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 最為廣泛的是UASB反應器。
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最終將導致系統完全失效。
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；根據顆粒化和pH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，但是完全的酸化是沒有必要的，甚至是有害處的。因為達到完全酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調整pH值。另外有證據表明完全酸化對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限時；
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反應器是目前最為主要的方法。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。
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最終將導致系統完全失效。
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；根據顆粒化和pH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，但是完全的酸化是沒有必要的，甚至是有害處的。因為達到完全酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調整pH值。另外有證據表明完全酸化對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限時；
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反應器是目前最為主要的方法。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 = QSo/q (1)
V =KQ.HRT (2)
式中： Q---廢水流量，m3/d；
So---進水有機物濃度，gCOD/L或gBOD5/L。
So---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。
表1國內外生產性UASB裝置的設計負荷統計表 | |||||||||
序號 | 廢水類型 | 負荷kgCOD/m3·d(國外資料) | 負荷kgCOD/m3·d(國內資料) | ||||||
平均 | 最高 | 最低 | 廠家數 | 平均 | 最高 | 最低 | 廠家數 | ||
1 | 酒精生產 | 11.6 | 15.7 | 7.1 | 7 | 6.5 | 20.0 | 2.0 | 15 |
2 | 啤酒廠 | 9.8 | 18.8 | 5.6 | 80 | 5.3 | 8.0 | 5.0 | 10 |
3 | 造酒廠 | 13.9 | 18.5 | 9.9 | 36 | 6.4 | 10.0 | 4.0 | 8 |
4 | 葡萄酒廠 | 10.2 | 12.0 | 8.0 | 4 | ||||
5 | 清涼飲料 | 6.8 | 12.0 | 1.8 | 8 | 5.0 | 5.0 | 5.0 | 12 |
6 | 小麥淀粉 | 8.6 | 10.7 | 6.6 | 6 | ||||
7 | 淀粉 | 9.2 | 11.4 | 6.4 | 6 | 5.4 | 8.0 | 2.7 | 2 |
8 | 土豆加工等 | 9.5 | 16.8 | 4.0 | 24 | ||||
9 | 酵母業 | 9.8 | 12.4 | 6.0 | 16 | 6.0 | 6.0 | 6.0 | 1 |
10 | 檸檬酸生產 | 8.4 | 14.3 | 1.0 | 3 | 14.8 | 20.0 | 6.5 | 3 |
11 | 味精 | 3.2 | 4.0 | 2.3 | 2 | ||||
12 | 再生紙,紙漿 | 12.3 | 20.0 | 7.9 | 15 | ||||
13 | 造紙 | 12.7 | 38.9 | 6.0 | 39 | ||||
14 | 食品加工 | 9.1 | 13.3 | 0.8 | 10 | 3.5 | 4.0 | 3.0 | 2 |
15 | 屠宰廢水 | 6.2 | 6.2 | 6.2 | 1 | 3.1 | 4.0 | 2.3 | 4 |
16 | 制糖 | 15.2 | 22.5 | 8.2 | 12 | ||||
17 | 制藥廠 | 10.9 | 33.2 | 6.3 | 11 | 5.0 | 8.0 | 0.8 | 5 |
18 | 家畜飼料廠 | 10.5 | 10.5 | 10.5 | 1 | ||||
19 | 垃圾濾液 | 9.9 | 12.0 | 7.9 | 7 | ||||
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。
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唯一的選擇。
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唯一的選擇。
表2 厭氧動力學參數(Henxen和Harremoes，1982) | ||||
培養 | mm(d-1) | Y(mgVSS/mgCOD) | Km[mgCOD/(mgVSS?d)] | Ks(mgCOD/L) |
產酸菌 | 2.0 | 0.15 | 13 | 200 |
甲烷菌 | 0.4 | 0.03 | 13 | 50 |
混合培養 | 0.4 | 0.18 | 2 | --- |
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CO溶解度有關，反應器越高溶解的CO濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最優值，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。最經濟的反應器高度(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最優的運行范圍。 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)。
USAB反應器的上部設置氣、固、液三相分離器，下部為污泥懸浮層區和污泥床區，廢水由反應器底部均勻泵入污泥訂區，與厭氧污泥充分接觸反應，有機物被厭氧微生物分解成沼氣。液體、氣體與固體形成混合液流上升至三相分離器，使三者很好地分離，使80%以上的有機物被轉化為沼氣，完成廢水處理過程。
應用特點
<> 高ＣＯＤ負荷（５－１０kgCODcr/m^3/d)
<> 可產生高沉降性能的顆粒污泥
<> 可以產生能源（沼氣）
<> 運行費用低
<> 高可靠性
