Guia pràctica de cultiu de fangs granulars anaeròbics de la UASB

El fang granular és el nucli del funcionament eficient del reactor UASB. El cultiu segueix els principis d'una inoculació d'alta-qualitat, temperatura controlada i pH estable, arrencada baixa F/M-, augment gradual de la càrrega i cribratge hidràulic. En condicions mesòfiles, les aigües residuals fàcilment degradables (processament d'aliments i cervesa) poden formar fangs granulars madurs en 1-2 mesos, mentre que les aigües residuals industrials convencionals requereixen 2-4 mesos per completar el cultiu.

1. Pretractament del reactor

El sistema de distribució d'aigua de la UASB ha de ser inspeccionat a fons per garantir una distribució uniforme de l'aigua sense zones mortes ni bloquejos; el-separador trifàsic s'ha d'ajustar per garantir una separació adequada de gas-líquid-sòlid; L'interior del reactor s'ha de netejar de residus, òxid i contaminants residuals per garantir l'estanquitat del reactor i evitar l'entrada d'oxigen.

2. Selecció i Addició de Llots Inoculats

Es prefereix el fang granular madur d'UASB de tipus similars d'aigües residuals, ja que ofereix la velocitat d'inici-més ràpida i és la font d'inoculació òptima. En segon lloc, es recomana els fangs dels digestors anaeròbics de les depuradores municipals, ja que són rics en metanògens i fàcilment disponibles. Els fangs fluvials, els fangs de clavegueram i els fems de bestiar no digerits estan estrictament prohibits, ja que aquests tipus de fangs tenen un alt contingut de sorra, contenen nombroses substàncies tòxiques i nocives i tenen alts nivells d'oxigen dissolt, que pertorbaran directament la comunitat bacteriana anaeròbica. La quantitat d'inoculació s'ha de controlar al 30%-50% del volum efectiu del reactor. La concentració de VSS del fang inoculat hauria d'arribar a 2-4 kg/m³, i la relació VSS/TSS hauria de ser superior a 0,7 per garantir l'activitat del fang.

3. Control nutricional i ambiental

La proporció de nutrients microbians anaeròbics es controla estrictament a C:N:P=200-300:5:1. El nitrogen, el fòsfor i els oligoelements essencials com ara Fe, Co i Ni es complementen segons la qualitat de les aigües residuals. L'alcalinitat del licor barrejat al reactor s'ha de mantenir per sobre de 1000 mg/L (calculat com a CaCO₃) per garantir la capacitat d'amortiment. La temperatura es controla de manera estable a un nivell mesòfil de 35 ± 2 graus, amb fluctuacions diàries que no superen els ± 0,5 graus. El cultiu a altes -temperaturas s'ha de controlar a 55 ± 2 graus i es prohibeixen els canvis bruscos de temperatura.

Etapa 1: període d'adaptació microbiana (10-20 dies)

L'objectiu principal és permetre que els microorganismes anaeròbics dels fangs inoculats s'adaptin a la qualitat de les aigües residuals, recuperin la seva activitat i evitin l'acidificació inicial. L'indicador de control bàsic per a l'arrencada és la càrrega de fangs F/M=0.05-0.1 kgCOD/kgVSS·d, evitant l'ús a cegues del control de càrrega volumètrica. La concentració de DQO de l'influent s'ha de controlar per sota de 1000 mg/L. Les aigües residuals originals s'han de diluir amb aigua neta, amb un temps de retenció hidràulica no inferior a 24 hores, utilitzant un mètode d'afluent de baix flux-contínu. Controleu diàriament el pH, els àcids grassos volàtils (VFA) i la taxa d'eliminació de DQO al reactor, controlant el pH entre 7,0 i 7,5. Es consideren normals un nivell de VFA per sota de 100 mg/L i una taxa d'eliminació de DQO del 40% o superior. Si el VFA supera els 200 mg/L o el pH baixa per sota de 6,8, atureu immediatament el flux d'afluent i reinicieu-lo només quan es recuperin els indicadors.

Etapa 2: Etapa de formació granular (20-40 dies)

Durant aquesta etapa, es formaran petites partícules de fang de 0,2-0,5 mm i el rendiment de la sedimentació del fang millorarà gradualment. Després que els indicadors de qualitat de l'aigua s'estabilitzin durant 3-5 dies, augmenteu lentament la càrrega, amb un únic augment que no superi el 10%-15%, augmentant gradualment la càrrega de fangs a 0,1-0,2 kgCOD/kgVSS·d. La velocitat del flux ascendent del reactor es controla a 1,0-1,5 m/h. Els fangs floculents lleugers s'eliminen mitjançant cribratge hidràulic; una petita pèrdua de fang és normal. Durant aquesta etapa, s'ha d'assegurar l'agregació inicial de fangs granulars, amb partícules de fang petites i denses observades a la part inferior del reactor.

Etapa 3: període de creixement ràpid de fangs granulars (40-90 dies)

La mida de les partícules del fang granular augmenta fins a 0,5-2 mm, formant una estructura estratificada estable. La capa interna està formada per bacteris metanogènics com ara filaments metanogènics, mentre que la capa exterior està formada per bacteris productors d'àcid hidrolític. El substrat es descompon des de l'exterior cap a dins i la comunitat bacteriana funciona de manera sinèrgica i estable. La càrrega augmenta constantment, assolint gradualment una càrrega volumètrica de 3,0-5,0 kg COD/m³·d, mentre es manté la velocitat de flux ascendent a 1,5-2,0 m/h. El VFA del reactor s'ha de controlar estrictament per sota dels 50 mg/L i el contingut de metà del biogàs ha de ser superior al 55%. Es prohibeixen els augments sobtats de càrrega o els canvis hidràulics que puguin provocar el trencament de partícules. Durant aquesta etapa, el fang granular proliferarà i compactarà ràpidament, optimitzant significativament el rendiment de la sedimentació.

Etapa 4: període de maduració granular (90-120 dies)

El fang granular madur conté més d'un 80% de partícules amb un diàmetre de 0,5{3}}3 mm. És de color vermell marronós, rodó, ferm al tacte, i no enganxós, amb una velocitat de sedimentació de 10-20 m/h. El reactor assoleix la seva càrrega volumètrica dissenyada, aconseguint una taxa d'eliminació de DQO superior al 90% per a aigües residuals fàcilment biodegradables, superior al 85% per a aigües residuals convencionals, una concentració estable de VFA per sota dels 50 mg/L a l'efluent i un contingut de metà en el biogàs superior al 60%. Després d'un funcionament continu i estable durant més de 15 dies, s'ha completat el cultiu de fangs granulars.

La temperatura s'ha de mantenir constant en un rang mesòfil de 35 ± 2 graus, amb fluctuacions diàries que no superin els ± 0,5 graus. Les fluctuacions excessives de temperatura inhibiran directament l'activitat dels bacteris metanogènics. El valor del pH dins del reactor ha de ser estable a 7,0-7,5, amb el pH de l'afluent que es permeti ser lleugerament inferior, depenent del tampó d'alcalinitat del reactor. Els nivells de pH inferiors a 6,8 o superiors a 8,0 estan prohibits. Els àcids grassos volàtils (AGV) són un indicador clau d'alerta primerenca; durant el funcionament normal, han de ser inferiors a 50 mg/L. S'ha d'activar immediatament una alarma si superen els 100 mg/L, i s'ha de reduir la càrrega si superen els 200 mg/L. La velocitat del flux ascendent ha de ser d'1,0-1,5 m/h durant la fase d'arrencada i d'1,5-3,0 m/h durant la fase de maduresa. Una velocitat inferior a 1,0 m/h provocarà la compactació del llit de fangs, evitant la granulació. Els augments de càrrega han de seguir el principi d'augments petits i freqüents, amb cada augment que no superi el 10%-15%. El següent augment només s'ha de dur a terme després que els indicadors s'hagin estabilitzat durant 3-5 dies. El focus s'ha de centrar en controlar l'alcalinitat del licor barrejat dins del reactor, no l'alcalinitat de l'influent, assegurant una alcalinitat suficient. La relació entre VFA i alcalinitat hauria de ser inferior a 0,1.

En primer lloc, els microorganismes segreguen polímers extracel·lulars, fent que les cèl·lules s'adhereixin entre si i formen petits flóculs. Aleshores, amb bacteris filamentosos com els bacteris metanogènics com a nucli, els flocs s'agreguen gradualment per formar prototips granulars. Mitjançant el cribratge hidràulic, s'eliminen els fangs floculents solts, conservant els grànuls densos. Finalment, es forma una estructura estratificada estable, amb una capa interna de bacteris metanogènics i una capa exterior de bacteris productors d'àcid-. Els grànuls es compacten i creixen contínuament, convertint-se en fangs granulars madurs.

L'acidificació i el pH per sota de 6,5 al reactor són causats principalment per augments de càrrega excessivament ràpids i una alcalinitat insuficient. La solució és aturar immediatament l'afluent, evitar afegir cegament grans quantitats de bicarbonat de sodi i reposar amb precisió l'àlcali segons el dèficit d'alcalinitat. Un cop el VFA baixi per sota dels 50 mg/L i el pH es recuperi, reinicieu el reactor amb una càrrega menor. La dificultat en la formació de fangs granulars es deu sovint a una velocitat de flux ascendent insuficient i un SS excessivament elevat a l'afluent. S'ha d'augmentar la velocitat del flux ascendent per sobre d'1,0 m/h i s'ha de reforçar el pretractament d'aigües residuals per eliminar els sòlids en suspensió. La ruptura i la pèrdua de granulats són causades principalment per la inhibició de substàncies tòxiques, l'acumulació de VFA i les fluctuacions del pH. Cal investigar i tractar prèviament la toxicitat de les aigües residuals i estabilitzar els paràmetres de funcionament, en lloc de reduir simplement la velocitat del flux hidràulic. L'arrencada lent-i les baixes taxes d'eliminació de DQO sovint es deuen a una poca activitat dels fangs d'inòcul i al desequilibri de nutrients. Cal afegir llots d'inòcul d'alta-qualitat, ajustar la relació C:N:P i afegir oligoelements.

1. Principi bàsic: utilitzeu sempre la càrrega de fang (F/M) com a indicador de control del nucli, en lloc de simplement càrrega volumètrica; assegurar una temperatura, pH i alcalinitat estables durant tot el procés, evitant canvis sobtats de paràmetres; prioritzar els augments de càrrega lents i graduals, i realitzar contínuament el cribratge hidràulic; esperar pacientment la successió bacteriana natural, sense intervenció forçada.

2. Criteris d'acceptació de la maduresa: percentatge de fang granular superior o igual al 80%, mida de partícula 0,5-3 mm, velocitat de sedimentació 10-20 m/h; el reactor arriba a la càrrega de disseny, la taxa d'eliminació de COD compleix els estàndards, l'efluent VFA<50mg/L; biogas methane content stable >60%, sense pèrdua significativa de fangs, funcionament estable continu durant més de 15 dies.