USB厌氧反应器.docx

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USB厌氧反应器

UASB厌氧反应器

厌氧生物处理作为利用厌氧性微生物的代谢特性，在毋需提供外源能量的条件下，以被还原有机物作为受氢体，同时产生有能源价值的甲烷气体。

厌氧生物处理法不仅适用于高浓度有机废水，进水BOD最高浓度可达数万mg/l，也可适用于低浓度有机废水，如城市污水等。

一、引言

　　厌氧生物处理过程能耗低；有机容积负荷高，一般为5－10kgCOD/m3.d，最高的可达30-50kgCOD/m3.d；剩余污泥量少；厌氧菌对营养需求低、耐毒性强、可降解的有机物分子量高；耐冲击负荷能力强；产出的沼气是一种清洁能源。

　　在全社会提倡循环经济，关注工业废弃物实施资源化再生利用的今天，厌氧生物处理显然是能够使污水资源化的优选工艺。

近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物滤池、厌氧膨胀床和流化床，以及第三代厌氧工艺EGSB和IC厌氧反应器，发展十分迅速。

　　而升流式厌氧污泥床UASB（Up-flowAnaerobicSludgeBed，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。

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。

　　本文试图就UASB的运行机理和工艺特征以及UASB的设计启动等方面作一简要阐述。

二、UASB的由来

　　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（granularsludge）。

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。

三、UASB工作原理

基本原理

　　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沿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。

基本出要求

　　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。

四、UASB内的流态和污泥分布

1.原理分析介绍

　　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。

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。

2.三个运行期

　　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到16kgCOD/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。

五、外设沉淀池防止污泥流失

　　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。

　　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。

六、UASB的设计

1.基本设计

　　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3－8m，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。

2.满足要求

　　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。

3.UASB反应器的设计计算

3.1设计参数

（1）污泥参数

设计温度T=25℃

容积负荷NV=8.5kgCOD/（m3.d）污泥为颗粒状

污泥产率0.1kgMLSS/kgCOD,

产气率0.5m3/kgCOD

（2）设计水量Q=2800m3/d=116.67m3/h=0.032m3/s。

（3）水质指标

表5UASB反应器进出水水质指标

水质指标

COD（㎎∕L）

BOD（㎎∕L）

SS（㎎∕L）

进水水质

3735

2340

568

设计去除率

85%

90%

/

设计出水水质

560

234

568

3.2UASB反应器容积及主要工艺尺寸的确定

（1）UASB反应器容积的确定

本设计采用容积负荷法确立其容积VV=QS0/NV

V—反应器的有效容积（m3）

S0—进水有机物浓度（kgCOD/L）

V=3400

3.735/8.5=1494m3

取有效容积系数为0.8,则实际体积为1868m3

（2）主要构造尺寸的确定

UASB反应器采用圆形池子，布水均匀，处理效果好。

取水力负荷q1=0.6m3/（m2·d）

反应器表面积A=Q/q1=141.67/0.6=236.12m2

反应器高度H=V/A=1868/236.12=7.9m取H=8m

采用4座相同的UASB反应器，则每个单池面积A1为：

A1=A/4=236.12/4=59.03m2

取D=9m

则实际横截面积A2=3.14D2/4=63.6m2

实际表面水力负荷q1=Q/4A2=141.67/5

63.6=0.56

q1在0.5—1.5m/h之间，符合设计要求。

3.3UASB进水配水系统设计

（1）设计原则

①进水必须要反应器底部均匀分布，确保各单位面积进水量基本相等，防止短路和表面负荷不均；

②应满足污泥床水力搅拌需要，要同时考虑水力搅拌和产生的沼气搅拌；

③易于观察进水管的堵塞现象，如果发生堵塞易于清除。

本设计采用圆形布水器，每个UASB反应器设30个布水点。

（2）设计参数

每个池子的流量

Q1=141.67/4=35.42m3/h

（3）设计计算

查有关数据[6]，对颗粒污泥来说，容积负荷大于4m3/（m2.h）时，每个进水口的负荷须大于2m2

则布水孔个数n必须满足пD2/4/n>2即n<пD2/8=3.14

9

9/8=32取n=30个

则每个进水口负荷a=пD2/4/n=3.14

9

9/4/30=2.12m2

可设3个圆环，最里面的圆环设5个孔口，中间设10个，最外围设15个，其草图见图4

①内圈5个孔口设计

服务面积：

S1=5

2.12=10.6m2

折合为服务圆的直径为：

用此直径用一个虚圆，在该圆内等分虚圆面积处设一实圆环，其上布5个孔口

则圆环的直径计算如下：

3.14

d12/4=S1/2

②中圈10个孔口设计

服务面积：

S1=10

2.12=21.2m2

折合为服务圆的直径为：

则中间圆环的直径计算如下：

3.14

（6.362－d22）/4=S2/2

则d2=5.2m

③外圈15个孔口设计

服务面积：

S3=15

2.12=31.8m2

折合为服务圆的直径为

则中间圆环的直径计算如下：

3.14

（92－d32）=S3/2

则d3=7.8m

布水点距反应器池底120mm；孔口径15cm

图4UASB布水系统示意图

3.4三相分离器的设计

（1）设计说明UASB的重要构造是指反应器内三相分离器的构造，三相分离器的设计直接影响气、液、固三相在反应器内的分离效果和反应器的处理效果。

对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起十分重要的作用，根据已有的研究和工程经验，三相分离器应满足以下几点要求：

沉淀区的表面水力负荷<1.0m/h；

三相分离器集气罩顶以上的覆盖水深可采用0.5～1.0m；

沉淀区四壁倾斜角度应在45º～60º之间，使污泥不积聚，尽快落入反应区内；

沉淀区斜面高度约为0.5～1.0m；

进入沉淀区前，沉淀槽底缝隙的流速≤2m/h；

总沉淀水深应≥1.5m；

水力停留时间介于1.5～2h；

分离气体的挡板与分离器壁重叠在20mm以上；

以上条件如能满足，则可达到良好的分离效果。

（2）设计计算

本设计采用无导流板的三相分

①沉淀区的设计

沉淀器（集气罩）斜壁倾角θ=50°

沉淀区面积：

A=3.14

D2/4=63.6m2

表面水力负荷q=Q/A=141.67/（4

63.6）=0.56m3/（m2.h）<1.0m3/（m2.h）符合要求

②回流缝设计

h2的取值范围为0.5—1.0m,h1一般取0.5

取h1=0.5mh2=0.7mh3=2.4m

依据图8中几何关系，则b1=h3/tanθ

b1—下三角集气罩底水平宽度，

θ—下三角集气罩斜面的水平夹角

h3—下三角集气罩的垂直高度，m

b1=2.4/tan50=2.0mb2=b－2b1=9－2

2.0=5.0m

下三角集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速v1,可用下式计算：

V1=Q1/S1=4Q1/3.14b2

Q1—反应器中废水流量（m3/s）

S1—下三角形集气罩回流缝面积（m2）

符合要求

上下三角形集气罩之间回流缝流速v2的计算：

V2=Q1/S2

S2—上三角形集气罩回流缝面积（m2）

CE—上三角形集气罩回流缝的宽度，CE>0.2m取CE=1.0m

CF—上三角形集气罩底宽，取CF=6.0m

EH=CE

sin50=1.0

sin50=0.766m

EQ=CF+2EH=6.0+2

1.0

sin50=7.53m

S2=3.14（CF+EQ）.CE/2=3.14

（6.0+7.53）

1.0/2=21.24m2

v2=141.67/4/21.24=1.67m/h

v2

确定上下集气罩相对位置及尺寸

BC=CE/cos50=1.0/cos50=1.556m

HG=（CF－b2）/2=0.5m

EG=EH+HG=1.266m

AE=EG/sin40=1.266/sin40=1.97m

BE=CE

tan50=1.19m

AB=AE－BE=0.78m

DI=CD

sin50=AB

sin50=0.778

sin50=0.596m

h4=AD+DI=BC+DI=2.15m

h5=1.0m

3.5气液分离设计

由图5可知，欲达到气液分离的目的，上、下两组三角形集气罩的斜边必须重叠，重叠的水平距离（AB的水平投影）越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离效果的影响越小，所以，重叠量的大小是决定气液分离效果好坏的关键。

由反应区上升的水流从下三角形集气罩回流缝过渡到上三角形集气罩回流缝再进入沉淀区，其水流状态比较复杂。

当混合液上升到A点后将沿着AB方向斜面流动，并设流速为va，同时假定A点的气泡以速度Vb垂直上升，所以气泡的运动轨迹将沿着va和vb合成速度的方向运动，根据速度合成的平行四边形法则，则有：

要使气泡分离后进入沉淀区的必要条件是：

在消化温度为25℃，沼气密度

=1.12g/L；水的密度

=997.0449kg/m3；

水的运动粘滞系数v=0.0089×10-4m2/s；取气泡直径d=0.01cm

根据斯托克斯（Stokes）公式可得气体上升速度vb为

vb—气泡上升速度（cm/s）

g—重力加速度（cm/s2）

β—碰撞系数，取0.95

μ—废水的动力粘度系数，g/（cm.s）μ=vβ

水流速度

校核：

，故设计满足要求。

图5三相分离器设计计算草图

3.6排泥系统设计

每日产泥量为

=3735×0.85×0.1×3400×10－3=1079㎏MLSS/d

则每个UASB每日产泥量为

W=1097/4=269.75㎏MLSS/d

可用200mm的排泥管，每天排泥一次。

3.7产气量计算

每日产气量G=3726×0.85×0.5×3400×10－3=5397m3/d=224.9m3/h

储气柜容积一般按照日产气量的25%～40%设计，大型的消化系统取高值，小型的取低值，本设计取38%。

储气柜的压力一般为2～3KPa，不宜太大。

3.8加热系统

设进水温度为15°C，反应器的设计温度为25°C。

那么所需要的热量：

QH=dF.γF.（tr－t）.qv/η

QH－加热废水需要的热量，KJ/h；

dF－废水的相对密度，按1计算；

γF－废水的比热容，kJ/（kg.K）；

qv－废水的流量，m3/h

tr－反应器内的温度，°C

t－废水加热前的温度，°C

η－热效率，可取为0.85

所以QH=4.2

1

（25－15）

141.67/0.85=7000KJ/h

每天沼气的产量为5397m3，其主要成分是甲烷，沼气的平均热值为22.7KJ/L

每小时的甲烷总热量为：

（5397/24）

22.7

103=5.1

106KJ/h，因此足够加热废水所需要的热量。

七、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。

3、加碱系统

在厌氧生物处理中，产甲烷菌最佳节pH值是6.8~7.2，由于厌氧过程的复杂性，很难准确测定和控制反应器内真实的pH值，这就要和靠碱度来维持和缓冲，一般碱度要2000~5000mgCaCO3/L时，就会导致其pH值下降，所以，反应器内碱度须保持在1000mgCaCO3/L以上，因为为保证厌氧反应器内pH值在适当的范围内，必须向反应器中直接加入致碱或致酸物质。

间接调节pH值。

主要致碱药品有：

NaCO3、NaHCO3、NaOH以及Ga（OH）2[6]。

在UASB反应器中安装pH指示仪，并在加碱管路上设有计量装置，将计量装置和pH指示仪用信号线连接起来，根据UASB反应器中pH值的大小来调整加碱量，当UASB反应器中pH值过低时，打开加碱管路上的开关，往UASB反应器中加碱，使pH值下降；反之，当UASB反应器中pH值过高时，关闭加碱管路上的开关，停止加碱，使pH值上升。

八、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，水力停留时间长，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。

九、结语

　　UASB工艺近年来在国内外发展很快，应用面很宽，在各个行业都有应用，生产性规模不等。

实践证明，它是污水实现资源化的一种技术成熟可行的污水处理工艺，既解决了环境污染问题，又能取得较好的经济效益，具有广阔的应用前景。