楊雅茹，胡紅文，白 林

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，四川雅安625014）

隨著我國農(nóng)牧業(yè)的大力發(fā)展，農(nóng)業(yè)廢水增多，其處置及資源化利用成為當(dāng)前熱門研究課題。厭氧技術(shù)以造價低、占地少、能耗小和能回收利用資源，體現(xiàn)3R（Reduce、Recycle、Reuse；減量化、再循環(huán)、再利用）現(xiàn)代環(huán)保思想的特性在廢水處理上占據(jù)主導(dǎo)地位［1］。如今，高速厭氧反應(yīng)器被廣泛應(yīng)用在處理污水上。與傳統(tǒng)的低速反應(yīng)器（如厭氧塘、化糞池等）相比，高速厭氧反應(yīng)器的水力停留時間（Hydraulic Retention Times，HRT）較短、固體保留時間（Solids Retention Times，SRT）較長，可結(jié)合大量的高活性生物量，提高污泥的穩(wěn)定性和反應(yīng)器的負荷能力［2］。目前上流式厭氧污泥床（The Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB）是最強勁的處理污水的高速厭氧反應(yīng)器，全世界已經(jīng)有超過1000臺的UASB反應(yīng)器在使用［3］。

顆粒污泥可大大提高厭氧反應(yīng)器的有機負荷，但溫度是影響污泥水解速率的關(guān)鍵參數(shù)［4］。一般來講，厭氧反應(yīng)器的溫度被分為低溫（psychrophilic，≤20 ℃）、中溫（mesophilic，30～40 ℃）和高溫（thermophilic，55～58 ℃）三種，有時會有超高溫度（extreme thermophilic，70 ℃）。在低溫下，固體停留時間不足會導(dǎo)致UASB 的性能減弱。例如，Agrawal等［5］研究發(fā)現(xiàn)，在處理低濃度污水時，當(dāng)溫度從27℃下降到10℃，沼氣生產(chǎn)速率和COD 去除率各下降了78%和25%。產(chǎn)甲烷菌（顆粒污泥的核心成分）在35℃下能在3d之內(nèi)生成，但當(dāng)溫度下降到10℃時，產(chǎn)甲烷菌的生成時間將延長到50d［6］。雖然高溫能使甲烷菌迅速生成，但并不意味著越高越好，往往高溫以低質(zhì)量的污水處理為代價［7］。因此，UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用對溫度有著特殊要求，一般適于在氣候溫度能控制在20～40℃的國家推廣。

近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對UASB 工藝的溫度控制進行了探索，取得了一定成果。本文將從農(nóng)業(yè)廢水的處置及資源化利用出發(fā)，系統(tǒng)分析溫度對UASB工藝的影響，尤其是低溫和高溫下UASB 技術(shù)的優(yōu)勢及難點，探討了為克服溫度限制對UASB工藝配置的各種改良技術(shù)，以期為這一領(lǐng)域的探索提供參考和依據(jù)。

1 UASB反應(yīng)器

從荷蘭Wageningen 農(nóng)業(yè)大學(xué)Lettinga等［8］于20世紀70年代研制開發(fā)出UASB 反應(yīng)器以來，該工藝在廢水厭氧生物處理方面發(fā)揮了日益重要的作用。該反應(yīng)器由兩大部分組成，一個圓柱體或長方體結(jié)構(gòu)的外殼和一個固－液－氣三相分離器（GLS）。反應(yīng)機理是污水從反應(yīng)器底部流入，在適合的條件下，輕的、分散性的微粒將會上升被沖洗掉而重的組分將會保留在反應(yīng)器內(nèi)，這樣由有機物質(zhì)、無機物質(zhì)以及小的細菌群組成的顆粒污泥在接種污泥上形成。在2～8個月后，根據(jù)不同的操作條件，稠密的污泥床將在反應(yīng)器底部生成，而其上方區(qū)域會形成污泥懸浮層，濃度較污泥床?。?］。接種污泥須具有良好的凝聚、沉淀和顆粒活性。UASB 的反應(yīng)區(qū)是顆粒污泥區(qū)和懸浮區(qū)。從污泥床底部流入的廢水，與顆粒污泥混合接觸后，污泥中的微生物開始分解有機物，同時產(chǎn)生的微小沼氣氣泡不斷放出。微小氣泡上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡。上升的各種物質(zhì)在GLS區(qū)域分離，GLS由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成。沼氣進入氣室，污泥在沉淀區(qū)進行沉淀，并經(jīng)回流縫回流到反應(yīng)區(qū)。經(jīng)沉淀澄清后的廢水作為處理水排出反應(yīng)器［8，10］見圖1。

圖1 UASB原理圖Fig.1 Schematic of a UASB reactor

2 溫度對UASB工藝的影響

溫度對UASB 工藝的影響體現(xiàn)在對污泥的水解率上。厭氧菌以厭氧污泥中的有機物作為底物，通過降解作用凈化污水。多數(shù)厭氧菌（主要是甲烷菌和水解菌）的最佳生長溫度是30～35 ℃［11］。因此，UASB反應(yīng)器在一般情況下應(yīng)用于常溫氣候，低溫和高溫反應(yīng)器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用并不多。

2.1 低溫UASB反應(yīng)器

在低溫下，產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)酸菌的活性下降，導(dǎo)致污泥產(chǎn)甲烷活性、容積負荷和單位容積產(chǎn)氣率都降低，固液混合減弱，傳質(zhì)受到限制。相比較而言，產(chǎn)甲烷菌的活性降低更快，使得大量揮發(fā)性脂肪酸（Volatile Fatty Acid，VFA）積累，反應(yīng)器酸化，于是產(chǎn)酸菌順勢大量繁殖，粘附在顆粒污泥表面，引起顆粒污泥上浮，最終整個系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量受到影響［12］。但是，微生物的凈產(chǎn)率（g生物量／g基質(zhì)轉(zhuǎn)化）隨溫度的降低而升高，從而提高了反應(yīng)器的負荷率和去除率［13］。Langenhoff等［14］研究表明反應(yīng)器可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）在低溫下增多，占出水溶解性COD 的80%以上。SMP 絕大部分是胞外產(chǎn)物，在厭氧條件下很難降解，而在好氧條件下卻可以幾乎全部降解，因而要獲得較高要求的水質(zhì)，好氧后續(xù)處理必不可少。因此，雖然低溫UASB 反應(yīng)器中的產(chǎn)酸菌大量繁殖使得沼氣產(chǎn)量下降，但是微生物量的增多提高了負荷率和去除率。

UASB要想在低溫下高效運行，對低溫下的顆粒污泥研究不可忽視，包括顆粒污泥中的優(yōu)勢營養(yǎng)菌種類分析以及低溫下運行對其生長代謝的影響。Sharon McHugh等［15］利用獨立培養(yǎng)技術(shù)檢測了6種厭氧污泥的微生物結(jié)構(gòu)，用16sRNA 基因測序和系統(tǒng)發(fā)育構(gòu)建分析發(fā)現(xiàn)，在不同溫度反應(yīng)器下運行了300多天的污泥的產(chǎn)甲烷菌都以產(chǎn)甲烷鬃毛菌為代表，特別是低溫污泥的產(chǎn)甲烷鬃毛菌最占優(yōu)勢。在10℃的低溫下，顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性仍在運行一段時間后有顯著提高，說明產(chǎn)甲烷菌可以在適應(yīng)低溫后很好生長［16］。Kettunen等［17］對非適應(yīng)性和適應(yīng)性的消化污泥的產(chǎn)甲烷活性進行了對比測試，研究了5～29℃時乙酸和氫代謝產(chǎn)甲烷菌的活性的影響，結(jié)果表明，在低溫下，對垃圾滲濾液有一定適應(yīng)性的消化污泥的產(chǎn)甲烷活性比非適應(yīng)性的有明顯提高，在11 ℃時前者是后者的7 倍，22 ℃時是5倍，同時也得出產(chǎn)甲烷活性的提高對COD 的去除率沒有影響，在任何溫度都可以達到80%。甚至，對厭氧顆粒污泥的研究發(fā)現(xiàn)，在低溫下培養(yǎng)了300d的污泥，在恢復(fù)到中溫時，其活性超過了中溫污泥的活性［12］。在4 ℃下貯存6個月后，依然能保持良好活性，意味著利用低溫下生長的顆粒污泥可迅速實現(xiàn)低溫厭氧反應(yīng)器的啟動［18］?？傊m然低溫限制了厭氧菌的降解速率，但并未限制其生長，因此完全可以接種適應(yīng)性的低溫消化污泥在低溫下運行。

2.2 高溫UASB反應(yīng)器

高溫UASB反應(yīng)器的最大有機負荷較中、低溫UASB反應(yīng)器高，水力停留時間（HRT）短。但在相同的有機負荷下，高溫UASB 反應(yīng)器的COD 去除率比中溫UASB反應(yīng)器要低，但Fang等［19］在研究較多蛋白質(zhì)的廢水處理的過程中發(fā)現(xiàn)，高溫條件下培養(yǎng)的顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性比中溫顆粒污泥稍高些。蛋白質(zhì)水解會限制厭氧降解，但是廢水經(jīng)酸化后，高溫UASB反應(yīng)器的有機負荷可提高。Ohtsuki等［20］以蔗糖配成廢水，經(jīng)酸化后污泥有機負荷可從0.9kg COD／kg VSS·d升高到3.0kg COD／kg VSS·d。因此，在高溫UASB 反應(yīng)器前可增加預(yù)酸化處理系統(tǒng)，達到更理想的處理效果。

顆粒污泥的形成與否、沉降性能的好壞對UASB反應(yīng)器的性能有很大影響。Syutsubo等［21］對小試規(guī)模的UASB 反應(yīng)器進行研究，考察了55℃下污泥顆粒化的過程。反應(yīng)器用高溫的下水道污泥作為接種物，經(jīng)200d后反應(yīng)器內(nèi)的污泥完全顆?；w粒污泥直徑0.38mm；到442d時，直徑能達到0.52mm。成熟的顆粒污泥的最大負荷為3.7 g COD／g VSS·d，是中溫條件下形成的顆粒污泥的2～3倍。另外，F(xiàn)ang等［22］在編號為F、G、D 的3個UASB反應(yīng)器中分別接種中溫的絮狀消化污泥、中溫顆粒污泥和破碎的中溫顆粒污泥，45d后，D 反應(yīng)器中出現(xiàn)明顯的顆粒污泥；而F 反應(yīng)器的污泥直到90d后才顆?；?。用碎顆粒污泥接種，與用完整顆粒污泥接種，兩者最終的運行情況沒有多大差別。因此，高溫UASB反應(yīng)器可選用完整的中溫顆粒污泥進行接種。Ohtsuki等［20］在高溫UASB 反應(yīng)器中投加微載體（micro－carrier），也可增加中溫顆粒污泥的活性，利于反應(yīng)器的啟動。

高溫UASB反應(yīng)器在處理不同廢水時，顆粒污泥結(jié)構(gòu)會有較大差異。Fang 等［23］在處理葡萄糖、谷氨酸、釀酒廢水時，對顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)進行了探討，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)由底物的屬性決定。降解含易溶解碳水化合物廢水形成的顆粒污泥具有明顯層次結(jié)構(gòu)，而降解谷氨酸廢水的顆粒污泥則內(nèi)外很一致。同時也發(fā)現(xiàn)甲烷絲狀菌是顆粒污泥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組分，在污泥顆?；^程中起著重要的作用。

3 UASB的技術(shù)改良

溫度限制使得UASB工藝難以在世界所有地區(qū)推廣，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這個劣勢將會被克服。要克服溫度限制，必須保證足夠的污泥停留時間（SRT）和足夠的攪拌或水力擾動，保證基質(zhì)傳遞不受限制。并且單位容積內(nèi)要容納更多的生物量，有機負荷也應(yīng)較高。對此，國內(nèi)外學(xué)者進行了探索（表1）。

表1 UASB改良技術(shù)的效果對比Table 1 Comparison of various coupled systems at different temperatures

3.1 厭氧過濾器和復(fù)合式厭氧反應(yīng)器

Chernicharo等［24］研究發(fā)現(xiàn)，繼UASB 反應(yīng)器處理后，在13～28℃下用兩個塞滿高爐礦渣的厭氧過濾器（AF）平行操作（上升氣流模式和下降氣流模式），即形成UASB／AF 系統(tǒng)，能夠達到86%的COD 去除率和85%的懸浮固體（TSS）去除率。該系統(tǒng)的HRT 很短，UASB 反應(yīng)器6h，厭氧過濾器（AF）3～4h即可，如此低成本利于在發(fā)展中國家應(yīng)用。復(fù)合式厭氧反應(yīng)器（AHR）系統(tǒng)是在UASB 反應(yīng)器三相分離器（GLS）頂部添加軟性填料。國內(nèi)學(xué)者曾針對單獨的AHR 系統(tǒng)進行了研究，在55 ℃下處理酒精糟液，經(jīng)70d培養(yǎng)出大量的顆粒污泥（粒徑1.5mm），并且達到了20kg COD／（m3·d）的高有機負荷，COD 的去除率在90%以上［25］。但是在高溫下，此類反應(yīng)器容易出現(xiàn)填料接團、處理效率降低的問題［43］。同時，Elmitwalli等［26］在13 ℃的穩(wěn)定條件下使用垂直網(wǎng)狀聚氨酯泡沫材料（RPF）作為填料，獲得了64%的COD 去除率，比單獨的UASB反應(yīng)器COD 的去除率高了4%。隨后，AF 和AH技術(shù)就綜合應(yīng)用在污水處理上。在12h的水力停留時間（HRT）處理后，AF＋AHR 系統(tǒng)能夠使COD 的去除率達到71%。同時發(fā)現(xiàn)，在13℃下，此COD 的去除率與高溫UASB 反應(yīng)器的相似［27－28］。Sawajneh等［29］把厭氧過濾器（AF）作為用UASB反應(yīng)器處理高濃度污水的預(yù)處理單元。在15～21℃下，這個系統(tǒng)展現(xiàn)出了比較不錯的COD 去除率。AF系統(tǒng)作為第一個階段，可以首先有效去除懸浮固體，降低污水濃度，同時水解、酸化和生成甲烷，這對第二個階段（UASB）是有利的。盡管這兩個改良技術(shù)在沉降性和脫水性方面取得了有效的處理效果，但移除AF 系統(tǒng)的剩余污泥的頻繁性及保持（AF＋AHR）系統(tǒng)的穩(wěn)定性有待改進。

Lew 等［31］用塑料過濾器環(huán)（plastic filter rings）替代三相分離器，在10～28 ℃下處理污水。COD和TSS的去除率在10 ℃和14 ℃下都低于UASB反應(yīng)器。Gao等［32］研究發(fā)現(xiàn)，把上流式厭氧固定床（Upflow Anaerobic Fixed Bed，UAFB）固定在UASB反應(yīng)器的底部，隨著溫度從35℃降到15℃，COD 的去除率隨之降了32%。但是有趣的是，在20 ℃時達到甲烷產(chǎn)量的最大值（每天能產(chǎn)生7L 甲烷），這比35 ℃時的甲烷量高了40%。這也同樣說明了（UAFB＋UASB）反應(yīng)器在低溫下處理污水是可行的。

3.2 UASB－消化器系統(tǒng)組合

目前的研究表明，在UASB 污水的后處理上加入一個消化器（digester）可提高反應(yīng)器性能，調(diào)節(jié)氣候溫度波動，該消化器也叫連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器（continuous－stirred－tank reactor，CSTR）。Mahmoud等［33］報道，使用消化器可使UASB 反應(yīng)器在35 ℃的條件下處理15 ℃的污水，COD 和CODCOL（colloidal COD）的去除率分別能達到66%和44%，而只使用UASB 反應(yīng)器處理污水，COD 和CODCOL的去除率只有44%和3%。Mahmoud等［34］在夏末比較了UASB－消化器系統(tǒng)工藝與單獨的UASB工藝的性能，發(fā)現(xiàn)前者在移除COD 和降低總懸浮固體（TSS）濃度方面處理效果更好。同時認為此工藝能滿足氣候溫度在15～35 ℃的巴勒斯坦國家污水處理的需要。雖然這個工藝要求使消化器溫度升高，保證污泥傳遞到消化器上，但是，因為COD 去除率較高、剩余污泥較少和系統(tǒng)能維持很好的脫水性和穩(wěn)定性而被應(yīng)用。趙春娟等［44］認為該工藝能對養(yǎng)殖場產(chǎn)生的廢水處理具有很好的效果，尤其是對高寒地區(qū)的沼氣處理工程的應(yīng)用具有推廣意義。同時指出把能耗較高的CSTR 系統(tǒng)與UASB技術(shù)相結(jié)合起來，可以允許進入的物料有較高的SS，通過CSTR 后進入UASB的就為低SS的經(jīng)過降解的小分子物質(zhì)，這樣明顯提高了UASB的消化效率，并減少了GLS堵塞的可能。

3.3 單級UASB系統(tǒng)和兩級UASB系統(tǒng)

Halalsheh等［36］比較了單級和兩級UASB 系統(tǒng)在處理高強度污水上的差異，發(fā)現(xiàn)這兩個系統(tǒng)在COD 的去除率上沒有顯著差異，建議使用單極UASB反應(yīng)器時HRT 稍長一點。而且，Halalsheh等［42］也比較了冬季和夏季這兩個工藝的性能。單極UASB反應(yīng)器在COD 去除率上不存在季節(jié)差異，而在兩級UASB 工藝中，第二個UASB 反應(yīng)器不穩(wěn)定，使得總工藝的性能減弱。但是，若把水解上流式污泥床（hydrolytic upflow sludge bed，HUSB）作為兩級UASB工藝的第一階段、把UASB工藝作為第二階段，污水處理效果比單極UASB 好［37］。HUSB作為水解單元，UASB 作為產(chǎn)甲烷單元，各司其職，達到滿意的性能。這也同時消除了低溫對UASB工藝的影響。

近年來，學(xué)者對兩級UASB 工藝的研究都致力于把兩級UASB與好氧技術(shù)結(jié)合起來，再加上序批式反應(yīng)器（SBR），即形成“兩級UASB－A／O－SBR”工藝［38，45－47］。這個工藝能深度脫氮，系統(tǒng)TN 和去除率都接近100%。同時，吳莉娜［38］研究表明溫度不是短程硝化的關(guān)鍵因素，這說明此工藝對溫度無限制，利于UASB工藝在中國的推廣。

3.4 UASB－化糞池耦聯(lián)系統(tǒng)

這個系統(tǒng)是化糞池的改進工藝，應(yīng)用了上流式結(jié)構(gòu)，把固－液－氣分離器安置在化糞池的頂端。這個工藝能處理高強度的污水，溫度為24 ℃，HRT為2d。Mahmoud［39］在此條件下進行污水處理，使得總COD 去除率為56%，懸浮COD 去除率為87%。隨后，Al－Jamal和Mahmoud［40］也用了這個系統(tǒng)，但是溫度降低了。在17.4℃時，總COD 和懸浮COD 去除率分別都降為51%和83%。這也說明了即使對UASB改進工藝，溫度也會影響污水處理性能。但是，此工藝的一個最主要的優(yōu)點是能減少污泥處理費，因其能在此工藝中保留較長時間。作者也認為要使用這個工藝，后處理單元是必要的。最近，趙丙良［41］為了提高該工藝的性能和凈化效率（COD 和病原微生物），直接改進了反應(yīng)器內(nèi)部攪拌方式，增強了混合程度。在中溫35 ℃下運行，使得COD 的去除率能達到72%。同時發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器主要依靠污泥的粘附作用去除病原菌，且絮狀污泥對原水中游離態(tài)病原菌的去除效果比顆粒污泥好，而對懸浮態(tài)病原菌則無顯著差異，污泥顆?；?，HRT 與糞大腸桿菌去除率呈正相關(guān)性。

3.5 標(biāo)準設(shè)計的改變

對UASB標(biāo)準工藝的改變研究較少，最近Halalsheh［42］等提出使用斜板沉淀池（lamella settlers）來代替HRT 的增加，其目地是增加污泥停留時間（sludge retention time，SRT），使得UASB 反應(yīng)器的性能增強。兩個反應(yīng)器－UASB－ESR1和UASBESR2，第一個反應(yīng)器是把斜板安置在污泥沉淀區(qū)，另外一個是安置在了三相分離器的下端。結(jié)果表明，UASB－ESR2 反應(yīng)器COD 去除率比UASBESR1高了2%～3%。在平均溫度為16.4 ℃的冬季條件下運行，兩個系統(tǒng)比傳統(tǒng)的UASB工藝污水處理能力強，表現(xiàn)出COD 去除率比傳統(tǒng)工藝高一倍多。因此，UASB標(biāo)準設(shè)計的改變是可行的。

4 結(jié)語與展望

UASB技術(shù)在污水處理方面有著明顯優(yōu)勢，但是氣候溫度的差異影響了此工藝的推廣，許多問題還有待于進一步研究。相對于中溫與高溫來說，低溫使UASB性能惡化，脫氮除磷效率低，抗沖擊負荷能力弱。而高溫UASB反應(yīng)器雖然反應(yīng)速度快，停留時間短，有機負荷較高，但是去除率不是很高。因此，對現(xiàn)有反應(yīng)器的改進和新反應(yīng)器開發(fā)的核心問題是如何降低溫度對UASB 工藝的限制。工作重點主要包括：（1）解決低溫下高強度污水的預(yù)酸化問題以及懸浮固體濃度過高導(dǎo)致的CODCOL 的問題；（2）解決高產(chǎn)氣量引起的SRT 減少、高活性污泥溢出增加的問題以及丙酸積累的問題；（3）改進現(xiàn)有反應(yīng)器或者做好污水的預(yù)處理和后處理工作，最終使污水達標(biāo)排放。

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