上流式污泥床过滤器新工艺处理废水的现状及应用
1984年，加拿大的Guiot[1]在AF和UASB的基础上开发出了上流式污泥床-过滤器(Upflow Blanket Filter，简称UBF)复合式厌氧反应器。相较于上述两种工艺，UBF反应器具有以下优点：(1)上部的填料层可以有效的阻止污泥的流失，还能够起到三相分离的作用，因此结构上较UASB要更简单；(2)与AF相比，UBF反应器只用部分填料，既减轻了滤器底部易出现的短流和堵塞，也少用了填料[2]。UBF目前是水污染防治领域中一项极具开发应用前景的生物处理新技术。
1.研究进展
目前国内外对UBF反应器的动力学模型、启动、运行性能及其影响因素都有研究。
1.1 动力学模型
物料在反应器中不同的流动情况直接与反应器内基质浓度、温度和反应时间等工艺条件密切相关，因此对反应器中流体流动模型的研究是反应器放大应用的一个重要环节。
Nurdan B y kkamaci等人运用不同数学模型，对在不同有机负荷(OLR)和水力停留时间(HRT)条件下处理合成废水的UBF进行动力学分析，发现只Second-order模型和Stover-Kincannon模型最能描述反应器的动力学行为，相关系数分别高达98%和99%。
刘忠生等人[3]提出了UBF液体流动组合模型，它将污泥床、污泥层和填料层视为相互隔开、各带死区的全混流反应单元，它们之间用上流和返混依次相连， 并有原料水自污泥床入口旁流(短路)到污泥层和填料层，进而利用该模型和比基质降解Monod方程建立了UBF基质降解动力学模型，并通过试验取得了精对苯二甲酸废水基质动力学常数。
1.2 启动
启动的目标是为需处理的污水培养最适宜的微生物，一旦活性污泥形成，不管是颗粒或絮体，反应器的运行都很稳定。因此，厌氧反应器能否成功地快速启动是决定反应器运行成败的先决条件[4]。
Hashemian等人[5]对用聚氨酯为填料的UBF的启动进行了研究。认为虽然聚氨酯填料代价高，但能够缩短启动时间。Huub等人[6]对用聚氨酯为填料的UBF与UASB的启动进行了对比研究，发现UBF较UASB启动更快。可能是由于在前者中产甲烷菌群快速固定的缘故。
李斗等人[7]采用UBF反应器以某化工厂生产废水(含大量环己烷、环己醇及少量酸钠)为处理对象对反应器的启动进行了试验研究，结果表明当COD容积负荷(VLR)为2.12kg/m3·d时，其COD去除率最高(82%)，反应器中形成厌氧颗粒污泥。试验验证了UBF在处理高浓度降解废水时，具有启动快特点。
1.3 运行性能及其影响因素
UBF是工业、生活油脂、印染、啤酒、制药、制糖、屠宰等行业高运行稳定、抗冲击负荷能力强是UBF的又一大显著特点，其对容积负荷、温度、pH的波动有较好的承受能力。浓度有机废水进行高效生化处理较理想的设备，启动速度快，运行效率高是其一大优点。影响其运行效能的因素如下：
1.3.1温度
根据热力学原理，温度越高，生化反应速率越大，同时，从生物学角度看，温度越高，酶的活性越大。但温度过高，将影响酶的活力和细菌的代谢功能，综合考虑各因素，反应器的试验温度采用厌氧菌中段最佳温度35℃。
胡锋平[8] [9]在常温25℃采用两相厌氧法对养鸡场离心废水进行处理，结果表明：进水CODCr为18300mg/L，系统容积负荷17.26kgCODCr/m3·d，水力停留时间25.47h，CODCr去除率为76.13%，BOD5去除率为87.76%，产气率为0.410m3/kg·CODCr；在中温35℃时结果表明：进水CODCr为19000mg/L，系统容积负荷21.54kgCODCr/m3·d，水力停留时间21.17h，CODCr去除率为81.98%，BOD5去除率为90.45%，产气率为0.446m3/kg·CODCr。由此可得35℃比25℃时，处理效率较好，产气量也较大。
1.3.2 填料
UBF所用的填料可根据废水生物反应特性及水力学特征进行选择，投加填料后不仅可提高反应器中污泥浓度，减小污泥负荷，而且填料上生物膜内部缺氧区的存在可以抑制溶液中丝状微生物的生长，还使反应器内流化状态改善，增大厌氧菌与废水的接触时间，从而强化处理效果，对水质变化，如pH变化、抑制物浓度、废水浓度等均有较大的适应能力。
目前常用的填料有：聚氨酯泡沫填料、YDT弹性填料、BIO-ECO聚丙烯填料、半软性纤维填料、陶瓷希腊环、聚乙烯拉西环、塑料环、活性炭、焦碳、浮石、砾石等[10]。其中应用最多的是聚氨酯泡沫填料。这是因为聚氯酯泡沫[11]的比表面积大(2400m2/m3)，空隙度高(97％)，具有网状结构，微生物能在其上密实而迅速地增殖，是厌氧优势菌落的良好基质。
1.3.3 水力停留时间和有机负荷率
HRT和相对应的OLR是影响UBF处理效率的关键因素。Droste等[12]1987年报道在UBF反应器中，当HRT为2h或更少，OLR为3. 6-12kgCOD/ m3·d时，生物固体要洗出。而由Rafael等[13]的对比实验看，对高浓度废水来说，HRT也许比在实验中所观察到的要更长。对颗粒污泥研究表明，填充介质并不是影响颗粒污泥沉降性能的关键因素。当HRT和OLR分别接近0. 3d 和17-18 kgCOD/ m3·d 时，COD去除率从95%剧烈下降到70%。由此表明，COD的去除率受生物量的增殖、OLR和HRT 影响最大。
1.3.4 颗粒污泥
厌氧反应器能否高效、稳定运行的关键是培养和驯化沉降性能好、活性好的颗粒污泥[14]。UBF下部的UASB最大特点就是能够形成沉降性能良好、产甲烷活性高的颗粒污泥，厌氧颗粒污泥的形成使UASB中有较高浓度的生物相，
从而确保厌氧生化过程稳定高效运行。而污泥颗粒化影响因素很多，包括环境的、生物学的和工程的因素都会影响到污泥颗粒化过程。其提高的方法有：适当的增加进水中的碱度, 提高水力负荷，对甲烷菌的驯化，启动初期保持低浓度进水，排除悬浮层污泥等。
2. 应用
2.1 高浓度有机废水的应用
2.1.1印染废水
陈文乐[15]对UBF处理高浓度印染废水进行了试验研究。温度35℃，进水的pH值在8.5-9.0间(保证进入反应器内经稀释中和后pH值在6.5-7.5间)。厌氧段的HRT(水力停留时间)为15h，容积负荷为2.5 kgCOD/m3·d。好氧段的HRT为8h，容积负荷为4.6kgCOD/m3·d。进水COD为1500mg/L、色度为600倍的印染废水。以2.5kgCOD/m3·d的容积负荷通过厌氧段，可使得COD的去除率在25％以上，色度降到80倍以下，在好氧段曝气8h，即容积负荷为4.6kgCOD/m3·d，总去除率可达90％，出水为160mg/L，色度降至60倍，色度去除率在90％以上。
薄国柱等人[16]研究上流式厌氧生物滤池反应器处理难降解印染退浆废水，试验结果表明，在中温（35℃ 3℃）条件下，用混合酸调节pH值，在水力停留时间为8.9h、CODCr负荷率为13.1kg/m3·d情况下，CODCr去除率达到了68%。
2.1.2 造纸废水
陈南南等人[17]对用UBF处理废纸浆造纸废水进行了实验研究。实验表明，UBF反应器经过三个月达到稳定运行，培养出适合水质要求的厌氧污泥，运行结果表明，在进水CODCr为1800mg/L左右的条件下，出水CODCr一般在600-700mg/L，平均去除率稳定在85.7%左右。
2.1.3 制药废水
倪利晓等[18]采用以聚丙烯拉西环为填料的上流式污泥床-过滤器复合式厌氧反应器处理生产病毒唑的制药废水。试验结果表明：当水力停留时间为6.910h，进水COD质量浓度为7000mg/L、有机负荷达25.05 kg/(m3·d)时，COD去除率可达72.8％，出水COD质量浓度为1900mg/L左右，同时，填料上生物膜对COD的去除率为32％-47％，且能截留大量污泥。
侯爱东等人[19]针对某制药业废水的特点，采用了“微电-UBF-CASS”为主体的组合处理工艺。工程运行结果表明：在进水CODCr为10000-12000mg/L，处理后出水CODCr小于200mg/L，平均去除率达到98％以上，系统出水达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)中的二级标准。
2.1.4 酿造废水
苗利等[20]进行的UBF-SBR工艺处理啤酒工业废水工程应用表明，当UBF的水力停留时间为10h时，UBF的进水和出水CODCr、BOD5、SS分别为1022mg/L，543 mg/L，383 mg/L和290 mg/L，128 mg/L，273 mg/L；UBF出水采用SBR进行处理，当SBR 的运行周期为12h时，SBR出水的CODCr、BOD5、SS分别为67 mg/L，12 mg/L，96 mg/L，出水水质稳定达到国家啤酒工业废水排放标准。此工艺技术具有投资省，电耗和运行费用低，启动速度快，运行稳定可靠，占地面积小，污泥排放量少，管理方便等明显特点。
2.1.5 垃圾渗滤液
曹占平等[21]同对UBF反应器处理垃圾渗滤液进行了中试研究．在2个月内启动完成反应器，系统在常温、HRT=6d的稳定运行期间，对CODCr、BOD的去除率较高。去除率分别为70.6％-73.9％、74.5％-78.1％．同时对SS也有40％作用的去除率，进水CODCr在5431-8723之间，可降到2276.7以下。
温丽丽等人[22]采用新型复合工艺UBF-BAF固定化微生物系统处理中老龄垃圾渗滤液。实验表明，在渗滤液进水CODCr和NH4+-N浓度范围分别为6000-14500mg/L和880-1500mg/L的条件下，出水CODCr浓度低于400mg/L，NH4+-N浓度低于10mg/L；CODCr、NH4+-N和TIN平均去除率分别达到93.8％、97.3％和84.1％左右。系统最佳水力停留时间为84h．系统中高游离氨浓度没有对污染物去除效率造成影响。采用GC/MS对低分子量有机污染物成分进行分析，结果表明出水中有机污染物种类明显减少，大部分有机物得到了有效去除。另一方面系统中生物量大，生物种类丰富，含有短杆菌、长杆菌和球菌等．该系统在渗滤液没有经过预处理、污染物浓度变化很大的情况下，能实现高污染物去除率，证明其处理垃圾渗滤液是可行的。
2.2 低浓度生活废水的应用
曾国揆[23]等利用UBF反应器在常温下进行实验小试，处理COD在500-600mg/L的自配废水时发现，在水力停留时间HTR为4.17h、进水负荷为3.08kgCOD/m3·d时，其COD去除率可达70%左右，产气率为0.135m3/m3·d，反应器中污泥活性很强，整个系统运行稳定。
董良飞[24]等人针对船舶生活污水的特点，对UBF-接触氧化工艺处理船舶生活污水进行了实验研究，在UBF、接触氧化池、接触沉淀池的有效水力停留时间分别为1.5 h、2.0h、1.0 h时，出水BOD5、SS均小于50 mg/L，并实现了污水、污泥的一体化处理。
2.3 处理高含盐度废水
刘锋等人[25][26]对利用上流式厌氧生物滤池反应器处理高含盐有机废水的情况进行了试验研究。结果表明，在容积负荷4kgCOD/m3·d，进水氯离子浓度在3000 mg/L，水力停留时问24h时，COD去除效率达到85％左右。另外在用厌氧法处理柠檬酸生产过程中产生的pH值低(3-5)、含盐量高(C1-=3000-5000mg/L)的离子交换废水时，遇到颗粒污泥很难形成的问题。为了解决此问题，于是他们设计和建设了4座直径为12m、高为23m、体积为2500m3的大型组合厌氧滤池(UBF)。经过近2年的启动和实际运行，在容积负荷为3-4 kgCOD/m3·d、不用碱性物质调节pH值的奈件下，对COD的去除率>75％，出水SS<200mg／L，污泥量缓慢增加，未出现堵塞现象，有废水需要处理的单位，也可以到污水宝项目服务平台咨询具备类似废水处理经验的企业。
3. 结语
将UASB和AF联合开发出的UBF工艺，是一种高效厌氧废水处理工艺，具有微生物浓度高，固体停留时间(SRT)长，容积负荷高，体积减小，混合充分，滤料成本低，系统紧凑、占地面积小，可回收沼气能源，建设费用和运行成本低等特点。因此，UBF工艺在有机废水的处理中, 具有很大的发展前景和应用潜力，值得大力推广。此外，其对低浓度生活污水也具有一定的处理能力。
然而，UBF还有很多值得研究的地方，如反应器填料的研究，颗粒污泥的培养技术，反应器的优化设计以及大规模应用中参数的确定等方面。对这些问题的深入研究，将更有利于UBF的推广发展和应用。
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