出　　自： 《中國給水排水》 1998年第6期第5頁
發表時間： ： 1998-5

王凱軍；賈立敏(北京市環境保護科學研究院)；徐冬利(北京市聯合環境技術工程公司)

摘要：討論了UASB反應器、污泥顆?；腿喾蛛x器的特征，并將其引入好氧生物處理領域，從廣義的角度定義了升流式污泥床反應器和相分離反應器。介紹了好氧污泥床反應器和好氧相分離反應器的研究及應用情況。

關鍵詞：升流式污泥床反應器 三相分離器 污泥顆?；?相分離反應器

　　提高反應器中生物濃度以提高處理能力是新型反應器的重要特點之一。微生物的固定化是提高微生物濃度和反應效率的重要方式之一，在工程上微生物的自固定化——污泥顆粒化要比人工固定化更為有效，即高密度顆粒污泥的形成，能導致工程上的高效率，能促進難以生物降解有機污染物的進一步生物降解。工程上顆粒污泥的形成與反應器的型式構造、負荷等因素密切相關，無論是厭氧還是好氧的升流式污泥床已被證實可形成顆粒污泥。這類反應器的特點是污水上向流，水、污泥和氣三相分離是借助反應器內的相分離器完成。所以，微生物顆?；谏魇轿勰啻卜磻髦械男纬梢幝墒且粋€重要的研究課題。

1 UASB反應器

　　1.1 三相分離器
　　UASB反應器是70年代由Lettinga等人開發的 [1] ，其最重要的設備是相分離器。這一設備安裝在反應器的頂部，并將反應器分為下部的消化區和上部的沉淀區(圖　　1)。由于分離器的斜壁沉淀區的過流面積在接近水面時增加，因此上升流速在接近排放點降低而產生絮凝和沉淀。根據氣、固、液三相分離的要求，分離器設計要點:
　?、購某恋斫嵌瓤紤]，沉淀器的斜角(集氣器的傾角)應該在45°～60°；
　?、诩瘹馐蚁犊p部分的面積應該占反應器全部面積15%～20%；
　?、墼诩瘹馐覂葢摫３謿庖航缑嬉葬尫藕褪占瘹怏w和阻止浮渣層的形成；
　?、芊瓷浒迮c隙縫之間的遮蓋應該在100～200 mm，以避免上升氣泡進入沉淀室；
　?、菰诔鏊咧g應該設置浮渣擋板。

　　1.2 污泥顆?；?
　　高速率厭氧生物處理系統，必須滿足兩個基本條件，一是能夠保持大量的厭氧活性污泥，二是使進入廢水和保持的污泥之間充分接觸。在成功運轉的UASB反應器中，厭氧污泥往往形成顆粒狀結構，顆粒污泥的存在大大改善了污泥的沉降性能，提高了厭氧微生物的濃度，因此滿足高效反應器的第一個條件。同時向上流的水流方式，在此過程中形成的污水與污泥的接觸以及產生沼氣的擾動，更加促進了廢水與污泥之間的充分接觸，從而滿足了上述的第二個條件。這使得傳統厭氧工藝的處理時間從幾十天縮短為一天甚至幾小時。有機負荷從幾千克提高到幾十千克，使反應效率提高幾倍乃至上百倍。
　　Lettinga等人 [2] 認為，UASB系統的選擇壓是顆粒化的重要因素，選擇壓來源于系統的水力負荷(上升流速)，另外是沼氣負荷。在UASB反應器內逐漸增加的選擇壓，使得松散的沉降性能差的污泥顆粒被沖出系統，而沉降性能較好的附著和相互附著生長的絮體被保持在反應器中。逐漸淘汰的結果使得沉降性能良好的細菌絮凝體得到不斷地發展，最終形成直徑約0.3～2 mm的厭氧顆粒污泥。厭氧顆粒污泥主要有三種類型:桿型顆粒、由疏松的纖絲狀細菌所形成的球形團粒和致密球形顆粒。雖然，顆粒污泥的形成尚未完全認識，但是UASB反應器結構型式所造成的流態特點，無疑是最重要的因素之一。
　　事實上，微生物的自固定化是帶有普遍意義的現象，在脫氮工藝、好氧SBR工藝、流化床反應器和利用硫細菌的工藝中 [3] ，都曾有微生物自固定化形成高微生物群體的顆粒污泥報道。在多級升流式生物反應器(MRB)的研究中 [3] ，利用厭氧細菌(硫酸鹽還原菌)和微氧菌(硫的氧化菌)的共生關系同樣產生了顆粒污泥。污水中的有機物滲透進入顆粒污泥內部，被厭氧菌轉化為有機酸，然后被硫酸鹽還原菌所利用。雖然供氧十分有限，但是在顆粒污泥表層的硫氧化菌仍然可以競爭獲取到溶解氧。

2 升流式好氧污泥床反應器

　　筆者根據UASB反應器的成功經驗，將其概念推廣到好氧處理領域。在厭氧后處理中采用的微需氧升流式(MUSB)污泥床工藝 [4] ，完全利用實驗室的UASB反應器在好氧條件下運行，水力停留時間為1.0 h(圖2)，進水被引入反應器的底部，通過水力混合和最低程度的曝氣(氣水比為1∶1)使污泥床保持懸浮并處于微氧條件。MUSB系統運行的實驗結果列于表1。

　　實驗發現，雖然升流速度超過2.0 m /h，但建立的活性污泥層很好地保持在反應器內，培養的微需氧污泥沉淀性能良好，MUSB反應器還可承受由于更強的曝氣或水力條件引起高上升流速或更強的擾動。因此，升流式污泥床的概念原則上也可以應用于微需氧系統和好氧處理。

3 好氧相分離流化床反應器的應用

　　3.1 構造和原理
　　好氧相分離反應器(簡稱相分離反應器)的命名，主要是從與UASB反應器具有共同的三相分離器這一特征考慮。如果根據這一原則分類，還包括厭氧與好氧流化床反應器，這樣的分類在一定程度上反映了這類反應器的共性，被稱為反應器或三相內循環流化床或者CIRCOX等商品名，但這并不能反映反應器本質特性。相分離反應器是由以下各個部分組成:曝氣區、升流區、降流區和氣、固、液三相分離器(圖3)。其工作原理為:通過底部曝氣頭曝氣，造成升流區與降流區之間出現一定的密度差，進而推動液體(包括載體)在升流區與降流區間循環流動。大多數載體進行循環流化，少數載體隨氣泡上升至分離器，氣體在此得到釋放。分離器的工作和設計原理與厭氧三相分離器是一致的，但是不用回收釋放的氣體。隨著氣體釋放，分離固體顆粒得以沉淀進入到降流區，繼續參與循環流動。分離后的液體從出水堰流出。

　　相分離反應器不僅具有一般好氧流化床的特點，還兼有:
　?、?流化性能好，反應器處于完全混合狀態:反應器內大部分載體都參與循環流動，因此不存在床中載體分層現象，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；
　?、?氧的轉移效率高:由于反應器構造特征造成大量液體循環流動，在此過程中會夾帶一些細小的氣泡，這樣使氣——液接觸時間延長，從而提高了氧的轉移效率。實測表明，空氣利用率可達30%～50%；
　?、?載體流失量小，不需專門的脫膜設備:由于反應器獨特的三相分離器可以在不增加脫膜設備的情況下，保證反應器中生物載體的膜不會過度增長，同時又不會流失載體，這樣就大大簡化了原來流化床處理污水所需的輔助設備。
　　3.2 相分離反應器的應用
　　相分離反應器是一種高效新型污水處理裝置，特別適宜于處理高、中等濃度的有機廢水。國內在80年代末開始進行相分離反應器的研究，并基本解決了其設計問題。筆者19 93年首次在國內生產性裝置上，采用相分離反應器處理油脂污水，處理水量500m 3 /d，反應器容積20m 3 。并于1997年在某染料廠的污水處理工程中，采用了單體容積達120m 3 的相分離反應器4座，這是目前國內同類設備中最大的反應器(圖4)。

　　以下結合油脂廢水工程實際運行情況(表2)，討論相分離反應器的工程應用。
　　由于在運行初期油脂生產不正常，酸油回收率較低時，進水濃度為設計值的幾倍，導致超高負荷。隨著負荷的增加出水濃度增加，但是去除率同時也有提高，顯示相分離反應器具有很好的耐沖擊負荷能力。這是由于相分離生物反應器具有巨大的生物量，一般可達20～40g/L，同時反應器是典型的完全混合型反應器，可以稀釋進水，這對于有毒和難降解廢水處理十分有利。相分離生物反應器運行在中等負荷區域(8～10kg COD/m 3 ·d)時，雖然由于進水濃度較低，去除率在55%～60%之間，但是出水穩定性較好。
　　表2 油脂廢水不同負荷處理效果

4 結論

　　① 實踐證明，厭氧升流式污泥床反應器是一種高效的污水處理裝置。這是由于反應器中保持污泥的三相分離器、升流式的結構特點以及其中形成高密度的顆粒污泥所造成；
　　② 在好氧升流式污泥床(MUSB)反應器的實驗中，三相分離器分離效果和污泥床的保持得到驗證，這說明升流式污泥床的概念也可以擴大到好氧處理領域；
　　③ 好氧相分離反應器具有負荷高、耐沖擊負荷的特點，特別適用于有毒和難降解廢水，是一種很有發展前途的反應器。

參考文獻

　　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 王凱軍，G Lettinga.生活污水厭氧與厭氧后處理工藝研究.中國給水排水，1998；14(3):20～23

　　作者簡介:王凱軍 工學博士 副總工程師
　　通訊處:100037 北京市阜外大街
　　(收稿日期 1998-08-21)