UASB在高濃度有機廢水中的應用

一、概述

　　厭氧處理已經成功地應用于各種高、中濃度的工業廢水處理中。雖然中、高濃度的廢水在相當程度上得到了解決，但是當污水中含有抑制性物質時，如含有硫酸鹽的味精廢水在處理上仍有一定的難度。在厭氧處理領域應用的是UASB反應器，所以本文重點討論UASB反應器的設計方法。但是，其與其它的厭氧處理工藝有一定的共同點，例如，流化床和UASB都有三相分離器。而UASB和厭氧濾床對于布水的要求是一致的，所以結果也可以作為其他反應器設計參考。

　　包含厭氧處理單元的水處理過程一般包括預處理、厭氧處理（包括沼氣的收集、處理和利用）、好氧后處理和污泥處理等部分，可以用圖1所示的流程表示。

二、UASB系統設計

1、預處理設施
　　一般預處理系統包括粗格柵、細格柵或水力篩、沉砂池、調節（酸化）池、營養鹽和pH調控系統。格柵和沉砂池的目的是去除粗大固體物和無機的可沉固體，這對對于保護各種類型厭氧反應器的布水管免于堵塞是必需的。當污水中含有砂礫時，例如以薯干為原料的釀酒廢水，怎么強調去除砂礫的重要性也不過分。不可生物降解的固體，在厭氧反應器內積累會占據大量的池容，反應器池容的不斷減少zui終將導致系統*失效。
　　由于厭氧反應對水質、水量和沖擊負荷較為敏感，所以對于工業廢水適當尺寸的調節池，對水質、水量的調節是厭氧反應穩定運行的保證。調節池的作用是均質和均量，一般還可考慮兼有沉淀、混合、加藥、中和和預酸化等功能。在調節池中設有沉淀池時，容積需扣除沉淀區的體積；根據顆?；蚿H調節的要求，當廢水堿度和營養鹽不夠需要補充堿度和營養鹽（N、P）等；可采用計量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過調節池水力或機械攪拌達中和作用。
　　同時，酸化池或兩相系統是去除和改變，對厭氧過程有抑制作用的物質、改善生物反應條件和可生化性也是厭氧預處理的主要手段，也是厭氧預處理的目的之一。僅考慮溶解性廢水時，一般不需考慮酸化作用。對于復雜廢水，可在調節池中取得一定程度的酸化，但是*的酸化是沒有必要的，甚至是有害處的。因為達到*酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調整pH值。另外有證據表明*酸化對UASB反應器的顆粒過程有不利的影響。對以下情況考慮酸化或相分離可能是有利的：
　　1） 當采用預酸化可去除或改變對甲烷菌有毒或抑制性化合物的結構時；
　　2） 當廢水存在有較高的Ca²⁺時，部分酸化可避免顆粒污泥表面產生CaCO₃結垢；
　　3） 當處理含高含懸浮物和/或采用高負荷，對非溶解性組分去除有*；
　　4） 在調節池中取得部分酸化效果可以通過調節池的合理設計取得。例如，上向流進水方式，在反應器底部形成污泥層（1.0m）。底部布水孔口設計為5～10m²/孔即可。
2、UASB反應器體積的設計
　　a） 負荷設計法
　　采用有機負荷（q）或水力停留時間（HRT） 設計UASB反應器是目前zui為主要的方法。一旦q或HRT確定，反應器的體積（V）可以很容易根據公式（1或2）計算。對某種特定廢水，反應器的容積負荷一般應通過試驗確定。

　　V = QS_o/q　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （1）

　　V =KQ.HRT　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　 （2）

　　式中：Q---廢水流量，m³/d；
　　　　　S_o---進水有機物濃度，gCOD/L或gBOD₅/L。

　　表1給出不同類型廢水國內外采用UASB反應器處理的負荷數據，需要說明的是表中無法一一注明采用的預處理條件和厭氧污泥類型等情況，這些條件對選擇設計負荷是至關重要的。下表供設計人員設計時參考，選用前必須進行必要的實驗和進一步查詢有關的技術資料。

　　b） 經驗公式方法
　　Lettinga等人采用同樣經驗公式描述不同厭氧處理系統處理生活污水HRT與去除率（E）之間的關系，并且對不同反應器處理生活污水的數據進行了統計，得出了參數值。

　　式中：C₁ ,C₂——反應常數。

　　c） 動力學方法
　　許多研究者致力于動力學的研究，Henxen和Harremoes（1983）根據眾多研究結果匯總了酸性發酵和甲烷發酵過程重要的動力學常數（見表2）。到目前為止，動力學理論的發展，還沒有使它能夠在選擇和設計厭氧處理系統過程中成為有力的工具，通過評價所獲得的實驗結果的經驗方法現在仍是設計和優化厭氧消化系統的*的選擇。

3、UASB反應器的詳細設計
　　1） 反應器的體積和高度
　　采用水力停留時間進行設計時，體積（V）按公式（1）或（2）計算。選擇反應器高度的原則是設計、運行和經濟上綜合考慮的結果。從設計、運行方面考慮：高度會影響上升流速，高流速增加系統擾動和污泥與進水之間的接觸。但流速過高會引起污泥流失，為保持足夠多的污泥，上升流速不能超過一定的限值，從而使反應器的高度受到限制；高度與CO₂溶解度有關，反應器越高溶解的CO₂濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于*值，會危害系統的效率。
　　從經濟上考慮: 土方工程隨池深增加而增加，但占地面積則相反；考慮當地的氣候和地形條件，一般將反應器建造在半地下減少建筑和保溫費用。的反應器高度（深度）一般是在4到6m之間，并且在大多數情況下這也是系統*的運行范圍。
　　2） 反應器的升流速度
　　對于UASB反應器還有其他的流速關系（圖2）。對于日平均上升流速的推薦值見表3，應該注意對短時間（如2～6h）的高峰值是可以承受的（即暫時的高峰流量可以接收）。

　　3） 反應器的截面積和反應器的長、寬（或直徑）
　　在確定反應器的容積和高度（H）之后，可確定反應器的截面積（A）。從而確定反應器的長和寬，在同樣的面積下正方形池的周長比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以表面積為600m²的反應器為例，30×20m的反應器與15m×40m的反應器周長相差10%，這意味著建筑費用要增加10%。但從布水均勻性考慮，矩形在長/寬比較大較為合適。從布水均勻性和經濟性考慮，矩形池在長/寬比在2:1以下較為合適。長/寬比在4:1時費用增加十分顯著。
　　圓形反應器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。但這一優點僅僅在采用單個池子時才成立。當建立兩個或兩個以上反應器時，矩形反應器可以采用共用壁。對于采用公共壁的矩形反應器，池型的長寬比對造價也有較大的影響。如果不考慮其他因素，這是一個在設計中需要優化的參數。
　　4） 單元反應器zui大體積和分格化的反應器
　　在UASB反應器的設計中，采用分格化對運行操作是有益的。首先，分格化的單元尺寸不會過大，可避免體積過大帶來的布水均勻性等問題；同時多個反應器對系統的啟動也是有益的，可首先啟動一個反應器，再用這個反應器的污泥去接種其他反應器；另外，有利于維護和檢修，可放空一個反應器進行檢修，而不影響系統的運行。從目前實踐看zui大的單體UASB反應器（不是*的）可為1000-2000m³。
　　5） 單元反應器的系列化
　　單元的標準化根據三相分離器尺寸進行，三相分離器的型式趨向于多層箱體的設備化結構。以2×5m的三相分離器為例，原則上講有多種配合形式。但從標準化和系列化考慮，要求具有通用性和簡單性。所以，池子寬度是以5m為模數，長度方向是以2m為模數。布置單元尺寸的方式可分成單池單個分離器和單池兩個分離器的形式。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長度是不受限制。如前所述，由于長寬比涉及到反應器的經濟性，所以要結合池子組數考慮適當的長寬比。對寬度為10m的單個反應器，2:1的長寬比的反應器可達到2000m³的池容。對更大的反應器，如果需要也可采用雙池共用壁的型式。