uasb反应器的发展史与研究、应用调查

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1.1UASB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1 UASB 反应器工艺系统组成2.UASB反应器的相关研究与应用2.1UASB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0.2～0.4mm，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0.5～3mm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：①温度，以中温或高温为宜；②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；③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；④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；⑤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；⑥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/( m3·d)，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[11]UASB反应器启动时，向反应器内加入750 mg·L - 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(16～33℃)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。

2.1.2UASB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：⑴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。

⑵废水的性质，低浓度废水有利于UASB反应器的启动，COD 浓度以4 000～5 000 mg·L-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 mg·L-1以下，Souza等[19]研究认为，SS须同时满足SS＜1000 mg·L-1和SS/ COD＜0.5两个条件，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⑶环境条件，UASB反应器在常温(25℃)，中温(33℃～41℃)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C∶N∶P =75∶5∶1，应适当加一些微量元素。

反应器内的pH值应保持在7.2～7.6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1∶3，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。