改良型UASB厭氧反應器研究進展

陳 佶

（河北晟晨農業(yè)工程設計有限公司，河北石家莊 050021）

近三十多年來，我國社會經濟的高速發(fā)展，由此也帶來了環(huán)境污染問題，特別是在水資源環(huán)境問題上。例如工業(yè)污水成分復雜，其主要成分為生產用料、生產副產品以及生產剩余物，廢水中常常含有農藥、重金屬及放射物等有毒物質，對人類及環(huán)境都有很大危害。城市污水中含有大量的有機物及病菌、病毒，處置不當會威脅人類的健康。畜禽養(yǎng)殖場廢水除排水量大、有機質濃度高、氮磷營養(yǎng)元素含量高等，污水中還常伴有消毒水、殘留的獸藥以及各種人畜共患病原體等污染物，處理難度大。水資源的各種類型的點源污染，如工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水、集中式畜禽養(yǎng)殖廢水等大量產生，這類污水中含有大量的有機物、氮、磷等物質，且不同區(qū)域水質水量變化較大，如不經有效處理直接排放，不僅會引起水體富營養(yǎng)化，也會進一步導致地下水水質受到影響[3]，進而影響我國的水生態(tài)環(huán)境安全[1-2]。目前處理有機污水的方法主要有物化法（混凝沉淀、吸附、膜分離和化學氧化法等）、人工濕地法和生物法（活性污泥法、生物膜法、好氧氧化、厭氧消化）。然而人工濕地占地面積大且處理效果受環(huán)境溫度影響較大、膜分離工藝具有投資運行成本高的缺點。

厭氧消化技術是一種利用厭氧微生物將有機物降解轉化為生物甲烷的生化過程，其具有占地面積小、有機物去除效率高且可獲取生物甲烷的特點，已成為處理高濃度有機廢水的主要工藝。1970年，荷蘭瓦赫寧根農業(yè)大學Lettinga教授發(fā)明了處理高濃度有機廢水的UASB反應器[4]，在該反應器中首次增加了三相分離器，使反應器厭氧污泥齡大大提高，進而提高了污水中有機物的生化效率，使厭氧發(fā)酵廢水處理技術獲得突破性的進展。雖然UASB反應器具有較高的生化性能，然而在運行中也常會出現(xiàn)短流、死角和堵塞等一系列問題。為解決上述問題，進一步增強厭氧微生物與廢水的混合與接觸，提高負荷及處理效率，適應不同類型的有機廢水，90年代后研究人員在第一代UASB反應器基礎上進行了改進[5]，包括改進反應器進水布水系統(tǒng)減少堵塞、改進三相分離器減少污泥損失、在UASB反應器基礎上設計新型反應器并增加循環(huán)裝置等；同時對UASB反應器的處理性能進行了研究[6-7]。本文針對UASB反應器運行過程中一系列關鍵問題及改進優(yōu)化技術進行了總結梳理，以期為處理不同區(qū)域特點的高濃度有機廢水的UASB反應器的高效穩(wěn)定運行提供技術指導。

1 UASB反應器結構、工作原理及技術特點

1.1 UASB反應器結構

Lettinga教授發(fā)明的第一代（1970年）UASB反應器主要包括以下7部分：進水系統(tǒng)、污泥床區(qū)、沉淀區(qū)、懸浮床區(qū)、三相分離器、出水系統(tǒng)、沼氣收集系統(tǒng)，具體結構如圖1所示。

圖1 UASB反應器結構示意圖

1.2 UASB反應器工作原理

有機廢水經過進水系統(tǒng)均勻地進入包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床區(qū)，廢水中的大部分有機物在與顆粒污泥接觸過程中發(fā)生厭氧反應生成沼氣；產生的沼氣帶動反應器內部循環(huán)并起到氣體攪拌的作用，附著污泥隨沼氣向反應器頂部上升，在懸浮污泥層產生造粒作用從而形成絮狀污泥或粒狀污泥，當氣泡碰擊到三相分離器氣體反射板后發(fā)生破裂，附著在氣泡的粒狀污泥脫離氣泡并沉淀到污泥床的表面，其余的絮狀污泥留在沉淀區(qū)，最后也排到污泥床的表面；氣體被收集到三相分離器的集氣室，經厭氧反應后的廢水則經過出水系統(tǒng)排出反應器。

1.3 UASB反應器技術特點

UASB反應器的主要技術特點包括以下4個方面：1）污泥泥齡（SRT）與水力停留時間（HRT）的有效分離：通過三相分離器可實現(xiàn)沼氣、有機廢水和活性污泥的有機分離，進而防止反應器中顆粒污泥隨出水排出厭氧消化系統(tǒng)，保證了反應器中活性污泥的濃度。2）可培養(yǎng)厭氧顆粒污泥：UASB在處理有機廢水過程中可使活性污泥不斷沉降，同時在Ca2+/Mg2+等參與下可自然馴化培養(yǎng)出高活性的顆粒污泥，相對于絮狀污泥，顆粒污泥具有更好的沉降性能和生物效能。3）不需要其他微生物吸附載體：由于三相分離器和顆粒污泥的形成，在不添加其他輔助吸附載體的條件下，依然可維持反應器中高的生物量。4）負荷高、HRT短：UASB可處理不同類型的有機廢水，承載負荷一般為5～15kgCOD/（m3·d），其COD去除率可達90%；HRT較短一般為4～72 h。5）不需攪拌耗能低、后續(xù)污泥產量少，運行成本低：UASB反應器通過底部污泥降解有機物產生的沼氣實現(xiàn)自攪拌，相對于好氧工藝，厭氧工藝剩余污泥產量僅為前者的5%～10%，降低了后續(xù)污泥處理成本。據(jù)報道每處理lt COD的廢水，厭氧法只需耗電 75kw·h，而好氧法需耗電l 000 kw·h。

2 改良結構型UASB反應器

2.1 三相分離器前射流回水

管錫珺等在對厭氧反應器進行了綜述的基礎上對比分析了厭氧顆粒污泥膨脹床反應器（Expanded Granular Sludge Blanket Reactor，EGSB）、IC（Internal Circulation，IC）反應器與UASB反應器的結構特征，提出并驗證了改良結構型UASB反應器。該反應器的主要特征是：與UASB反應器相比多出一個內循環(huán)反應區(qū)，并在內循環(huán)反應區(qū)采用了射流混合方式，為了強化廢水與接種污泥之間的介質混合。與EGSB反應器相比，改良結構型UASB反應器將循環(huán)回水管改造至三相分離器之前，射流回水也采用了旋流式布水口[8]，更好地利用了三相分離器并減輕其壓力。改良之后，反應器顯著改善了反應區(qū)的水力條件，能夠有效避免顆粒污泥的流失和適應不同的進水濃度。

2.2 反應器內置填料

針對UASB反應器處理垃圾滲濾液出水氨氮濃度高以及反應器運行負荷低等問題，有研究者提出了在UASB反應器內置半軟性填料。由于內置填料可吸附更多的微生物，使反應器的沉淀區(qū)在一定時間內維持較高的生物量，廢水與厭氧菌種的接觸時間更長、水力停留時間（HRT）更短，更加有利于顆粒污泥的形成。經內置填料后的出水循環(huán)不僅可以調節(jié)進水的有機物濃度，還能提高反應器的抗負荷沖擊能力，給厭氧菌創(chuàng)造了較好的生長條件。改良結構型反應器的啟動時間大大縮短，只需要42d；反應器的容積負荷可提高至高達9.6kgCOD/（m3·d），對氨氮濃度和COD（Chemical Oxygen Demand，COD）的去除率可達80%以上[9]。

2.3 反應器布水裝置優(yōu)化

UASB反應器進水管道容易被污垢堵塞。由于反應器拆卸檢修不方便，維修時要停止運行。因此，需要對進水布水裝置進行改進。進水布水裝置包括布水主管和緩沖裝置[10]，在UASB反應器水池頂部的同一平面對稱設置放射狀的布水支管，支管從反應器頂部穿過直到反應器底部，最重要的是在支管上配有清洗支管，從而達到進水裝置無須拆卸在運行中清洗的效果，每根布水支管上設置流量計和流量調節(jié)閥來控制進水量以及調節(jié)清洗液流量。采用容積較大的壓力容器作為緩沖裝置，從而保證進水壓力的穩(wěn)定。改進布水裝置后，進水管道不易堵塞，清理污泥更加方便，可不中斷整個UASB反應器運行對局部進水管拆裝維護，實際應用效果良好。

2.4 反應器三相分離器優(yōu)化

三相分離器是UASB反應器中最關鍵的構造，其主要作用是將固、液、氣相進行有效分離。三相分離器的優(yōu)化有以下四種方法[11]：（1）在三相分離器底部增加一個可以旋轉的葉片，產生向下的水流，從而利于污泥回流；（2）在懸浮床區(qū)采用篩鼓或細格柵，截留細小顆粒污泥；（3）在反應器內部設置攪拌器，使氣泡與顆粒污泥分離；（4）在出水堰處設置擋板，截留顆粒污泥。

以上改進主要是針對UASB反應器運行過程中出現(xiàn)的運行負荷低、啟動時間長、進水管堵塞等問題進行的自身結構改良升級。

3 UASB衍生反應器

雖然第一代UASB有效提高了有機廢水的處理能力，但是在運行過程中也發(fā)現(xiàn)常出現(xiàn)污泥回流降低進水COD、顆粒污泥影響傳質、顆粒污泥漂浮沉降性能下降和流失等問題，針對這些工程運行問題，從改變反應器內污泥的回流循環(huán)方式、反應器高徑比，以及污泥床等幾個方面對現(xiàn)有的UASB反應器進行衍生改進。

3.1 概況

內循環(huán)UASB反應器、外循環(huán)UASB反應器、EGSB反應器、IC反應器等都是在UASB反應器的基礎上衍生得到的，均包括污泥床區(qū)、懸浮床區(qū)、沉淀區(qū)等主要結構。雖然在原理上沒有改變，但是對反應器運行工藝進行了創(chuàng)新。

3.2 排水管出水內循環(huán)UASB反應器

20世紀末，在使用UASB反應器處理檸檬酸廢水時，存在著處理速度較慢、COD去除率較低（85%左右）、投資和運行費用較高等局限性。于軍等在大量試驗基礎上，提出了利用內循環(huán)UASB工藝處理檸檬酸廢水，并以檸檬酸廠廢水為原料進行了實驗研究與驗證[12]。該內循環(huán)UASB反應器在結構上通過排水管將出水導入進水管進行出水內循環(huán)，具體結構見圖2。其優(yōu)勢是能調節(jié)進液濃度，可以將細小污泥與顆粒污泥分級，有利于顆粒污泥的形成，且可根據(jù)不同水質及不同培養(yǎng)時期調整反應器的水力負荷。試驗結果表明：（1）該內循環(huán)UASB反應器對進液COD濃度的適應范圍增大；（2）同等條件下，出水COD去除率由常規(guī)UASB系統(tǒng)的85%提高至95%；（3）反應器啟動周期縮短至90d內即可完成；（4）對溫度、pH的適應能力提高。

圖2 排水管出水內循環(huán)UASB反應器結構示意圖

3.3 懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器

張麗潔等在懸浮區(qū)設置內循環(huán)管，使一部分上浮至懸浮區(qū)的絮狀污泥再次回流到污泥床反應區(qū)，減少了污泥流失，改進了反應區(qū)的水力條件，有利于污泥顆?；痆13]。研究表明，懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB對面粉廢水的COD平均去除率在83.6%左右，出水水質較好，適宜用好氧法進一步處理。

在懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器出現(xiàn)之后，很多學者對常規(guī)UASB反應器與懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器在處理垃圾滲濾液等的處理效果進行了對 比[14-15]。內循環(huán)裝置由內循環(huán)管、循環(huán)泵、乳膠管組成，具體結構如圖3所示。其工作原理是：廢水由內循環(huán)管從中間取樣口接出，經循環(huán)泵將廢水從反應器頂部泵入，經過三相分離器將懸浮區(qū)與反應區(qū)聯(lián)系起來，形成一個內循環(huán)反應區(qū)。懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器與常規(guī)UASB反應器相比，多了一個內循環(huán)裝置。在其他條件相同的情況下，利用常規(guī)UASB反應器與懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器對垃圾滲濾液或者經過稀釋后的垃圾滲濾液廢水直接進行厭氧處理，發(fā)現(xiàn)懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器對底物的處理更充分，污泥顆?；瘽舛雀?，啟動更快，具備更強的處理能力、更高的工作效率，所適應的COD、NH3-N、SS等濃度范圍更大，其出水更適宜于用好氧法進一步處理。

3.4 內循環(huán)UASB+好氧法

圖3 懸浮區(qū)出水內循環(huán)UASB反應器結構示意圖

廢水僅通過內循環(huán)UASB反應器并不能達到排放的標準，通常將厭氧處理法與好氧處理法相結合來處理廢水。研究人員利用內循環(huán)UASB+好氧接觸氧化法處理高濃度丙烯酸及酯廢水[16]，內循環(huán)系統(tǒng)的進水是經過UASB反應器處理后出水箱的出水，設定回流比為10∶1，出水一部分由內循環(huán)泵泵入反應器，另一部分進入好氧曝氣瓶進行進一步處理。結果表明，當反應器在出水pH、堿度、揮發(fā)性脂肪酸等指標處于合理范圍內時，單獨使用內循環(huán)UASB反應器COD去除率維持在70%～80%，內循環(huán)UASB+好氧接觸氧化聯(lián)合處理法同時使用時高濃度丙烯酸及酯廢水COD去除率可達到95%。

綜上所述，內循環(huán)UASB反應器的循環(huán)結構分為排水管出水內循環(huán)和懸浮區(qū)出水內循環(huán)兩種，但是在三相分離器下面進行出水循環(huán)比在排水管出水口的出水循環(huán)對廢水處理效果更好。內循環(huán)UASB反應器有的需要循環(huán)泵作為動力，有的則不需要。內循環(huán)UASB反應器的工作原理主要是通過內循環(huán)裝置將反應器的反應區(qū)、懸浮區(qū)、沉淀區(qū)、氣液固三相分離區(qū)等結合到一起形成了一個厭氧發(fā)酵的反應系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過進水調節(jié)實現(xiàn)對反應器的整體調節(jié)。內循環(huán)UASB反應器與常規(guī)UASB反應器相比在處理廢水上優(yōu)勢明顯，尤其是適用于后續(xù)好氧處理廢水。

3.5 懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應器

方戰(zhàn)強等為了使污泥區(qū)的顆粒污泥能夠大量保留，在啟動、調試過程中及時調整水力負荷，結合以往工程實踐設計外循環(huán)UASB反應器[17]。它可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算反饋及時調節(jié)回流比來調節(jié)水力負荷，使其達到顆粒污泥形成的最佳條件。外循環(huán)UASB反應器是從三相分離區(qū)與懸浮區(qū)之間取回流水，其特殊結構如圖4所示。與從出水口進行出水循環(huán)的外循環(huán)UASB反應器相比，該反應器減小了三相分離區(qū)的負荷，保證了沉淀區(qū)容積不變，還可以提高反應區(qū)的污泥濃度和產氣效率。對某化工廠廢水處理的試驗結果證明，用此方法設計建成的外循環(huán)UASB反應器在中溫條件下，啟動30d后，在反應區(qū)形成了1～2mm的顆粒污泥，COD去除率達到90%以上，三相分離器可以有效地將污泥、廢水、氣泡分離開，運行效果良好。

圖4 懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應器結構示意圖

利用懸浮區(qū)上部出水外循環(huán)UASB反應器處理高濃度垃圾滲濾液時取得了較好的效果[18]。當進水滲濾液COD濃度在17 157～33 599mg/L時，通過進水負荷及反應器運行狀況來決定進水量，通過出水外循環(huán)的回流控制進水量來調節(jié)停留時間。當厭氧反應器負荷為6.8kg/（m3·d）時，COD去除率達到91.8%；當厭氧反應器負荷為15.8kg/（m3·d）時，COD去除率達到85%。從而可得出結論：該反應器COD的去除率與容積負荷呈負相關性；產氣率與有機負荷呈正相關性。

利用懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應器處理學校教學大樓沖廁水（黑水）時[19]，反應器在35℃條件下運行。負荷的改變體現(xiàn)在進水流量和回流量的大小變化。在不同負荷下，反應器對COD的去除率，沼氣的平均產氣量影響較大?；亓髁吭龃髮е路磻鲀壬仙魉僭龃螅勰啻驳玫搅烁玫呐蛎?，產氣量上升，但是由于流速增大，會有一些小的絮狀污泥被帶入出水，所以COD去除率下降。最好狀態(tài)下的COD的去除率為75%左右，相比其他廢水的處理效果較差，利用外循環(huán)UASB反應器處理廁所廢水還需要做進一步的研究。

3.6 排水管出水外循環(huán)UASB反應器

余亞琴等[20]針對太湖富藻水高有機物濃度的特點，利用排水管出水外循環(huán)UASB反應器對太湖富藻水的處理效果進行研究?；亓饔欣诟辉逅c接種污泥更好地混合，可以增強傳質效果，由于藻類容易上浮結殼，通過出水回流還可以抑制結殼現(xiàn)象。該研究處理對象為太湖富藻水，接種污泥取自宜興當?shù)貜U水處理廠，實驗溫度為中溫，進水COD為1 050～ 2 000mg/L，HRT為5d。反應器啟動并達到穩(wěn)定運行的時間為32d，實驗采用降低HRT、分階段提高COD質量濃度的方法，得到判斷反應器運行效果的兩個指標：COD去除率穩(wěn)定在75%左右，產氣率為0.75 L/（L·d），實驗證明外循環(huán)UASB反應器對太湖富藻水具有良好的處理效果。

排水管出水外循環(huán)UASB反應器（圖5）也應用在處理中高有機濃度的檳榔加工廢水中[21]，實驗在中溫條件下進行，接種污泥取自某造紙廠成熟顆粒污泥，主要研究HRT對厭氧反應的影響。研究表明：在保證反應器穩(wěn)定運行前提下，當HRT為1d時，系統(tǒng)COD去除率在38%左右；當HRT為2d時，系統(tǒng)COD去除率在53%左右；當HRT為3d時，系統(tǒng)COD去除率在68%左右；當HRT為4d時，系統(tǒng)COD去除率在80%左右并趨于穩(wěn)定。實驗證明了外循環(huán)UASB反應器處理檳榔加工廢水的可行性，為實際生產提供了設計依據(jù)。

圖5 排水管出水外循環(huán)UASB反應器結構示意圖

通過對內循環(huán)和外循環(huán)UASB反應器的研究發(fā)現(xiàn)，雖然并未給出這兩類反應器的具體定義，但兩種反應器在結構上極其相似。有學者認為在排水管出水處進行出水循環(huán)是外循環(huán)，在三相分離器下面進行出水循環(huán)是內循環(huán)；也有學者認為出水循環(huán)需要借助循環(huán)泵的為外循環(huán)，出水循環(huán)不需要借助外力的是內循環(huán)；還有學者認為，循環(huán)水從反應器內部取出經外部循環(huán)再流入內部為外循環(huán)，而循環(huán)水從反應器內部取出經反應器內部循環(huán)再流入內部是內循環(huán)。內外循環(huán)判定的關鍵在于循環(huán)水是在反應器外部運行還是在反應器內部運行。

3.7 EGSB反應器

雖然UASB反應器在廢水的處理應用中取得了很大成功，在廢水處理領域也中占有很大比例，但是在運行中仍然有許多問題難以解決。荷蘭瓦寧根大學Lettinga教授發(fā)現(xiàn)UASB反應器在處理廢水時污泥與廢水混合不夠充分[22]，影響了反應速率，導致反應器COD的去除率很低。為解決這個問題，采用大高徑比的反應器，并采用出水循環(huán)來提高液體的上升流速，水的上升流速（Vup）由原來的1 m/h升高到5m/h，形成了厭氧顆粒污泥膨脹床反應器[23]。EGSB反應器由六部分組成：配水系統(tǒng)、反應區(qū)、三相分離器、沉淀區(qū)、出水系統(tǒng)、排水管出水循環(huán)系統(tǒng)，具體結構如圖6所示。EGSB反應器在荷蘭被應用于啤酒洗麥廢水、酒精廢水、牛奶廢水和城市廢水處理[24]，并取得了很好的效果。從結構上看EGSB與排水管出水外循環(huán)UASB反應器相似，但這兩種反應器的作用機理尚未闡明。

圖6 EGSB反應器裝置示意圖

3.8 IC反應器

IC反應器是基于UASB反應器的概念而衍生出的新型反應器[25]，20世紀80年代初，荷蘭PAQUES公司在第二代厭氧反應器基礎上建造了第一個第三代厭氧反應器（IC中試反應器），幾年之后第一座大規(guī)模生產性IC反應器用來處理廢水[26]。在1996年，我國從荷蘭引進了該技術并建造了第一個用來處理啤酒廢水的IC反應器[27]。IC反應器可以認為由2個UASB反應器上下串聯(lián)而成，高徑比一般為4～8，其2個反應室之間由沼氣提升管和回流管連接，結構如圖7所示。兩級三相分離器、沼氣提升管和泥水下降管構成了IC反應器的核心——內循環(huán)系統(tǒng)。其反應原理是廢水先進入底部的混合區(qū)，并與來自泥水下降管的內循環(huán)水充分混合后進入污泥膨脹床進行COD生化降解，產生大量沼氣，沼氣、污泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至兩級三相分離器，沼氣在該處與泥水分離并通過沼氣提升管進行收集，泥水混合物則沿泥水下降管進入反應器底部的反應區(qū)[28]。IC反應器的主要優(yōu)勢是：HRT短、有機負荷率高、高徑比較大、出水水質穩(wěn)定、耐負荷沖擊能力強大等，但是其內部結構比較復雜，導致建造成本高、能耗較大、安裝維護困難。如何進一步優(yōu)化IC反應器的結構將是以后研究的重點。

圖7 IC反應器裝置示意圖

4 UASB反應器應用案例

采用UASB工藝處理有機廢水已在國內外得到了廣泛應用。例如在我國某以玉米為原料年產酒精4萬t的酒精廠，每天產生廢液1 500m3，廢液CODCr和BOD5濃度分別為30 000～40 000和15 000～ 20 000mg/L；采用4座有效容積為2 000m3的UASB處理有機廢水，廢水停留時間為5.3d，運行負荷不低于10.0kgCODCr/（m3·d），采用高溫發(fā)酵工藝（55±2℃），經厭氧消化，酒精廢水中COD去除率可達到93%[29]。目前世界上最大的UASB系統(tǒng)是由荷蘭的Biothane建造的15 600 m3的造紙廠廢水處理系統(tǒng)，該工程日處理制漿造紙廢水的COD總量為185t，運行負荷為5～27kgCODCr/（m3·d），經該系統(tǒng)處理后，廢水COD和BOD的去除率分別為50%～80%和75%～99%[30]。

5 結論與建議

改良型UASB反應器是在常規(guī)UASB反應器的基礎上對其內部結構進行合理改造、增加出水回流后得到的。改良型UASB反應器與常規(guī)UASB反應器相比具有進水濃度可調、容積負荷率高、上升流速大、顆粒污泥成型快、啟動期短等優(yōu)點，已經成功應用在垃圾滲濾液、化工廢水、食品加工廠廢水、畜禽糞便廢水、啤酒廠廢水等處理工程[31-33]。改良型UASB反應器未來研究的重點包括：（1）如何進一步加強廢水與污泥的充分混合，快速形成顆粒污泥，降低出水固體顆粒濃度，減少沉淀時間，提高反應器處理效率；（2）如何在反應器內降低氨氮濃度，降低有毒物質和重金屬的含量，利于后續(xù)處理，實現(xiàn)達標排放；（3）如何在線監(jiān)測反應器的運行，實現(xiàn)自動反饋調節(jié)，降低工程的安裝、運行、維護成本，提高經濟效益。