔG’0=9.6KJ/MOL
CH3CH2CH2COO-+2H2O－> 2CH3COO-+H++2H2 ΔG’0=48.1KJ/MOL
CH3CH2COO-+3H2O－> CH3COO-+HCO3-+H++3H2 ΔG’0=76.1KJ/MOL
4CH3OH+2CO2－> 3CH3COO-+2H2O ΔG’0=-2.9KJ/MOL
2HCO3-+4H2+H+－>CH3COO-+4H2O ΔG’0=-70.3KJ/MOL
甲烷階段
這一階段，乙酸、氫、碳酸、甲酸和甲醇被轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。
甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳和氫等轉化為甲烷的過程兩種不同的產甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3。

UASB的設計

UASB的工藝設計主要是計算UASB的容積、產量、剩余污泥量、營養需求的平衡量。

UASB的池形狀圓形、方形、矩形。污泥床高度一般為3-8m，多用鋼筋混凝土建造。當污水機物濃度比較高時，需要的沉淀區與反應區的容積比值小，反應區的面積可采用與沉淀區相同的面積和池形。當污水機物濃度低時，需要的沉淀面積大，為了反應區的一定高度，反應區的面積不能太大時，則可采用反應區的面積小于沉淀區，即污泥床上部面積大于下部的池形。

液固三相分離器是UASB的重要組成部分，它對污泥床的正常和獲良好的出水水質起十分重要的，因此設計時應給予別的重視。根據經驗，三相分離器應滿足以下幾點要求:

1、混和液進入沉淀區之關，必須將其中的泡予以脫出，防止泡進入沉淀區影響沉淀;

2、沉淀器斜壁角度約可大于45度角;

3、沉淀區的表面水力負荷應在0.7m3/m2.h以下，進入沉淀區前，通過沉淀槽低縫的流速不大于2m/m2.h;

4、處于集器的液一界面上的污泥要很好地使之浸沒于水中;

5、應防止集器內產生大量泡沫。

2、3兩個條件可以通過適當沉淀器的深度-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，在高負荷下，單位橫截面上釋放的體體積可能成為一個臨界指標。但是直到現在外所取得的成果表明，只要負荷率不過20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未見到大于10m的報道，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。所以在操作過程中，應該盡可能創造污泥能夠形成絮凝沉降的水力條件，使污泥具良好的絮凝、沉淀性能，不僅對于分離器的工作是具重要意義，對于整個機物去除率更加至關重要。

冀州市UASB厭氧反應器工作原理

厭氧過程對環境條件要求比較嚴格:
Ⅰ、氧化還原電位(φE)與溫度
氧的溶入和氧化態、氧化劑的存在:Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+會使體系中電位升高，對厭氧消化不利。
高溫消化--500~600mv，50~55℃
中溫消化--300~380mv，30~38℃
產酸菌對氧還-還電位要求不甚嚴格+100~-100mv
產甲烷菌對氧還-還電位要求嚴格<-350mv
Ⅱ、pH及堿度
pH主要取決于三個生化階段的平衡狀態，原液本身的pH和發酵系統中產生的CO2分壓(20.3~40.5kpa)，正常發酵pH=7.2~7.4，機負荷太大，水解和酸化過程的生化速率大大過產速率。將導致水解產物機酸的積累使pH下降，抑制甲烷菌的機能，使化速率銳減，所以原液pH=6~8，發酵過程機酸濃度不過3000mg/L為佳(以乙酸計)。
HCO3-及NH3是形成厭氧處理系統堿度的主要原因，高的堿度具較強的緩沖能力，一般要求堿度2000mg/L以上，NH3濃度50~200mg/L為佳。
Ⅲ、毒物--凡對厭氧處理過程起抑制和毒害的物質都可稱為毒物，機酸濃度不應使消化液pH<6.8;不應高于1500mg/L，其它陰離子濃度參見 P148表9-2。

幾個常見問題

1、 厭氧反應器是否易酸化

   厭氧反應器是否易酸化?回答是否定的。UASB厭氧反應器作為一種強效的水處理設施，其系統自身著良好的調節系統，在這個調節系統中，起著關鍵的是碳酸氫根離子，即我們通常說的堿度，它的主要是調節系統的pH，防止因pH值的變化對產甲烷菌造成影響。因此只要我們科學、操作，就可以確保厭氧反應器正常、強效。

2、 罐溫變化

    對一個厭氧反應器來說，其操作溫度以穩定為宜，波動范圍24h內不得過2℃。水溫對微生物的影響很大，對微生物和群體的組成、微生物細胞的增殖，內源代謝過程，對污泥的沉降性能等都影響。對中溫厭氧反應器，應該避免溫度過42℃，因為在這種溫度下微生物的衰退速度過大，從而大大降低污泥的活性。此外，在反應器溫度偏低時，應根據情況及時調整負荷與停留時間，反應器仍可穩定，但此時不能充分發揮反應器的處理能力，否則將導致反應器不能正常。罐溫的突然變化，易造成沼中甲烷體所占比例減少，CO2增多，而且我們可以在厭氧反應器液面看到一些半固半液狀且不易破的泡。

3、進水pH值

   在厭氧反應器正常時，進水pH值一般在6.0以上。在處理因含機酸而使偏低的廢水時，正常時，進水pH值可偏低，如4~5左右;若處理因含機酸而使pH值低的廢水，應將進水pH值調到6以上。當然具體的控制還要根據反應器的緩沖能力而定，也決定于厭氧反應的馴化程度。

4、 厭氧反應器內污泥流失的原因及控制措施

   UASB反應器設置了三相分離器，但在污泥結團之前仍帶一定污泥，在啟動過程中逐漸將輕質污泥洗出是必要的。污泥顆粒化是一個連續漸進過程，即每次增加負荷都增大其流體流速和沼產量，從而加強了攪拌篩選，小的、輕的顆粒被沖擊出反應器，這個過程并不要使大量污泥沖出，要防止污泥過量流失。一般來說，反應器發生污泥流失可分為三種情況：1)污泥懸浮層部保持在反應器出水堰口以下，污泥的流失量將低于其增殖量。2)在穩定負荷條件下，污泥懸浮層可能上升到出水堰口處，這時應及時放剩余污泥。3)由于沖擊負荷及水質條件突然惡化(如負荷突然增大等)要導致污泥床的過度膨脹。在這種情況下污泥可能出現暫時性大量流失。

控制反應器的機負荷是控制污泥過量流失的主要辦法。提高污泥的沉降性能是防止污泥流失的根本途徑，但需要一個過程。為了減少出水帶走的厭氧污泥，因此UASB厭氧反應器后設置了初沉池。設置初沉池的好處在于：①可以加速反應器內污泥積累，縮短啟動時間;②去除出水懸浮物，提高出水水質;③在反應器發生沖擊而使污泥大量上浮時，可回收流失污泥，保持工藝的穩定性;④減少污泥放量。

5、 顆粒污泥的攪拌

   厭氧反應器內顆粒污泥與污水中機物質的充分接觸使其具了很高的水處理效率。“充分接觸”的前提需要很好的攪拌。UASB厭氧反應器在過程中這種攪拌主要來自兩個方面，一是污水在厭氧反應器內向上流動過程中產生的攪動，二是顆粒污泥中產甲烷菌產出體過程中產生的攪動。可以理解的是由污水流動產生的攪動方向是單一的，只是向上的，而由沼產生的攪動方向則是多樣的，更利于顆粒污泥與污水中機物質的接觸。因此我們在過程中應注意厭氧反應器正常，否則靠大流量的沖擊來達到攪拌的往往事與愿違，而且造成厭氧反應器負荷的波動。

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