UASB基础知识

一、概述
UASB是升流式厌氧污泥床反应器废水厌氧生物处理技术的简称。

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。

继荷兰之后，德国，瑞士，美国以及我国也相继开展了对UASB的深入研究和技术开发工作，并将其作为一种新型厌氧处理工艺在高浓度有机废水处理中快速的推广应用。

目前全世界已有1000余座UASB反应器在实际生产中使用。

二、反应器的基本构造与原理
UASB反应器是集有机物去除及泥（生物体）、水（废水）和气（沼气）三相分离于一体的集成化废水处理工艺，起工艺的突出特征是反应器中可培养形成沉降性能良好的颗粒污泥、形成污泥浓度极高的污泥床，使其具有容积负荷高，污泥截留效果好，反应器结构紧凑等一系列优良的运行特征。

1、UASB反应器的构造
图1是UASB反应器的示意图。

UASB反应器的主体部分主要分为两个区域，即反应区和三相分离区。

其中反应区为UASB 反应器的工作主体。

反应器的基本构造主要由污泥床、污泥悬浮层、沉淀区、三相分离器及进出水系统等各功能部分组成。

2、UASB工作原理
（1）反应过程
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。

3、工艺特点
UASB 反应器运行的3 个重要的前提是:
①反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥;
②出产气和进水的均匀分布所形成的良好的搅拌作用;
③设计合理的三相分离器,能使沉淀性能良好的污泥保留在反应器内。

（1）污泥颗粒化
UASB 反应器利用微生物细胞固定化技术-污泥颗粒化实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离，从而延长了污泥泥龄，保持了高浓度的污泥。

颗粒厌氧污泥具有良好的沉降性能和高比产甲烷活性，且相对密度比人工载体小，靠产生的气体来实现污泥与基质的充分接触，节省了搅拌和回流污泥的设备和能耗；也无需附设沉淀分离装置。

同时反应器
内不需投加填料和载体，提高了容积利用率。

（2）良好的自然搅拌作用
在UASB反应器中，由产气和进水形成的上升液流和上窜气泡对反应区内的污泥颗粒产生重要的分级作用。

这种作用不仅影响污泥颗粒化进程，同时还对形成的颗粒污泥的质量有很大的影响。

同时这种搅拌作用实现了污泥与基质的充分接触。

（3）设计合理的三相分离器的应用
三相分离器是UASB 反应器中最重要的设备。

三相分离器的应用省却了辅助脱气装置，能收集从反应区产生的沼气，同时使分离器上的悬浮物沉淀下来，使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内。

4、UASB反应器内的污泥特性
UASB的有机负荷率与污泥浓度有关。

试验表明，污水通过底部
0.4~0.6m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。

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/m3．d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1到6kgCOD/m3.d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。

三、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。

四、影响UASB性能的主要因素
1、温度
厌氧废水处理也分为低温、中温和高温三类，其温度范围与相应的微生物生长范围相对应。

迄今大多数厌氧废水处理系统在中温范围运行，以30℃～40℃最为常见，其最佳处理温度在35℃～40℃。

高温工艺
多在50℃～60℃间运行。

低温厌氧工艺污泥活力明显低于中温和高温，其反应器负荷也相对较低，但对于某些温度较低的废水，低温工艺也是可供选择的方案。

2、pH 值
pH值是废水厌氧处理最重要的影响因素之一。

厌氧处理中，水解菌与产酸菌对pH有较大范围的适应性，但对pH敏感的甲烷菌适宜的生长pH为6.5～7.8 ，这也是通常情况下厌氧处理所应控制的pH 值。

3、营养物与微量元素
厌氧废水处理过程由细菌完成，因此应维持良好的细菌的生长环境，保证细菌有足够的合成自身细胞物质的化合物。

依据组成细胞的化学成分，其中主要包括营养物氮、磷、钾和硫以及钙、镁、铁等其他的生长必须的少量的或微量的元素。

4、碱度和挥发酸浓度
传统理论认为要保证颗粒污泥的形成，反应器内碱度应维持在1000～5000mgCaCO3/L的范围内，如果反应器内的碱度小于
1000mgCaCO3/L时，会导致其pH 值下降；唐一等人在其研究中已经证实，保证UASB反应器内的污泥颗粒化的最低碱度是750mgCaCO3/L。

在UASB反应器中，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。

5、进水中悬浮固体浓度的控制
对进水中悬浮固体（SS）浓度的严格控制要求是UASB 反应器处理工艺与其他厌氧处理工艺的明显不同之处。

一般来说，废水中的SS/ COD 的比值应控制在0. 5 以下。

6、有毒有害物质的控制
①氨氮浓度的控制:
氨氮浓度的高低对厌氧微生物产生2种不同影响。

当其浓度在50 -200mg/ l 时，对反应器中的厌氧微生物有刺激作用;浓度在1500 -
3000mg/ l 时，将对微生物产生明显的抑制作用。

一般宜将氨氮浓度控制在1000mg/ l 以下。

②硫酸盐（SO42- ）浓度的控制:
UASB 反应器中的硫酸盐离子浓度不应大5000mg/L，在运行过程中UASB 的COD/ SO42-比值应大于10。

③其他有毒物质:
导致UASB 反应器处理工艺失败的原因，除上述几种以外，其他有毒物质的存在也必须加以十分注意，这些物质主要是：重金属、碱土金属、三氯甲烷、氰化物、酚类、硝酸盐和氯气等。

五、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/L；
（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、 UASB的主要缺点是：
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。

六、结语
虽然UASB工艺在我国的应用已经有了较大发展，但与国外水平尚有差距，应进一步加在UASB 反应器及其配套设备的设备化和工程应用
上的探索和实践。

同时，在以下几个方面，UASB 厌氧处理工艺也正在实现新的发展：
①低温下UASB 反应器的运行；
②高温厌氧处理；
③用于处理不积累或不产生新的颗粒污泥的UASB反应器；
④处理含有高浓度毒性物质的废水；
⑤低浓度废水的厌氧处理。