陳 佶

（河北晟晨農(nóng)業(yè)工程設(shè)計有限公司，河北石家莊 050021）

近三十多年來，我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，由此也帶來了環(huán)境污染問題，特別是在水資源環(huán)境問題上。例如工業(yè)污水成分復(fù)雜，其主要成分為生產(chǎn)用料、生產(chǎn)副產(chǎn)品以及生產(chǎn)剩余物，廢水中常常含有農(nóng)藥、重金屬及放射物等有毒物質(zhì)，對人類及環(huán)境都有很大危害。城市污水中含有大量的有機物及病菌、病毒，處置不當(dāng)會威脅人類的健康。畜禽養(yǎng)殖場廢水除排水量大、有機質(zhì)濃度高、氮磷營養(yǎng)元素含量高等，污水中還常伴有消毒水、殘留的獸藥以及各種人畜共患病原體等污染物，處理難度大。水資源的各種類型的點源污染，如工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)生活污水、集中式畜禽養(yǎng)殖廢水等大量產(chǎn)生，這類污水中含有大量的有機物、氮、磷等物質(zhì)，且不同區(qū)域水質(zhì)水量變化較大，如不經(jīng)有效處理直接排放，不僅會引起水體富營養(yǎng)化，也會進一步導(dǎo)致地下水水質(zhì)受到影響[3]，進而影響我國的水生態(tài)環(huán)境安全[1-2]。目前處理有機污水的方法主要有物化法（混凝沉淀、吸附、膜分離和化學(xué)氧化法等）、人工濕地法和生物法（活性污泥法、生物膜法、好氧氧化、厭氧消化）。然而人工濕地占地面積大且處理效果受環(huán)境溫度影響較大、膜分離工藝具有投資運行成本高的缺點。

厭氧消化技術(shù)是一種利用厭氧微生物將有機物降解轉(zhuǎn)化為生物甲烷的生化過程，其具有占地面積小、有機物去除效率高且可獲取生物甲烷的特點，已成為處理高濃度有機廢水的主要工藝。1970年，荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)Lettinga教授發(fā)明了處理高濃度有機廢水的UASB反應(yīng)器[4]，在該反應(yīng)器中首次增加了三相分離器，使反應(yīng)器厭氧污泥齡大大提高，進而提高了污水中有機物的生化效率，使厭氧發(fā)酵廢水處理技術(shù)獲得突破性的進展。雖然UASB反應(yīng)器具有較高的生化性能，然而在運行中也常會出現(xiàn)短流、死角和堵塞等一系列問題。為解決上述問題，進一步增強厭氧微生物與廢水的混合與接觸，提高負(fù)荷及處理效率，適應(yīng)不同類型的有機廢水，90年代后研究人員在第一代UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上進行了改進[5]，包括改進反應(yīng)器進水布水系統(tǒng)減少堵塞、改進三相分離器減少污泥損失、在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上設(shè)計新型反應(yīng)器并增加循環(huán)裝置等；同時對UASB反應(yīng)器的處理性能進行了研究[6-7]。本文針對UASB反應(yīng)器運行過程中一系列關(guān)鍵問題及改進優(yōu)化技術(shù)進行了總結(jié)梳理，以期為處理不同區(qū)域特點的高濃度有機廢水的UASB反應(yīng)器的高效穩(wěn)定運行提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、工作原理及技術(shù)特點

1.1 UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

Lettinga教授發(fā)明的第一代（1970年）UASB反應(yīng)器主要包括以下7部分：進水系統(tǒng)、污泥床區(qū)、沉淀區(qū)、懸浮床區(qū)、三相分離器、出水系統(tǒng)、沼氣收集系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 UASB反應(yīng)器工作原理

有機廢水經(jīng)過進水系統(tǒng)均勻地進入包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床區(qū)，廢水中的大部分有機物在與顆粒污泥接觸過程中發(fā)生厭氧反應(yīng)生成沼氣；產(chǎn)生的沼氣帶動反應(yīng)器內(nèi)部循環(huán)并起到氣體攪拌的作用，附著污泥隨沼氣向反應(yīng)器頂部上升，在懸浮污泥層產(chǎn)生造粒作用從而形成絮狀污泥或粒狀污泥，當(dāng)氣泡碰擊到三相分離器氣體反射板后發(fā)生破裂，附著在氣泡的粒狀污泥脫離氣泡并沉淀到污泥床的表面，其余的絮狀污泥留在沉淀區(qū)，最后也排到污泥床的表面；氣體被收集到三相分離器的集氣室，經(jīng)厭氧反應(yīng)后的廢水則經(jīng)過出水系統(tǒng)排出反應(yīng)器。

1.3 UASB反應(yīng)器技術(shù)特點

UASB反應(yīng)器的主要技術(shù)特點包括以下4個方面：1）污泥泥齡（SRT）與水力停留時間（HRT）的有效分離：通過三相分離器可實現(xiàn)沼氣、有機廢水和活性污泥的有機分離，進而防止反應(yīng)器中顆粒污泥隨出水排出厭氧消化系統(tǒng)，保證了反應(yīng)器中活性污泥的濃度。2）可培養(yǎng)厭氧顆粒污泥：UASB在處理有機廢水過程中可使活性污泥不斷沉降，同時在Ca2+/Mg2+等參與下可自然馴化培養(yǎng)出高活性的顆粒污泥，相對于絮狀污泥，顆粒污泥具有更好的沉降性能和生物效能。3）不需要其他微生物吸附載體：由于三相分離器和顆粒污泥的形成，在不添加其他輔助吸附載體的條件下，依然可維持反應(yīng)器中高的生物量。4）負(fù)荷高、HRT短：UASB可處理不同類型的有機廢水，承載負(fù)荷一般為5～15kgCOD/（m3·d），其COD去除率可達(dá)90%；HRT較短一般為4～72 h。5）不需攪拌耗能低、后續(xù)污泥產(chǎn)量少，運行成本低：UASB反應(yīng)器通過底部污泥降解有機物產(chǎn)生的沼氣實現(xiàn)自攪拌，相對于好氧工藝，厭氧工藝剩余污泥產(chǎn)量僅為前者的5%～10%，降低了后續(xù)污泥處理成本。據(jù)報道每處理lt COD的廢水，厭氧法只需耗電 75kw·h，而好氧法需耗電l 000 kw·h。

2 改良結(jié)構(gòu)型UASB反應(yīng)器

2.1 三相分離器前射流回水

管錫珺等在對厭氧反應(yīng)器進行了綜述的基礎(chǔ)上對比分析了厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器（Expanded Granular Sludge Blanket Reactor，EGSB）、IC（Internal Circulation，IC）反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征，提出并驗證了改良結(jié)構(gòu)型UASB反應(yīng)器。該反應(yīng)器的主要特征是：與UASB反應(yīng)器相比多出一個內(nèi)循環(huán)反應(yīng)區(qū)，并在內(nèi)循環(huán)反應(yīng)區(qū)采用了射流混合方式，為了強化廢水與接種污泥之間的介質(zhì)混合。與EGSB反應(yīng)器相比，改良結(jié)構(gòu)型UASB反應(yīng)器將循環(huán)回水管改造至三相分離器之前，射流回水也采用了旋流式布水口[8]，更好地利用了三相分離器并減輕其壓力。改良之后，反應(yīng)器顯著改善了反應(yīng)區(qū)的水力條件，能夠有效避免顆粒污泥的流失和適應(yīng)不同的進水濃度。

2.2 反應(yīng)器內(nèi)置填料

針對UASB反應(yīng)器處理垃圾滲濾液出水氨氮濃度高以及反應(yīng)器運行負(fù)荷低等問題，有研究者提出了在UASB反應(yīng)器內(nèi)置半軟性填料。由于內(nèi)置填料可吸附更多的微生物，使反應(yīng)器的沉淀區(qū)在一定時間內(nèi)維持較高的生物量，廢水與厭氧菌種的接觸時間更長、水力停留時間（HRT）更短，更加有利于顆粒污泥的形成。經(jīng)內(nèi)置填料后的出水循環(huán)不僅可以調(diào)節(jié)進水的有機物濃度，還能提高反應(yīng)器的抗負(fù)荷沖擊能力，給厭氧菌創(chuàng)造了較好的生長條件。改良結(jié)構(gòu)型反應(yīng)器的啟動時間大大縮短，只需要42d；反應(yīng)器的容積負(fù)荷可提高至高達(dá)9.6kgCOD/（m3·d），對氨氮濃度和COD（Chemical Oxygen Demand，COD）的去除率可達(dá)80%以上[9]。

2.3 反應(yīng)器布水裝置優(yōu)化

UASB反應(yīng)器進水管道容易被污垢堵塞。由于反應(yīng)器拆卸檢修不方便，維修時要停止運行。因此，需要對進水布水裝置進行改進。進水布水裝置包括布水主管和緩沖裝置[10]，在UASB反應(yīng)器水池頂部的同一平面對稱設(shè)置放射狀的布水支管，支管從反應(yīng)器頂部穿過直到反應(yīng)器底部，最重要的是在支管上配有清洗支管，從而達(dá)到進水裝置無須拆卸在運行中清洗的效果，每根布水支管上設(shè)置流量計和流量調(diào)節(jié)閥來控制進水量以及調(diào)節(jié)清洗液流量。采用容積較大的壓力容器作為緩沖裝置，從而保證進水壓力的穩(wěn)定。改進布水裝置后，進水管道不易堵塞，清理污泥更加方便，可不中斷整個UASB反應(yīng)器運行對局部進水管拆裝維護，實際應(yīng)用效果良好。

2.4 反應(yīng)器三相分離器優(yōu)化

三相分離器是UASB反應(yīng)器中最關(guān)鍵的構(gòu)造，其主要作用是將固、液、氣相進行有效分離。三相分離器的優(yōu)化有以下四種方法[11]：（1）在三相分離器底部增加一個可以旋轉(zhuǎn)的葉片，產(chǎn)生向下的水流，從而利于污泥回流；（2）在懸浮床區(qū)采用篩鼓或細(xì)格柵，截留細(xì)小顆粒污泥；（3）在反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置攪拌器，使氣泡與顆粒污泥分離；（4）在出水堰處設(shè)置擋板，截留顆粒污泥。

以上改進主要是針對UASB反應(yīng)器運行過程中出現(xiàn)的運行負(fù)荷低、啟動時間長、進水管堵塞等問題進行的自身結(jié)構(gòu)改良升級。

3 UASB衍生反應(yīng)器

雖然第一代UASB有效提高了有機廢水的處理能力，但是在運行過程中也發(fā)現(xiàn)常出現(xiàn)污泥回流降低進水COD、顆粒污泥影響傳質(zhì)、顆粒污泥漂浮沉降性能下降和流失等問題，針對這些工程運行問題，從改變反應(yīng)器內(nèi)污泥的回流循環(huán)方式、反應(yīng)器高徑比，以及污泥床等幾個方面對現(xiàn)有的UASB反應(yīng)器進行衍生改進。

3.1 概況

內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器、外循環(huán)UASB反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器、IC反應(yīng)器等都是在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上衍生得到的，均包括污泥床區(qū)、懸浮床區(qū)、沉淀區(qū)等主要結(jié)構(gòu)。雖然在原理上沒有改變，但是對反應(yīng)器運行工藝進行了創(chuàng)新。

3.2 排水管出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器

20世紀(jì)末，在使用UASB反應(yīng)器處理檸檬酸廢水時，存在著處理速度較慢、COD去除率較低（85%左右）、投資和運行費用較高等局限性。于軍等在大量試驗基礎(chǔ)上，提出了利用內(nèi)循環(huán)UASB工藝處理檸檬酸廢水，并以檸檬酸廠廢水為原料進行了實驗研究與驗證[12]。該內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上通過排水管將出水導(dǎo)入進水管進行出水內(nèi)循環(huán)，具體結(jié)構(gòu)見圖2。其優(yōu)勢是能調(diào)節(jié)進液濃度，可以將細(xì)小污泥與顆粒污泥分級，有利于顆粒污泥的形成，且可根據(jù)不同水質(zhì)及不同培養(yǎng)時期調(diào)整反應(yīng)器的水力負(fù)荷。試驗結(jié)果表明：（1）該內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器對進液COD濃度的適應(yīng)范圍增大；（2）同等條件下，出水COD去除率由常規(guī)UASB系統(tǒng)的85%提高至95%；（3）反應(yīng)器啟動周期縮短至90d內(nèi)即可完成；（4）對溫度、pH的適應(yīng)能力提高。

圖2 排水管出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器

張麗潔等在懸浮區(qū)設(shè)置內(nèi)循環(huán)管，使一部分上浮至懸浮區(qū)的絮狀污泥再次回流到污泥床反應(yīng)區(qū)，減少了污泥流失，改進了反應(yīng)區(qū)的水力條件，有利于污泥顆粒化[13]。研究表明，懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB對面粉廢水的COD平均去除率在83.6%左右，出水水質(zhì)較好，適宜用好氧法進一步處理。

在懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器出現(xiàn)之后，很多學(xué)者對常規(guī)UASB反應(yīng)器與懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器在處理垃圾滲濾液等的處理效果進行了對 比[14-15]。內(nèi)循環(huán)裝置由內(nèi)循環(huán)管、循環(huán)泵、乳膠管組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其工作原理是：廢水由內(nèi)循環(huán)管從中間取樣口接出，經(jīng)循環(huán)泵將廢水從反應(yīng)器頂部泵入，經(jīng)過三相分離器將懸浮區(qū)與反應(yīng)區(qū)聯(lián)系起來，形成一個內(nèi)循環(huán)反應(yīng)區(qū)。懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器與常規(guī)UASB反應(yīng)器相比，多了一個內(nèi)循環(huán)裝置。在其他條件相同的情況下，利用常規(guī)UASB反應(yīng)器與懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器對垃圾滲濾液或者經(jīng)過稀釋后的垃圾滲濾液廢水直接進行厭氧處理，發(fā)現(xiàn)懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器對底物的處理更充分，污泥顆?；瘽舛雀?，啟動更快，具備更強的處理能力、更高的工作效率，所適應(yīng)的COD、NH3-N、SS等濃度范圍更大，其出水更適宜于用好氧法進一步處理。

3.4 內(nèi)循環(huán)UASB+好氧法

圖3 懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

廢水僅通過內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器并不能達(dá)到排放的標(biāo)準(zhǔn)，通常將厭氧處理法與好氧處理法相結(jié)合來處理廢水。研究人員利用內(nèi)循環(huán)UASB+好氧接觸氧化法處理高濃度丙烯酸及酯廢水[16]，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的進水是經(jīng)過UASB反應(yīng)器處理后出水箱的出水，設(shè)定回流比為10∶1，出水一部分由內(nèi)循環(huán)泵泵入反應(yīng)器，另一部分進入好氧曝氣瓶進行進一步處理。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)器在出水pH、堿度、揮發(fā)性脂肪酸等指標(biāo)處于合理范圍內(nèi)時，單獨使用內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器COD去除率維持在70%～80%，內(nèi)循環(huán)UASB+好氧接觸氧化聯(lián)合處理法同時使用時高濃度丙烯酸及酯廢水COD去除率可達(dá)到95%。

綜上所述，內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器的循環(huán)結(jié)構(gòu)分為排水管出水內(nèi)循環(huán)和懸浮區(qū)出水內(nèi)循環(huán)兩種，但是在三相分離器下面進行出水循環(huán)比在排水管出水口的出水循環(huán)對廢水處理效果更好。內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器有的需要循環(huán)泵作為動力，有的則不需要。內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器的工作原理主要是通過內(nèi)循環(huán)裝置將反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)、懸浮區(qū)、沉淀區(qū)、氣液固三相分離區(qū)等結(jié)合到一起形成了一個厭氧發(fā)酵的反應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過進水調(diào)節(jié)實現(xiàn)對反應(yīng)器的整體調(diào)節(jié)。內(nèi)循環(huán)UASB反應(yīng)器與常規(guī)UASB反應(yīng)器相比在處理廢水上優(yōu)勢明顯，尤其是適用于后續(xù)好氧處理廢水。

3.5 懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器

方戰(zhàn)強等為了使污泥區(qū)的顆粒污泥能夠大量保留，在啟動、調(diào)試過程中及時調(diào)整水力負(fù)荷，結(jié)合以往工程實踐設(shè)計外循環(huán)UASB反應(yīng)器[17]。它可以根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過計算反饋及時調(diào)節(jié)回流比來調(diào)節(jié)水力負(fù)荷，使其達(dá)到顆粒污泥形成的最佳條件。外循環(huán)UASB反應(yīng)器是從三相分離區(qū)與懸浮區(qū)之間取回流水，其特殊結(jié)構(gòu)如圖4所示。與從出水口進行出水循環(huán)的外循環(huán)UASB反應(yīng)器相比，該反應(yīng)器減小了三相分離區(qū)的負(fù)荷，保證了沉淀區(qū)容積不變，還可以提高反應(yīng)區(qū)的污泥濃度和產(chǎn)氣效率。對某化工廠廢水處理的試驗結(jié)果證明，用此方法設(shè)計建成的外循環(huán)UASB反應(yīng)器在中溫條件下，啟動30d后，在反應(yīng)區(qū)形成了1～2mm的顆粒污泥，COD去除率達(dá)到90%以上，三相分離器可以有效地將污泥、廢水、氣泡分離開，運行效果良好。

圖4 懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

利用懸浮區(qū)上部出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理高濃度垃圾滲濾液時取得了較好的效果[18]。當(dāng)進水滲濾液COD濃度在17 157～33 599mg/L時，通過進水負(fù)荷及反應(yīng)器運行狀況來決定進水量，通過出水外循環(huán)的回流控制進水量來調(diào)節(jié)停留時間。當(dāng)厭氧反應(yīng)器負(fù)荷為6.8kg/（m3·d）時，COD去除率達(dá)到91.8%；當(dāng)厭氧反應(yīng)器負(fù)荷為15.8kg/（m3·d）時，COD去除率達(dá)到85%。從而可得出結(jié)論：該反應(yīng)器COD的去除率與容積負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)性；產(chǎn)氣率與有機負(fù)荷呈正相關(guān)性。

利用懸浮區(qū)出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理學(xué)校教學(xué)大樓沖廁水（黑水）時[19]，反應(yīng)器在35℃條件下運行。負(fù)荷的改變體現(xiàn)在進水流量和回流量的大小變化。在不同負(fù)荷下，反應(yīng)器對COD的去除率，沼氣的平均產(chǎn)氣量影響較大?；亓髁吭龃髮?dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)上升流速增大，污泥床得到了更好的膨脹，產(chǎn)氣量上升，但是由于流速增大，會有一些小的絮狀污泥被帶入出水，所以COD去除率下降。最好狀態(tài)下的COD的去除率為75%左右，相比其他廢水的處理效果較差，利用外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理廁所廢水還需要做進一步的研究。

3.6 排水管出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器

余亞琴等[20]針對太湖富藻水高有機物濃度的特點，利用排水管出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器對太湖富藻水的處理效果進行研究?；亓饔欣诟辉逅c接種污泥更好地混合，可以增強傳質(zhì)效果，由于藻類容易上浮結(jié)殼，通過出水回流還可以抑制結(jié)殼現(xiàn)象。該研究處理對象為太湖富藻水，接種污泥取自宜興當(dāng)?shù)貜U水處理廠，實驗溫度為中溫，進水COD為1 050～ 2 000mg/L，HRT為5d。反應(yīng)器啟動并達(dá)到穩(wěn)定運行的時間為32d，實驗采用降低HRT、分階段提高COD質(zhì)量濃度的方法，得到判斷反應(yīng)器運行效果的兩個指標(biāo)：COD去除率穩(wěn)定在75%左右，產(chǎn)氣率為0.75 L/（L·d），實驗證明外循環(huán)UASB反應(yīng)器對太湖富藻水具有良好的處理效果。

排水管出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器（圖5）也應(yīng)用在處理中高有機濃度的檳榔加工廢水中[21]，實驗在中溫條件下進行，接種污泥取自某造紙廠成熟顆粒污泥，主要研究HRT對厭氧反應(yīng)的影響。研究表明：在保證反應(yīng)器穩(wěn)定運行前提下，當(dāng)HRT為1d時，系統(tǒng)COD去除率在38%左右；當(dāng)HRT為2d時，系統(tǒng)COD去除率在53%左右；當(dāng)HRT為3d時，系統(tǒng)COD去除率在68%左右；當(dāng)HRT為4d時，系統(tǒng)COD去除率在80%左右并趨于穩(wěn)定。實驗證明了外循環(huán)UASB反應(yīng)器處理檳榔加工廢水的可行性，為實際生產(chǎn)提供了設(shè)計依據(jù)。

圖5 排水管出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

通過對內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)UASB反應(yīng)器的研究發(fā)現(xiàn)，雖然并未給出這兩類反應(yīng)器的具體定義，但兩種反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上極其相似。有學(xué)者認(rèn)為在排水管出水處進行出水循環(huán)是外循環(huán)，在三相分離器下面進行出水循環(huán)是內(nèi)循環(huán)；也有學(xué)者認(rèn)為出水循環(huán)需要借助循環(huán)泵的為外循環(huán)，出水循環(huán)不需要借助外力的是內(nèi)循環(huán)；還有學(xué)者認(rèn)為，循環(huán)水從反應(yīng)器內(nèi)部取出經(jīng)外部循環(huán)再流入內(nèi)部為外循環(huán)，而循環(huán)水從反應(yīng)器內(nèi)部取出經(jīng)反應(yīng)器內(nèi)部循環(huán)再流入內(nèi)部是內(nèi)循環(huán)。內(nèi)外循環(huán)判定的關(guān)鍵在于循環(huán)水是在反應(yīng)器外部運行還是在反應(yīng)器內(nèi)部運行。

3.7 EGSB反應(yīng)器

雖然UASB反應(yīng)器在廢水的處理應(yīng)用中取得了很大成功，在廢水處理領(lǐng)域也中占有很大比例，但是在運行中仍然有許多問題難以解決。荷蘭瓦寧根大學(xué)Lettinga教授發(fā)現(xiàn)UASB反應(yīng)器在處理廢水時污泥與廢水混合不夠充分[22]，影響了反應(yīng)速率，導(dǎo)致反應(yīng)器COD的去除率很低。為解決這個問題，采用大高徑比的反應(yīng)器，并采用出水循環(huán)來提高液體的上升流速，水的上升流速（Vup）由原來的1 m/h升高到5m/h，形成了厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器[23]。EGSB反應(yīng)器由六部分組成：配水系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、三相分離器、沉淀區(qū)、出水系統(tǒng)、排水管出水循環(huán)系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。EGSB反應(yīng)器在荷蘭被應(yīng)用于啤酒洗麥廢水、酒精廢水、牛奶廢水和城市廢水處理[24]，并取得了很好的效果。從結(jié)構(gòu)上看EGSB與排水管出水外循環(huán)UASB反應(yīng)器相似，但這兩種反應(yīng)器的作用機理尚未闡明。

圖6 EGSB反應(yīng)器裝置示意圖

3.8 IC反應(yīng)器

IC反應(yīng)器是基于UASB反應(yīng)器的概念而衍生出的新型反應(yīng)器[25]，20世紀(jì)80年代初，荷蘭PAQUES公司在第二代厭氧反應(yīng)器基礎(chǔ)上建造了第一個第三代厭氧反應(yīng)器（IC中試反應(yīng)器），幾年之后第一座大規(guī)模生產(chǎn)性IC反應(yīng)器用來處理廢水[26]。在1996年，我國從荷蘭引進了該技術(shù)并建造了第一個用來處理啤酒廢水的IC反應(yīng)器[27]。IC反應(yīng)器可以認(rèn)為由2個UASB反應(yīng)器上下串聯(lián)而成，高徑比一般為4～8，其2個反應(yīng)室之間由沼氣提升管和回流管連接，結(jié)構(gòu)如圖7所示。兩級三相分離器、沼氣提升管和泥水下降管構(gòu)成了IC反應(yīng)器的核心——內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。其反應(yīng)原理是廢水先進入底部的混合區(qū)，并與來自泥水下降管的內(nèi)循環(huán)水充分混合后進入污泥膨脹床進行COD生化降解，產(chǎn)生大量沼氣，沼氣、污泥和水的混合物沿沼氣提升管上升至兩級三相分離器，沼氣在該處與泥水分離并通過沼氣提升管進行收集，泥水混合物則沿泥水下降管進入反應(yīng)器底部的反應(yīng)區(qū)[28]。IC反應(yīng)器的主要優(yōu)勢是：HRT短、有機負(fù)荷率高、高徑比較大、出水水質(zhì)穩(wěn)定、耐負(fù)荷沖擊能力強大等，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致建造成本高、能耗較大、安裝維護困難。如何進一步優(yōu)化IC反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)將是以后研究的重點。

圖7 IC反應(yīng)器裝置示意圖

4 UASB反應(yīng)器應(yīng)用案例

采用UASB工藝處理有機廢水已在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。例如在我國某以玉米為原料年產(chǎn)酒精4萬t的酒精廠，每天產(chǎn)生廢液1 500m3，廢液CODCr和BOD5濃度分別為30 000～40 000和15 000～ 20 000mg/L；采用4座有效容積為2 000m3的UASB處理有機廢水，廢水停留時間為5.3d，運行負(fù)荷不低于10.0kgCODCr/（m3·d），采用高溫發(fā)酵工藝（55±2℃），經(jīng)厭氧消化，酒精廢水中COD去除率可達(dá)到93%[29]。目前世界上最大的UASB系統(tǒng)是由荷蘭的Biothane建造的15 600 m3的造紙廠廢水處理系統(tǒng)，該工程日處理制漿造紙廢水的COD總量為185t，運行負(fù)荷為5～27kgCODCr/（m3·d），經(jīng)該系統(tǒng)處理后，廢水COD和BOD的去除率分別為50%～80%和75%～99%[30]。

5 結(jié)論與建議

改良型UASB反應(yīng)器是在常規(guī)UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行合理改造、增加出水回流后得到的。改良型UASB反應(yīng)器與常規(guī)UASB反應(yīng)器相比具有進水濃度可調(diào)、容積負(fù)荷率高、上升流速大、顆粒污泥成型快、啟動期短等優(yōu)點，已經(jīng)成功應(yīng)用在垃圾滲濾液、化工廢水、食品加工廠廢水、畜禽糞便廢水、啤酒廠廢水等處理工程[31-33]。改良型UASB反應(yīng)器未來研究的重點包括：（1）如何進一步加強廢水與污泥的充分混合，快速形成顆粒污泥，降低出水固體顆粒濃度，減少沉淀時間，提高反應(yīng)器處理效率；（2）如何在反應(yīng)器內(nèi)降低氨氮濃度，降低有毒物質(zhì)和重金屬的含量，利于后續(xù)處理，實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放；（3）如何在線監(jiān)測反應(yīng)器的運行，實現(xiàn)自動反饋調(diào)節(jié)，降低工程的安裝、運行、維護成本，提高經(jīng)濟效益。