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，同時產(chǎn)生有能源價值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不 僅適用于高濃度有機(jī)廢水，進(jìn)水BOD濃度可達(dá)數(shù)萬mg/l，也可適用于低濃度有機(jī)廢水，如城市污水等。

　　厭氧生物處理過程能耗低;有機(jī)容積負(fù)荷高，一般為5-10kgCOD/m3.d，的可達(dá)30-50kgCOD/m3.d;剩余污泥量少;厭氧菌對營養(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，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：以下簡稱UASB)工 藝由于具有厭氧過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——沼氣的一項技術(shù)。對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)管理相對簡單，造價也相對較低，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)計啟動等方面作一簡要闡述。

　　二、UASB的由來

　　1971年荷蘭瓦格寧根(Wageningen)農(nóng)業(yè)大學(xué)拉丁格(Lettinga)教授通過物理結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用重力場對不同密度物質(zhì)作用的差異，發(fā)明了三相分離器。使活性污泥停留時間與廢水停留時間分離，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，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形成一個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，折向反射板的四周，然后穿過水層進(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：

　　(1)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;

　　(2)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)通過在污泥床設(shè)備內(nèi)設(shè)置一個沉淀區(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)。

　　此動畫演示的是的UASB反應(yīng)器的反應(yīng)機(jī)理。黃色的圓點(diǎn)代表不斷變化的沼氣氣泡，棕色的圓點(diǎn)代表污泥顆粒。向上流動的液體和氣泡使得反應(yīng)器中的污泥與廢水混合。

　　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)，一般來說，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^的氣量較多，形成一股 上升的氣流，帶動部分混合液(指污泥與水)作向上運(yùn)動。與此同時，這股氣、水流周圍的介質(zhì)則向下運(yùn)動，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)動帶動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，這個界面不明顯。有關(guān)試驗表明，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時，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)荷很高時污泥層和懸浮層分界不明顯。試驗表明，污水通過底部 0.4-0.6m的高度，已有90%的有機(jī)物被轉(zhuǎn)化。由此可見厭氧污泥具有*的活性，改變了長期以來認(rèn)為厭氧處理過程進(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程大致分為三個運(yùn)行期：

　　(1)接種啟動期：從接種污泥開始到污泥床內(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;

　　(2)顆粒污泥形成期：這一運(yùn)行期的特點(diǎn)是有小顆粒污泥開始出現(xiàn)，當(dāng)污泥床內(nèi)的總SS量和總VSS量降至?xí)r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;

　　(3)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，由下至上逐步充滿整個UASB。當(dāng)污泥床容積負(fù)荷達(dá)到16kgCOD/m3.d以上時，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，沉淀下來的污泥回流到污泥床內(nèi)。

　　設(shè)置外部沉淀池的好處是：

　　(1)污泥回流可加速污泥的積累，縮短啟動周期;

　　(2)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，提高了可見性，能夠及時回收污泥保持工藝的穩(wěn)定性;

　　(4)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

　　UASB的工藝設(shè)計主要是計算UASB的容積、產(chǎn)氣量、剩余污泥量、營養(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，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，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，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)計時應(yīng)給予特別的重視。根據(jù)經(jīng)驗，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、3兩個條件可以通過適當(dāng)選擇沉淀器的深度-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(fù)荷來控制;對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臨界指標(biāo)。但是直到現(xiàn) 在國內(nèi)外所取得的成果表明，只要負(fù)荷率不超過20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未見到有大于10m的報道，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、沉淀和過濾作用。所以在運(yùn)行操作過程中，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，不僅對于分離器的工作是具有重要意義，對于整個有機(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)計中必須事先就考慮到：

　　(1)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，能夠及時破壞浮渣層的形成，或能夠及時排除浮渣。

　　如上所述，UASB中污水與污泥的混合是靠上升的水流和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的氣泡來完成的。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容積的計算一般按有機(jī)物容積負(fù)荷或水力停留時間進(jìn)行。設(shè)計時可通過試驗決定參數(shù)或參考同類廢水的設(shè)計和運(yùn)行參數(shù)。

　　七、UASB的啟動

　　1、污泥的馴化

　　UASB設(shè)備啟動的難點(diǎn)是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。辦法加以馴化，一般需要3-6個月，如果靠設(shè) 備自身積累，投產(chǎn)期最長可長達(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期。

　　2、啟動操作要點(diǎn)

　　(1)一次投加足夠量的接種污泥;

　　(2)啟動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?；?

　　(3)啟動開始廢水COD濃度較低時，未必就能讓污泥顆?；俣燃涌?

　　(4)最初污泥負(fù)荷率一般在0.1-0.2kgCOD/kgTSS.d左右比較合適;

　　(5)污水中原來存在的和厭氧分解出來的多種揮發(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;

　　(6)可降解的COD去除率達(dá)到70—80%左右時，可以逐步增加有機(jī)容積負(fù)荷率;

　　(7)為促進(jìn)污泥顆粒化，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的最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，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，水力停留時間短，采用中溫發(fā)酵時，容積負(fù)荷一般為10kgCOD/m3.d左右;

　　3、無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動;

　　4、污泥床不填載體，節(jié)省造價及避免因填料發(fā)生堵賽問題;

　　5、UASB內(nèi)設(shè)三相分離器，通常不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通常可以不設(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、對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差。

　　九、結(jié)語

　　UASB工藝近年來在國內(nèi)外發(fā)展很快，應(yīng)用面很寬，在各個行業(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)境污染問題，又能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。