废水处理设计--厌氧UASB

一、厌氧处理概述

长期以来，厌氧消化被认为是一种较慢的生物处理过程,而且仅仅适用于很有限的一些有机物。近年来的事实表明对厌氧处理的这些偏见是毫无根据的。厌氧微生物的生物化学转化能力是可以和好氧微生物的生物化学转化能力相比拟的。问题不在于厌氧微生物的活性而在于厌氧微生物的世代时间。

由于厌氧生物技术对一些有毒物质和最一般的污染物的降解能力已经得到了证实,目前,厌氧生物技术已经在许多工业废水处理中得到了广泛的应用。

现代社会中必须要让使用过的水恢复其水质并使工业废水达到所要求的排放要求，这就需要考虑经济和实用处理工业废水的各种可行性。由于厌氧生物技术对一些有毒物质和一般工业废水中常见的污染物的降解能力已经得到了证实，目前，厌氧生物技术已经在工业废水处理中得到了广泛的应用。厌氧处理中高浓度废水作为经证实的技术已经被人们所接受。

活性污泥法中经常存在着一些运行上的问题，如因污泥长期膨胀而使二次沉淀及污泥浓缩无法完成。随着人们对厌氧处理越来越熟悉以及经常困扰着活性污泥法的一些运行问题的存在都促使未来的工业水质管理人员去探究厌氧处理的可行性。对于厌氧生物处理原理的透彻认识和应用研究会为一直存在着运行和污泥处置问题的好氧生物处理找到一个可行的和明智的替代工艺。

二、UASB厌氧反应器分析

工程应用中，提到厌氧处理法，就不得不说UASB厌氧反应器，本次我们主要讨论它，应用非常广泛，它不像IC厌氧反应器还挑水质，什么水都敢上，无非就是负荷低点。

采用UASB反应器处理不同废水时，随着废水性质的不同，其处理工艺流程有较大差别。适于采用UASB反应器处理的废水，包括各种工业废水和生活废水等。按其浓度可分为高浓度有机废水，中等浓度有机废水和低浓度有机废水。

按废水性质可分为不复杂的溶解性有机废水，这里指的是不含严重抑制性化合物和会引起严重问题的化合物，如会引起漂浮或形成浮渣层的废水；复杂废水指的是含有难溶解的或潜在难溶解污染物质或会引起抑制、漂浮、结垢和污泥上浮等的工业废水。由于这些物质的存在。

在厌氧处理中会出现各种问题，在多数情况下，这些问题是可以解决的，但必须很好懂得厌氧工艺和厌氧反应器系统的基本原理。尤其是要了解发生问题的原因。以上两大类性质不同的废水在考虑采用以UASB反应器为主工艺处理时，其处埋工艺系统有所不同。

1.不复杂溶解性废水

（1）相分离的必要性

不复杂溶解性废水的种类可分成酸化的、没酸化的和部分酸化的废水。考虑未酸化废水的处理时建议设立独立的前置的酸化反应器。这种方法的优点是具有较好的全过程的稳定性和产甲烷相反应器可获得较高的容积负荷率。

虽然废水的一定预酸化是有一定的优点，但有的工程人员不支持进行完全的预酸化观点。认为完全预酸化不仅会增加基建投资和消耗较多的化学药剂而提高运行费用，并且还有以下几方面缺点:

①颗粒污泥生长进展慢；

②使产甲烷相反应器的进水中含有分散状的酸化污泥，这对反应器内高活性的颗粒污泥和非颗粒的产甲烷污泥的滞留有较大的负面影响，从而严重妨碍反应器的适行。

建议采用一定程度的预酸化，即取20%~40%酸化率。有时废水在管道系统、储存池或均质池中已得到所需要的预酸化程度，所以不必专门独立设置预酸化池。保持污泥负荷率适当低于最大比产甲烷活性( <约75%)就可确保过程较好的稳定性。< pan>

当要消除废水中的某些有害有毒化合物时，采用相分离设立单独的产酸反应器可能是有利的。例如，在处理玉米淀粉加工废水时，安装了预酸化反应器，其理由为:①为了去处亚硫酸盐;②为了去处废水中蛋白质和氨基酸，因为这些物质会促使污泥的漂浮和起泡。

（2）调节池的必要性

为了均衡流量和废水污染浓度的变化，防止冲击负荷的发生，在厌氧处理流程中应设调节池。调节池中可达到一定程度的预酸化。当废水的碱度缓冲能力不足时，系统应装备供碱设备。当废水的pH偏碱时，系统应装置加酸设备。

根据废水的浓度，调节池必须设置沉淀器或其他的酸化污泥分离设备。对于高浓度有机废水，如COD值超过10g/L，这种设备的设立对确保UASB反应器的正常运行特别重要。当废水中如存在着惰性物质，如砂粒，必须在废水进入调节池或UASB反应器前去除，必须设置独立的沉砂池,这一点对各种废水均是适合的。

2.不完全溶解的复杂废水

（1）预沉池的必要性

关于选择处理不完全溶解的复杂废水的工艺系统时，必须考虑SS的有效去除。如酒精废水，SS的浓度在20g/L以上，这样高SS浓度，进入颗粒污泥床UASB反应器是不合适的，这不仅会影响反应器污泥的活性，而且当反应器以很高表面速度下运行时，会大大增加出水的SS浓度，影响出水水质，这种情况下，应该考虑设置预沉池。

当采用预沉池时，如沉淀过的废水中不含很多的胶体物质，UASB反应器的设计可采用与溶解性废水相同的容积负荷率。处理高浓度有机废水时，进入颗粒污泥UASB反应器的废水中，悬浮固体的浓度不应大于6-8g/L，否则对UASB反应器产生不利影响。因为进水SS太高，不可能快速地进行颗粒污泥与絮体污泥之间的分离，使繁体污泥占了反应器大量的空间，会使反应的容积效率降低，有效生物量浓度降低，从而影响反应器的处理效能。这种情况下，根据废水性质应推荐采用固液分离设备或采用预沉池，有时预沉池也可与调节池结合。

对于SS很高的废水，当其SS含量约占15%左右时，或SS含量虽未达到上述标准但其难于进行固液分离时，可考虑采用传统厌氧消化或厌氧接触工艺。不宜采用UASB反应器工艺。

（2）厌氧后处理的必要性

厌氧处理只能去除可生物降解的有机物，一般不能去除氨氮和硫化物。因此，由于出水排放标准的限制，为了去除这些化合物和残留的有机物包括分散的固体，应采用某些适当的后处理。如废水中含有较多的有机氮，经厌氧后，有机氨被转化为氨氮，当氨氮超过排放要求时，必须在厌氧处理后设硝化，或硝化反硝化工艺。如果氨氮浓度太高，若超过2~3gNH/L从回收资源的观点采用氨的回收工艺可能比氨氮的氧化分解更有吸引力。

如由于厌氧过程中产生了硫酸盐还原作用，硫酸根被转化成S^2-，而排放标准中对硫化物有严格的规定，因此，必须在厌氧后采用脱硫工艺。一般情况下，在处理高浓度有机废水时，厌氧出水的SS含量较高，应设置后置沉淀池去除厌氧出水中的SS，以减轻好氧后处理的负担。厌氧处理出水往往达不到排放标准要求，通常在厌后继续采用好氧生物处理，使出水中的各项指标达到排放标准。

三、UASB厌氧反应器设计

自从UASB反应器问世以来，如何进行反应器的设计是一个普遍关注的问题。虽然UASB反应器在处理各类废水中已经应用很多，而且不同的设计人员提供的参数值各不相同。

UASB反应器设计的主要内容包括:反应器主要尺寸的确定;三相分离器的设计;进水配水系统的设计和出水系统的设计等。

1.反应器主要尺寸确定

其实就是经验法，或者做中试取得数据，作为设计依据。进水容积负荷率的大小与废水性质、浓度和反应器的温度有关，同时与反应器内污泥性质(如絮底污泥或颗粒污泥)有很大关系。对于特定的废水，采用的进水容积负荷率应通过试验确定，或参考同类型废水处理资料确定。

当处理某种有机废水时，如果反应器内不能形成厌氧颗粒污泥，主要是絮体状污泥，则反应器的进水容积负荷率不能很高。因为负荷过高，水流上升流速大，絮状污泥易于流失。这种情况下，进水容积负荷率一般为2-3kg COD/(m3 ·d)。

2.反应器进水分配器的确定

进水分配系统兼有配水和水力揽拌功能，其必须满足以下要求:

（1）进水必须均匀地分配到反应器底部，确保单位池面积进水量基本相同，并防止由于布水不均引起的沟流和短路现象。

（2）应满足污泥床水力搅拌的需要，有利于沼气气池与污泥分离逸出，并促使废水与污泥之间的充分接触，使污泥床区达到完全混合，防止局部酸化和减少死区的发生，提高反应器容积利用率。

UASB反应器进水分配系统的形式有多种，有些属于专利，具体设计数据和方法尚未公开。进水分配系统形式主要有以下凡种:

①树技管式:树枝管式进水分配系统，这种配水系统比较简单，为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向着池底，出水口距池底约20cm，位于所服务面积的中心点。管口对准的池底设反射锥，使射流向四周均匀散布于池底，出水口支管直径约20mm。这种配水系统只要施工安装正确，配水可基本达到均匀分布。

②穿孔管式:穿孔管式进水分配系统，为了配水均允配水管之间的中心距可采用1-2m，进水孔距也可采用1-2m，孔口朝向池底，或与铅垂线成45度方向开孔。孔径大小及配水管尺寸应由水力计算确定。以确保布水均匀。为了防止配水系统的堵塞，在设计中应考虑清通的可能。

③多管多点式:多管多点进水分配系统，此种配水系统的特点是一根配水管服务一个配水点，即配水管数与配水点数相。只要保证每根配水管流量相等，则每个配水点的流量即相等。配水管设置在污泥床不同位置和不同高度上，废水通过一个专门设计的脉冲配水器，废水定时地分配给不同位置和高度的配水管，对整个反应器进水是连续的，这种配水系统效果是很好的。

④上给式:一般进水分配系统均在池底进行布设，上给式进水分配系统是在UASB反应器的池顶进行分配布设。这种系统的特点是，配水采用明渠，对每个配水点没一个三角堰，并设一根配水管，配水管由三相分离器集气罩之间的回流缝通向配水点。这种配水系统可以确保布水均匀，并易于发现某根管的堵塞情况，也易于及时清通。

每个配水点的服务面积是确保配水均匀的关键，服务面积的大小与污泥床内污泥的性质和进水容积负荷率有关。

3.三相分离器的设计

UASB反应器气、固、液三相分离器的功能是对反应区上升的气、固、液混合液进行分离，气、固液分离效果的好坏将直接影响反应器的处理效果，是反应器运行成败的关键。对于高效三相分离器应具以下几个功能:

（1）气，固，液混合液中的气体不得进人沉淀区，即流体(污泥与水混合物)在进人沉淀区之前，气体必须有效地进行分离去除，避免由于气体泄漏到沉淀区而干扰固、液分离效果。       

（2）保持沉淀区液流稳定，水流流态接近塞流状，使具有良好的固液分离效果。

（3）被沉淀分离的部分固体(污泥)能迅速返回到反应器内，以维持反应器内有很高的污泥浓度和较长的污泥龄。

为了达到上述要求，人们进行了许多研究和开发，开发成功了各种形式的三相分离器，并有不少专利。

三相分离器的设计其实就是沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。

三相分离器沉淀区固液分离是靠重力沉淀达到，其设计方法与普通二次沉淀池相似，主要考虑两个因素，即沉淀面积和水深。沉淀面积可根据废水流量和沉淀区的表面负荷率确定。

三相分离器由上下两组重叠的三角形集气罩组成，下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液的上升流速称为V1(m/h)。上三角形集气罩下端与下三角形集气罩斜面之间水平距离的回流缝，水流的上升流速称为V2(m/h)。对于颗粒污泥：V1 对于絮体污泥: V1

气液分离，三相分离构造欲达到良好的气液分离效果，上下两组三角形集气罩的斜边的细下端必须有一定的重叠。重叠的水平距离越大，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主要关键，重叠量一般应达10~20cm或由计算确定。

4.排泥系统的设计

由于厌氧消化过程微生物的不断增长，或进水不可降解悬浮固体的积累，必须在污泥床区定期排除剩余污泥，所以UASB反应器的设计应包括剩余污泥的排除设施。一般认为排去剩余污泥的位置是反应器的1/2高度处。但是大部设计者推荐把排泥设备安装在靠近反应器的低部。也有人在三相分离器下0.5m处设排泥管，以排除污泥床上面部分的剩余絮体污泥，而不会把颗粒污泥排走。UASB反应器排污泥系统必须同时考虑上，中，下不同位置设排泥设备，应根据生产运行中的具体情况考虑实际排泥的要求，而确定在什么位置排泥。

设置在污泥床区池底的排泥设备，由于污泥的流动性差，必须考虑排泥均匀。因为大型UASB反应器一般不设污泥斗，而池底面积较大，所以必须进行均布多点排泥。每个点服务面积多大合适，尚缺乏具体资料，根据我们经验，建议每10m²设一个排泥点。当采用穿孔管配水系统时，如能同时把穿孔管兼作穿孔排泥管是较为理想的。专设排泥管管径不应小于200mm，以防发生堵塞。为了简化设计，可在反应器1/2高度处和三相分离器下0.5m处在池壁分别各设一个排泥口，口径可取100mm。此外，在池壁全高上设置若干(5-6)个取样管，可以取反应器内的污泥样，以随时掌握污泥在高度方向的浓度分布情况。并可计算反应器的存泥总量，以确定是否需要排。剩余污泥量的确定与每天去除的有机物量有关，进行计算。当没有相关的参数时，可根据经验数据确定。一般情况下，每去除1kgCOD，可产生0.05-0.1kgVSS计算。

5.其他的设计

UASB反应器如果需要加热或保温，可参阅有关资料（如给水排水设计手册第五册)。在处理浓度很高的废水时，为了把进水COD控制在15g/L以下，必须利用出水回流，这时要考虑设计循环设备。采用出水循环有助提高废水与污泥之间的良好接触，并可减少有毒物的影响。特别是在反应器启动阶段，把COD值稀释或采用出水回流使反应器进水至<5g/L对优质厌氧污泥生长是有益的，并可防止酸化的发生。

UASB反应器各部分应采取相应的防腐措施，尤其是当采用钢板制造三相分离器时，必须严加防腐。由于HS在空气中氧化成H2S04，溶解性CO2的腐蚀，所以特别是UASB反应器的上部的混凝土和钢结构必须要采取防腐措施。

四、UASB厌氧反应器标准规定

 

五、结束语

许多工业废水很适合于厌氧处理，但可能对厌氧生物体有毒(大部分工业废水都含有某种有毒的成分)。但是在环境条件有利时，厌氧和好氧生物处理工艺能够从含有抑制物的废水中有效去除多种有机污染物。而且，如果对厌氧微生物采取适当的预防措施(即小心地慢慢增加抑制物的浓度，同时防止生物体从系统中流失，直到生物降解或驯化)，许多种附带的有机有毒物是能够得到厌氧生物降解的。

许多好氧法无能为力的氯化有机物，如三氯甲烷和四氯化碳也曾经被认为不能用厌氧法处理。如今，通过适当的操作控制并采用合适的进水方式，也可以进行厌氧生物转化。尽管带有双键或醛基的活性有机物对于未经驯化的生物体来说是有毒的，但如果控制适当的 SRT，最终可以容易地被降解。另外，重金属可以被螯合或者沉淀，在这两种情况下，都将失去毒性。所以，UASB这种厌氧主流反应器，值得各位设计师去尝试、去应用，不断的从中优化和创新。