浅谈UASB反应器

浅谈UASB反应器

【摘要】论述了UASB反应器的基本原理；论述了三相分离器的构成，形式；论述了颗粒污泥的组成，功能；论述了影响UASB反应器的各种因素；论述了UASB反应器目前的研究现状；论述了UASB反应器的应用实例；

【关键词】 UASB 颗粒污泥三相分离器

UASB（Up Flow Anaerobic Sludge Blanket）反应器是有荷兰Wageningen农业大学的Lettinga等人于1973-1977年间研制成功的。UASB工艺用于废水处理时，能利用生物凝聚、结块机能，形成具有良好性能的颗粒污泥，大大提高了污泥浓度，使反应器的负荷和效率有了大幅度提高。UASB反应器的突出优点为COD负荷可达20Kg/(m*d),水力停留时间低于4h，占地面积小，能产生沼气副产品，污泥沉降性能好，稳定且过剩量少，COD去除率均为90%以上，因而该反应器在世界上得到了比较广泛的应用。【1】

UASB反应器的构成

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的工作主体。在反应区的底部存留大量厌氧污泥，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。【2】

附属设备

1、剩余沼气燃烧器

一般不允许将剩余沼气向空气中排放，以防污染大气。在确有剩余沼气无法利用时，可安装余气燃烧器将其烧掉。燃烧器应装在安全地区，并应在其前安装阀门和阻火器。剩余气体燃烧器，是—种安全装置，要能自动点火和自动灭火。剩余气体燃烧器和消化池盖、或贮气柜之间的距离，一般至少需要15m，并应设置在容易监视的开阔地。

2、保温加热设备

厌氧消化像其他生物处理工艺一样受温度影响很大，厌氧工艺受温度影响更加显著。中温厌氧消化的最优温度范围从30～35℃，可以计算在20℃和10℃的消化速率大约分别是30℃下最大值的35%和12%。所以，加温和保温的重要性是不言而喻的。如果工厂或附近有可利用的废热或者需要从出水中间收效量，则安装热交换器是必要的。

3、监控设备

为提高厌氧反应器的运行可靠性，必须设置各种类型的计量设备和仪表，如控制进水量、投药量等计量设备和pH计(酸度计)、温度测量等自动化仪表。自动计量设备和仪表是自动控制的基础。对UASB反应器实行监控的目的主要有两个，一个是了解进出水的情况，以便观测进水是否满足工艺设计情况;另外一个目的是为了控制各工艺的运行，判断工艺运行是否正常。由于UASB反应器的特殊性还要增加一些检测项目，如挥发性有机酸(VFA)、碱度和甲烷等。但是，这些设备属于标准设备，一些设备还很难形成在线的测量和控制。

4.外部沉淀池

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。

UASB反应器的工作原理

废水由反应器底部进入。反应器主体含有大量的厌氧污泥, 由于废水以一定流速自下而上流动以及生物降解过程产生大量沼气的搅拌作用, 废水与污泥充分混合, 有机质被吸附分解,最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨, 所产生沼气(主要是甲烷) 由上部的三相分离器的集气室排出, 含有悬浮污泥的废水进入三相分离器的沉降区。由于沼气从水中分离而失去搅拌作用, 废水在上升过程中变得比较平稳, 其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分, 使反应器内有较高的污泥浓度, 保证了后继处理的正常进行。在运行过程中,UASB 反应器内能够形成沉淀性能良好的颗粒污泥,能够允许较大的上流速度和很高的容积负荷。

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;

厌氧污泥颗粒实质上是一个微生态系统，不同类型的细菌种群在系统中相互依存，形成互营共生体系，有利于细菌对有机物的降解。颗粒污泥最重要的特征是它具有较高的沉降速度和高的比产甲烷活性。【3】

颗粒污泥的形态很不规则，但大多接近球形。厌氧颗粒污泥多数呈黑色，也有的呈灰褐色、灰白色、淡黄色等，颗粒污泥的颜色取决于其处理条件，特别是与Fe、Ni、Co等金属的硫化物有关。厌氧颗粒污泥在光学显微镜下观察，大多数是多孔结构。颗粒污泥内部有相当大的自由空间，为气体((CH4,CO2)和基质交换提供了场所。颗粒污泥表面还有一层透明的胶状物质，主要是多糖类成分。胶状物质表面附有占优势的甲烷八叠球菌，再往里层有甲烷丝状菌、甲烷球菌和甲烷杆菌。比较好的颗粒污泥表面上产甲烷菌占厌氧菌的40%-50%.【4】

颗粒污泥本质上是多种微生物的聚集体，主要由厌氧消化微生物组成。颗粒污泥中参与分解复杂有机物、生成甲烷的厌氧细菌可分为三类:

第一类:水解发酵菌，对有机物进行最初的分解，生成有机酸和酒精;

第二类:产乙酸菌，对有机酸和酒精进一步分解利用;

第三类:产甲烷菌，将H2, CO2、乙酸以及其它一些简单化合物转化成为甲烷。【5】

水解发酵菌、产乙酸菌和产甲烷细菌在颗粒污泥内生长、繁殖，各种细菌互营互生，菌丝交错相互结合形成复杂的菌群结构【6】，增加了微生物组成鉴定的复杂性。

从生态学的角度看，厌氧颗粒污泥的形成是一个复杂的微生物与微生物、微生物与环境相互作用、相互影响而最终建立起一个动态平衡的生态学过程。

颗粒污泥的颗粒化过程是单一分散厌氧微生物聚集生长成颗粒污泥的过程，是一个复杂而且持续时间较长的过程，影响因素很多。颗粒污泥的形成过程由多个阶段组成【6，7,8】:

(1)细菌与基体(可以是细菌，也可以是有机、无机材料)的吸引粘连过程;

(2)微生物聚集体的形成;

(3)成熟污泥的形成。

2)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。

三相分离器的主要功能有：一是收集从分离器下反应室产生的沼气，达到气液分离的目的；二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来，达到固液分离的目的。要实现这两个功能，在厌氧反应器内设置的三相分离器应满足以下条件：

（1）和污泥的混合物在进入沉淀室之前，反应产生的气泡必须得到分离。

（2）要防止沉降室内气体的产生，所以污泥在沉降室内的停留时间一定要短，厌氧反应过程必须在进入三相分离器之前完成。

（3）由于厌氧污泥具有凝结的性质，液流上升通过泥层时，应有利于在沉淀区内形成污泥层。沉淀区斜壁角度要恰当，应使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内，以维持反应区内有很高的污泥浓度和较长的污泥龄。

（4）沉淀区的表面负荷应在一定范围（<3.0m3/(m2·h)）以内，混合液进

入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉淀速度。

（5）应防止气室产生大量的泡沫，且要控制气室的高度，防止浮渣阻塞出气管。

3)进水配水系统;

进水配水系统兼有配水和水力搅拌的功能，所以必须满足以下各项要求。

①进水必须在反应器底部均匀分配，确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路或表面负荷不均匀等现象发生；实践证明，只有当负荷过低或配水系统设计不合理时会发生沟流。

②在满足污泥床水力搅拌需要的同时，应充分考虑水力搅拌和反应过程产生的沼气搅拌，对进水与污泥混合效果的影响，尽可能防止局部产生酸化现象。

UASB反应器进水配水系统有多种形式，但多属专利，具体设计数据未公开。配水系统的形式主要有以下几种。

（1）树枝管式配水系统如下图所示，为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向下距池底约20cm，位于所服务面积的中心。管口对准的池底所设的反射锥体，使射流向四周散开，均匀布于池底，一般每个出水口服务面积为2~4m2，出水口直径采用15~20mm。这