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UASB工艺简介升流式厌氧污泥床UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed，注：以下简称UASB）工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。1971年荷兰瓦格宁根（Wageningen）农业大学拉丁格（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，形成了上流式厌氧污泥床（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（granular sludge）。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。 UASB工艺对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。 UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，集中在气室沼气，用导管导出，固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。基本要求有： （1）为污泥絮凝提供有利的物理、化学和力学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能； （2）良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，保持特定的微生态环境，能抵抗较强的扰动力，较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度； （3）通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀，然后回流入污泥床内。UASB内的流态和污泥分布 UASB内的流态相当复杂，反应区内的流态与产气量和反应区高度相关，一般来说，反应区下部污泥层内，由于产气的结果，部分断面通过的气量较多，形成一股上升的气流，带动部分混合液（指污泥与水）作向上运动。与此同时，这股气、水流周围的介质则向下运动，造成逆向混合，这种流态造成水的短流。在远离这股上升气、水流的地方容易形成死角。在这些死角处也具有一定的产气量，形成污泥和水的缓慢而微弱的混合，所以说在污泥层内形成不同程度的混合区，这些混合区的大小与短流程度有关。悬浮层内混合液，由于气体币的运动带动液体以较高速度上升和下降，形成较强的混合。在产气量较少的情况下，有时污泥层与悬浮层有明显的界线，而在产气量较多的情况下，这个界面不明显。有关试验表明，在沉淀区内水流呈推流式，但沉淀区仍然还有死区和混合区。 UASB内污泥浓度与设备的有机负荷率有关。是处理制糖废水试验时，UASB内污泥分布与负荷的关系。从图中可看出污泥层污泥浓度比悬浮层污泥浓度高，悬浮层的上下部分污泥浓度差较小，说明接近完全混合型流态，反应区内污泥的颁，当有机负荷很高时污泥层和悬浮层分界不明显。试验表明，污水通过底部0406m的高度，已有90的有机物被转化。由此可见厌氧污泥具有极高的活性，改变了长期以来认为厌氧处理过程进行缓慢的概念。在厌氧污泥中，积累有大量高活性的厌氧污泥是这种设备具有巨大处理能力的主要原因，而这又归于污泥具有良好的沉淀性能。UASB具有高的容积有机负荷率，其主要原因是设备内，特别是污泥层内保有大量的厌氧污泥。工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于生成具有优良沉降性能和很高甲烷活性的污泥，尤其是颗粒状污泥。与此相反，如果反应区内的污泥以松散的絮凝状体存在，往往出现污泥上浮流失，使UASB不能在较高的负荷下稳定运行。 根据UASB内污泥形成的形态和达到的COD容积负荷，可以将污泥颗粒化过程大致分为三个运行期： （1）接种启动期：从接种污泥开始到污泥床内的COD容积负荷达到5kgCOD/m3d左右，此运行期污泥沉降性能一般； （2）颗粒污泥形成期：这一运行期的特点是有小颗粒污泥开始出现，当污泥床内的总SS量和总VSS量降至最低时本运行期即告结束，这一运行期污泥沉降性能不太好； （3）颗粒污泥成熟期：这一运行期的特点是颗粒污泥大量形成，由下至上逐步充满整个UASB。当污泥床容积负荷达到16kgCOD/m3d以上时，可以认为颗粒污泥已培养成熟。该运行期污泥沉降性很好。在UASB内虽有气液固三相分离器，混合液进入沉淀区前已把气体分离，但由于沉淀区内的污泥仍具有较高的产甲烷活性，继续在沉淀区内产气；或者由于冲击负荷及水质突然变化，可能使反应区内污泥膨胀，结果沉淀区固液分离不佳，发生污泥流失而影响了水质和污泥床中污泥浓度。为了减少出水所带的悬浮物进入水体，外部另设一沉淀池，沉淀下来的污泥回流到污泥床内。外设沉淀池防止污泥流失 设置外部沉淀池的好处是： （1）污泥回流可加速污泥的积累，缩短启动周期； （2）去除悬浮物，改善出水水质； （3）当偶尔发生大量漂泥时，提高了可见性，能够及时回收污泥保持工艺的稳定性； （4）回流污泥可作进一步分解，可减少剩余污泥量。UASB的设计UASB的工艺设计主要是计算UASB的容积、产气量、剩余污泥量、营养需求的平衡量。 UASB的池形状有圆形、方形、矩形。污泥床高度一般为38m，多用钢筋混凝土建造。当污水有机物浓度比较高时，需要的沉淀区与反应区的容积比值小，反应区的面积可采用与沉淀区相同的面积和池形。当污水有机物浓度低时，需要的沉淀面积大，为了保证反应区的一定高度，反应区的面积不能太大时，则可采用反应区的面积小于沉淀区，即污泥床上部面积大于下部的池形。 气液固三相分离器是UASB的重要组成部分，它对污泥床的正常运行和获良好的出水水质起十分重要的作用，因此设计时应给予特别的重视。根据经验，三相分离器应满足以下几点要求： 1、混和液进入沉淀区之关，必须将其中的气泡予以脱出，防止气泡进入沉淀区影响沉淀； 2、沉淀器斜壁角度约可大于45度角； 3、沉淀区的表面水力负荷应在0.7m3/m2.h以下，进入沉淀区前，通过沉淀槽低缝的流速不大于2m/m2.h； 4、处于集气器的液一气界面上的污泥要很好地使之浸没于水中； 5、应防止集气器内产生大量泡沫。 第2、3两个条件可以通过适当选择沉淀器的深度面积比来加以满足。 对于低浓度污水，主要用限制表面水力负荷来控制；对于中等浓度和高浓度污水，在极高负荷下，单位横截面上释放的气体体积可能成为一个临界指标。但是直到现在国内外所取得的成果表明，只要负荷率不超过20kgCOD/m3.d，UASB高度尚未见到有大于10m的报道，第三代厌氧反应器除外。 污泥与液体的分离基于污泥絮凝、沉淀和过滤作用。所以在运行操作过程中，应该尽可能创造污泥能够形成絮凝沉降的水力条件，使污泥具有良好的絮凝、沉淀性能，不仅对于分离器的工作是具有重要意义，对于整个有机物去除率更加至关重要。 特别要注意避免气泡进入沉淀区，要使固液进入沉淀区之前就与气泡很好分离。在气液表面上形成浮渣能迫使一些气泡进入沉淀区，所以在设计中必须事先就考虑到： （1）采用适当的技术措施，尽可能避免浮渣的形成条件，防范浮渣层的形成； （2）必须要有冲散浮渣的设施或装置，在污泥反应区一旦出现浮渣的情况下，能够及时破坏浮渣层的形成，或能够及时排除浮渣。 如上所述，UASB中污水与污泥的混合是靠上升的水流和发酵过程中产生的气泡来完成的。因此，一般采用多点进水，使进水均匀地分布在床断面上，其中的关键是要均匀匀速、匀量。 UASB容积的计算一般按有机物容积负荷或水力停留时间进行。设计时可通过试验决定参数或参考同类废水的设计和运行参数。UASB的启动1、污泥的驯化 UASB设备启动的难点是获得大量沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。最好的办法加以驯化，一般需要3-6个月，如果靠设备自身积累，投产期最长可长达1-2年。实践表明，投加少量的载体，有利于厌氧菌的附着，促进初期颗粒污泥的形成；比重大的絮状污泥比轻的易于颗粒化；比甲烷活性高的厌氧污泥可缩短启动期。 2、启动操作要点 （1）最好一次投加足够量的接种污泥； （2）启动初期从污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特别轻的和细碎污泥跟悬浮物连续地从污泥床排出体外，使较重的活性污泥在床内积累，并促进其增殖逐步达到颗粒化； （3）启动开始废水COD浓度较低时，未必就能让污泥颗粒化速度加快； （4）最初污泥负荷率一般在0.1-0.2kgCOD/kgTSS.d左右比较合适； （5）污水中原来存在的和厌氧分解出来的多种挥发酸未能有效分解之前，不应随意提高有机容积负荷，这需要跟踪观察和水样化验； （6）可降解的COD去除率达到70-80%左右时，可以逐步增加有机容积负荷率； （7）为促进污泥颗粒化，反应区内的最小空塔速度不可低于1m/d，采用较高的表面水力负荷有利于小颗粒污泥与污泥絮凝分开，使小颗粒污泥凝并为大颗粒。UASB工艺的优缺点1 UASB的主要优点是： 1、UASB内污泥浓度高，平均污泥浓度为20-40gVSS/1； 2、有机负荷高，水力停留时间短，采用中温发酵时，容积负荷一般为10kgCOD/m3.d左右； 3、无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动； 4、污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题； 5、UASB内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可以不设污泥回流设备。 2 主要缺点是： 1、进水中悬浮物需要适当控制，不宜过高，一般控制在100mg/l以下； 2、污泥床内有短流现象，影响处理能力； 3、对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差两相UASB反应器处理糖蜜酒精糟液的试验研究糖蜜酒精糟液为典型的高浓度有机废水，CODcr浓度高达100180g/L，并含有较高浓度的硫酸盐及焦糖类物质，一直是废水处理领域的难点。本文针对糖蜜酒精糟液水质特性，考察了在中温条件下两相UASB反应器对糖蜜酒精糟液处理情况。材料与方法1 试验装置如图1所示，本试验采用2座结构完全相同的UASB反应器，从上到下依次为三相分离器、悬浮层区和污泥床区，有效容积为28L。沿反应器高度设置12个采样口，反应器由夹套水保温在352。废水经计量泵由底部进入酸化段UASB反应器，在顶部溢流出水，再经中间水槽作适当调节后用计量泵打入产甲烷段UASB反应器。产气经水封瓶脱硫后，由湿式流量计计量产气量。2 污泥接种接种污泥采自天津蓟县挂月酒厂EGSB反应器高温（55）处理玉米酒精糟液的颗粒污泥，粒径23mm，浓度92g/L，m(VSS)/m(SS)=0.65，每个反应器接种量18L。3 废水性质试验用水来自广西某糖厂的糖蜜酒精糟液，水质指标见下表1。表1 废水水质指标TOC/(mgL-1)CODcr/(mgL-1)BOD5/(mgL-1)pHSO42-/(mgL-1)TKN/(mgL-1)色度/倍数值46258123970530804.2523418485000鉴于原水pH较低，试验初期加入纯碱进行调节，装置容积负荷的提高通过提高进水TOC浓度或缩短水力停留时间来实现，因原水CODcr浓度高达120g/L，需适当稀释，另试验中不再额外添加氮、磷等营养物质。试验过程与结果分析SO42-1 酸化段反应器有机物去除情况酸化段试验结果见图2，图3。酸化段反应器中主要发生有机物水解、酸化反应，同时绝大部分SO42-在SO42-还原菌作用下，被转化为硫化物。在最初的16d，进水TOC控制在10000mg/L，负荷在8kgCODcr/(m3d)左右，但去除率直线下降，降低进水TOC至6000mg/L，去除率逐步上升至16%。从第40d到79d，逐步提高负荷至12kgCODcr/(m3d)，去除率已达到30%以上。从第80d连续提高进水浓度，至第88d进水TOC达到15000mg/L，反应器容积负荷接近30kgCODcr/(m3d)，去除率仍能维持在35%的较高水平，但随着容积负荷进一步提高到38kgCODcr/(m3d)，去除率明显下降，已达到反应器极限负荷。从产气量变化曲线也可以看出，在最初48d，产气量一直很低，但从第49d起产气量直线上升，并且与去除率曲线具有良好的相关注。根据气相色谱检测结果，酸化段产气经脱硫后，CH4和CO2各占50%，证明在酸化段反应器中，也发生了产甲烷反应。2 酸化段硫酸盐去除特征酸化段硫酸盐去除情况见图4。由图4可知，酸化段的SO42-去除率最终稳定在70%左右，运转后期在进水SO42-浓度达到1800mg/L情况下，出水中总硫化物浓度也仅有60mg/L。由于反应器的大量产气，SO42-还原产物多由气提作用而从系统中排出，故本试验中并未发现硫化物的抑制作用。将SO42-还原反应与有机物降解过程结合分析，我们发现酸化段反应器并未实现严格意义上的相分离，产甲烷过程相当活跃。据此我们推断在一定的SO42-浓度范围内，在有机底物足够充足的条件下，甲烷菌完全可以通过自身适应过程，顺利实现产甲烷反应。3 甲烷段反应器运行情况分析进、出水TOC及去除率随时间变化曲线见图5。在最初的12d，进水的TOC在6000mg/L左右，但去除率直线下降至10%，降低进水浓度至3500mg/L左右，稳定运行58d，去除率在50%左右波动。从第70d起，逐步提高进水浓度，使负荷上升至10kgCODcr/(m3d)，去除率没有明显变化，继续提高负荷到15kgCODcr/(m3d)，去除率直线下降，已达到反应器极限负荷。根据气相色谱检测结果，甲烷段产气中甲烷组分占73%，二氧化碳占15%，对反应器进出水SO42-浓度分析结果表明产甲烷反应器中SO42-的去除率接近50%。经两相厌氧处理，SO42-累计去除率已达到85%以上。试验中甲烷段对有机物去除率最终稳定在45%60%，这与糖蜜废水本身含有大量难降解的焦糖组分的性质有关，为进一步探讨系统的处理潜力，我们通过摇床试验来确定该种废水在厌氧条件下的生物可降解性。4 糖蜜酒精糟液的厌氧可生化性试验摇床试验中采用三角瓶作为反应器，试验温度由恒温水浴摇床保持在35，水样为原水稀释液，体积为500mL，TOC为12000mg/L，接种污泥为甲烷段UASB反应器中颗粒污泥，接种量50mL，结果如图6所示。由图6中可以看出，有机物的去除主要发生在最初的10d，大约40%的TOC被去除，随后去除率变化趋缓，至第76d去除率也只能达到70%，与UASB反应器试验结果基本一致，说明糖蜜酒精糟液中含有约30的难降解物质在厌氧条件下无法降解，只能通过后续处理去除。结语试验得出以下结论：两相UASB反应器可有效去除废水中大部分有机物及硫酸盐，酸化段对SO42-的去除率在70左右，厌氧系统对SO42-累计去除率达到85%以上，TOC累计去除率达到70%。厌氧出水中仍含有大量难以降解的焦糖类物质，当是后续处理的重点和难点，厌氧单元在整个处理系统中起到基础性的作用，是一个必不可少的重要环节。本试验中两相反应器并未实现完全意义上的相分离，从酸化段反应器中甲烷菌活跃状况可以看出，在基质充足的前提下，甲烷菌可以通过良好的自适应过程，更好地促进水解、酸化反应及硫酸盐还原反应的顺利进行。因此，在实际应用中，完全不必要对产酸相和产甲烷相进行严格隔离。德国Farmetic公司的拼装和Lipp公司的双折边咬口制罐技术国外发达国家的工业废水处理工程大多已采用新设备、新材料和新工艺来设计和建造，如德国利浦(Lipp)公司的双折边咬口技术和Farmetic公司的拼装制罐技术就是其中之一。这些技术应用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将24mm镀锌或镀搪瓷钢板建造成体积为1002000m3的反应器。具有施工周期短、造价较低、质量高等优点，其施工周期比同样规模的混凝土罐缩短60%，罐体自重仅为混凝土罐的10%，比普通钢板罐节省材料达50%以上，而且耐腐蚀，不需保养维修，使用寿命要达20年以上。高质量的自动化安装技术，反应器的的先进性和经济性，表明这些技术是理想的、适宜于中国国情的现代化技术。UASB反应器由于其反应过程和反应产物均有一定的腐蚀性，其对于材料防腐性能有特殊的要求。采用柔性搪瓷预制钢板或Lipp不锈钢复合钢板的防腐形式，能阻止筒体腐蚀。特殊防腐涂层的开发，解决了钢制反应器腐蚀问题。同时此项技术由于整体设计合理的罐体结构材料用量大大减少，降低了造价。并将UASB工艺技术设备化，将技术融于设备中，形成技术含量高的一体化设备。拼装制罐技术和Lipp技术拼装技术采用高新技术制成的罐体材料，以快速低耗的现场拼装方式最终成型，组成成套化的单元反应器设备，使污水处理设备的全套装置达到技术先进、配制合理、性能优良、耐腐性好、维修便利、外表美观的效果。罐体材料将根据不同反应器采用软性搪瓷或其他防腐形式预制钢板。预制的钢板采用以栓接方式拼装，栓接处加特制密封材料防漏(见图6a)，此种预制钢板形成的保护层不仅能阻止罐体腐蚀，而且具有抗酸碱的功能。 Lipp罐制作时薄钢板通过一台成型机和一台咬合机，在成型机上薄钢板上部被折成h形而下部被折成n形，在咬合机上薄钢板上部与上一层薄钢板的下部被咬合在一起的成型过程和截面形状(如图6b)。废水处理中被处理废水具有腐蚀性(如酸碱废水)的废水，或处理工艺过程中产生腐蚀性(如厌氧处理)的情况，采用镀锌板无法像搪瓷钢板一样法满足罐体材料具有耐腐蚀的要求。而全部用不锈钢卷板来制作罐体其制作成本相当高，通过复合机械，将镀锌卷板与0.3mm厚度的不锈钢薄膜复合在一起，其截面形状如图6b所示。Lipp制罐技术是一种具有世界先进水平的制罐工艺与技术，但是需要特殊机械。80年代国内粮食系统引进多套加工机械，并且在粮仓上有大量的应用。目前也逐步应用于污水处理。两种罐体的基础和配件 应用上述两项技术由于罐体所用材料较少，在基础承载力计算中几乎可以不考虑罐体自重对基础的承压要求。在基础底板浇筑时，按所要制作的罐件直径在底板表面留一条宽150mm，深100mm的预留槽，槽内按直径均匀放置一定数量的预埋件，反应器制作完成后，放入预留槽内，用螺栓将罐体和预埋件固定，然后用膨胀混凝土和沥青等材料来密封，最后覆细石混凝土保护层(见图7a)。罐体的设计是设备化的一部分工作，可对不同高度和直径的反应器的结构进行系列设计。这样整个反应器的设计仅仅是基础的结构设计，这在结构设计中比较简单。图7b是基础图设计之一，这样整个反应器池体和基础的