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厌氧技术——UASB处理工业废水的研究现状及发展趋势

文档作者：罗光俊1 康娓2 文档来源： 1贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室 2贵州省楚天环境工程技术研究中心		点击数：	更新时间： 2024年07月31日
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处理工业废水的研究现状及发展趋势
罗光俊1康娓2
(1贵州大学喀斯特环境与地质灾害防治教育部重点实验室
2贵州省楚天环境工程技术研究中心贵州贵阳550001)
摘要介绍厌氧生物技术、UASB反应器的发展及应用现状，同时阐述UASB的机理、优缺点、主要影响因素等，最后，简
要介绍UASB组合工艺的应用及UASB发展趋势与应用前景。
关键词厌氧UASB工业废水发展应用
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672—9064(2013)02-081一C4
厌氧生物处理是指在没有分子氧及化合态氧存在的条
件下⋯．兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理
方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转
化为简单的化合物，同时释放能量。在这个过程中。有机物的
转化分为3部分：①转化为甲烷．这是一种可燃气体，可回收
利用；②被分解为二氧化碳、水、氨、硫化氢等无机物，并为细
胞合成提供能量；③少量有机物则被转化、合成为新的细胞
物质。最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，近年来开发的
有厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床反应器、分
段厌氧处理法、厌氧膨胀床和厌氧流化床、厌氧生物转盘、两
相厌氧法等。在上述厌氧反应器中，近年来发展最快和应用
最多的是UASB上流式厌氧反应器．此反应器已成功用于多
种类型的工业废水处理中。
1 UASB反应器处理污水的发展和研究及应用现状
1．1 UASB反应器的介绍【31
上流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge bed
UASB)是荷兰Wageningen农业大学教授Lettinga等人在20
世纪70年代发明的。UASB反应器主要由4个部分组成：①
污泥床；②流化态区域；③气固液分
离区域；④固定区域，具体如图1所
示。
1．2 UASB的产生及发展
”
上流式厌氧污泥床(Up—Flow
Anaerobic Sludge Blanket．简称
UASB)反应器是由Lettinga等人于
1973～1977年问研制成功的．升流式
厌氧污泥床与其它大多数厌氧生物
处理装置不同之处是：废水由下向
上流过反应器．污泥无需特殊搅拌
图1 LASB反应器设备：反应器顶部装有三相分离器。
(1)污蠢是X化床；它的最大突出特点是能在反应器内
(3)气固分离区；(4)固定实现污泥颗粒化，颗粒污泥的直径
区域；(A)进水；(B)出一般为O．1。2cm．相对密度为1．04．
水；(c)排污水
1．08．具有良好的沉淀性能和很高的
产甲烷活性。污泥颗粒化后，反应器水力停留时间比较短，所
以UASB反应器具有很高的容积负荷。我国从1980年初开
作者简介：罗光俊，在读硕士研究生。
发和引进UASB处理技术后．在高浓度有机废水厌氧处理技
术的发展方面进行了大量的开发研究．针对高浓度废水的特
点，以啤酒、酿造业进行了攻关研究，在小试和中试研究的基
础上．建立了一些示范工程。在此期间国际上厌氧技术也在
迅速发展。由第2代高效厌氧反应器UASB向第3代厌氧反
应器发展．其中有代表性的是厌氧颗粒污泥膨胀床反应器
(EGSB)。
1．3 UASB反应器的发展及国内外应用情况
UASB反应器作为如今高效厌氧反应器中应用最广泛
的反应器之一，具有能耗低、造价低、能产生生物能等特点，
因而是值得推广应用的一种新型生化厌氧处理反应器。长期
以来被广泛应用于各种类型的废水处理．在国内外的应用研
究中也常常出现。在国外如美国、芬兰、泰国、瑞士、加拿大和
奥地利都曾利用UASB反应器处理各种生产废水．如甜菜制
糖加工废水、啤酒和酒精加工废水、生活污水、牛奶废水的处
理等，都取得了较好的处理效果。我国于1981年开始了对
UASB反应器的试验研究．许多单位在处理高浓度有机废水
时采用UASB反应器进行处理，已取得了较好的成效。对于
UASB反应器等厌氧处理构筑物处理高浓度有机废水．其出
水一般未能达到废水的最终排放要求．所以往往采取与其他
处理工艺相结合的方式。在1990年代末期出现了UASB与
其他工艺联合使用的例子．如UASB—AF工艺处理维生素C
废水。上流式厌氧污泥床过滤器处理涤纶废水等。提高了处
理效果。
2 UASB反应器的机理
UASB反应器由2个区域组成．反应区和三相分离区。
分离区使气、液、固三相分离。所以称之为三相分离。其下部
是反应区，上部是沉淀区。反应区下部是污泥床，污泥床由具
有良好沉降性能与生物活性的许多厌氧颗粒污泥构成。
在UASB运行的时候．把需要处理的废水以一定流速引
入到UASB反应器的底部，使其水与泥混合，从而就会发生
厌氧反应。废水经过酸化和甲烷化2个过程，把污水中的有
机物分解，并产生沼气(主要是CH4和CO：)，就会在水和气
之间形成一种自然的搅拌形式。气体经过搅拌。把污泥床的
松散污泥带入污泥悬浮层区。与悬浮污泥碰撞接触。一部分
污泥比重加大，被沉人污泥床区。悬浮层混合液中污泥松散，
2013．No．2．o 万方数据
颗粒污泥的比重小，存在着很小的VSS(污泥浓度一生物量)。
气、液、固的混合液上升至三相分离器内．气体首先把进入集
气室的进行分离，污泥和水进入沉降室。由于把气体分离了．
沉降室的扰动很小，液体的运动趋于层流形态．在重力作用
下，泥水分离，污泥沿斜壁返回反应区．使反应器中具有足够
的污泥量．上清液被流水从沉淀区的上部排走。
3 UASB反应器的优点及存在的主要问题
3．1 UASB反应器的优点Ⅲ
UASB比较广泛应用于高浓度的有机废水处理．相比于
其他反应器有其独特的优点．具体如下：
(1)可培养出降解活性较高的颗粒污泥：由于厌氧颗粒
污泥降解能力强，沉降性能好。所以利用UASB反应器处理
大部分高浓度有机废水，在反应运行稳定的前提下．颗粒污
泥的生长可维持反应器内较高的生物量．
(2)初次启动时间较长但二次启动较短：UASB反应器
初次启动所需时间较长。但是当UASB正常运行后进行二次
启动，由于在初次启动过程中产生有剩余颗粒污泥．而成熟
的颗粒污泥可以在常温下保存很长时间而不损失其活性．并
且对各类废水有较强的适应能力．所以反应器的二次启动时
间将大大缩短．
(3)对各类废水的适应性较强：厌氧颗粒污泥对各种不
利条件的抗性较强．利用UASB反应器可以处理各种浓度的
有机废水。也可处理有毒有害废水．如含酚废水等。同时，
UASB反应器对温度的要求也较低，不仅可在高温、中温条
件下进行。也可在常温、低温下进行反应，且能取得较高的处
理效果。
(4)需设分离装置，简化工艺：由于在反应器的顶部设置
了气固液三相分离器．沉降性能良好的厌氧颗粒污泥可以通
过三相分离器自行下降并返回到下部的反应区．避免了增设
沉淀分离装置、辅助脱气装置及回流污泥设备，简化了工艺．
减少了装置的投资成本和反应运行费用。同时．颗粒污泥在
上升后最终返回到反应区．在反应器内部保持了污泥的总
量，能够维持较高的生物量。
(5)反应器内元需搅拌设备也无需投加填料和载体：在
UASB反应器中．由于颗粒污泥的密度较小．在适度的水力
负荷范围内．可以靠反应器内产生的上升气流和水流上升力
来推动污泥与污水的充分混合及接触．因此．无须另设搅拌
设备和回流污泥设备，降低装置投入成本。由于在UASB反
应器中．上升的污水是通过与反应器中的颗粒污泥充分接触
发生厌氧反应的．所以无须另外投加填料和载体，具有污泥
容积负荷率高、投资省、操作简单等优点。
(6)一般不易形成股流：由于反应器中产生的上升气流
和污水的上流力较为均匀．污水向上流动在反应区与颗粒污
泥充分混合，所以在UASB反应器内在负荷适度、布水均匀
的情况下一般不易形成股流。
3．2 UASB反应器的工艺存在的问题
虽然UASB反应器相比于其他反应器有其独特的优点．
在处理高浓度有机废水方面的应用也是非常具备竞争力的．
2013．N02．
但也无可避免地存在一些弊端，尚有一些难以控制的问题。
(1)污泥颗粒化的形成：UASB反应器能培养出沉降性
能良好的厌氧颗粒污泥，但是这具有一定的难度，与系统中
的碱度大小、水力负荷的高低、以及COD、N、P的比例是否
恰当有关。
(2)污泥的流失：为了保证UASB反应器的污泥总量．颗
粒污泥在上升过程中与产生的气泡分离．依靠重力作用重新
返回到反应区，这与污水的上流速度有关。由于污水的上流
速度和反应器中气流的上升速率难以控制．所以保证反应器
中污泥不流失具有一定的难度。同时反应器中厌氧微生物的
自身生长也可能导致污泥量的减少．因此．保证UASB反应
器中良好的生物停留状态而不受水流影响是工作的重点也
是难点。
4不同因素对UASB的影响
(1)有机负荷对UASB反应器的影响[51：UASB反应器的
有机负荷一般为10～30kg／(m3·d)。有机负荷太低，不利于厌
氧菌的生长。另一方面，冲击负荷对UASB反应器会有很大
的负面影响。容易导致污泥溢出，COD去除率降低，严重的
甚至造成反应器酸化，厌氧消化受破坏。一般来说，在UASB
反应器的启动初期采用较小的有机负荷．当COD去除率达
到较满意值后，逐步提高负荷。提高有机负荷一般用逐渐加
大进水浓度的办法，国内有研究显示，采用间歇进水，逐渐延
长每次进水时间的方法可以促进颗粒污泥的形成。
(2)pH值对UASB反应器的影响：由于产甲烷菌对pH
值变化适应能力不强，所以UASB反应器的pH值一般控制
在6．8～7．2。否则，当UASB反应器酸化时。反应器内的产酸
菌大量生长，产甲烷菌的活性受到抑制。Ghalv AE．A等人对
两相UASB工艺处理乳制品工厂废水进行研究时发现．在反
应器启动初期，为了保持pH值，投加碱提高缓冲能力是必
要的。而到了稳定处理阶段．则由于成熟的微生物种群的形
成而使反应器获得较高的稳定性。可以不再加碱。Kalyuzhnv．
sv等人在pH值为4的情况下，用UASB反应器处理乳制品
工业废水，可获得6．5kgCODcr／(ma．d)的有机负荷。
对UASB反应器内的pH值进行监控，若仅仅对出水测
定pH值，会产生滞后现象。故在设备中、下部也设取样点。
此外．挥发性脂肪酸(VFA)在厌氧反应器中的积累能反映出
甲烷菌的不活跃状态或反应器的酸化程度。在低级脂肪酸
中．丙酸的临界抑制浓度最低，丙酸的积累往往造成反应器
运行效率下降。因此可同时控制丙酸的浓度在一定范围内。
(3)温度对UASB反应器的影响：UASB反应器一般采用
中温35～45℃。高温45．55。C厌氧消化。目前国内外对自然常
温下启动UASB反应器也进行了大量研究．如陈玉等人就曾
在17～24℃的温度下厌氧处理制药废水。Raghida lepisto和
Jukka Rintala进行了极高温(70～80℃)下UASB反应器的特
征研究。不过进水大多用的是VFA配置的溶液．对实际污水
的处理研究较少。UASB反应器要求在较稳定的温度范围内
运行．IJau．Ivan．W．C等人研究发现．升高或降低UASB反应器
的温度十几度，COD去除率会降至原来的60％到25％不等。
万方数据
不过，一旦恢复到原始温度，很快又能转为正常。
(4)营养物与微量元素对UASB反应器的影响：厌氧消
化过程中，有机污水通常缺氮，磷。厌氧处理对氮和磷的需要
量比好氧法低，一般采用BOD：N：P的值为(300．500)：5：
1。在UASB反应器中投加一定量尿素．磷酸盐。有利于厌氧
消化的进程。杨景亮等人选择Mg，Mn，Mo，Co。5种金属离子
进行正交实验，结果发现低浓度的Mg，，Mn，Mo，Co离子对
厌氧消化有促进作用．通过实验和数学分析得到这几种痕量
离子对厌氧消化过程的影响主次顺序为：Co，Mo,Mg，Mn，
Ni，在UASB反应器驯化污泥期间．加入葡萄糖。有利于颗粒
污泥的形成。特别是在污水中含有难降解物质时更是如此。
TOR—MAO—YUAN等人在处理高浓度丙酸废水时．定期加入
葡萄糖，能够极大地加快污泥颗粒化进程。
5 UASB组合工艺的研究
5．1 UASB+SBR工艺处理废水研究进展[71
李庆新等采用UASB+SBR工艺对皂素生产废水进行了
处理研究，以生活污水处理厂剩余污泥为种泥。成功实现了
UASB+SBR处理系统的快速启动．消除硫酸根对生物处理系
统的影响。并在较短的时间内(21d左右)培养出了厌氧颗粒
污泥。UASB启动后，在进水COD质量浓度34000mg／L左右
时。COD的去除率一直保持在95％以上．出水COD质量浓
度维持在1300mgL左右。厌氧出水经过SBR处理后．出水
水质达到了《综合污水排放标准>中的二级排放标准要求。，
陈明忠等采用UASB／SBR工艺完成了燃料乙醇生产废
水处理工程的设计和建设。对燃料乙醇生产废水进行了分质
处理。对高浓度废水采用UASBISBR工艺处理，对于低浓度
废水则在其水质满足设计值时．经格栅处理后直接进入预曝
池进行好氧处理即可．当其水质高于设计值时则经格栅处理
后与高浓度废水一并处理。运行结果表明，在实际进水浓度
高于设计值的情况下，出水水质达到了《污水综合排放标准》
(GB8978--1996)的一级标准，表明工艺设计合理。处理效果
良好。
5．2 UASB+CASS工艺处理废水研究进展
根据啤酒废水的特点．张可蓉提出了UASB+CASS组合
工艺的处理方法。该法通过实际应用表明：废水COD可由
1500～3000mg／L降至50mgtL、BOD可由1000—1500mg／L降至
15mg／L。SS可由300-400倍降至50mg／L。该工艺具有处理效
果好、运行可靠、操作简单的特点。
徐艳红等采用UASB反应器处理酒精废水．用城市污水
处理厂厌氧消化污泥接种。在启动过程中．升温用了近30d，
升温后。仅用37d就成功培养出颗粒污泥，由此可见。只要启
动方法适当，可大大缩短UASB反应器启动时间。颗粒污泥
可快速形成．克服了UASB反应器启动速度慢的缺点。为
UASB反应器的更广泛应用提供了借鉴。
5．3 UASB+MBR工艺处理废水研究进展
李亚选等人在李坑生活垃圾填埋场污水处理站设计了
规模为800m?／d．污水处理采用目前渗滤液处理中先进的
UASB—MBR—DTRO工艺．污泥处理采用机械脱水一焚烧
工艺。反渗透浓缩液采用回喷焚烧的方法。臭气处理采用分
散收集后生物法集中除臭的方法。出水达到了《城市污水再
生利用城市杂用水水质)(GB／T 18920---2002)标准。
啤酒废水的主要特点之一是BOD／COD高．利于生化处
理。南昌某啤酒厂产生的啤酒废水采用UASB--MBR工艺处
理，取得了较好的效果。该厂生产废水水质为COD：2000．
2300mg／L、BOD：t000—1200mg／L、NH3-N：35—65mg／L、TN：30-
70mg／L、pH：5．5-6。出水COD：40-45mg／L，BOD：15—20mg／L，
SS：1-5mg／L，各项指标都达到了《污水综合排放标准》
(GB8978—1996)的一级标准。
6 UASB反应器处理污水的发展趋势和应用前景
(1)UASB工艺的发展趋势[8】：虽然UASB工艺的应用在
我国已有较大发展，但是与国外水平还有差距。应进一步加
强在UASB反应器及其配套设备的设备化和工程应用上的
探索和实践。同时。在以下几个方面，UASB厌氧处理工艺也
在实现新的发展：①低温下UASB反应器的运行；②高温厌
氧处理：③用于处理不积累或不产生新的颗粒污泥的UASB
反应器；④处理含有高浓度毒性物质的废水；⑤低浓度废水
的厌氧处理。
(2)UASB反应器的应用前景：随着厌氧技术的发展．
UASB应用范围更加广泛．不再局限于高浓度和可生化性好
的有机废水。它已经被广泛应用于处理低浓度的生活污水和
有毒性的工业生产废水。UASB反应器是目前应用最为广泛
的高效厌氧反应器。此反应器具有容积负荷高、水力停留时
间短、能耗低、成本少、设备简单、操作方便、运行稳定、处理
效果好等特点。因而是值得推广应用的一种新型生化厌氧处
理反应器。随着对厌氧生物处理技术的不断认识和深入研
究．人们对UASB反应器也在进行不断地改进和完善，尤其
是对其构造的改进．特别是对其中复杂的三相分离器的优化
设计．颗粒污泥的形成机理和形成条件的研究，以及启动和
运行过程中各种条件的控制等各方面的探索。使UASB反应
器在废水处理中具有更广阔的应用前景。特别是将UASB与
其他好氧工艺联合应用，比如UASB+SBR、ASB+MBR、
UASB+AS、UASB+CASS等，这样一来，兼容2种工艺的优点，
避免2种工艺的缺点．不但可在厌氧段回收能量。而且可在
好养段减少电耗．将从根本上改善传统方法中的以高能耗换
取合理的处理水质的现状．该方法将使污水处理成为一种资
源再生和利用的新工业。这将是UASB应用研究的一个新方
向。随着研究的不断深入与发展·．相信UASB厌氧处理工艺
的前景一定十分广阔。
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(下转第86页)
万方数据 2013．N0．2．o
氧化的有机物被降解氧化后．剩下的有机物难以被进一步氧
化分解，并且过长时间的曝气会影响化学污泥的沉降。这说
明反应时间不是越长越好，最佳反应时间为60-120min。
对于简单的不可逆反应A—P，其反应速率方程为：
-rA--ken^ (1)
对于恒温恒容过程，可表示为：
一旦}=kcⅡ^ (2)
131[
将式(2)分离、积分，可得：
，C^， kt=f，争(3)
J c柚cn^ 、’
由式(3)可知，只要知道反应级数n和初始浓度，就可以
计算出达到某一给定浓度时的反应时间或某一反应时间时
的各组分的浓度。
由于垃圾渗滤液中有机物众多且组成复杂．参加Fenton
反应的物质也较多．因此假设反应符合二级反应动力学微分
方程，其结果用COD来表示，如式(4)所示：
一r(COD)一a(C。O．D)：k[COD]2 (4)
U【
式中：t为反应时间／rain：k为反应速率常数／I／(min·
mg)。
设t=O时，COD=COD0；t=t时，COD=COD。。解方程(1)并
简化，得出该反应的拟二级反应动力学方程，如式(5)。
面1玎一面1i2kt (5)
COD。COD0
’ ⋯
式中：COD。为反应时间t时刻下的COD／(mg／L)；CODo
为反应初始COD／(mg／L)。因而，通过测定不同反应时间下的
一组COD值，由式(4)与(5)．--I知，做(1／COD。一1／CODo)～t的
直线．其直线的斜率即为该COD降解反应的反应速率常数。
裹2不同反应时间下的COD
学方程．并且在298K下其反应速率常数k=1．1497x10-SL／
(min。rag)o
3结论
(1)曝气一Fenton法的最佳反应条件为：初始pH值为3，
FeS04·7H20投加量为0．025mol／L，H202投加量为O．125mol／L。
在最优条件下．曝气一Fenton法对渗滤液膜浓缩液COD去除
率达76．7％。
(2)在最优条件下。二级动力学方程适合描述曝气一Fen．
ton法氧化降解COD反应动力学过程。在298K下，反应时间
为t的COD出水浓度可表示为：COD,=(1．15x10-Sx+5．36xl叶
CODo-1-i,反应速率常数k=1．1497x10-5l_／(min·mg)。
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图5反应速率常数的回归曲线果如图5所示。雠nt．Environmental Science and Technology，1991，25(4)
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力学模型能够较好地预测该反应条件下曝气一Fenton法对渗treatment of mature municipal landfill leachate·Journal of Hazareous
滤液COD的去除效果．即该反应动力学符合二级反应动力Materials，2叩，：潮6(1—2)
川¨．。一m·．州m旷呻¨．．一mn．洲m一州m．一m咿岫¨一Ⅶ”一m¨．删¨．∥咖h．—m一”州m一咖¨．—”·m一-¨．一一¨t”一¨¨”删¨．一咖¨．一哪¨．一Ⅶ“卅m“，-¨-¨州m一州“-一岫·-—m-—j裔}蛰臣_i目I；；—-一州¨m—mm．一m”州¨．·一mm—m¨-一”-m一-
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