經典污水調試案例：UASB
UASB反應器的反應原理
UASB反應器可分為兩個區域，反應區和氣、液、固三相分離區。在反應區下部，是由沉淀性能良好的污泥（顆粒污泥或絮狀污泥），形成厭氧污泥床。當廢水由反應器底部進入反應器后，由于水的向上流動和產生的大量氣體上升形成了良好的自然攪拌作用，并使一部分污泥在反應區的污泥床上方形成相對稀薄的污泥懸浮層。懸浮液進入分離區后，氣體首先進入集氣室被分離，含有懸浮液的廢水進入分離區的沉降室，由于氣體已被分離，在沉降室擾動很小，污泥在此沉降，由斜面返回反應區。
1UASB反應器運行的三個重要前提
1、反應器內形成沉淀性能良好的顆粒污泥或絮狀污泥。
2、由于產氣和進水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用。
3、合理的三相分離器使沉淀性能良好污泥能保留在反應區內。
1UASB反應器啟動運行的四個階段
對于一個新建的UASB反應器來說，啟動過程主要是用未經馴化的絮狀污泥對其進行接種，并經過一定時間的啟動調試運行，使反應器達到設計負荷并實現有機物的去除效果，通常這一過程會伴隨著污泥顆粒化的實現，因此也稱為污泥的顆粒化。
由于厭氧微生物，特別是甲烷菌增殖很慢，厭氧反應器的啟動需要很長時間。
但是，一旦啟動完成，在停止運行后的再次啟動可以迅速完成。
第一階段UASB啟動運行初始階段
1、選用接種污泥
選用污水廠污泥消化池的消化污泥接種（具有一定的產甲烷活性）。
接種污泥的方法：接種污泥量、接種污泥的濃度
方法：將含固80%的接種污泥加水攪拌后，均勻倒入到UASB反應池。
接種污泥量：接種污泥量為UASB反應器的有效容積的30%到50%，最少15%，一般為30%。接種污泥的填充量不超過UASB反應器的有效容積的60%。本系統接種污泥量為80m3。
接種污泥的濃度：初啟動時，稀型污泥的接種量為20到30kgVSS/m3,濃度小于40kgVSS/m3的稠型硝化污泥接種量可以略小些。
亦有建議以6~8kgVSS/m³為宜，因為消化污泥一般為絮狀體，不宜接種太多，太對了對顆粒污泥不但沒有好出，反而不利，種泥即污泥種的意思，種泥太多事沒有必要的，顆粒污泥并非是種泥本身形成的，而是以種泥為種子，在提供充足的營養基質下由新繁殖的微生物形成，種泥多了，反而會與初生得顆粒污泥爭奪養分，不利于顆粒污泥的形成。
2、接種污泥時的水質
配制低濃度的廢水有利于顆粒污泥的形成，但濃度也應當足夠維持良好的細菌生長條件，因此，初始配水最低CODcr濃度為2000mg/L，然后逐步提高有機負荷直到可降解的CODcr去除率達到80%為止。
當進水CODcr濃度高時，可采用稀釋水進水,調節到適宜的CODcr濃度值。
第二階段（初始運行階段）（估計30天）
初始階段是指反應器負荷低于2kgCODcr/m³·d的運行階段，此階段反應器的負荷由0.1kgCODcr/m³·d開始，逐步分多次提升到2kgCOD/m³·d。
開始采用間歇進水，污泥負荷宜控制在0.05-0.2kgCODcr/(KgVss·d),當接種污泥逐漸適應廢水后，污泥逐漸具有除去有機物的能力，當CODcr去除率達到80%，或出水有機酸濃度低于200-300mg/L,可以提升進水負荷大約為0.5kgCODcr/m3·d，此時進水有間歇進水改為連續進水。
提升CODcr濃度標準為:當可生物降解的CODcr去除率達到80%后方可提高，直到達2kgCOD/m³·d為初始階段。
在這段運行中，有少量的非常細小的分散污泥帶出，其主要原因是水的上流速度和逐漸產生的少量沼氣
初始運行階段，每日測定進,出水流量、pH、CODcr、ALK、VFA、SS等項目，經測定結果判斷，若出水VFA＜3mmol/l，VFA/ALK=0.3以下，表示UASB系統運行正常。
第三階段：顆粒污泥出現期（預計25天）
結束初期啟動后，污泥已適應廢水性質并具有一定除去有機物的能力，這時應及時提升污泥負荷為0.25kgCODcr/kgVSS·d或進水容積負荷2.0kgCODcr/m3·d，使微生物獲得足夠的營養。
反應器的有機負荷由2kgCOD/m3·d到3.0kgCOD/m3·d的運行階段。此階段的反應負荷由2kgCOD/m3·d開始，每次0.1kgCOD/m3·d有機負荷提升，也可以每次負荷增加20%，每次操作所需時間長短不同，有時可長達兩周，有時僅幾天，經過多次重復操作可達到設計指標。
但提升有機負荷的標準與監測項目判斷運行正常的方法同初始運行階段。在這段運行中，由于提升水量大，COD濃度高，產氣量和上流速度的增加引起污泥膨脹，污泥量帶出量多，大多為細小非分散的污泥或部分絮狀污泥。這種污泥的帶出，有利于顆粒化污泥的形成。
第四階段：顆粒污泥培養期（30天）
本階段的任務是要實現反應器內德污泥全部顆粒化或使反應器達到設計負荷，為了加速污泥的增值，應盡快把污泥負荷提高至0.4-0.5kgCODcr/kgVSS·d，使微生物獲得充足養料，促進其快速增長。
這一階段是指反應器的有機負荷達到設計指標3.0kgCOD/m3·d，以后的穩定運行階段。在這段的運行中，PH值、溫度、有機負荷、VFA、ALK等各項操作參數嚴格控制，逐步形成顆粒污泥。
注：1、自初始階段開始，每日監測項目一次，進、出水PH值、COD、SS、VFA、ALK、流量。
2、根據監測結果進行分析、判斷、及時調整進水量、濃度、保持穩定運行。
1UASB反應器調試運行控制工藝參數
1、反應溫度（常溫）
35±2℃，指反應器內反應液的溫度，高出細菌的生長溫度的上限，將導致細菌死亡。當溫度下降并低于溫度范圍的下限時，從整體上講，細菌不會死亡，而只是逐漸停止或減弱代謝活動，菌種處于休眠狀態。
2、pH值
pH值是影響厭氧消化過程的重要因素，許多研究結果和實際運行經驗表明，厭氧消化需要一個相對穩定的pH值范圍，對于以產甲烷為主要目的的厭氧過程來說，ph值范圍為6.8~7.8，最佳PH值范圍為6.8~7.2。pH值范圍是指UASB反應器內反應區的pH，而不是進液的pH。因為廢水進入反應器內，生物化學過程和稀釋作用可以迅速改變進液的pH值。對pH值改變最大的影響因素是酸的形成，特別是乙酸的形成。因此含有大量溶解性碳水化合物（如糖、淀粉）等廢水進入反應器后pH將迅速降低。而乙酸化的廢水進入反應器后pH將上升。對于含大量蛋白質或氨基酸的廢水，由于氨的形成，pH會略有上升。對不同的廢水可選擇不同的進液pH值。
3、出水VFA的濃度與組成
因為VFA的去除程度可以直接反映出反應器運行的狀況，在正常情況下，底物由酸化菌轉化為VFA，VFA可被甲烷菌轉化甲烷，因此甲烷菌活躍時，出水VFA濃度較低，當出水VFA濃度低于3mmol/l（或200mg乙酸/L）時，反應器運行狀態最為良好。
4、營養物與微量元素
主要營養物氮、磷、鉀和硫等以及其他的生長必須的微量元素。例如（Fe、Ni、Co）應當滿足微生物生長的需要。一般N和P的要求大約為COD：N：P=（350~500）：5：1，但由于發酵產酸菌的生長速率大大高于甲烷菌，因此較為精確的估算應當是COD：N：P：S=（50/Y）：5：1，其中Y為細胞產率，對于發酵產酸菌Y=0.15；對于產甲烷菌Y=0.03,此外,甲烷菌細胞組成中有較高濃度的鐵、鎳和鈷。
5、毒物
毒性化合物應當低于抑制濃度或應給于污泥足夠的馴化時間。如：氨氮、無機硫化物、鹽類、重金屬、非極性有機化合物（揮發性脂肪酸）等，在運行中都要根據監測結果進行判斷，及時調整處理。
1UASB初次啟動過程的注意事項
1、對初期啟動UASB目標要明確
對UASB（第一階段）啟動初期，不要追求反應器的處理效率和出水質量。初期的目標是使反應器逐漸進入“工作”狀態。是使菌種由休眠狀態恢復、活化的過程。在這一過程中，當菌種從休眠狀態中恢復到營養細胞的狀態后，它們還要經歷對廢水性質的適應。在整個馴化增殖過程中，而原種污泥中可能濃度較低甲烷菌增長速度相對于產酸菌要慢得多。因此在顆粒污泥出現前的這一段相當長。這一段不可能快，也不能有較大的負荷。
2、當廢水CODcr濃度低于2000mg/L時，一般不需要稀釋，可直接進液；當廢水CODcr濃度高于2000mg/L時，可采用進水稀釋，增大進水量，促使處理設施水流分布均勻。
3、負荷增加的操作方法
啟動最初負荷可從0.1~2.0kgCOD/m3·d開始，當降解的CODcr去除率達到80%后，再逐步增大負荷。負荷不應增加太快，只要略高于容積負荷0.1kgCOD/m3·d即可。水力保留時間大于24小時。連續運行。直到有氣體產生。5天后檢查產氣是否達到略高于0.1m3/m3·d。如果5天后反應器產氣量仍未達到這一數值，可以停止進水，3天后再恢復進液，直到產氣量增加達到0.1m3/m3·d。
檢查出水VFA，VFA過高，則表示反應器負荷相當于當時的菌種活力偏高。出水VFA若高于8mmol/l，則停止進水，直到反應器內VFA低于3mmol/l后，再繼續以原濃度、原負荷進水，如果出水VFA低于3mmol/l，說明反應器運行良好。
4、增加負荷量
增加負荷量可以通過增大進水量，或者降低進水稀釋比的方法，負荷每次可提升20~30%，可以重復進行。每次操作所需時間長短不同，有時長達兩周，有時僅需幾天，要根據監測數據判斷，直到達到設計負荷為止。
5、水力停留時間
水力停留時間對于厭氧工藝的影響是通過上升流速來表現的。一方面高的液體流速增加污水系統內進水區的擾動，因此增加了生物污泥與進水有機物之間的接觸，有利于提高去除率。在采用傳統的UASB系統的情況下，上升流速的平均值一般不超過0.5m/h。這是為保證顆粒污泥形成的重要條件之一。
6、運行中始終保持VFA/ALK=0.3以下，否則揮發性脂肪酸積累運行失敗。
1厭氧生物處理的影響因素
1、溫度——厭氧廢水處理分為低溫、中溫和高溫三類
迄今大多數厭氧廢水處理系統在中溫范圍運行，在此范圍溫度每升高10℃，厭氧反應速度約增加一倍。中溫工藝以30-40℃最為常見，其最佳處理溫度在35-40℃間。高溫工藝多在50-60℃間運行。在上述范圍內，溫度的微小波動（如1-3℃）對厭氧工藝不會有明顯影響，但如果溫度下降幅度過大（超過5℃），則由于污泥活力的降低，反應器的負荷也應當降低以防止由于過負荷引起反應器酸積累等問題，即我們常說的“酸化”，否則沼氣產量會明顯下降，甚至停止產生，與此同時揮發酸積累，出水pH下降，COD值升高。
注：以上所謂溫度指厭氧反應器內溫度
2、pH
厭氧處理的這一pH范圍是指反應器內反應區的pH，而不是進液的pH，因為廢水進入反應器內，生物化學過程和稀釋作用可以迅速改變進液的pH值。反應器出液的pH一般等于或接近于反應器內的pH。對pH值改變最大的影響因素是酸的形成，特別是乙酸的形成。因此含有大量溶解性碳水化合物（例如糖、淀粉）等廢水進入反應器后pH將迅速降低，而己酸化的廢水進入反應器后pH將上升。對于含大量蛋白質或氨基酸的廢水，由于氨的形成，pH會略上升。反應器出液的pH一般會等于或接近于反應器內的pH。pH值是廢水厭氧處理最重要的影響因素之一，厭氧處理中，水解菌與產酸菌對pH有較大范圍的適應性，大多數這類細菌可以在pH為5.0-8.5范圍生長良好，一些產酸菌在pH小于5.0時仍可生長。但通常對pH敏感的甲烷菌適宜的生長pH為6.5-7.8，這也是通常情況下厭氧處理所應控制的pH范圍。我公司要求厭氧反應器內pH控制在6.8-7.2之間。
進水pH條件失常首先表現在使產甲烷作用受到抑制（表現為沼氣產生量降低，出水COD值升高），即使在產酸過程中形成的有機酸不能被正常代謝降解，從而使整個消化過程各個階段的協調平衡喪失。如果pH持續下降到5以下不僅對產甲烷菌形成毒害，對產酸菌的活動也產生抑制，進而可以使整個厭氧消化過程停滯，而對此過程的恢復將需要大量的時間和人力物力。pH值在短時間內升高過8，一般只要恢復中性，產甲烷菌就能很快恢復活性，整個厭氧處理系統也能恢復正常。
3、有機負荷和水力停留時間
有機負荷的變化可體現為進水流量的變化和進水CODcr值的變化。厭氧處理系統的正常運轉取決于產酸和產甲烷速率的相對平衡，有機負荷過高，則產酸率有可能大于產甲烷的用酸率，從而造成揮發酸的積累使pH迅速下降，阻礙產甲烷階段的正常進行，嚴重時可導致“酸化”。而且如果有機負荷的提高是由進水量增加而產生的，過高的水力負荷還有可能使厭氧處理系統的污泥流失率大于其增長率，進而影響整個系統的處理效率。水力停留時間對于厭氧工藝的影響主要是通過上升流速來表現出來的。一方面，較高的水流速度可以提高污水系統內進水區的擾動性，從而增加生物污泥與進水有機物之間的接觸，提高有機物的去除率。另一方面，為了維持系統中能擁有足夠多的污泥，上升流速又不能超過一定限值，通常采用UASB法處理廢水時，為形成顆粒污泥，厭氧反應器內的上升流速一般不低于0.5m/h。
4、懸浮物
懸浮物在反應器污泥中的積累對于UASB系統是不利的。懸浮物使污泥中細菌比例相對減少，因此污泥的活性降低。由于在一定的反應器中內能保持一定量的污泥，懸浮物的積累最終使反應器產甲烷能力和負荷下降。
（引：針對于調節池內的浮渣及進入污水處理廠的污水中的懸浮物質我們在日常工作當中需采取必要的措施和手段將其除去）
1UASB反應器常見故障
1、污泥顆粒化的意義
顆粒污泥即我們常說的厭氧污泥，它的形成實際上是微生物固定化的一種形式，其外觀為具有相對規則的球形或橢圓形黑色顆粒。光學顯微鏡下觀察，顆粒污泥呈多孔結構，表面有一層透明膠狀物，其上附著甲烷菌。顆粒污泥靠近外表面部分的細胞密度最大，內部結構松散，粒徑大的顆粒污泥內部往往有一個空腔。大而空的顆粒污泥容易破碎，其破碎的碎片成為新生顆粒污泥的內核，一些大的顆粒污泥還會因內部產生的氣體不易釋放出去而容易上浮，以至被水流帶走，只要量不大，這也為一種正常現象。
厭氧反應器內顆粒污泥形成的過程稱之為顆粒污泥化，顆粒污泥化是大多數UASB反應器啟動的目標和成功的標志。污泥的顆粒化可以使UASB反應器允許有更高的有機物容積負荷和水力負荷。
厭氧反應器內的顆粒污泥其實是一個完美的微生物水處理系統。這些微生物在厭氧環境中將難降解的有機物轉化為甲烷、二氧化碳等氣體與水系統分離并實現菌體增殖，通過這種方式污水得到凈化。這里面涉及到兩類關系極為密切的厭氧菌：產酸菌和產甲烷菌。產酸菌將有機物轉化為揮發性有機酸，而產甲烷菌利用這些有機酸把他們轉化為甲烷、二氧化碳等氣體，這時污水得到凈化。在這個過程中，對于凈化污水來說，起關鍵作用的是甲烷菌，而甲烷菌對于環境的變化是相當敏感的，一旦溫度、pH、有毒物質侵入、負荷等因素變化，均易引發其活力的下降，導致揮發酸積累，揮發酸積累的直接后果是系統pH下降，如此循環，厭氧反應器開始“酸化”。
2、什么是“酸化”
UASB反應器在運行過程中由于進水負荷、水溫、有毒物質進入等原因變化而導致揮發性脂肪酸在厭氧反應器內積累，從而出現產氣量減小、出水CODcr值增加、出水pH值降低的現象，稱之為“酸化”。發生“酸化”的反應器其顆粒污泥中的產甲烷菌受到嚴重抑制，不能將乙酸轉化為甲烷，此時系統出水CODcr值甚至高于進水CODcr值，厭氧反應器處于癱瘓狀態。
3、揮發酸、堿度對厭氧反應器的運行的影響
1）揮發性脂肪酸VFA
a、VFA簡介
揮發性脂肪酸簡稱揮發酸，英文縮寫為VFA，它是有機物質在厭氧產酸菌的作用下經水解、發酵發酸而形成的簡單的具有揮發性的脂肪酸，如乙酸、丙酸等。揮發酸對甲烷菌的毒性受系統pH值的影響，如果厭氧反應器中的pH值較低，則甲烷菌將不能生長，系統內VFA不能轉化為沼氣而是繼續積累。相反在pH值為7或略高于7時，VFA是相對無毒的。
揮發酸在較低pH值下對甲烷菌的毒性是可逆的。在pH值約等于5時，甲烷菌在含VFA的廢水中停留長達兩月仍可存活，但一般講，其活性需要在系統pH值恢復正常后幾天到幾個星期才能夠恢復。如果低pH值條件僅維持12h以下，產甲烷活性可在pH值調節之后立即恢復。
b、VFA積累產生的原因
厭氧反應器出水VFA是厭氧反應器運行過程中非常重要的參數，出水VFA濃度過高，意味著甲烷菌活力還不夠高或環境因素使甲烷菌活力下降而導致VFA利用不充分，積累所致。溫度的突然降低或升高、毒性物質濃度的增加、pH的波動、負荷的突然加大等都會由出水VFA的升高反應出來。
進水狀態穩定時，出水pH的下降也能反能反映出VFA的升高，但是pH的變化要比VFA的變化遲緩，有時VFA可升高數倍而pH尚沒有明顯改變。因此從監測出水VFA濃度可快速反映出反應器運行的狀況，并因此有利于操作過程及時調節。過負荷是出水VFA升高的原因。因此當出水VFA升高而環境因素（溫度、進水pH、出水水質等）沒有明顯變化時，出水VFA的升高可由降低反應器負荷來調節，過負荷由進水COD濃度或進水流量的升高引起，也會由反應器內污泥過多流失引起。
c、VFA與反應器內pH值的關系
在UASB反應器運行過程中，反應器內的pH值應保持在6.5-7.8范圍內，并應盡量減少波動。pH值在6.5以下，甲烷菌即已受到抑制，pH值低于6.0時，甲烷菌已嚴重抑制，反應器內產酸菌呈現優勢生長。此時反應器已嚴重酸化，恢復十分困難。
VFA濃度增高是pH下降的主要原因，雖然pH的檢測非常方便，但它的變化比VFA濃度的變化要滯后許多。當甲烷菌活性降低，或因過負荷導致VFA開始積累時，由于廢水的緩沖能力，pH值尚沒有明顯變化，從pH值的監測上尚反映不出潛在的問題。當VFA積累至一定程度時，pH才會有明確變化。因此測定VFA是控制反應器pH降低的有效措施。
當pH值降低較多，一般低于6.5時就應采取應急措施，減少或停止進液，同時繼續觀察出水pH和VFA。待pH和VFA恢復正常以后，反應器在較低的負荷下運行。進水pH的降低可能是反應器內pH下降的原因，這就要看反應器內堿度的多少，因此如果反應器內pH降低，及時檢查進液pH有無改變并監測反應器內堿度也是很必要的。
d、厭氧反應器啟動、運行過程中需注意與VFA相關的問題
厭氧反應器運轉正常的情況下，VFA的濃度小于3mmol/l，但在啟動和運行過程中VFA出現一定的波動是正常的，不必太過驚慌。
①厭氧反應器啟動階段，當環境因素如出水pH、罐溫正常時，出水VFA過高則表時反應器負荷相對于當時的顆粒污泥活力偏高。出水VFA若高于8mmol/l，則應當停止進液，直到反應器內VFA低于3mmol/l后，再繼續以原濃度、負荷進液運行。
②厭氧反應器運行階段，運行負荷的增加可能會導致出水VFA濃度的升高，當出水VFA高于8mmol/l時，不要停止進液但要仔細觀察反應器內pH值、CODcr值的變化防止“酸化”的發生。增大負荷后短時間內，產氣量可能會降低，幾天后產氣量會重新上升，出水VFA濃度也會下降。但如果出水VFA增大到15mmol/l則必須把降至原來水平，并保證反應器內pH不低于6.5，一旦降至6.5以下，則有必要加堿調節pH。
2）堿度
a、堿度簡介
堿度不是堿，廣義的堿度指的是水中強堿弱酸鹽的濃度，它在不同的pH值下的存在形式不同（弱酸跟上的H數目不同），能根據環境釋放或吸收H離子，從而起到緩沖溶液中pH變化的作用，使系統內pH波動減小。堿度是不直接參加反應的。
堿度是衡量厭氧系統緩沖能力的重要指標，是系統耐pH沖擊能力的衡量標準。因此UASB在運行過程中一般都要監測堿度的。操作合理的厭氧反應器堿度一般在2000-4000mg/l，正常范圍在1000-5000mg/l。（以上堿度均以CaCO3計）
b、堿度對UASB顆粒污泥的影響
堿度對UASB顆粒污泥的影響表現在兩個方面：一是對顆粒化進程的影響；二是對顆粒污泥產甲烷活性(SMA)的影響。堿度對顆粒污泥活性的影響主要表現在通過調節pH值(即通過堿度的緩沖作用使pH值變化較小)使得產甲烷菌呈不同的生長活性。
在一定的堿度范圍內，進水堿度高的反應器污泥顆粒化速度快，但顆粒污泥的SMA低；進水堿度低的反應器其污泥顆粒化速度慢，但顆粒污泥的SMA高。因此，在污泥顆粒化過程中進水堿度可以適當偏高(但不能使反應器的pH＞8.2，這主要是因為此時產甲烷菌會受到嚴重抑制)以加速污泥的顆粒化，使反應器快速啟動；而在顆粒化過程基本結束時，進水堿度應適當偏低以提高顆粒污泥的SMA。
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