温度对UASB工艺的影响研究

第35卷第4期家畜生态学报Vol 35 No 42014年4月Acta Ecologiae Animalis DomastApr.2014温度对UASB工艺的影响研究杨雅茹,胡红文,白林(四川农业大学动物科技学院,四川雅安625014)摘要]随着农牧业的大力发展,农业废水的无害化处理及资源化利用非常重要。UASB工艺因其效率高、简单灵活、占据空间小、能耗低等优点而广泛应用于污水的无害化处理。但温度对UASB工艺的应用具有明显限制,且我国地区之间温度差异很大,大大影响UASB工艺在我国的使用。本文从农业废水的处理及资源化利用出发,综述了温度对UASB工艺的影响,尤其是低温和高温下UASB技术的优势及难点,探讨了为克服温度限制对UASB工艺配置的各种改良技术,并且对JASB工艺中关于温度服制的研究进行了展望,以期为这一领域的探索提供参考和依据。关键词]温度;UASB;废水;厌氧发酵[中图分类号]S811.6文献标识码]A文章编号]1005-5228(2014)04-008307随着我国农牧业的大力发展,农业废水增多,其心成分)在35℃下能在3d之内生成,但当温度下降处置及资源化利用成为当前热门研究课题。厌氧技到10℃时,产甲烷菌的生成时间将延长到50d。虽术以造价低、占地少、能耗小和能回收利用资源,体然高温能使甲烷菌迅速生成,但并不意味着越高越现3R( Reduce, Recycle、 Reuse;减量化、再循环、再好,往往高温以低质量的污水处理为代价。因此,利用)现代环保思想的特性在废水处理上占据主导UASB反应器的广泛应用对温度有着特殊要求,一般地位。如今,高速厌氧反应器被广泛应用在处理适于在气候温度能控制在20~40℃的国家推广污水上。与传统的低速反应器(如厌氧塘、化粪池等)相比,高速厌氧反应器的水力停留时间(Hy近年来,国内外许多学者对UASB工艺的温度draulic retention times,HRT)较短、固体保留时控制进行了探索,取得了一定成果。本文将从农业间( Solids retention times,SRT)较长,可结合大废水的处置及资源化利用出发,系统分析温度对量的高活性生物量,提高污泥的稳定性和反应器的UASB工艺的影响,尤其是低温和高温下UASB技负荷能力。目前上流式厌氧污泥床( The Upflow术的优势及难点,探讨了为克服温度限制对UASBAnaerobic Sludge Blanket,UASB)是最强劲的处工艺配置的各种改良技术,以期为这一领域的探索理污水的高速厌氧反应器,全世界已经有超过1000提供参考和依据。台的UASB反应器在使用3颗粒污泥可大大提高厌氧反应器的有机负荷,1UASB反应器但温度是影响污泥水解速率的关键参数。一般来从荷兰 Wageningen农业大学 Lettinga等于讲,厌氧反应器的温度被分为低温( psychrophilic,20世纪70年代研制开发出UASB反应器以来,该20℃)、中温( mesophilic,30~40℃)和高温工艺在废水厌氧生物处理方面发挥了日益重要的作( thermophilic,55~58℃)三种,有时会有超高温度( extreme thermophilic,70℃)。在低温下,固体停用。该反应器由两大部分组成,一个圆柱体或长方留时间不足会导致UASB的性能减弱。例如体结构的外壳和一个固液气三相分离器(GLS)rawal:等研究发现,在处理低浓度污水时,当温反中国煤化工部流入,在适合的条件度从27℃下降到10℃,沼气生产速率和COD去除.YHCNMHG升被冲洗掉而重的组率各下降了78%和25%。产甲烷菌(颗粒污泥的核分将会保留在反应器内,这样由有机物质、无机物质收稿日期]2013-12-07,修回日期:2013-12-30[就荷数(13331实人:领接:年窦友.畜汽环控制5设计和x的工作:Emtm2o84家畜生态学报35卷以及小的细菌群组成的颗粒污泥在接种污泥上形产酸菌顺势大量繁殖,粘附在颗粒污泥表面,引起颗成。在2~8个月后,根据不同的操作条件,稠密的粒污泥上浮,最终整个系统的沼气产量受到影污泥床将在反应器底部生成,而其上方区域会形成响。但是,微生物的净产率(g生物量/g基质转污泥悬浮层,浓度较污泥床小。接种污泥须具有化)随温度的降低而升高,从而提高了反应器的负荷良好的凝聚、沉淀和颗粒活性。UASB的反应区是率和去除率。 Langenhoff等研究表明反应器颗粒污泥区和悬浮区。从污泥床底部流入的废水,可溶性微生物产物(SMP)在低温下增多,占岀水溶与颗粒污泥混合接触后,污泥中的微生物开始分解解性COD的80%以上。SMP绝大部分是胞外产有机物,同时产生的微小沼气气泡不断放出。微小物,在厌氧条件下很难降解,而在好氧条件下却可以气泡上升过程中,不断合并,逐渐形成较大的气泡。几乎全部降解,因而要获得较高要求的水质,好氧后上升的各种物质在GLS区域分离,GLS由沉淀区、续处理必不可少。因此,虽然低温UASB反应器中回流缝和气封组成。沼气进入气室,污泥在沉淀区的产酸菌大量繁殖使得沼气产量下降,但是微生物进行沉淀,并经回流缝回流到反应区。经沉淀澄清量的增多提高了负荷率和去除率。后的废水作为处理水排出反应器10见图1。UASB要想在低温下高效运行,对低温下的颗沼气Biogas粒污泥硏究不可忽视,包括颗粒污泥中的优势营养菌种类分析以及低温下运行对其生长代谢的影响气泡Gag babble气液国分Sharon Mchugh等1利用独立培养技术检测了6Casliguid-solidsenmatstor种厌氧污泥的微生物结构,用16sRNA基因测序和系统发育构建分析发现,在不同温度反应器下运行指水了300多天的污泥的产甲烷菌都以产甲烷鬃毛菌为UASB ein代表,特别是低温污泥的产甲烷鬃毛菌最占优势。且物在10℃的低温下,颗粒污泥的产甲烷活性仍在运行Baft段时间后有显著提高,说明产甲烷菌可以在适应污低温后很好生长1。 Kettunen等7对非适应性和适应性的消化污泥的产甲烷活性进行了对比测试,研究了5~29℃时乙酸和氢代谢产甲烷菌的活性的影响,结果表明,在低温下,对垃圾渗滤液有一定适进水行密床sludge bed应性的消化污泥的产甲烷活性比非适应性的有明显Lenient提高,在11℃时前者是后者的7倍,22℃时是5图1UASB原理图倍,同时也得出产甲烷活性的提高对COD的去除Fig. 1 Schematic of a UASB reactor率没有影响,在任何温度都可以达到80%。甚至,2温度对UASB工艺的影响对厌氧颗粒污泥的研究发现,在低温下培养了300d的污泥,在恢复到中温时,其活性超过了中温污泥的温度对UASB工艺的影响体现在对污泥的水活性2。在4℃下贮存6个月后,依然能保持良好解率上。厌氧菌以厌氧污泥中的有机物作为底物,活性,意味着利用低温下生长的颗粒污泥可迅速实通过降解作用净化污水。多数厌氧菌(主要是甲烷现低温厌氧反应器的启动。总之,虽然低温限制菌和水解菌)的最佳生长温度是30~35℃m。因了厌氧菌的降解速率,但并未限制其生长,因此完全此,UASB反应器在一般情况下应用于常温气候,低可以接种适应性的低温消化污泥在低温下运行。温和高温反应器在实际生产中的应用并不多。SB反应器2.1低温UASB反应器中国煤化工大有机负荷较中、低温在低温下,产甲烷菌和产酸菌的活性下降,导致UACNMHG间(HRT)短。但在相污泥产甲烷活性、容积负荷和单位容积产气率都降同的有机负荷下,高温UASB反应器的COD去除低,固液混合减弱,传质受到限制。相比较而言,产率比中温UASB反应器要低,但Fang等在研究甲烷菌的活性降低更快,使得大量挥发性脂肪酸较多蛋白质的废水处理的过程中发现,高温条件下( volatile在教据id,VFA)积累,反应器酸化,于是培养的颗粒污泥的产甲烷活性比中温颗粒污泥稍高第4期杨雅茹,等:温度对UASB工艺的影响研究85些。蛋白质水解会限制厌氧降解,但是废水经酸化因此,高温UASB反应器可选用完整的中温颗粒污后,高温UASB反应器的有机负荷可提高。 Ohtsu-泥进行接种。 Ohtsuki等0在高温UASB反应器ki等以蔗糖配成废水,经酸化后污泥有机负荷可中投加微载体( micro-carrier),也可增加中温颗粒污从0.9 kg COd/ kg vss·d升高到3.0 kg cod/kg泥的活性,利于反应器的启动。VSS·d。因此,在高温UASB反应器前可增加预高温UASB反应器在处理不同废水时,颗粒污酸化处理系统,达到更理想的处理效果。泥结构会有较大差异。Fang等在处理葡萄糖、颗粒污泥的形成与否、沉降性能的好坏对谷氨酸、酿酒废水时,对颗粒污泥的微观结构进行了UASB反应器的性能有很大影响。 Syutsubo等]探讨,发现其结构由底物的属性决定。降解含易溶对小试规模的UASB反应器进行研究,考察了55解碳水化合物废水形成的颗粒污泥具有明显层次结℃下污泥颗粒化的过程。反应器用高温的下水道污构,而降解谷氨酸废水的颗粒污泥则内外很一致。泥作为接种物,经200d后反应器内的污泥完全颗同时也发现甲烷丝状菌是颗粒污泥的关键结构组粒化,颗粒污泥直径0.38mm;到442d时,直径能分,在污泥颗粒化过程中起着重要的作用。达到0.52mm。成熟的颗粒污泥的最大负荷为3.7g COD/g VSS:d,是中温条件下形成的颗粒污泥UASB的技术改良的2~3倍。另外,Fang等2在编号为F、G、D的3温度限制使得UASB工艺难以在世界所有地区个UASB反应器中分别接种中温的絮状消化污泥、推广,但随着科学技术的发展,这个劣势将会被克服。中温颗粒污泥和破碎的中温颗粒污泥,45d后,D反要克服温度限制,必须保证足够的污泥停留时间应器中岀现明显的颗粒污泥;而F反应器的污泥直(SRT)和足够的搅拌或水力扰动,保证基质传递不受到90d后才颗粒化。用碎颗粒污泥接种,与用完整限制。并且单位容积內要容纳更多的生物量,有机负颗粒污泥接种,两者最终的运行情况没有多大差别。荷也应较高。对此,国内外学者进行了探索(表1)。表1UASB改良技术的效果对比Table 1 Comparison of various coupled systems at different temperaturesCOD去除率的反应器类型温度/℃处理后的污水浓度/(mg/L)最佳HRT/hConcen tration of disposed sewage效果比较ypesCOD removalCODCODNHa-NUASB+AF(2)L4J⊥(?-A84(86)31(85)AHR[25-263.6(90)+AF+AHR[27-28J4+8147(71)18(91)50(-1)AF+UASB 2915-214+8545(58)152(81)UASB-]3-24201(63)68(70)UAFB 32J15-35139(49)+00+UASB+CSTR[33-3415,35h+21.2d(SRT)151(66)32(87)(-18)UASB+ CSTR[3415,3510h+20d(SRT)332(72)18-255-6,8-10HUSB+UASBLE145.7+11.6142(65)31(87)5+9.3103(64)21(89)18.52.8+6.5102(49)18(86)20.63+13.955(53)19(81)3235,33.6h+(30-40)0++++两级(SRT)+30(70)(99)UASB(SRT)A/O-SBR32-35,33.6h+(30-40)16-18SRT)-+30(70)(99)UASB+化粪池24523(56)UASB+化粪池(0433(51)中国煤化工12)UASB+化粪池4(72)CNMHGUASB- ESRIL42J16,4897(38)TYH++0++UASB- ESR2854(41)550(62)注:COD去除效率指与相同条件下的UASB工艺相比的利弊情况:一不利,十有利,0无影响;括号中数字为去除率(%)。Note: COD removal efficiency refers to the pros and cons compared with USAB under same condition; means"prosmeans cons neutral; numerals in brackets are removal rate in percentage家畜生态学报第35卷3.1厌氧过滤器和复合式厌氧反应器3.2UASB消化器系统组合hernicharo等2研究发现,继UASB反应器目前的研究表明,在UASB污水的后处理上加处理后,在13~28℃下用两个塞满高炉矿渣的厌氧人一个消化器( digester)可提高反应器性能,调节气过滤器(AF)平行操作(上升气流模式和下降气流模候温度波动,该消化器也叫连续搅拌槽反应器(con式),即形成 UASB/AF系统,能够达到86%的 tinuous-stirred-tank reactor,CSTR)。 MahmoudCOD去除率和85%的悬浮固体(TSS)去除率。该等3报道,使用消化器可使UASB反应器在35℃系统的HRT很短,UASB反应器6h,厌氧过滤器的条件下处理15℃的污水,COD和 CODCOL(AF)3~4h即可,如此低成本利于在发展中国家应( colloidal COD的去除率分别能达到66%和44%,用。复合式厌氧反应器(AHR)系统是在UASB反而只使用UASB反应器处理污水,COD和COD应器三相分离器(GLS)顶部添加软性填料。国内学COL的去除率只有4%和3%。 Mahmoud等在者曾针对单独的AHR系统进行了研究,在55℃下夏末比较了UASB消化器系统工艺与单独的处理酒精糟液,经70d培养出大量的颗粒污泥(粒UASB工艺的性能,发现前者在移除COD和降低径1.5mm),并且达到了20 kg cod/(m3·d)的高总悬浮固体(TSs)浓度方面处理效果更好。同时认有机负荷,COD的去除率在90%以上。但是在为此工艺能满足气候温度在15~35℃的巴勒斯坦低的问题切。同时, Elmitwalli等在13℃的稳温度升高,保证污泥传递到消化器上,但是,因为定条件下使用垂直网状聚氨酯泡沫材料(RPF)作为COD去除率较高、,剩余污泥较少和系统能维持很好填料,获得了64%的COD去除率,比单独的UASB的脱水性和稳定性而被应用。赵春娟等认为该反应器COD的去除率高了4%。随后,AF和AH工艺能对养殖场产生的废水处理具有很好的效果,技术就综合应用在污水处理上。在12h的水力停尤其是对高寒地区的沼气处理工程的应用具有推广留时间(HRT)处理后,AF+AHR系统能够使意义。同时指出把能耗较高的CSTR系统与COD的去除率达到71%,同时发现,在13℃下,此ASB技术相结合起来,可以允许进入的物料有较COD的去除率与高温UASB反应器的相似28。高的SS,通过CSTR后进入UASB的就为低SS的经过降解的小分子物质,这样明显提高了UASB的Sawajneh等把厌氧过滤器(AF)作为用UASB消化效率,并减少了GLs堵塞的可能反应器处理高浓度污水的预处理单元。在15~213.3单级UASB系统和两级UASB系统℃下,这个系统展现出了比较不错的COD去除率Halalsheh等比较了单级和两级UASB系AF系统作为第一个阶段,可以首先有效去除悬浮统在处理高强度污水上的差异,发现这两个系统在固体降低污水浓度,同时水解、酸化和生成甲烷,这COD的去除率上没有显著差异,建议使用单极对第二个阶段(UASB)是有利的。尽管这两个改良UASB反应器时HRT稍长一点。而且, Halalsheh技术在沉降性和脱水性方面取得了有效的处理效等42也比较了冬季和夏季这两个工艺的性能。单果,但移除AF系统的剩余污泥的頻繁性及保持极UASB反应器在COD去除率上不存在季节差(AF+AHR)系统的稳定性有待改进。异,而在两级UASB工艺中,第二个UASB反应器Lew等]用塑料过滤器环( plastic filter rings)不稳定,使得总工艺的性能减弱。但是,若把水解上替代三相分离器,在10~28℃下处理污水。COD流式污泥床( hydrolytic upflow sludge bed,HUsB)和TSS的去除率在10℃和14℃下都低于UASB作为两级UASB工艺的第一阶段、把UASB工艺作反应器。Gao等研究发现,把上流式厌氧固定床为第二阶段,污水处理效果比单极UASB好( Upflow Anaerobic Fixed Bed,UAFB)固定在HUSB作为水解单元UASB作为产甲烷单元,各UASB反应器的底部,随着温度从35℃降到15℃,司其中国煤化工也同时消除了低温对COD的去除率随之降了32%。但是有趣的是,在UACNMHG20℃时达到甲烷产量的最大值(每天能产生7L甲近年来,学者对两级UASB工艺的研究都致力烷),这比35℃时的甲烷量高了40%。这也同样说于把两级UASB与好氧技术结合起来,再加上序批明了(UAFB+UASB)反应器在低温下处理污水是式反应器(SBR),即形成“两级 UASB-A/OSBR”工艺这个工艺能深度脱氮,系统TN和第4期杨雅茹,等:温度对UASB工艺的影响研究NH4+N去除率都接近100%。同时,吴莉娜研停留时间短,有机负荷较高,但是去除率不是很高。究表明温度不是短程硝化的关键因素,这说明此工因此,对现有反应器的改进和新反应器开发的核心艺对温度无限制,利于UASB工艺在中国的推广。问题是如何降低温度对UASB工艺的限制。工作3.4UASB化粪池耦联系统重点主要包括:(1)解决低温下高强度污水的预酸化这个系统是化粪池的改进工艺,应用了上流式问题以及悬浮固体浓度过高导致的 CODCOL的问结构,把固一液一气分离器安置在化粪池的顶端。题;(2)解决高产气量引起的SRT减少、高活性污泥这个工艺能处理高强度的污水,温度为24℃,HRT溢出增加的问题以及丙酸积累的问题;(3)改进现有为2d。 Mahmoud3在此条件下进行污水处理,使反应器或者做好污水的预处理和后处理工作,最终得总COD去除率为56%,悬浮COD去除率为使污水达标排放87%。随后, Al-Jamal和 Mahmoud0也用了这个系统,但是温度降低了。在17.4℃时,总COD和悬参考文献浮COD去除率分别都降为51%和83%6。这也说明1贺延龄废水的厌氧生物处理[M.北京;中国轻工业出版社,了即使对UASB改进工艺,温度也会影响污水处理性能。但是,此工艺的一个最主要的优点是能减少2] Lettinga C,PlLw, Koster I W,etal. Iligh-rate anaerobic污泥处理费,因其能在此工艺中保留较长时间。作waste-water treatment using the UASB reactor under a wide者也认为要使用这个工艺,后处理单元是必要的。range of temperature conditions[J]. Biotechnology and genetic最近,赵丙良为了提高该工艺的性能和净化效率engineering reviews, 1984, 2(1): 253-284[3 Tiwari M K, Guha S, Ilarendranath C S,et al. Influence of ex(COD和病原微生物),直接改进了反应器内部搅拌trinsic factors on granulation in UASB reactor[J]. Applied mi方式,增强了混合程度。在中温35℃下运行,使得crobiology and biotechnology, 2006, 71(2): 145-154COD的去除率能达到72%。同时发现,反应器主[4 I Schmidt JE, Ahring B. Granular sludge formation in upflow要依靠污泥的粘附作用去除病原菌,且絮状污泥对anaerobic sludge blanket(UASB) reactors [J]. Biotechnologyand Bioengineering, 1996, 49(3): 229-246原水中游离态病原菌的去除效果比颗粒污泥好,而[51 Agrawal L K, narada II,okui. 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Anaerobic and comple季条件下运行,两个系统比传统的UASB工艺污水mentary treatment of domestic sewage in regions with hot cli-处理能力强,表现出COD去除率比传统工艺高mates-A review [J]. Bioresource Technology, 2006, 97(17)倍多。因此,UASB标准设计的改变是可行的。2225-2241[10 Ilickey R F, Wu W M, Veiga M C, et al. Start-up, operation4结语与展望r hich-rate anaerobic treatment sys-中国煤化工ology,1991,24(8):207-255UASB技术在污水处理方面有着明显优势,但11CNMH GM.上海:同济大学出版社是气候温度的差异影响了此工艺的推广,许多问题1992还有待于进一步研究。相对于中温与高温来说,低[12] Van Lier J B, Rebac S, Lens P, et al. Anaerobic treatment ofpartly acidified wastewater in a two-stage expanded granular温使UASB性能恶化,脱氮除磷效率低,抗冲击负sludge bed (EGSB) system at 8C [J. Water Science and荷能力弱万高教猛UASB反应器虽然反应速度快,Technology,1997,36(6):317-324家畜生态学报第35卷[13] Berg L. Effect of temperature on growth and activity of abrid system at low temperature[J]. Water Research,2002,36methanogenic culture utilising acetate]. 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Treatment of验研究[.中国沼气,1998,16(4):36.dm.方数据 two-step anaerobic filter/anaerobic b[4赵春娟,李丽,栗兰波,等,CSTR+UASB技术在养殖场沼第4期杨雅茹,等:温度对UASB工艺的影响研究气工程的应用[门].环境科学与管理,2011,36(6):71-73处理晚期垃圾渗滤液[J].中南大学学报:自然科学版,2011,[45]吴莉娜,彭永臻,刘牡,等.晚期垃圾渗滤液两级 UASB-A/42(8):2520-2525OSBR工艺短程深度脱氮[冂].四川大学学报:工程科学版,[47]吴莉娜,王淑莹,彭永臻,等.不同时期垃圾渗滤液两级2011,43(3):182-187UASB-A/OSBR工艺深度脱氮[].东南大学学报:自然科学[46]吴莉娜,宋燕杰,刘牡,等.两级 UASBA/OSBR工艺深度版,2010,40(006):1342-1347Effect of Temperature on UASB: A ReviewYANG Ya-ru, HU Hong-wen, BAI Lin(College of Animal Science and Technology, Sichuan Agricultural Universily, Ya an, Sichuan 625014, China)Abstract: Agricultural waste water treatment and the use of recycling should be paid more attentionThere are many advantages in the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors such as high efficiency, simplicity and flexibility, low space requirements, low energy consumption. But the temperature constraint is an issue to concern. Temperature difference is huge from one place to another in China and it affects the application of USAB there. In this paper the pros and cons of psychrophilic and thermophilic upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors were reviewed. The effect of modifying the reactor configurations to overcome the temperature constraint was also studied. And the trends are proposed to promotethe application in UASB in the near future as a reference on this fieldKey words: temperature; UASB; agricultural waste water; anaerobic technology《家畜生态学报》稿约《家畜生态学报》由中华人民共和国教育部主利方面的重要基础理论和应用研究成果管,西北农林科技大学主办,中国畜牧兽医学会家畜2投稿要求生态学分会协办的学术类农业科技期刊,创刊于按GB7713-87《科学技术报告、学位论文和学1980年。是全国中文核心期刊(2011年版),中国科术论文的编写格式》撰写。包括题名、作者、工作单技核心期刊, RCCSE中国核心学术期刊,全国畜牧位(单位名称的全称、城市名、邮编)、中文摘要、关键兽医优秀期刊,大16开,月刊,国际标准连续出版物词(3~8个)正文、英文题名、作者姓名(汉语拼音,号:ISSN1673-1182,国内统一连续出版物号:CN姓全部大写,名首字母大写)及英文单位全称、英文61-1433/S,邮发代号:52-112。摘要和关键词、参考文献。1刊文内容3注意事项本刊以展示家畜生态研究成果,指导生态牧业凡投本刊的文章,均在1个月之内告知作者处发展,促进畜牧生产与环境和谐为办刊宗旨,倡导绿理意见,请勿一稿两投;本刊已加入“《中国学术期刊色、环保、可持续发展的畜禽健康养殖理念,全面提(光盘版)》”“中国核心期刊(遴选)数据库”“中文升我国家畜生态学科硏究水平。主要刊登家畜生态科技期刊数据库”,作者著作权使用费与本刊稿酬研究、家畜环境控制、畜禽资源评价、畜禽洁净化生次亻中国煤化工文章编入该数据库,请产、畜禽安全生产、畜产品品质保障、动物健康与福在CNMHG处理