一、概述
厭氧處理已經(jīng)成功地應用于各種高、中濃度的工業(yè)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(zhì)時(shí)，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(lǐng)域應用最為廣泛的是UASB反應器，所以本文重點(diǎn)討論UASB反應器的設計方法。但是，其與其它的厭氧處理工藝有一定的共同點(diǎn)，例如，流化床和UASB都有三相分離器。而UASB和厭氧濾床對于布水的要求是一致的，所以結果也可以作為其他反應器設計參考。
包含厭氧處理單元的水處理過(guò)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(yíng)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(wú)機的可沉固體，這對對于保護各種類(lèi)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(shí)，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(guò)分。不可生物降解的固體，在厭氧反應器內積累會(huì )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(zhì)、水量和沖擊負荷較為敏感，所以對于工業(yè)廢水適當尺寸的調節池，對水質(zhì)、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(zhì)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(shí)，容積需扣除沉淀區的體積;根據顆�；蚿H調節的要求，當廢水堿度和營(yíng)養鹽不夠需要補充堿度和營(yíng)養鹽(N、P)等;可采用計量泵自動(dòng)投加酸、堿和藥劑，通過(guò)調節池水力或機械攪拌達中和作用。
同時(shí)，酸化池或兩相系統是去除和改變，對厭氧過(guò)程有抑制作用的物質(zhì)、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(shí)，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(méi)有必要的，甚至是有害處的。因為達到完全酸化后，污水pH會(huì )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(guò)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(shí);
2) 當廢水存在有較高的Ca2+時(shí)，部分酸化可避免顆粒污泥表面產(chǎn)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(shí);
4) 在調節池中取得部分酸化效果可以通過(guò)調節池的合理設計取得。例如，上向流進(jìn)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(shí)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(guò)試驗確定。
V = QSo/q (1)
V =KQ.HRT (2)
式中：Q---廢水流量，m3/d;
So---進(jìn)水有機物濃度，gCOD/L或gBOD5/L。
表1給出不同類(lèi)型廢水國內外采用UASB反應器處理的負荷數據，需要說(shuō)明的是表中無(wú)法一一注明采用的預處理條件和厭氧污泥類(lèi)型等情況，這些條件對選擇設計負荷是至關(guān)重要的。下表供設計人員設計時(shí)參考，選用前必須進(jìn)行必要的實(shí)驗和進(jìn)一步查詢(xún)有關(guān)的技術(shù)資料。
表1
國內外生產(chǎn)性UASB裝置的設計負荷統計表 序號 廢水類(lèi)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(chǎng)家數 平均 最高 最低 廠(chǎng)家數
1 酒精生產(chǎn) 11.6 15.7 7.1 7 6.5 20.0 2.0 15
2 啤酒廠(chǎng) 9.8 18.8 5.6 80 5.3 8.0 5.0 10
3 造酒廠(chǎng) 13.9 18.5 9.9 36 6.4 10.0 4.0 8
4 葡萄酒廠(chǎng) 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(yè) 9.8 12.4 6.0 16 6.0 6.0 6.0 1
10 檸檬酸生產(chǎn) 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(chǎng) 10.9 33.2 6.3 11 5.0 8.0 0.8 5
18 家畜飼料廠(chǎng) 10.5 10.5 10.5 1
19 垃圾濾液 9.9 12.0 7.9 7
b) 經(jīng)驗公式方法
Lettinga等人采用同樣經(jīng)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(guān)系，并且對不同反應器處理生活污水的數據進(jìn)行了統計，得出了參數值。
式中：C1 ,C2——反應常數。
c) 動(dòng)力學(xué)方法
許多研究者致力于動(dòng)力學(xué)的研究，Henxen和Harremoes(1983)根據眾多研究結果匯總了酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵過(guò)程重要的動(dòng)力學(xué)常數(見(jiàn)表2)。到目前為止，動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，還沒(méi)有使它能夠在選擇和設計厭氧處理系統過(guò)程中成為有力的工具，通過(guò)評價(jià)所獲得的實(shí)驗結果的經(jīng)驗方法現在仍是設計和優(yōu)化厭氧消化系統的唯一的選擇。
表2 厭氧動(dòng)力學(xué)參數(Henxen和Harremoes，1982) 培養 mm(d-1) Y(mgVSS/mgCOD) Km[mgCOD/(mgVSS•d)] Ks(mgCOD/L) 產(chǎn)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(shí)間進(jìn)行設計時(shí)，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(jīng)濟上綜合考慮的結果。從設計、運行方面考慮：高度會(huì )影響上升流速，高流速增加系統擾動(dòng)和污泥與進(jìn)水之間的接觸。但流速過(guò)高會(huì )引起污泥流失，為保持足夠多的污泥，上升流速不能超過(guò)一定的限值，從而使反應器的高度受到限制;高度與CO2溶解度有關(guān)，反應器越高溶解的CO2濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最優(yōu)值，會(huì )危害系統的效率。
從經(jīng)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(jīng)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(yōu)的運行范圍。
2) 反應器的升流速度
對于UASB反應器還有其他的流速關(guān)系(圖2)。對于日平均上升流速的推薦值見(jiàn)表3，應該注意對短時(shí)間(如2～6h)的高峰值是可以承受的(即暫時(shí)的高峰流量可以接收)。
表3 UASB和EGSB允許上升流速(平均日流量) UASB反應器 Vr=0.25~3.0m/h
0.75~1.0m/h 顆粒污泥
絮狀污泥 Vs≤1.5m/h 絮狀污泥 ≤8m/h
顆粒污泥 Vo≤12m/h 顆粒污泥 ≤3.0m/h 絮狀污泥 Vg=1m/h 建議最小值
3) 反應器的截面積和反應器的長(cháng)、寬(或直徑)
在確定反應器的容積和高度(H)之后，可確定反應器的截面積(A)。從而確定反應器的長(cháng)和寬，在同樣的面積下正方形池的周長(cháng)比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以表面積為600m2的反應器為例，30×20m的反應器與15m×40m的反應器周長(cháng)相差10%，這意味著(zhù)建筑費用要增加10%。但從布水均勻性考慮，矩形在長(cháng)/寬比較大較為合適。從布水均勻性和經(jīng)濟性考慮，矩形池在長(cháng)/寬比在2:1以下較為合適。長(cháng)/寬比在4:1時(shí)費用增加十分顯著(zhù)。
圓形反應器在同樣的面積下，其周長(cháng)比正方形的少12%。但這一優(yōu)點(diǎn)僅僅在采用單個(gè)池子時(shí)才成立。當建立兩個(gè)或兩個(gè)以上反應器時(shí)，矩形反應器可以采用共用壁。對于采用公共壁的矩形反應器，池型的長(cháng)寬比對造價(jià)也有較大的影響。如果不考慮其他因素，這是一個(gè)在設計中需要優(yōu)化的參數。
4) 單元反應器最大體積和分格化的反應器
在UASB反應器的設計中，采用分格化對運行操作是有益的。首先，分格化的單元尺寸不會(huì )過(guò)大，可避免體積過(guò)大帶來(lái)的布水均勻性等問(wèn)題;同時(shí)多個(gè)反應器對系統的啟動(dòng)也是有益的，可首先啟動(dòng)一個(gè)反應器，再用這個(gè)反應器的污泥去接種其他反應器;另外，有利于維護和檢修，可放空一個(gè)反應器進(jìn)行檢修，而不影響系統的運行。從目前實(shí)踐看最大的單體UASB反應器(不是最優(yōu)的)可為1000-2000m3。
5) 單元反應器的系列化
單元的標準化根據三相分離器尺寸進(jìn)行，三相分離器的型式趨向于多層箱體的設備化結構。以2×5m的三相分離器為例，原則上講有多種配合形式。但從標準化和系列化考慮，要求具有通用性和簡(jiǎn)單性。所以，池子寬度是以5m為模數，長(cháng)度方向是以2m為模數。布置單元尺寸的方式可分成單池單個(gè)分離器和單池兩個(gè)分離器的形式。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長(cháng)度是不受限制。如前所述，由于長(cháng)寬比涉及到反應器的經(jīng)濟性，所以要結合池子組數考慮適當的長(cháng)寬比。對寬度為10m的單個(gè)反應器，2:1的長(cháng)寬比的反應器可達到2000m3的池容。對更大的反應器，如果需要也可采用雙池共用壁的型式。
三、反應器的配水系統的設計
1、配水孔口負荷
一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)服務(wù)的最大面積問(wèn)題是應該進(jìn)行深入的實(shí)驗研究。對于UASB反應器Lettinga建議在完成了起動(dòng)之后，每個(gè)進(jìn)水點(diǎn)負擔2.0到4.0m2對獲得滿(mǎn)意的去除效率是足夠的。但是在溫度低于20℃或低負荷的情況，產(chǎn)氣率較低并且污泥和進(jìn)水的混合不充分時(shí)，需要較高密度的布水點(diǎn)。對于城市污水De Man和Van der Last (1990)建議1～2m2/孔。表4是Lettinga等人根據UASB反應器的大量實(shí)踐推薦的進(jìn)水管負荷。
表4 采用UASB處理主要為溶解性廢水時(shí)進(jìn)水管口負荷 污泥典型 每個(gè)進(jìn)水口負荷(m2) 負荷(kgCOD/m3·d) 顆粒污泥 0.5～1 2.0 1～2 2～4 > 2 >4 凝絮狀污泥
> 40kgDS/m3 6.5～1 <1.0 1～2 1～2 2～3 >2 中等濃度絮狀污泥
120～40kg/m3 1～2 <1～2 2～5 >2
2、進(jìn)水分配系統
進(jìn)水分配系統的合理設計對UASB處理廠(chǎng)的良好運轉是至關(guān)重要的，進(jìn)水系統兼有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個(gè)功能的實(shí)現，需要滿(mǎn)足如下原則：a) 確保單位面積的進(jìn)水量基本相同，以防止短路等現象發(fā)生;b) 盡可能滿(mǎn)足水力攪拌需要，保證進(jìn)水有機物與污泥迅速混合;c) 很容易觀(guān)察到進(jìn)水管的堵塞;d) 當堵塞被發(fā)現后，很容易被清除。
在生產(chǎn)裝置中采用的進(jìn)水方式大致可分為間歇式(脈沖式)、連續流、連續與間歇相結合等方式;從布水管的形式有一管多孔、一管一孔和分枝狀等多種形式。
1) 連續進(jìn)水方式(一管一孔)
為了確保進(jìn)水均勻分布，每個(gè)進(jìn)水管線(xiàn)僅僅與一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)相連接，是最為理想的情況(圖3a)。為保證每一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的流量相等，建議用高于反應器的水箱(或渠道式)進(jìn)行分配，通過(guò)渠道或分配箱之間的三角堰來(lái)保證等量的進(jìn)水。這種系統的好處是容易觀(guān)察到堵塞情況。
2) 脈沖進(jìn)水方式
我國UASB反應器與國外的最為顯著(zhù)的特點(diǎn)是很多采用脈沖進(jìn)水方式。有些研究者認為脈沖方式進(jìn)水，使底層污泥交替進(jìn)行收縮和膨脹，有助于底層污泥的混合。圖3a為北京環(huán)科院采用的一種脈沖布水器的原理圖，該系統借鑒了給水中虹吸濾池的布水方式。
3) 一管多孔配水方式
采用在反應器池底配水橫管上開(kāi)孔的方式布水，為了配水均勻，要求出水流速不小于2.0m/s。這種配水方式可用于脈沖進(jìn)水系統。一管多孔式配水方式的問(wèn)題是容易發(fā)生堵塞，因此，應該盡可能避免在一個(gè)管上有過(guò)多的孔口。
4) 分枝式配水方式
這種配水系統的特點(diǎn)采用較長(cháng)的配水支管增加沿程阻力，以達到布水均勻的目的(圖3c)。根據筆者的實(shí)踐，最大的分枝布水系統的負荷面積為54m2。大阻力系統配水均勻度好，但水頭損失大。小阻力系統水頭損失小，如果不影響處理效率，可減少系統的復雜程度。
對其他類(lèi)型布水方式，我國也有很多設計和運行經(jīng)驗。與三相分離器一樣，不同型式的布水裝置之間，很難比較孰優(yōu)孰劣。事實(shí)上，各種類(lèi)型的布水器都有成功的經(jīng)驗和業(yè)績(jì)。
3、配水管道設計
對重力布水方式，污水通過(guò)三角堰進(jìn)入反應器時(shí)可能吸入空氣，會(huì )引起對甲烷菌的抑制;進(jìn)入大量氣體與產(chǎn)生的沼氣會(huì )形成有爆炸可能的混合氣體;同時(shí)，氣泡太多可能還會(huì )影響沉淀功能。因為，大于2.0mm直徑的氣泡在水中以大約0.2～0.3m/s速度上升，采用較大的管徑使液體在管道的垂直部分的流速低于這一數值，可適當地避免超過(guò)2mm直徑的空氣泡進(jìn)入反應器，同時(shí)還可避免氣阻。在反應器底部用較小直徑，形成高的流速產(chǎn)生較強的擾動(dòng)，使進(jìn)水與污泥之間混合加強。
污水中存在大的物體可能堵塞進(jìn)水管，設計良好的進(jìn)水系統要求可疏通堵塞;對于壓力流采用穿孔管布水器(一管多孔或分枝狀)，需考慮設液體反沖洗或清堵裝置，可采用停水分池分段反沖;采用一管多孔布水管道，布水管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞;采用重力流布水方式(一管一孔)，如果進(jìn)水水位差僅僅比反應器的水位稍高(水位差小于10cm)將經(jīng)常發(fā)生堵塞。在水箱中的水位(三角堰的底部)與反應器中的水位差大于30cm很少發(fā)生這種堵塞。無(wú)論采用那一種布水方式，盡可能少地采用彎頭等非直管。
四、氣、固、液三相分離裝置
三相分離器是UASB反應器最有特點(diǎn)和最重要的裝置。它同時(shí)具有兩個(gè)功能：1) 能收集從分離器下的反應室產(chǎn)生的沼氣;2) 使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來(lái)。三相分離器設計要點(diǎn)匯總：
1) 集氣室的隙縫部分的面積應該占反應器全部面積的15～20%;
2) 在反應器高度為5～7m時(shí)，集氣室的高度在1.5～2m;
3) 在集氣室內應保持氣液界面以釋放和收集氣體，防止浮渣或泡沫層的形成;
4) 在集氣室的上部應該設置消泡噴嘴，當處理污水有嚴重泡沫問(wèn)題時(shí)消泡;
5) 反射板與隙縫之間的遮蓋應該在100～200mm以避免上升的氣體進(jìn)入沉淀室;
6) 出氣管的直管應該充足以保證從集氣室引出沼氣，特別是有泡沫的情況。
對于低濃度污水處理，當水力負荷是限制性設計參數時(shí)，在三相分離器縫隙處保持大的過(guò)流面積，使得最大的上升流速在這一過(guò)水斷面上盡可能的低是十分重要的。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
五、建筑材料
選擇適當的建筑材料對于UASB反應器的持久性是非常重要的。防腐較差的UASB反應器在使用3-5年后都出現了嚴重腐蝕，最嚴重的腐蝕出現在反應器上部氣、液交界面。此處H2S可能造成直接化學(xué)腐蝕，同時(shí)硫化氫被空氣氧化為硫酸或硫酸鹽，使局部pH下降造成間接化學(xué)腐蝕。由于厭氧環(huán)境下的氧化-還原電位為-300mV，而在氣水交界面的氧化-還原電位為100mV，這就在氣水交界面構成了微電池，形成電化學(xué)腐蝕。無(wú)論普通鋼材和一般不銹鋼在此處都會(huì )被損害。
厭氧反應器應該盡可能的避免采用金屬材料，即使昂貴的不銹鋼也會(huì )受到嚴重的腐蝕，而油漆或其他涂料僅僅能起到部分保護。一般反應器池壁最合適的建筑材料是鋼筋混凝土結構，即使混凝土也可能受到化學(xué)侵蝕。如果碳酸根和鈣離子的濃度積低于碳酸鈣的溶解度，鈣離子將從混凝土中溶出，造成混凝土結構的剝蝕�；炷两Y構也需要采用在氣水交界面上下一米采用環(huán)氧樹(shù)脂防腐。對一些特殊部件可采用非腐蝕性材料，如PVC用做進(jìn)出水管道，三相分離器的一部分或浮渣擋板采用玻璃鋼或不銹鋼。
參考文獻
(1)北京市環(huán)境保護科學(xué)研究院(2000)，UASB反應器設備化及其配套產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，國家九五攻關(guān)項目研究報告(項目編號：96-909-05-04)，2000年8月
(2)王凱軍(1998)，厭氧工藝的發(fā)展和新型厭氧反應器，環(huán)境科學(xué) （谷騰水網(wǎng)）
