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UASB反应器的发展史与研究、应用调查摘要：UASB反应器是目前应用最为广泛的高效厌氧反应器，其研究、应用一直很受青睐。本文介绍了UASB反应器的构造和工作原理，简述了其相关方面的研究，包括颗粒污泥的形成、反应器的启动和改良，以及在废水中的应用，并指出了其广阔的应用前景。关键词：UASB反应器；基本构造；工作原理；研究；应用；应用前景引言UASB是Up-flow Anaerobic Sludge Blanket（中文名：升流式厌氧污泥床反应器）的简称，是由荷兰瓦格宁根(Wageningen )农业大学环境系教授拉丁格(L ettinga)领导的研究小组于1971-1978年间开发研制的一项厌氧生物处理技术1。 1971年Lettinga教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了UASB反应器的雏型。1974年荷兰CSM公司在其6m3反应器处理甜菜制糖废水时，发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥。颗粒污泥的出现，不仅促进了以UASB 为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。国内是从20世纪80 年代开始对UASB 反应器进行研究的。北京、无锡、兰州等地于80年代末期率先采用UASB工艺处理啤酒及酒槽污水。UASB反应器是第二代厌氧反应器的佼佼者，被广泛应用于处理各种有机废水处理中。相比于其他厌氧反应器，它具有容积负荷高、水力停留时间短、能耗低、成本少、设备简单、操作方便、运行稳定、处理效果好等特点2。目前世界上已有数百座UASB反应器在生产中应用。据文献3介绍，截止到2000年12月底，国内外所建成的厌氧处理工程中UASB反应器约占全部项目的59%。显然，UASB反应器越来越受青睐，但大多数UASB反应器存在一些先天缺陷，比如在处理固体悬浮物浓度较高的废水时易引起堵塞和短流，同时， 初次启动和形成稳定颗粒污泥用时较长。此外，还需要设计合理的三相分离器专利技术。无疑，对传统UASB反应器的改良的探讨与研究任重而道远4。1.UASB反应器的基本构造与工作原理1.1 UASB反应器的基本构造升流式厌氧污泥床在构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑的反应器（参见图1）。UASB 反应器主要由以下几部分构成：（1）进水配水系统，主要是将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并起到水力搅拌作用。它是反应器高效运行的关键之一。（2）反应区，是反应器的主要部位，包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解。（3）三相分离器，由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把气、固、液三相进行分离。沼气分离后进入气室，污泥经沉淀区沉淀后由回流缝回流到反应区，经沉淀澄清偶的废水作为处理水排出反应器。 反应器的处理效果直接受三相分离器的分离效果的影响。（4）气室（也称集气罩），其作用是收集沼气，并将其导出气室送往沼气柜。（5）处理水排出系统，其作用是把沉降区表层处理过的水均匀地加以收集，排出反应器。此外，根据需要，反应器内还要设置浮渣清除系统和排泥系统，以排除沉淀区液面和气室表面的浮渣及反应区的剩余污泥。1.2 UASB反应器的工作原理废水从反应器的底部以一定的流速向上流动，通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床，在废水与污泥颗粒的接触过程中发生厌氧反应，产生大量沼气。由于废水自下而上流动以及沼气的搅拌作用，引起内部循环，废水与污泥充分混合，有利于颗粒污泥的形成和维持。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，并向反应器顶部上升，上升到表面的污泥碰击三相分离器，引起污泥絮体脱气，气体由集气室收集排出。含一些剩余固体和污泥颗粒的液体经过分离器缝隙进入沉淀区。因沼气已从废水中分离，沉降区不再受沼气搅拌作用的影响，废水在平稳上升过程中，其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分，从而保证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥的废水则从反应器上方排出5。图1UASB 反应器工艺系统组成2. UASB反应器的相关研究与应用2.1 UASB反应器的相关研究UASB反应器是目前研究最多，应用日趋广泛的新型污水厌氧处理工艺。关于UASB反应器的研究，主要集中在颗粒污泥、快速启动以及改良等方面。2.1.1 UASB反应器中颗粒污泥的培养形成颗粒污泥是UASB反应器的特性之一，由于颗粒污泥是UASB技术的核心，能否成功的培养出颗粒污泥是保证UASB反应器高效和稳定运行的关键6。Lepisto等在此方面的研究开展的较早。UASB反应器中活性污泥颗粒化过程7可分为4个阶段：菌体絮凝物形成阶段、亚核形成阶段、亚核增长阶段和颗粒成熟阶段。颗粒污泥多种多样，在不同基质中或不同操作条件下，培养出的颗粒污泥在外型、组成菌群、密实程度等方面有所不同。颗粒污泥出现初期，颗粒较小，通常直径在0.20.4mm，随着颗粒化的进行，颗粒逐渐长大，到颗粒污泥成熟后，直径一般在0.53mm之间，大部分在0.8mm以上。影响颗粒污泥形成的因素很多7,8，主要有：温度，以中温或高温为宜；接种污泥的影响，接种污泥的性质、接种的数量和浓度，都会影响颗粒污泥形成的时间，可以以絮状的消化污泥或种泥，如有条件采用已培养成的颗粒污泥作为种污泥，可大大缩短培养时间；碱度和挥发酸浓度的影响，进水碱度( CaCO3 ) 应维持在750-1000mg/L的范围内， 挥发酸的安全浓度控制在2000mg/L (以HAC 计) 以内，当VFA的浓度小于200mg/L时，一般是最好的；废水性质的影响，含碳水化合物较多的废水和C/N比较高的废水易于形成颗粒污泥；营养物质的影响，C、N、P不可缺少，比例应视废水情况而定，Mg、K、S、Ni、Fe、Zn、Co等微量元素也起到重要作用；水力负荷和有机负荷的影响，启动时有机负荷不宜过高，一般以消化污泥为接种污泥时， 反应器启动负荷应小于2kg/( m3d)，随着颗粒污泥的逐步形成，可逐渐加大有机负荷。减少水力停留时间，以促进颗粒污泥的速形成。当然颗粒污泥的形成还受到其它因素的影响，如废水中的悬浮物和毒性化合物。悬浮物会造成污泥产甲烷活性的降低，阻碍有机物的降解，引起污泥流失，降低污泥颗粒化的速度。产甲烷菌对毒性化合物非常敏感，其存在会抑制微生物的活性，阻碍污泥颗粒化的形成。郭养浩等9还研究了具有不同微生物群系的接种污泥、流动方式和流速对上流式厌氧污泥床(UASB)反应器中活性污泥颗粒化的影响。其实验表明，接种污泥中微生物群系的分布，尤其是丝状菌的数量并不是影响污泥颗粒化的关键因素，反应器中流体的流动方式和流速对污泥的颗粒化过程均起着重要的作用，高的流速有利于颗粒污泥的形成和颗粒长大。为了促进反应器中颗粒污泥的形成，国内外科技工作者已经进行了大量相关研究。文献10显示：投加有机高聚物、同时投加惰性载体颗粒物和有机高聚物、添加无机盐、高速搅拌等均能加速污泥颗粒化。Imai等研究11UASB反应器启动时，向反应器内加入750 mgL - 1 亲水性高聚物(WAP)能够加速颗粒污泥的形成。王林山等12向厌氧接种污泥中同时投加膨润土(BT)500mg/L和聚丙烯酰胺(PAM)50mg/L，采用间歇式常温(1633)进料，7天内出现颗粒污泥，4周内形成稳定的颗粒污泥床。实验表明在UASB反应器中投加惰性载体能促进颗粒污泥形成，但试验中发现，UASB反应器中单独加入膨润土或PAM都不能得到颗粒污泥，必须同时加入。Yu等 13向UASB 反应器中添加了300mg/L的AlCl3，在35d就出现了颗粒污泥，比未添加时缩短了一半时间，在3个月内实现了污泥颗粒化过程，超过10%的颗粒粒径大于2.0mm，尺寸明显比对照组大。Hyun Seong Jeong等14先用含二甲基二烯丙基氯化铵阳离子型聚丙烯酰胺与0.7% (w /w)的干污泥加入浓度为20 g/L的消化污泥中，在400 r/min下搅拌2min。后将阳离子型瓜尔豆胶与0.7% (w /w)的干污泥加入上步消化污泥中以200r/min搅拌2 min。5 min内就在反应容积为0.84L的UASB反应器中得到了0.5L的颗粒污泥。一些学者还研究微量元素对厌氧污泥颗粒化的影响15,16，均表明，添加微量金属元素能改善产甲烷菌的生长速度和生物活性，大大缩短污泥颗粒化时间。2.1.2 UASB反应器的启动研究厌氧系统启动时间较长，短的二三个月，长的达半年甚至一年之久，严重影响了UASB工艺在污水处理中的应用。厌氧消化快速启动是厌氧消化器正常运转并达到高效率的前提，因此，如何有针对性地克服启动难的问题，对UASB工艺的实际应用具有深远的意义。根据UASB反应器运行期间污泥形态的变化情况和运行控制条件的差异，启动过程可分为污泥驯化期、逐步提高负荷期和满负荷运行期三个阶段。反应器内能否形成适应待处理废水有机物的颗粒化污泥，并使之具有良污泥颗粒化是整个反应器成功启动的关键。关于颗粒污泥形成的研究前面已有介绍。影响UASB反应器启动17的操作因素主要有：接种污泥，一般的，用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥最有利，但在没有同类型污泥时，寻找合适的种泥便成了能否启动成功的关键之一，厌氧消化污泥或粪便可优先考虑。不同的厌氧污泥也对反应器的启动有影响，Fang 等18分别利用絮状消化污泥，正常运行的UASB 颗粒污泥及碎裂的颗粒污泥接种，发现经过110天后三个反应器都能形成颗粒污泥，但用絮状污泥接种的厌氧反应器的启动时间明显比后两者长。废水的性质，低浓度废水有利于UASB反应器的启动，COD 浓度以4 0005 000 mgL-1为宜，高浓度废水最好稀释后再用作进水。另外，启动过程中，悬浮物浓度应控制在2 000 mgL-1以下，Souza等19研究认为，SS须同时满足SS1000 mgL-1和SS/ COD0.5两个条件，UASB 反应器才能成功启动。对于可生化较差的化工废水，启动时可适当加入易生化物质环境条件，UASB反应器在常温(25)，中温(3341)和高温(55)下均能顺利启动，但绝大多数关于UASB 反应器启动过程的研究都是在中温条件下进行的，低温启动的报道则很少。营养比约为CNP =7551，应适当加一些微量元素。反应器内的pH值应保持在7.27.6之间。对于以碳水化合物为主的废水，必须控制进水碱度与COD之比大于13，但对于含较高有机氮和硫酸盐的废水，碱度的控制方式有所不同。适量加一些惰性物如Ca2 +、Mg2 +和CO23-、SO2 4-等，能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结，有利于加速反应器的启动。UASB反应器的启动运行条件为：启动初始阶段，负荷率必须较低，一般情况下为0.050.10 kg CODkg VSS- 1d- 1。当可降解的COD去除率达到7080左右或出水有机浓度低于200-300mg/L时，可以逐步增加有机容积负荷率，但负荷不宜大于0.6 kg CODkg VSS- 1d- 1。在启动期间必须防止超负荷或过低负荷。超负荷时，在气固分离器中的气体会由于发酵器内气体的提升及污泥的上浮而妨碍污泥的沉淀，对启动产生不利影响；过低负荷会形成大量密实的污泥。选择压对污泥的颗粒化起着很大的作用，提高选择压可促进污泥的颗粒化。表面水力负荷是形成选择压的主要因素之一，一般要求表面水力负荷应大于0.3 m3m-2h1，以保持较大的水力分级作用，冲走轻质污泥絮体。对于UASB反应器快速启动的探讨，工作人员也做了大量的研究，主要是从颗粒污泥的培养和启动方式方面入手。形成足量的高浓度、高活性颗粒污泥是UASB启动成功的关键与标志。启动方式也对UASB的启动时间长短有相当大的影响。针对某种特定的废水，启动的方式应进行适当的调整，对一些加速启动的特殊手段最好能够以实验数据加以指导。2.1.3 UASB反应器的改良现行UASB反应器在设计等方面还存在一些问题，一定程度上限制该反应器的应用。常规设计中UASB反应器内的上升流速V r值小于对应的反应器的沉降区表面流速Vs值，其主要目的是使UASB反应器内有比较大的污泥量，避免污泥流失。事实上，良好的颗粒污泥与气泡的分离是容易的，说明在UASB反应器内保有的污泥中絮状污泥占有很大比例。为了保有絮状污泥，V r值不能提供良好的搅拌及传质作用。导致现行设计的UASB反应器内大都是传质不够。在形成良好的颗粒污泥的厌氧反应器中，浮渣现象是较轻的，即颗粒污泥绝大部分是可以和气泡分离的。因此，常规设计中的V r值的问题，首先是与颗粒污泥的沉降速度不匹配，无法使颗粒污泥悬浮，颗粒污泥处于基本稳定的静止状态，影响颗粒污泥的健康成长，以致解体；其次，从参考文献20可知，污泥活性受到很大的影响，不能充分发挥其活性。这个速度下的污泥形态无法预知，设计时必然依据絮状污泥的数据，导致人们比较关注三相分离器的功能， 以确保UASB反应器内具有足够量的絮状污泥， 而不是尽量满足形成颗粒污泥的条件。可见，对目前设计的UASB反应器进行改良、提高器内的上升流速V r 是很必要的。为了解决UASB反应器在运行中出现的短流、死角和堵塞等一些问题， 进一步增强厌氧微生物与废水的混合与接触， 提高负荷及处理效率， 扩大适用范围，出现了第3 代厌氧反应器21。 但是由于第3代反应器的厌氧膜生物系统采用了昂贵的膜技术，系统又存在着运行控制难及构造复杂等缺陷，目前生产实践中应用还较少。介于这种情况，研究工作者借鉴第3代反应器的特点对UASB反应器进行了改良。改良UASB反应器(如图2所示) 是研究者结合了以往UASB反应器的工程实践和第3代厌氧反应器的特点总结出的一种新型厌氧处理工艺， 是对UASB反应器的发展和完善。本反应器采用的是在三相分离器前的回流水方式。该反应器主体部分可分为3个区域，即内循环反应区、缓冲稳定区和气、液、固三相分离区。内循环反应区采用了射流混合方式， 强化了泥水间的混合传质。与常规UASB相比， 其主要特征就是增加并强调了内循环区的作用；和普通EGSB 反应器相比， 就是把循环回水管提前到三相分离器前， 从而减轻了三相分离器的压力。通过内循环将3个区联系成集混合、厌氧反应与气、液、固三相分离为一体的高效厌氧处理系统。据文献4介绍，采用经过改良的UASB反应器， 修正了UASB反应器在实际应用中的不足。实验将反应器的布水系统改造为射流布水口，从而取代了原来的支管式布水系统。改良UASB反应器是用圆柱形有机玻璃管制成，总高2000mm ， 有效容积为120L，内径为300mm；器内安装有三相分离器。试验水样是配制的淀粉水。试验共进行151天，在最后141151天，尽管负荷达到11kgm3d， 但COD 去除率达到92%以上。这个去除率高于国内外淀粉废水处理的负荷值。试验结果表明， 改良的UASB反应器对进液COD浓度的适应范围大，COD平均去除率高；可调整适当的水力负荷，加强传质，循环携带的污泥形成自接种能力，可尽快培养出颗粒污泥，加速了启动过程；厌氧处理单元缓冲能力强，抗冲击负荷，出水稳定，波动不大。图2 UASB 反应器示意图我们知道，能否形成沉降性能好、活性高的颗粒污泥决定了UASB反应器高负荷运行的效果。但是对于生化制药、造纸及发酵工业废水等，采用UASB工艺处理不易形成颗粒污泥， 因而污泥流失严重， 致使反应器不能在高负荷下稳定运行。于是，据文献22介绍，有人设计了一种预排气式的新型UASB反应器（见图3）。图3预排气UA SB 反应器示意图在UA SB 反应器中， 有机质的去除大部分是在床部完成的。引起污泥上浮的主要原因是产气量。于是，设计时，考虑到废水降解的特点， 在悬浮层下部增设一集气罩，预先排除由床部产生的大部分气体，与气泡分离的污泥下落返回污泥床，废水中有机质集中在床部消化，人为地将大量活性高的污泥控制在床部，集气罩上方的污泥浓度较低，负荷较高时也不会引起污泥的流失，这样即可缩小反应器悬浮层的体积和高度，使反应器的容积负荷大大提高，反应器在较高负荷下也能稳定运行。为了提高UASB反应器的负荷，加速启动，据文献23介绍，有人在三相分离器上加以了改进。传统的三相分离器大都按照固液分离理论来进行设计，入流口和回流口的重合，使大量回流的污泥和上升的水流气流之间互相干扰，同时，分离不彻底的气体，会随污泥一起进入沉降区，严重影响了污泥的沉降，极有可能使污泥流失。为提高三相分离器的分离效果，工作人员设计了一种简单而合理的三相分离器（如图4所示）。图4 新型三相分离器实验装置图这种实验装置，把入流口和回流口从功能上彻底分开，完全避免了回流的污泥和上升的水流气流之间互相干扰。利用气体的自然提升作用，以及外力的搅拌提升，使得从底部进入的原水，夹带着泥和气一起上升。从反应一区到反应二区，完成厌氧反应，产生的气体进入集气室，完成泥气的良好分离，污泥脱气后沿着回流口进入沉降室，在沉降室中，由于没有了气体的提升，污泥在本身重力作用下，其沉降速度大于水流的上升流速，于是沿着回流缝滑回反应器底部，与进入的原水充分混合，并重复上述过程。与传统的三相分离器相比，具有以下优点：内循环性能挺高了，完全避免污泥的回流与上升的水流、气流之间的互相干扰，保证进入沉降区的污泥能够顺利返回，防止污泥流失现象的发生；反应器容积利用率挺高了，在一定程度上降低了UASB反应器的总高度；泥水气分离效率增强了。2.2 UASB反应器在废水处理中的应用UASB 反应器是目前使用最为广泛的高速厌氧反应器，被用应于几乎所有有机废水的处理中，包括几乎所有以有机污染物为主的废水， 如各类发酵工业、淀粉加工、皮革、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、蔬菜加工、豆制品、肉类加工、造纸、制药、石制糖、石油精炼及石油化工等各种来源的有机废水24。郭晓磊 25 等人首次研究了用UASB工艺处理极低浓度生活污水，反应器经过长时间的运行，在停留时间为5.33h时，COD的去陈率为57.21%，BOD去除率为69.32%，产气率为0.087m3/( m3d)，表明UASB处理极低浓度生活污水是可行的。张振家等 26利用UASB反应器在中温条件下处理高浓度淀粉废水，在COD 容积负荷保持在10kg/( m3d)时，COD去除率可达到90%以上。胡超等27采用UASB+ SBR工艺对石油天然气生产废水进行了研究，研究结果显示： UASB池处理废水1.0m/h，平均进水COD值4880mg /L，达到设计负荷的108%，UASB池出水COD值在408 626mg /L，装置COD去除率88.1% 91.4%。李娟红等 28利用UASB反应器在中温条件下处理高浓度难降解的制膜废水。反应器稳定运行时，进水COD为10000mg /L时，COD容积负荷可达到9 11kg / ( m3d)，水力停留时间24h，COD去除率可以达到85%以上，出水COD小于1500mg /L。试验取了很好的效果。李福勤29等人对淀粉制糖生产废水利用UASB-SBR工艺处理进行了研究。研究结果表明:采用UASB-SBR工艺处理淀粉制糖废水，对COD的去除率可达85%以上，对BOD的去除率达90%以上，对SS的去除率达85%以上，处理出水优于国家二级排放标准。毛海亮等30也利用UASB-SBR工艺对淀粉废水进行了处理试验研究。废水经颗粒化UASB稳定处理后，出水COD可降到500mg /L以下，然后经SBR稳定处理后，出水COD可降到100mg /L以下，处理要过很好。王坚等31采用UASB-MBR组合工艺对城市垃圾填埋场渗滤液进行处理试验研究。当渗滤液COD为1491 2965mg /L，该组合工艺对COD、BOD、NH3-N的平均去除率分别达到73%、98.3%和61.7%。南昌某啤酒厂产生的啤酒废水32采用UASB -MBR工艺处理，取得了较好的效果。该厂生产废水水质：COD为2000 2300mg /L、BOD为10001200mg /L、NH3N为35 65mg /L、TN为30 70mg /L、pH为5。 5 6。出水：COD为40 45mg /L，BOD为15 20mg /L，S为1 5mg /L， 各项指标都达到了污水综合排放标准( GB 8978 -1996)的一级标准。有关UASB应用的研究不胜枚举，这里就不再一一列举了。 UASB反应器的应用前景随着厌氧技术的发展，UASB应用范围更加广泛，不再局限于高浓度和可生化性好的有机废水。它已经被广泛应用于处理低浓度的生活污水和有毒性的工业生产废水。UASB反应器是目前应用最为广泛的高效厌氧反应器，此反应器具有容积负荷高、水力停留时间短、能耗低、成本少、设备简单、操作方便、运行稳定、处理效果好等特点。因而是值得推广应用的一种新型生化厌氧处理反应器。随着对厌氧生物处理技术的不断认识和深入研究，人们对UASB反应器也在进行不断地改进和完善，尤其是对其构造的改进，特别是对其中复杂的三相分离器的优化设计，颗粒污泥的形成机理和形成条件的研究，以及启动和运行过程中各种条件的控制等各方面的探索。使UASB反应器在废水处理中具有更广阔的应用前景33。 特别是将UASB与其他好养工艺联合应用，比如UASB+SBR、ASB+MBR、UASB+AS、UASB+CASS等，这样一来，兼容两种工艺的优点，避免两种工艺的缺点，不但可在厌氧段回收能量，而且可在好养段减少电耗，将从根本上改善传统方法中的以高能耗换取合理的处理水质的现状，该方法将使污水处理成为一种资源再生和利用的新工业。这将是UASB应用研究的一个新方向。相信以后UASB工艺的研究会得到更大的突破，其应用会更加广泛。参考文献：1张萍,石富礼.UASB处理工艺J.甘肃环境研究与监测,2003,(04).2王靖文,黎明浩,甘雨,陈东文.上流式厌氧污泥床反应器技术的现状与发展J.工水处理,2001,(07).3迟文涛,赵雪娜,江翰,李伟涛,王凯军.厌氧反应器的发展历程与应用现状J.城市管理与科技,2004,(01).4管锡珺,郑西来.从厌氧反应器的发展UASB反应器的改良J.中国海洋大学学报(自然科学版),2004,(02).5齐学谦,苏燕.升流式厌氧污泥床反应器处理工艺研究J.中国环境管理丛书, 2009,(02).6肖本益.UASB反应器的启动及厌氧颗粒污泥的特性研究D.天津科技大学, 2002 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