广义升流式污泥床反应器与相分离反应器的开发与应用
摘要：讨论了UASB反应器、污泥颗粒化和三相分离器的特征，并将其引入好氧生物处理领域，从广义的角度定义了升流式污泥床反应器和相分离反应器。介绍了好氧污泥床反应器和好氧相分离反应器的 研究 及 应用 情况。
关键词：广义升流式污泥床反应器 相分离反应器
提高反应器中生物浓度以提高处理能力是新型反应器的重要特点之一。微生物的固定化是提高微生物浓度和反应效率的重要方式之一，在工程上微生物的自固定化——污泥颗粒化要比人工固定化更为有效，即高密度颗粒污泥的形成，能导致工程上的高效率，能促进难以生物降解有机污染物的进一步生物降解。工程上颗粒污泥的形成与反应器的型式构造、负荷等因素密切相关，无论是厌氧还是好氧的升流式污泥床已被证实可形成颗粒污泥。这类反应器的特点是污水上向流，水、污泥和气三相分离是借助反应器内的相分离器完成。所以，微生物颗粒化在升流式污泥床反应器中的形成 规律 是一个重要的研究课题。
1 UASB反应器
1.1 三相分离器
UASB反应器是70年代由Lettinga等人开发的 [1] ，其最重要的设备是相分离器。这一设备安装在反应器的顶部，并将反应器分为下部的消化区和上部的沉淀区(图 1)。由于分离器的斜壁沉淀区的过流面积在接近水面时增加，因此上升流速在接近排放点降低而产生絮凝和沉淀。根据气、固、液三相分离的要求，分离器设计要点:
①从沉淀角度考虑，沉淀器的斜角(集气器的倾角)应该在45°～60°;
②集气室隙缝部分的面积应该占反应器全部面积15%～20%;
③在集气室内应该保持气液界面以释放和收集气体和阻止浮渣层的形成;
④反射板与隙缝之间的遮盖应该在100～200 mm，以避免上升气泡进入沉淀室;
⑤在出水堰之间应该设置浮渣挡板。
1.2 污泥颗粒化
高速率厌氧生物处理系统，必须满足两个基本条件，一是能够保持大量的厌氧活性污泥，二是使进入废水和保持的污泥之间充分接触。在成功运转的UASB反应器中，厌氧污泥往往形成颗粒状结构，颗粒污泥的存在大大改善了污泥的沉降性能，提高了厌氧微生物的浓度，因此满足高效反应器的第一个条件。同时向上流的水流方式，在此过程中形成的污水与污泥的接触以及产生沼气的扰动，更加促进了废水与污泥之间的充分接触，从而满足了上述的第二个条件。这使得传统厌氧工艺的处理时间从几十天缩短为一天甚至几小时。有机负荷从几千克提高到几十千克，使反应效率提高几倍乃至上百倍。
Lettinga等人 [2] 认为，UASB系统的选择压是颗粒化的重要因素，选择压来源于系统的水力负荷(上升流速)，另外是沼气负荷。在UASB反应器内逐渐增加的选择压，使得松散的沉降性能差的污泥颗粒被冲出系统，而沉降性能较好的附着和相互附着生长的絮体被保持在反应器中。逐渐淘汰的结果使得沉降性能良好的细菌絮凝体得到不断地 发展 ，最终形成直径约0.3～2 mm的厌氧颗粒污泥。厌氧颗粒污泥主要有三种类型:杆型颗粒、由疏松的纤丝状细菌所形成的球形团粒和致密球形颗粒。虽然，颗粒污泥的形成尚未完全认识，但是UASB反应器结构型式所造成的流态特点，无疑是最重要的因素之一。
事实上，微生物的自固定化是带有普遍意义的现象，在脱氮工艺、好氧SBR工艺、流化床反应器和利用硫细菌的工艺中 [3] ，都曾有微生物自固定化形成高微生物群体的颗粒污泥报道。在多级升流式生物反应器(MRB)的研究中 [3] ，利用厌氧细菌(硫酸盐还原菌)和微氧菌(硫的氧化菌)的共生关系同样产生了颗粒污泥。污水中的有机物渗透进入颗粒污泥内部，被厌氧菌转化为有机酸，然后被硫酸盐还原菌所利用。虽然供氧十分有限，但是在颗粒污泥表层的硫氧化菌仍然可以竞争获取到溶解氧。
2 升流式好氧污泥床反应器
笔者根据UASB反应器的成功经验，将其概念推广到好氧处理领域。在厌氧后处理中采用的微需氧升流式(MUSB)污泥床工艺 [4] ，完全利用实验室的UASB反应器在好氧条件下运行，水力停留时间为1.0 h(图2)，进水被引入反应器的底部，通过水力混合和最低程度的曝气(气水比为1∶1)使污泥床保持悬浮并处于微氧条件。MUSB系统运行的实验结果列于表1。
实验发现，虽然升流速度超过2.0 m /h，但建立的活性污泥层很好地保持在反应器内，培养的微需氧污泥沉淀性能良好，MUSB反应器还可承受由于更强的曝气或水力条件引起高上升流速或更强的扰动。因此，升流式污泥床的概念原则上也可以应用于微需氧系统和好氧处理。
3 好氧相分离流化床反应器的 应用
3.1 构造和原理
好氧相分离反应器(简称相分离反应器)的命名，主要是从与UASB反应器具有共同的三相分离器这一特征考虑。如果根据这一原则分类，还包括厌氧与好氧流化床反应器，这样的分类在一定程度上反映了这类反应器的共性，被称为反应器或三相内循环流化床或者CIRCOX等商品名，但这并不能反映反应器本质特性。相分离反应器是由以下各个部分组成:曝气区、升流区、降流区和气、固、液三相分离器(图3)。其工作原理为:通过底部曝气头曝气，造成升流区与降流区之间出现一定的密度差，进而推动液体(包括载体)在升流区与降流区间循环流动。大多数载体进行循环流化，少数载体随气泡上升至分离器，气体在此得到释放。分离器的工作和设计原理与厌氧三相分离器是一致的，但是不用回收释放的气体。随着气体释放，分离固体颗粒得以沉淀进入到降流区，继续参与循环流动。分离后的液体从出水堰流出。
相分离反应器不仅具有一般好氧流化床的特点，还兼有:
① 流化性能好，反应器处于完全混合状态:反应器内大部分载体都参与循环流动，因此不存在床中载体分层现象，载体流化具有良好的均匀性，这为生物膜形成提供了条件;
② 氧的转移效率高:由于反应器构造特征造成大量液体循环流动，在此过程中会夹带一些细小的气泡，这样使气——液接触时间延长，从而提高了氧的转移效率。实测表明，空气利用率可达30%～50%;
③ 载体流失量小，不需专门的脱膜设备:由于反应器独特的三相分离器可以在不增加脱膜设备的情况下，保证反应器中生物载体的膜不会过度增长，同时又不会流失载体，这样就大大简化了原来流化床处理污水所需的辅助设备。
3.2 相分离反应器的应用
相分离反应器是一种高效新型污水处理装置，特别适宜于处理高、中等浓度的有机废水。国内在80年代末开始进行相分离反应器的 研究 ，并基本解决了其设计 问题 。笔者19 93年首次在国内生产性装置上，采用相分离反应器处理油脂污水，处理水量500m 3 /d，反应器容积20m 3 。并于1997年在某染料厂的污水处理工程中，采用了单体容积达120m 3 的相分离反应器4座，这是 目前 国内同类设备中最大的反应器(图4)。
以下结合油脂废水工程实际运行情况(表2)，讨论相分离反应器的工程应用。
由于在运行初期油脂生产不正常，酸油回收率较低时，进水浓度为设计值的几倍，导致超高负荷。随着负荷的增加出水浓度增加，但是去除率同时也有提高，显示相分离反应器具有很好的耐冲击负荷能力。这是由于相分离生物反应器具有巨大的生物量，一般可达20～40g/L，同时反应器是典型的完全混合型反应器，可以稀释进水，这对于有毒和难降解废水处理十分有利。相分离生物反应器运行在中等负荷区域(8～10kg COD/m 3 ·d)时，虽然由于进水浓度较低，去除率在55%～60%之间，但是出水稳定性较好。
表2 油脂废水不同负荷处理效果
4 结论
① 实践证明，厌氧升流式污泥床反应器是一种高效的污水处理装置。这是由于反应器中保持污泥的三相分离器、升流式的结构特点以及其中形成高密度的颗粒污泥所造成;
② 在好氧升流式污泥床(MUSB)反应器的实验中，三相分离器分离效果和污泥床的保持得到验证，这说明升流式污泥床的概念也可以扩大到好氧处理领域;
③ 好氧相分离反应器具有负荷高、耐冲击负荷的特点，特别适用于有毒和难降解废水，是一种很有 发展 前途的反应器。
参考 文献
1 Lettinga G，Velsen van L，Zeeuw de W，Hobma S W. The application of anaerobic digestion to industrial pollution treatment.Proc.lst Int.Symp.on Anaerobic Digestion，Cardiff，1979;167～186
2 Hulshoff Pol L W，K HEijnekamp，GLettinga.The selection presure as driving force behind the granulation of anaerobic sludge，In:G Lettinga et al.(Eds) Granular anaerobic sludge;microbiology and technology，Pucoc.Wageningen，the Netherlands.1988
3 Arona S，Mino T.An experimental investigation of mechanism and operating conditions of multistage reversing flow rioreactor (MRB) in treating domestic wastewater，Water Sci，and Tech，1992;26(9-11):2469～2472
4 王凯军，G Lettinga.生活污水厌氧与厌氧后处理工艺研究. 中国 给水排水，1998;14(3):20～23
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