關於UASB的詳解! - 北極星水處理網

北極星水處理網訊:升流式厭氧汙泥床反應器是一種處理汙水的厭氧生物方法，又叫升流式厭氧汙泥床，英文縮寫UASB（Up-flow Anaerobic Sludge Bed/Blanket）。由荷蘭Lettinga教授於1977年發明。汙水自下而上通過UASB。反應器底部有一個高濃度、高活性的汙泥床，汙水中的大部分有機汙染物在此間經過厭氧發酵降解為甲烷和二氧化碳。

一、UASB 工藝的主要特點

1） 利用微生物細胞固定化技術-汙泥顆粒化

UASB 反應器利用微生物細胞固定化技術—汙泥顆粒化，實現了水力停留時間和汙泥停留時間的分離，從而延長了汙泥泥齡，保持了高濃度的汙泥。顆粒厭氧汙泥具有良好的沉降性能和高比產甲烷活性，且相對密度比人工載體小，靠產生的氣體來實現汙泥與基質的充分接觸，節省了攪拌和回流汙泥的設備和能耗，也無需附設沉澱分離裝置；同時反應器內不需投加填料和載體，提高了容積利用率，避免了堵塞問題，具有能耗低、成本低的特點。

2） 由產氣和進水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用

在 UASB 反應器中，由產氣和進水形成的上升液流和上竄氣泡對反應區內的汙泥顆粒產生重要的分級作用。這種作用不僅影響汙泥顆粒化進程，同時還對形成的顆粒汙泥的質量有很大的影響，同時這種攪拌作用實現了汙泥與基質的充分接觸。

3） 設計合理的三相分離器的應用

三相分離器是 UASB 反應器中最重要的設備，它可收集從反應區產生的沼氣，同時使分離器上的懸浮物沉澱下來，使沉澱性能良好的汙泥能保留在反應器內。三相分離器的應用避免了輔設沉澱分離裝置、脫氣裝置和回流汙泥設備，簡化了工藝，節約了投資和運行費用。

4） 容積負荷率高

對中高濃度有機廢水容積負荷可達 20kgCOD/(m³•d)，COD 去除率均可穩定在 80%左右。

5） 汙泥產量低

與傳統好氧工藝相比，汙泥產量低,汙泥產率一般為 0.05kgVSS/kgCOD～ 0.10kgVSS/kgCOD，僅為活性汙泥產泥量的 1/5 左右。反應器產生的剩餘汙泥又是新厭氧系統運行所必需的菌種。

6） 能夠回收生物能——沼氣

沼氣是一種發熱量很高的可燃氣體，特大型 UASB 系統產生的沼氣可進行發電利用，並替代或補償廢水汙染治理設施的電力消耗；中、小型 UASB 系統可結合生產實際情況進行沼氣利用，如用於炊事、採暖或作為厭氧換熱的熱源。

二、UASB反應器組成

UASB 反應器主要由布水系統、三相分離器、出水收集系統、排泥系統組成。

1、布水系統

布水系統的合理設計對 UASB 反應器的良好運轉是至關重要的，進水系統兼有配水和水力攪拌的功能，為了保證這兩個功能的實現，設計時需要滿足如下原則：a、確保各單位面積的進水量基本相同，以防止短路或表面負荷不均勻等現象發生； b、儘可能滿足水力攪拌需要，保證進水有機物與汙泥迅速混合；c、易觀察到進水管的堵塞；d、當堵塞被發現後，易被清除。

目前布水系統的形式一般可以採用一管多孔式布水，一管一孔式布水或枝狀布水方式。

1） 對於壓力流採用穿孔管布水（一管多孔或分枝狀）

a. 進水採用重力流（管道及渠道）或壓力流，後者需設逆止裝置；

b. 當水力篩縫隙為 3mm～5mm 時，出水孔大於 15mm，一般在 15mm～25mm 之間；

c. 需考慮設液體反衝洗或清堵裝置，可以採用停水分池分段反衝，用液體反衝時，壓力為 1.0kg/cm2～2.0kg/cm²，流量為正常進水量的 3～5 倍；

2） 採用重力流布水方式(一管一孔)

如果進水水位差僅僅比反應器的水位稍高（水位差小於 10cm）會經常發生堵塞現象。因為進水水頭不足以消除阻塞。當水箱中的水位（三角堰的底部）與反應器中的水位差大於30cm 時很少發生堵塞現象。

a. 採用布水器布水時，從布水器到布水口應儘可能少地採用彎頭等非直管；

b. 廢水通過布水器進入池內時會吸入空氣，直徑大於 2.0mm 氣泡會以 0.2m/s～0.3m/s 速度上升，在管道垂直段（或頂部）流速應低於這一數值；

c. 上部管徑應大於下部，可適當地避免大的空氣泡進入反應器；

d. 反應器底部較小直徑可以產生高的流速，從而產生較強的擾動，使進水與汙泥之間充分接觸；

e. 為了增強底部汙泥和廢水之間的接觸，建議進水點距反應器池底保持 150mm～250mm 的距離。

2、三相分離器

三相分離器是 UASB 反應器最有特點和最重要的設備，它同時具有收集從下部反應室產生的沼氣、沉澱分離器上部的懸浮物、汙泥回流三個功能。

上述功能均要求三相分離器的設計應能避免沼氣氣泡上升到沉澱區，如其上升到表面將引起出水混濁，沉澱效率降低，產生沼氣損失等不利影響。三相分離器的設計應注意以下幾點：

（1） 間隙和出水面的截面積比：該面積比會影響到進入沉澱區和保持在汙泥相中的絮體的沉降速度；

（2） 分離器相對於出水液面的位置：這個位置確定反應區（下部）和沉澱區（上部） 的比例，在多數 UASB 反應器中內部沉澱區是總體積的 15％～20％；

（3） 三相分離器的傾角：這個角度要使固體可滑回到反應器的反應區，在實際中是在55°～60°之間，這個角度也確定了三相分離器的高度，從而確定了所需的材料；

（4） 分離器下氣液界面的面積：它確定了沼氣單位界面面積的釋放速率，合理的氣體釋放速率約為 1 m3/（m2·h）～3m3/（m2·h）（低濃度廢水達不到這個速率）。速率過低可能形成浮渣層，速率過高會導致在界面上形成氣沫層，兩者都可能導致堵塞氣體釋放管。

3、出水收集系統

出水裝置應設置在 UASB 反應器的頂部，儘可能保證均勻地收集處理過的廢水。大部分厭氧反應器的出水堰與傳統沉澱池的出水裝置相同，即在水平匯水槽內一定距離間隔設三角堰。為保證出水均勻，大部分的 UASB 反應器採用多槽式出水方式，每個槽兩側設有三角堰。

當處理的廢水中含有蛋白質、脂肪或大量懸浮固體時，出水一般也夾帶有大量懸浮固體或漂浮汙泥，為了減少出水懸浮固體量，在出水槽前設置擋板，這樣可減少出水中懸浮固體數量，有利於提高出水水質。但是設有出水擋板容易形成汙渣層，此時可採用浮沫撇除裝置， 如刮渣機等，因此是否設擋板需根據處理廢水的實際情況確定。

出水設施經常出現的問題是部分出水槽即使設置浮渣擋板，也會被漂浮的固體堵塞，從而引起出水不均勻，或發生堰不是完全水平的問題，較小的水頭會引起相對大的誤差。為了消除或最終減少這些問題，應當要求堰上水頭不小於 25mm。三角堰的設計要使其可以調整高度。

4、排泥系統

厭氧反應器內保持足夠的汙泥量，是保證反應器高效運行的基礎。但經過較長時間的運行後，汙泥量過度時，會因汙泥沉澱使有效容積縮小而降低處理效率，甚至會因堵塞而影響正常運行，或使出水中夾帶大量汙泥，影響出水水質，因此必須定期對厭氧反應器進行適量的排泥。UASB 反應器排泥一般採用重力方式排泥，排出量由汙泥界面儀控制。

反應器的排泥頻率根據汙泥濃度分布曲線確定。即在反應器全高上設置若干（5 個～6 個）取樣管，可以取反應器內的汙泥樣品，以獲得汙泥濃度沿深度的分布曲線，並可計算反應器的存泥總量，以確定是否需要排泥。排泥點宜設在汙泥區中上部和底部兩點。一般在汙泥床的底層宜形成濃汙泥，濃汙泥由於顆粒和小砂粒積累等原因活性變低，因此建議從反應器的底部排泥，這樣可以避免或減少在反應器內積累砂礫；中上部排泥點宜保持在距清水區0.5m～1.5m 的位置，這樣既可保證水力運行的暢通，又可使懸浮汙泥有沉降的空間。

三、UASB工藝的啟動

1、反應器啟動

1. 汙泥顆粒化

對於一個新建的 UASB 反應器，啟動過程主要是用未經馴化的絮狀汙泥對其進行接種， 並經過一定時間的啟動調試運行，使反應器達到設計負荷並實現有機物的去除，通常這一過程會伴隨汙泥顆粒化的實現，因此也稱之為汙泥顆粒化，汙泥顆粒化是大多數 UASB 反應器啟動的目標和啟動成功的標誌。

顆粒汙泥的形成使 UASB 反應器內可以保留高濃度的厭氧汙泥。絮狀汙泥沉降性能較差， 當產氣量較高、廢水上升流速度略高時，絮狀汙泥則容易被衝出反應器。產氣與水流的剪切力也易於使絮狀汙泥進一步分散，這加劇了絮狀汙泥的洗出。顆粒汙泥有良好的沉降性能， 它能在很高的產氣量和高上升流速下保留在厭氧反應器內。因此，汙泥的顆粒化可以使 UASB 反應器允許具備更高的有機容積負荷和水力負荷。

2. 啟動時間

利用絮狀汙泥作為接種物首次啟動 UASB 反應器，在形成明顯的顆粒汙泥床之前可能會需要幾個月的時間。厭氧反應器的啟動之所以需要較長的時間，除了甲烷菌生長速率較慢外， 接種汙泥低的比甲烷活性和在反應器啟動初期相對高的汙泥流失也是重要的影響因素。但是， 當 UASB 正常運行後反應器內可以產生大量的顆粒汙泥，這些顆粒汙泥可以在常溫下保存很長時間而不損失其活性，因此在停止運行後的再次啟動可以迅速完成。

3. 接種汙泥

UASB 反應器可採用絮狀汙泥或顆粒汙泥進行啟動。接種汙泥的數量和活性是影響反應器成功啟動的重要因素。一般絮狀接種汙泥濃度控制在 30gVSS/L～40gVSS/L，顆粒汙泥接種濃度控制在 20gVSS/L～30gVSS/L。

採用絮狀汙泥接種時，為縮短啟動時間，可在汙泥中添加少量破碎的顆粒汙泥，促進顆粒化過程。添加少量的顆粒汙泥至少有兩個優點：一是顆粒汙泥裡含有大量活的甲烷微生物， 而絮狀汙泥僅含大約 2％甲烷汙泥(通過比活性估計)，添加少量顆粒汙泥可使甲烷活性有較大的提高；二是通過將顆粒汙泥破碎為大量小的顆粒碎片，顆粒碎片會作為新的顆粒汙泥「前體」，為新的顆粒提供了大量生長核心。

採用顆粒汙泥啟動允許有較大的接種量，啟動時間的長短很大程度上取決於顆粒汙泥的來源，即顆粒汙泥在原反應器中的培養條件以及原來處理的廢水種類。新啟動的反應器在選擇種泥時應儘量使種泥的原處理廢水種類與擬處理的廢水種類一致，廢水種類與性質越接近，馴化所需時間則越少，可大大縮短啟動時間。在實踐中，有時難以得到從同一種廢水培養的顆粒汙泥，但只要在啟動的第一星期將初始汙泥負荷控制在最大汙泥負荷能力的 50％ 之下也可順利啟動。

採用絮狀汙泥和顆粒汙泥啟動中，可能遇到的問題及解決方法可參考表 1。

4. 啟動過程

啟動中會洗出接種汙泥中較輕的汙泥，保存較重的汙泥，以推動顆粒汙泥在反應器中的形成。啟動過程中應注意以下幾點：

1） UASB 反應器的啟動負荷應小於 1kgCOD/（m³·d），上升流速應小於 0.2m/h，進水 COD 濃度大於 5000mg/L 或有毒廢水應進行適當稀釋。

2） 應逐步升溫(以每日升溫 2℃為宜)使 UASB 反應器達到設計的運行溫度。

3） 當出水 COD 去除率達 80%以上，或出水有機酸濃度低於 200mg/L～300mg/L 後，可逐步提高進水容積負荷；負荷的提高幅度一般在設計負荷的 20％～30％為宜，直至達到設計負荷和設計去除率。

4） 當直接採用顆粒汙泥啟動時，因採用的接種量較大，同時顆粒汙泥的活性比其它種泥要高得多，啟動的初始負荷可提高至 3kgCOD/（m3·d）。

5. 環境因素

1） 常溫厭氧的溫度應保持在 20℃～25℃，中溫厭氧應保持在 30℃～35℃，高溫厭氧應保持在 50℃～55℃。

2） UASB 反應器內 pH 值保持在 6.5～7.8 之間。

3） 適宜的營養，保持 COD：N：P=200：5：1。

4） 嚴格控制有毒物質濃度，使其在允許濃度以下。

5） 厭氧反應池中鹼度（以 CaCO3 計）宜高於 2000mg/L，揮發性脂肪酸（VFA）宜控制在 2000mg/L 以內，氧化還原電位（ORP）應在+100mV～-400mV 之間。

6） N、P、S 等營養物質和微量元素應當滿足微生物生長的需要。

四、UASB工藝的運行與維護

1、運行控制

啟動後厭氧反應器系統運行，應控制好各項工藝參數，保持厭氧系統的平衡性，使系統的設計負荷效率穩定。

UASB 厭氧反應器正常運行控制的工藝條件如下：

1）嚴禁進水有機負荷過高或過低、溫度驟升或驟降等情況發生。

常溫厭氧的溫度應保持在 20℃～25℃，中溫厭氧應保持在 30℃～35℃，高溫厭氧應保持在 50℃～55℃。

UASB 反應器內 pH 值保持在 6.5～7.8 之間。

適宜的營養，保持 COD：N：P=200：5：1。

嚴格控制有毒物質濃度，使其在允許濃度以下。

厭氧反應池中鹼度（以 CaCO3 計）宜高於 2000mg/L，揮發性脂肪酸（VFA）宜控制在 2000mg/L 以內，氧化還原電位（ORP）應在+100mV～-400mV 之間。

N、P、S 等營養物質和微量元素應當滿足微生物生長的需要。

2） 厭氧反應器汙泥層應維持在出水口下 0.5m～1.5m，汙泥過多時，應進行排泥。

3） 採用熱交換器加熱時，應每日測量熱交換器進、出口的水溫。UASB 厭氧反應器正常運行經常發生的異常現象及解決方法可參考表2。

2、停產控制

工業廢水處理因工廠停產檢修或因季節性生產等原因，厭氧反應器可能會有停運情況發生。這種停運對厭氧消化系統的保持並無重大的影響，因為在不進水運行的條件下，厭氧汙泥的活性可以保持一年或更長時間。

在停運期間，宜使反應器內液體的溫度保持在 4℃～20℃。這是因為相對而言，在此溫度範圍內保存的汙泥，重新啟動只需較短時間就可以恢復到原有的性能。

此外，在停運期間還應繼續使反應器的進、出水口及導氣管口保持與大氣不直接溝通的厭氧狀態。

停運後的再啟動，一般只需將系統的溫度增高，再按原來運行中的平均負荷率進水運行， 在短時間內就能夠達到停運前的效能水平。

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