UASB
一、引言
厭氧生物處理作為利用厭氧性微生物的代謝特性，在毋需提供外源能量的條件下，以被還原有機(jī)物作為受氫體，同時(shí)產(chǎn)生有能源價(jià)值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機(jī)廢水，進(jìn)水BODzui高濃度可達(dá)數(shù)萬(wàn)mg/l，也可適用于低濃度有機(jī)廢水，如城市污水等。
厭氧生物處理過(guò)程能耗低；有機(jī)容積負(fù)荷高，一般為5－10kgCOD/m3.d，zui高的可達(dá)30-50kgCOD/m3.d；剩余污泥量少；厭氧菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求低、耐毒性強(qiáng)、可降解的有機(jī)物分子量高；耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；產(chǎn)出的沼氣是一種清潔能源。
在全社會(huì)提倡循環(huán)經(jīng)濟(jì)，關(guān)注工業(yè)廢棄物實(shí)施資源化再生利用的今天，厭氧生物處理顯然是能夠使污水資源化的優(yōu)選工藝。近年來(lái)，污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn)，包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物濾池、厭氧膨脹床和流化床，以及第三代厭氧工藝EGSB和IC厭氧反應(yīng)器，發(fā)展十分迅速。
而升流式厭氧污泥床UASB（ Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注：以下簡(jiǎn)稱UASB）工藝由于具有厭氧過(guò)濾及厭氧活性污泥法的雙重特點(diǎn)，作為能夠?qū)⑽鬯械奈廴疚镛D(zhuǎn)化成再生清潔能源——沼氣的一項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于不同含固量污水的適應(yīng)性也強(qiáng)，且其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作維護(hù)管理相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)也相對(duì)較低，技術(shù)已經(jīng)成熟，正日益受到污水處理業(yè)界的重視，得到廣泛的歡迎和應(yīng)用。
本文試圖就UASB的運(yùn)行機(jī)理和工藝特征以及UASB的設(shè)計(jì)啟動(dòng)等方面作一簡(jiǎn)要闡述。
二、UASB的由來(lái)
1971年荷蘭瓦格寧根（Wageningen）農(nóng)業(yè)大學(xué)拉丁格（Lettinga）教授通過(guò)物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用重力場(chǎng)對(duì)不同密度物質(zhì)作用的差異，發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時(shí)間與廢水停留時(shí)間分離，形成了上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器的雛型。1974年荷蘭CSM公司在其6m3反應(yīng)器處理甜菜制糖廢水時(shí)，發(fā)現(xiàn)了活性污泥自身固定化機(jī)制形成的生物聚體結(jié)構(gòu)，即顆粒污泥（granular sludge）。顆粒污泥的出現(xiàn)，不僅促進(jìn)了以UASB為代表的第二代厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用和發(fā)展，而且還為第三代厭氧反應(yīng)器的誕生奠定了基礎(chǔ)。
三、UASB工作原理
UASB由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過(guò)程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，在污泥床上部由于沼氣的攪動(dòng)形成一個(gè)污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進(jìn)入三相分離器，沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí)，折向反射板的四周，然后穿過(guò)水層進(jìn)入氣室，集中在氣室沼氣，用導(dǎo)管導(dǎo)出，固液混合液經(jīng)過(guò)反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。
基本出要求有：
?。?）為污泥絮凝提供有利的物理、化學(xué)和力學(xué)條件，使厭氧污泥獲得并保持良好的沉淀性能；
?。?）良好的污泥床?？尚纬梢环N相當(dāng)穩(wěn)定的生物相，保持特定的微生態(tài)環(huán)境，能抵抗較強(qiáng)的擾動(dòng)力，較大的絮體具有良好的沉淀性能，從而提高設(shè)備內(nèi)的污泥濃度；
（3）通過(guò)在污泥床設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個(gè)沉淀區(qū)，使污泥細(xì)顆粒在沉淀區(qū)的污泥層內(nèi)進(jìn)一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床內(nèi)。
四、UASB內(nèi)的流態(tài)和污泥分布
UASB內(nèi)的流態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的流態(tài)與產(chǎn)氣量和反應(yīng)區(qū)高度相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，反應(yīng)區(qū)下部污泥層內(nèi)，由于產(chǎn)氣的結(jié)果，部分?jǐn)嗝嫱ㄟ^(guò)的氣量較多，形成一股上升的氣流，帶動(dòng)部分混合液（指污泥與水）作向上運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，這股氣、水流周圍的介質(zhì)則向下運(yùn)動(dòng)，造成逆向混合，這種流態(tài)造成水的短流。在遠(yuǎn)離這股上升氣、水流的地方容易形成死角。在這些死角處也具有一定的產(chǎn)氣量，形成污泥和水的緩慢而微弱的混合，所以說(shuō)在污泥層內(nèi)形成不同程度的混合區(qū)，這些混合區(qū)的大小與短流程度有關(guān)。懸浮層內(nèi)混合液，由于氣體幣的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)液體以較高速度上升和下降，形成較強(qiáng)的混合。在產(chǎn)氣量較少的情況下，有時(shí)污泥層與懸浮層有明顯的界線，而在產(chǎn)氣量較多的情況下，這個(gè)界面不明顯。有關(guān)試驗(yàn)表明，在沉淀區(qū)內(nèi)水流呈推流式，但沉淀區(qū)仍然還有死區(qū)和混合區(qū)。
UASB內(nèi)污泥濃度與設(shè)備的有機(jī)負(fù)荷率有關(guān)。是處理制糖廢水試驗(yàn)時(shí)，UASB內(nèi)污泥分布與負(fù)荷的關(guān)系。從圖中可看出污泥層污泥濃度比懸浮層污泥濃度高，懸浮層的上下部分污泥濃度差較小，說(shuō)明接近*混合型流態(tài)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥的頒，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷很高時(shí)污泥層和懸浮層分界不明顯。試驗(yàn)表明，污水通過(guò)底部0．4－0．6m的高度，已有90％的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化。由此可見(jiàn)厭氧污泥具有*的活性，改變了*以來(lái)認(rèn)為厭氧處理過(guò)程進(jìn)行緩慢的概念。在厭氧污泥中，積累有大量高活性的厭氧污泥是這種設(shè)備具有巨大處理能力的主要原因，而這又歸于污泥具有良好的沉淀性能。
UASB具有高的容積有機(jī)負(fù)荷率，其主要原因是設(shè)備內(nèi)，特別是污泥層內(nèi)保有大量的厭氧污泥。工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于生成具有優(yōu)良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是顆粒狀污泥。與此相反，如果反應(yīng)區(qū)內(nèi)的污泥以松散的絮凝狀體存在，往往出現(xiàn)污泥上浮流失，使UASB不能在較高的負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)UASB內(nèi)污泥形成的形態(tài)和達(dá)到的COD容積負(fù)荷，可以將污泥顆粒化過(guò)程大致分為三個(gè)運(yùn)行期：
?。?）接種啟動(dòng)期：從接種污泥開(kāi)始到污泥床內(nèi)的COD容積負(fù)荷達(dá)到5kgCOD/m3．d左右，此運(yùn)行期污泥沉降性能一般；
?。?）顆粒污泥形成期：這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是有小顆粒污泥開(kāi)始出現(xiàn)，當(dāng)污泥床內(nèi)的總SS量和總VSS量降至zui低時(shí)本運(yùn)行期即告結(jié)束，這一運(yùn)行期污泥沉降性能不太好；
?。?）顆粒污泥成熟期：這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是顆粒污泥大量形成，由下*逐步充滿整個(gè)UASB。當(dāng)污泥床容積負(fù)荷達(dá)到16kgCOD/m3．d以上時(shí)，可以認(rèn)為顆粒污泥已培養(yǎng)成熟。該運(yùn)行期污泥沉降性很好。
五、外設(shè)沉淀池防止污泥流失
在UASB內(nèi)雖有氣液固三相分離器，混合液進(jìn)入沉淀區(qū)前已把氣體分離，但由于沉淀區(qū)內(nèi)的污泥仍具有較高的產(chǎn)甲烷活性，繼續(xù)在沉淀區(qū)內(nèi)產(chǎn)氣；或者由于沖擊負(fù)荷及水質(zhì)突然變化，可能使反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥膨脹，結(jié)果沉淀區(qū)固液分離不佳，發(fā)生污泥流失而影響了水質(zhì)和污泥床中污泥濃度。為了減少出水所帶的懸浮物進(jìn)入水體，外部另設(shè)一沉淀池，沉淀下來(lái)的污泥回流到污泥床內(nèi)。
設(shè)置外部沉淀池的好處是：
?。?）污泥回流可加速污泥的積累，縮短啟動(dòng)周期；
?。?）去除懸浮物，改善出水水質(zhì)；
（3）當(dāng)偶爾發(fā)生大量漂泥時(shí)，提高了可見(jiàn)性，能夠及時(shí)回收污泥保持工藝的穩(wěn)定性；
?。?）回流污泥可作進(jìn)一步分解，可減少剩余污泥量。
六、UASB的設(shè)計(jì)
UASB的工藝設(shè)計(jì)主要是計(jì)算UASB的容積、產(chǎn)氣量、剩余污泥量、營(yíng)養(yǎng)需求的平衡量。
UASB的池形狀有圓形、方形、矩形。污泥床高度一般為3－8m，多用鋼筋混凝土建造。當(dāng)污水有機(jī)物濃度比較高時(shí)，需要的沉淀區(qū)與反應(yīng)區(qū)的容積比值小，反應(yīng)區(qū)的面積可采用與沉淀區(qū)相同的面積和池形。當(dāng)污水有機(jī)物濃度低時(shí)，需要的沉淀面積大，為了保證反應(yīng)區(qū)的一定高度，反應(yīng)區(qū)的面積不能太大時(shí)，則可采用反應(yīng)區(qū)的面積小于沉淀區(qū)，即污泥床上部面積大于下部的池形。
氣液固三相分離器是UASB的重要組成部分，它對(duì)污泥床的正常運(yùn)行和獲良好的出水水質(zhì)起十分重要的作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予特別的重視。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，三相分離器應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：
1、混和液進(jìn)入沉淀區(qū)之關(guān)，必須將其中的氣泡予以脫出，防止氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)影響沉淀；
2、沉淀器斜壁角度約可大于45度角；
3、沉淀區(qū)的表面水力負(fù)荷應(yīng)在0.7m3/m2.h以下，進(jìn)入沉淀區(qū)前，通過(guò)沉淀槽低縫的流速不大于2m/m2.h；
4、處于集氣器的液一氣界面上的污泥要很好地使之浸沒(méi)于水中；
5、應(yīng)防止集氣器內(nèi)產(chǎn)生大量泡沫。
第2、3兩個(gè)條件可以通過(guò)適當(dāng)選擇沉淀器的深度－面積比來(lái)加以滿足。
對(duì)于低濃度污水，主要用限制表面水力負(fù)荷來(lái)控制；對(duì)于中等濃度和高濃度污水，在*負(fù)荷下，單位橫截面上釋放的氣體體積可能成為一個(gè)臨界指標(biāo)。但是直到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外所取得的成果表明，只要負(fù)荷率不超過(guò)20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未見(jiàn)到有大于10m的報(bào)道，第三代厭氧反應(yīng)器除外。
污泥與液體的分離基于污泥絮凝、沉淀和過(guò)濾作用。所以在運(yùn)行操作過(guò)程中，應(yīng)該盡可能創(chuàng)造污泥能夠形成絮凝沉降的水力條件，使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能，不僅對(duì)于分離器的工作是具有重要意義，對(duì)于整個(gè)有機(jī)物去除率更加至關(guān)重要。
特別要注意避免氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)，要使固——液進(jìn)入沉淀區(qū)之前就與氣泡很好分離。在氣——液表面上形成浮渣能迫使一些氣泡進(jìn)入沉淀區(qū)，所以在設(shè)計(jì)中必須事先就考慮到：
?。?）采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施，盡可能避免浮渣的形成條件，防范浮渣層的形成；
（2）必須要有沖散浮渣的設(shè)施或裝置，在污泥反應(yīng)區(qū)一旦出現(xiàn)浮渣的情況下，能夠及時(shí)破壞浮渣層的形成，或能夠及時(shí)排除浮渣。
如上所述，UASB中污水與污泥的混合是靠上升的水流和發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡來(lái)完成的。因此，一般采用多點(diǎn)進(jìn)水，使進(jìn)水均勻地分布在床斷面上，其中的關(guān)鍵是要均勻——勻速、勻量。
UASB容積的計(jì)算一般按有機(jī)物容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間進(jìn)行。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)試驗(yàn)決定參數(shù)或參考同類廢水的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。
七、UASB的啟動(dòng)
1、污泥的馴化
UASB設(shè)備啟動(dòng)的難點(diǎn)是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。的辦法加以馴化，一般需要3－6個(gè)月，如果靠設(shè)備自身積累，投產(chǎn)期zui長(zhǎng)可長(zhǎng)達(dá)1－2年。實(shí)踐表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進(jìn)初期顆粒污泥的形成；比重大的絮狀污泥比輕的易于顆?；?；比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動(dòng)期。
2、啟動(dòng)操作要點(diǎn)
?。?）一次投加足夠量的接種污泥；
?。?）啟動(dòng)初期從污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特別輕的和細(xì)碎污泥跟懸浮物連續(xù)地從污泥床排出體外，使較重的活性污泥在床內(nèi)積累，并促進(jìn)其增殖逐步達(dá)到顆?；?；
?。?）啟動(dòng)開(kāi)始廢水COD濃度較低時(shí)，未必就能讓污泥顆?；俣燃涌?；
?。?）zui初污泥負(fù)荷率一般在0.1－0.2kgCOD/kgTSS.d左右比較合適；
?。?）污水中原來(lái)存在的和厭氧分解出來(lái)的多種揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應(yīng)隨意提高有機(jī)容積負(fù)荷，這需要跟蹤觀察和水樣化驗(yàn)；
?。?）可降解的COD去除率達(dá)到70—80％左右時(shí)，可以逐步增加有機(jī)容積負(fù)荷率；
?。?）為促進(jìn)污泥顆粒化，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的zui小空塔速度不可低于1m/d，采用較高的表面水力負(fù)荷有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開(kāi)，使小顆粒污泥凝并為大顆粒。
八、UASB工藝的優(yōu)缺點(diǎn)
UASB的主要優(yōu)點(diǎn)是：
1、UASB內(nèi)污泥濃度高，平均污泥濃度為20－40gVSS/1；
2、有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，采用中溫發(fā)酵時(shí)，容積負(fù)荷一般為10kgCOD/m3.d左右；
3、無(wú)混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動(dòng)，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對(duì)下部的污泥層也有一定程度的攪動(dòng)；
4、污泥床不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵賽問(wèn)題；
5、UASB內(nèi)設(shè)三相分離器，通常不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來(lái)的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通?？梢圆辉O(shè)污泥回流設(shè)備。
主要缺點(diǎn)是：
1、進(jìn)水中懸浮物需要適當(dāng)控制，不宜過(guò)高，一般控制在100mg/l以下；
2、污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力；
3、對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。
九、結(jié)語(yǔ)
UASB工藝近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展很快，應(yīng)用面很寬，在各個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用，生產(chǎn)性規(guī)模不等。實(shí)踐證明，它是污水實(shí)現(xiàn)資源化的一種技術(shù)成熟可行的污水處理工藝，既解決了環(huán)境污染問(wèn)題，又能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。
