小城镇水污染控制与治理技术(27) ——厌氧床(UASB)污水处理技术

　　厌氧污泥床污水处理技术，是厌氧生物处理技术的典型代表，具有处理负荷高、运行成本和能耗低、能够回收能源气体等特点，广泛应用于污泥、垃圾渗滤液、高浓度有机废水等的处理，在小城镇的高、低浓度污水的处理方面也具有广阔的应用前景。

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技术原理

　　UASB（Upflow anaerobic sludge blank）处理工艺是由Lettinga等人于1972年提出的一种厌氧生物处理技术。如图1所示，UASB的基本功能分区自下而上分别为：进水配水区、反应区（由颗粒污泥床及絮状污泥层组成）、三相分离器以及出水区。

图1 UASB构造示意图

　　污水通过底部配水区进入UASB反应器，配水区设有布水器以保证配水均匀。之后污水向上通过颗粒污泥或絮状污泥构成的污泥床，水中有机物与污泥充分接触，在厌氧微生物的作用下发生分解，生成二氧化碳和甲烷气体，从而在反应器中不断地产生气泡。这些气泡的上升对污泥床中的污泥产生扰动，使其悬浮于反应器中，形成松散的污泥层，与污水更加充分混合接触。含有大量气泡的混合液不断上升，到达三相分离器后，大量气体首先被分离，进入到集气室；反应器侧壁上装有挡板，正好位于三相分离器下端，能够防止气体随混合液进入三相分离器斜壁外的沉淀区。在沉淀区中，斜壁的重要作用是使过流面积不断增大，因此混合液的上升流速逐渐降低，污泥发生絮凝沉淀，通过三相分离器的斜壁下滑返回污泥层。分离后的处理水进入出水区，经溢流堰排出。

　　UASB中有机物降解的原理可以用Zeikus提出的四阶段理论进行阐述，包括图2所示的水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷阶段。

图2 厌氧发酵的四阶段理论

　　厌氧工艺与好氧工艺相比存在许多优点，但也存在一些问题。如表1所示，厌氧工艺能耗低，能够从污水中回收能源，剩余污泥量低，不需要过多的营养物质和微量元素，且负荷率高，但COD的降解不够彻底，氮磷也不能有效去除，也存在臭味产生的问题。

表1 厌氧工艺与好氧工艺的优缺点

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技术类型与特征

　　1）技术类型

　　UASB系统有单相UASB、两相UASB、回流式UASB等系统形式。其中回流式UASB系统适用于高浓度污水处理（COD>15000mg/L），而单相和两相UASB则适用于一般生活污水处理。

　　2）技术特点

　　UASB系统的主要技术特点为：

　　①反应系统内污泥浓度高，通常为20~40 gVSS/L，远高于传统活性污泥法；

　　②系统能够承受的有机负荷高、水力停留时间短、污泥停留时间长；

　　③通过发酵过程中产生的气体使污泥处于悬浮状态，无需额外的搅拌设备，但可能存在短流现象；

　　④无需外加填料层，能节省造价同时避免因填料层造成的堵塞；

　　⑤UASB内设三相分离器进行泥、水、气分离，通常可不设沉淀池；

　　⑥能够回收能源物质甲烷，但是对水质变化比较敏感。

　　3）影响UASB处理性能的主要因素

　　①进水基质类型及营养比例；

　　②进水SS浓度；

　　③碱度和挥发脂肪酸控制；

　　④有毒有害物质

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技术设计要点

　　1）设计水量和设计水质

　　UASB反应器应符合下列进水条件：

　　①pH值宜为6.0~8.0；

　　②常温厌氧温度宜为20℃~25℃，中温厌氧温度宜为35℃~40℃，高温厌氧温度宜为50℃~55℃；

　　③营养比（COD：氨氮：磷）宜为100~500：5：1；

　　④BOD5/COD的比值宜大于0.3；

　　⑤进水中悬浮物含量宜小于1500mg/L；

　　⑥进水中氨氮浓度宜小于2000mg/L；

　　⑦进水中硫酸盐浓度宜小于1000mg/L；

　　⑧进水中COD浓度宜大于1500mg/L。

　　如果不能满足进水要求，宜采用相应的预处理措施；设计出水直接排放时，应符合国家或地方排放标准的要求；排入下一级处理单元时，应符合下一级处理单元的进水要求；UASB反应器的设计污染物去除率如下：COD为80~90%，BOD5为70-80%，悬浮物为30-50%。

　　2）预处理

　　预处理包括格栅、沉砂池、沉淀池、调节池、酸化池及加热池等。应根据需要设粗、细格栅或设细格栅；处理畜禽粪便等含砂较多污水时，应设置沉砂池；应设置调节池，其设计容量应根据污水流量变化曲线确定，无流量变化曲线时，应满足污水水质水量均化的要求，停留时间宜为6~12h，间歇运行时，应按照1~2周期的处理水量来确定；调节池内宜设置搅拌装置，搅拌机动力宜为4W/m³~8W/m³池容；调节池出水端应设置去除浮渣装置，池底宜设置排砂和排泥装置；反应器宜采用保温措施，使反应器内的温度保持在适宜的范围内，如不能满足温度要求，应设置加热装置，具体可参考相关的规范。

　　3）UASB反应器池体

　　UASB反应器工艺设计宜设置两个系列，具备灵活可调的运行方式，且便于污泥的培养和启动，反应器的最大单体体积应小于3000m³；有效水深应在5m~8m之间；污水的上升流速宜小于0.8m/h；宜采用钢筋混凝土、不锈钢、碳钢等材料。

　　4）UASB反应器组成

　　UASB反应器主要包括布水装置、三相分离器、出水收集装置等。

　　①布水装置

　　UASB反应器宜采用多点布水装置，进水管负荷可以参考下表（表2）；布水装置宜采用一管多孔式布水，一管一孔式布水或枝状布水；布水装置进水点距反应器池底宜保持150mm~250mm的距离；一管多孔式布水孔口流速应大于2m/s，穿孔管直径应大于100mm；枝状布水支管出水孔向下距池底宜为200mm；出水管孔径应在15mm-25mm之间；出水孔处宜设45°斜向下布导流板，出水孔应正对池底。

表2 进水管负荷参考值

　　②三相分离器

　　宜采用整体式或组合式的三相分离器；沉淀区的表面负荷宜小于0.8m³/(m²∙h)，沉淀区总水深应大于1.0m；出气管的直径应保证从集气室引出沼气；集气室的上部应设置消泡喷嘴；三相分离器宜选用高密度聚乙烯（HDPE）、碳钢、不锈钢等材料，采用碳钢材质应进行防腐处理。

　　③出水收集装置

　　出水收集装置应设置在UASB反应器的顶部；断面为矩形的反应器出水宜采用几组平行出水堰的出水方式，断面为圆形的反应器出水宜采用放射状的多槽或多边形槽出水的方式；集水槽上应加设三角堰，堰上水头大于25mm，水位宜在三角堰齿1/2处；出水堰口负荷宜小于1.7L/(s×m)；处理污水中含有蛋白质或脂肪、大量悬浮固体，宜在出水收集装置前设置挡板；进出水管道宜采用聚氯乙烯、聚乙烯和聚丙烯等材料。

　　5）排泥装置

　　UASB反应器的污泥产率为0.05kgVSS/kgCOD

~0.10kgVSS/kgCOD，排泥频率宜根据污泥浓度分布曲线确定，应在不同的高度设置取样口，根据监测污泥浓度制定污泥分布曲线；应采用重力多点排泥；排泥点宜设置在污泥区的上部和中部，中上部排泥点宜设在三相分离器下0.5m~1.5m处；排泥管管径应大于150mm；底部排泥管可兼做放空管；厌氧污泥宜直接排至集泥池，根据污泥的性质确定后续处理方法；颗粒污泥宜设置储存装置，经过静置排水后作为接种污泥，絮状污泥宜进行脱水处理；污泥脱水设计时宜考虑污泥最终受纳场所的要求。

　　6）沼气净化及利用

　　UASB反应器的沼气产率为0.45Nm³/kgCOD

~0.50Nm³/kgCOD。沼气的净化利用主要包括脱水、脱硫及沼气贮存。沼气的利用应经过脱水和脱硫处理方可进入后续利用装置，具体设计可以参考相关规范；沼气贮存可采用低压湿式储气柜、低压干式储气柜和高压储气柜，储气柜与周围建筑物应有一定的安全防火距离；沼气储气柜输出管道上适宜设置安全水封或阻火器；沼气日产量低于1300m³的UASB反应器，宜作为炊事、采暖或厌氧换热的热源，沼气日产量高于1300m³的UASB反应器，宜进行发电利用或作为炊事、采暖或厌氧换热的热源。

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应用实例

　　UASB适合于处理高浓度污废水，因此国内迄今运用UASB技术的案例大都集中在工业废水处理方面。但在国外，也不乏UASB应用于包括小型污水处理在内的生活污水处理工程。国外某小城镇采用UASB工艺处理生活污水，由于服务人口较少，排水量变化幅度较大，虽然UASB系统的设计处理能力为3m³/h (72m³/d)，实际处理水量在0.6~2.4m³/h（平均1.2m³/h）范围内波动。如图3所示，处理系统为多槽式UASB，即三个UASB反应器联建，因此系统包括3个反应区和3个三相分离区，但沉淀区相互联通。总水力停留时间为7.5小时，混合液的平均上升流速仅为0.6m/h。长期连续运行结果表明，在进水平均浓度较高（COD、BOD和SS的平均值分别为712mg/L、312mg/L和386mg/L）的条件下，处理效果稳定，COD、BOD和SS的平均去除率分别为79%、74%和92%，经后续过滤后，能够达到就地绿化回用的水质要求。回收的甲烷气体作为燃料用于居住区的小型锅炉。

图3 多槽式UASB污水处理系统示意图