概述

厭氧處理已經(jīng)成功地于各種高、中濃度的廢水處理中。雖然中、高濃度的廢水在相當(dāng)程度上得到了解決，但是當(dāng)污水中含有抑制性物質(zhì)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(lǐng)域應(yīng)用的是UASB反應(yīng)器，所以本文重點(diǎn)討論UASB反應(yīng)器的設(shè)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(jié)果也可以作為其他反應(yīng)器設(shè)計。

包含厭氧處理單元的水處理過程一般包括預(yù)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(tǒng)設(shè)計

1、預(yù)處理設(shè)施
一般預(yù)處理系統(tǒng)包括粗格柵、細(xì)格柵或水力篩、沉砂池、調(diào)節(jié)(酸化)池、營養(yǎng)鹽和pH調(diào)控系統(tǒng)。格柵和沉砂池的目的是去除粗大固體物和無機(jī)的可沉固體，這對對于保護(hù)各種類型厭氧反應(yīng)器的布水管免于堵塞是必需的。當(dāng)污水中含有砂礫時，例如以薯干為原料的釀酒廢水，怎么強(qiáng)調(diào)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(yīng)器內(nèi)積累會占據(jù)大量的池容，反應(yīng)器池容的不斷減少zui終將導(dǎo)致系統(tǒng)*失效。
由于厭氧反應(yīng)對水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感，所以對于工業(yè)廢水適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)是厭氧反應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證。調(diào)節(jié)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(yù)酸化等功能。在調(diào)節(jié)池中設(shè)有沉淀池時，容積需扣除沉淀區(qū)的體積；根據(jù)顆?；蚿H調(diào)節(jié)的要求，當(dāng)廢水堿度和營養(yǎng)鹽不夠需要補(bǔ)充堿度和營養(yǎng)鹽(N、P)等；可采用計量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過調(diào)節(jié)池水力或機(jī)械攪拌達(dá)中和作用。
同時，酸化池或兩相系統(tǒng)是去除和改變，對厭氧過程有抑制作用的物質(zhì)、改善生物反應(yīng)條件和可生化性也是厭氧預(yù)處理的主要手段，也是厭氧預(yù)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(fù)雜廢水，可在調(diào)節(jié)池中取得一定程度的酸化，但是*的酸化是沒有必要的，甚至是有害處的。因?yàn)檫_(dá)到*酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調(diào)整pH值。另外有證據(jù)表明*酸化對UASB反應(yīng)器的顆粒過程有不利的。對以下情況考慮酸化或相分離可能是有利的：
1) 當(dāng)采用預(yù)酸化可去除或改變對甲烷菌有毒或抑制性化合物的結(jié)構(gòu)時；
2) 當(dāng)廢水存在有較高的Ca²⁺時，部分酸化可避免顆粒污泥表面產(chǎn)生CaCO₃結(jié)垢；
3) 當(dāng)處理含高含懸浮物和/或采用高負(fù)荷，對非溶解性組分去除有*；
4) 在調(diào)節(jié)池中取得部分酸化效果可以通過調(diào)節(jié)池的合理設(shè)計取得。例如，上向流進(jìn)水方式，在反應(yīng)器底部形成污泥層(1.0m)。底部布水孔口設(shè)計為5～10m²/孔即可。
2、UASB反應(yīng)器體積的設(shè)計
a) 負(fù)荷設(shè)計法
采用有機(jī)負(fù)荷(q)或水力停留時間(HRT) 設(shè)計UASB反應(yīng)器是zui為主要的方法。一旦q或HRT確定，反應(yīng)器的體積(V)可以很容易根據(jù)公式(1或2)計算。對某種特定廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般應(yīng)通過試驗(yàn)確定。

　　V = QS_o/q　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)

　　V =KQ.HRT　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　式中：Q---廢水流量，m³/d；
S_o---進(jìn)水有機(jī)物濃度，gCOD/L或gBOD₅/L。

　　表1給出不同類型廢水國內(nèi)外采用UASB反應(yīng)器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，需要說明的是表中無法一一注明采用的預(yù)處理?xiàng)l件和厭氧污泥類型等情況，這些條件對選擇設(shè)計負(fù)荷是至關(guān)重要的。下表供設(shè)計人員設(shè)計時參考，選用前必須進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步查詢有關(guān)的技術(shù)資料。

表1國內(nèi)外生產(chǎn)性UASB裝置的設(shè)計負(fù)荷統(tǒng)計表負(fù)荷kgCOD/m³·d(國外資料) 負(fù)荷kgCOD/m³·d(國內(nèi)資料)

　　b) 經(jīng)驗(yàn)公式方法
采用同樣經(jīng)驗(yàn)公式描述不同厭氧處理系統(tǒng)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(yīng)器處理生活污水的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，得出了參數(shù)值。

　　　　式中：C₁ ,C₂——反應(yīng)常數(shù)。

　　c) 動力學(xué)方法
許多者致力于動力學(xué)的研究，根據(jù)眾多研究結(jié)果匯總了酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵過程重要的動力學(xué)常數(shù)。到目前為止，動力學(xué)的，還沒有使它能夠在選擇和設(shè)計厭氧處理系統(tǒng)過程中成為有力的工具，通過評價所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)方法現(xiàn)在仍是設(shè)計和優(yōu)化厭氧消化系統(tǒng)的*的選擇。

表2 厭氧動力學(xué)參數(shù)m_m(d^-1)

3、UASB反應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計
1) 反應(yīng)器的體積和高度 
采用水力停留時間進(jìn)行設(shè)計時，體積(V)按公式(1)或(2)計算。選擇反應(yīng)器高度的原則是設(shè)計、運(yùn)行和上綜合考慮的結(jié)果。從設(shè)計、運(yùn)行方面考慮：高度會影響上升流速，高流速增加系統(tǒng)擾動和污泥與進(jìn)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(yīng)器的高度受到限制；高度與CO₂溶解度有關(guān)，反應(yīng)器越高溶解的CO₂濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于*值，會危害系統(tǒng)的效率。
從經(jīng)濟(jì)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(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螚l件，一般將反應(yīng)器建造在半地下減少建筑和保溫費(fèi)用。的反應(yīng)器高度(深度)一般是在4到6m之間，并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)*的運(yùn)行范圍。
2) 反應(yīng)器的升流速度 
對于UASB反應(yīng)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表3，應(yīng)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)。

表3 UASB和EGSB允許上升流速(平均日流量) V_r＝0.25~3.0m/h

　  0.75~1.0m/h 顆粒污泥

絮狀污泥 V_s≤1.5m/h

顆粒污泥 V_o≤12m/h V_g＝1m/h

　　3) 反應(yīng)器的截面積和反應(yīng)器的長、寬(或直徑)
在確定反應(yīng)器的容積和高度(H)之后，可確定反應(yīng)器的截面積(A)。從而確定反應(yīng)器的長和寬，在同樣的面積下正方形池的周長比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以表面積為600m²的反應(yīng)器為例，30×20m的反應(yīng)器與15m×40m的反應(yīng)器周長相差10%，這意味著建筑費(fèi)用要增加10%。但從布水均勻性考慮，矩形在長/寬比較大較為合適。從布水均勻性和經(jīng)濟(jì)性考慮，矩形池在長/寬比在2:1以下較為合適。長/寬比在4:1時費(fèi)用增加十分顯著。
圓形反應(yīng)器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。但這一優(yōu)點(diǎn)僅僅在采用單個池子時才成立。當(dāng)建立兩個或兩個以上反應(yīng)器時，矩形反應(yīng)器可以采用共用壁。對于采用公共壁的矩形反應(yīng)器，池型的長寬比對造價也有較大的影響。如果不考慮其他因素，這是一個在設(shè)計中需要優(yōu)化的參數(shù)。
4) 單元反應(yīng)器zui大體積和分格化的反應(yīng)器
在UASB反應(yīng)器的設(shè)計中，采用分格化對運(yùn)行操作是有益的。首先，分格化的單元尺寸不會過大，可避免體積過大帶來的布水均勻性等問題；同時多個反應(yīng)器對系統(tǒng)的啟動也是有益的，可首先啟動一個反應(yīng)器，再用這個反應(yīng)器的污泥去接種其他反應(yīng)器；另外，有利于維護(hù)和檢修，可放空一個反應(yīng)器進(jìn)行檢修，而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。從目前實(shí)踐看zui大的單體UASB反應(yīng)器(不是*的)可為1000-2000m³。
5) 單元反應(yīng)器的系列化
單元的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)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(shè)備化結(jié)構(gòu)。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(biāo)準(zhǔn)化和系列化考慮，要求具有通用性和簡單性。所以，池子寬度是以5m為模數(shù)，長度方向是以2m為模數(shù)。布置單元尺寸的方式可分成單池單個分離器和單池兩個分離器的形式。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長度是不受限制。如前所述，由于長寬比涉及到反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)性，所以要結(jié)合池子組數(shù)考慮適當(dāng)?shù)拈L寬比。對寬度為10m的單個反應(yīng)器，2:1的長寬比的反應(yīng)器可達(dá)到2000m³的池容。對更大的反應(yīng)器，如果需要也可采用雙池共用壁的型式。

三、反應(yīng)器的配水系統(tǒng)的設(shè)計

1、配水孔口負(fù)荷
一個進(jìn)水點(diǎn)服務(wù)的zui大面積是應(yīng)該進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)。對于UASB反應(yīng)器在完成了起動之后，每個進(jìn)水點(diǎn)負(fù)擔(dān)2.0到4.0m²對獲得滿意的去除效率是足夠的。但是在溫度低于20℃或低負(fù)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，需要較高密度的布水點(diǎn)。對于城市污水建議1～2m²/孔。表4是根據(jù)UASB反應(yīng)器的大量實(shí)踐推薦的進(jìn)水管負(fù)荷。

表4 采用UASB處理主要為溶解性廢水時進(jìn)水管口負(fù)荷每個進(jìn)水口負(fù)荷(m²) 負(fù)荷(kgCOD/m³·d) 凝絮狀污泥

> 40kgDS/m³ 中等濃度絮狀污泥

120～40kg/m³

2、進(jìn)水分配系統(tǒng)
進(jìn)水分配系統(tǒng)的合理設(shè)計對UASB處理廠的良好運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的，進(jìn)水系統(tǒng)兼有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個功能的實(shí)現(xiàn)，需要滿足如下原則：a) 確保單位面積的進(jìn)水量基本相同，以防止短路等現(xiàn)象發(fā)生；b) 盡可能滿足水力攪拌需要，保證進(jìn)水有機(jī)物與污泥迅速混合；c) 很容易觀察到進(jìn)水管的堵塞；d) 當(dāng)堵塞被發(fā)現(xiàn)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(xù)流、連續(xù)與間歇相結(jié)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(xù)進(jìn)水方式(一管一孔)
為了確保進(jìn)水均勻分布，每個進(jìn)水管線僅僅與一個進(jìn)水點(diǎn)相連接，是zui為理想的情況(圖3a)。為保證每一個進(jìn)水點(diǎn)的流量相等，建議用高于反應(yīng)器的水箱(或渠道式)進(jìn)行分配，通過渠道或分配箱之間的三角堰來保證等量的進(jìn)水。這種系統(tǒng)的好處是容易觀察到堵塞情況。

　　2) 脈沖進(jìn)水方式
UASB反應(yīng)器與國外的zui為顯著的特點(diǎn)是很多采用脈沖進(jìn)水方式。有些研究者認(rèn)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?！　?strong>3) 一管多孔配水方式
采用在反應(yīng)器池底配水橫管上開孔的方式布水，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(tǒng)。一管多孔式配水方式的問題是容易發(fā)生堵塞，因此，應(yīng)該盡可能避免在一個管上有過多的孔口。
4) 分枝式配水方式
這種配水系統(tǒng)的特點(diǎn)采用較長的配水支管增加沿程阻力，以達(dá)到布水均勻的目的(圖3c)。根據(jù)筆者的實(shí)踐，zui大的分枝布水系統(tǒng)的負(fù)荷面積為54m²。大阻力系統(tǒng)配水均勻度好，但水頭損失大。小阻力系統(tǒng)水頭損失小，如果不處理效率，可減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
對其他類型布水方式，我國也有很多設(shè)計和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。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，各種類型的布水器都有成功的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績。
3、配水管道設(shè)計 
對重力布水方式，污水進(jìn)入反應(yīng)器時可能吸入空氣，會引起對甲烷菌的抑制；進(jìn)入大量氣體與產(chǎn)生的沼氣會形成有爆炸可能的混合氣體；同時，氣泡太多可能還會影響沉淀功能。因?yàn)?，大?.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(shù)值，可適當(dāng)?shù)乇苊獬^2mm直徑的空氣泡進(jìn)入反應(yīng)器，同時還可避免氣阻。在反應(yīng)器底部用較小直徑，形成高的流速產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動，使進(jìn)水與污泥之間混合加強(qiáng)。
污水中存在大的物體可能堵塞進(jìn)水管，設(shè)計良好的進(jìn)水系統(tǒng)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(shè)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(yīng)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(yīng)器中的水位差大于30cm很少發(fā)生這種堵塞。無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

1、三相分離器是UASB反應(yīng)器zui有特點(diǎn)和zui重要的裝置。它同時具有兩個功能：1) 能收集從分離器下的反應(yīng)室產(chǎn)生的沼氣；

2) 使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來。

2、三相分離器設(shè)計要點(diǎn)匯總：

1) 集氣室的隙縫部分的面積應(yīng)該占反應(yīng)器全部面積的15～20％；

2) 在反應(yīng)器高度為5～7m時，集氣室的高度在1.5～2m；

3) 在集氣室內(nèi)應(yīng)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(yīng)該設(shè)置消泡噴嘴，當(dāng)處理污水有嚴(yán)重泡沫問題時消泡；

5) 反射板與隙縫之間的遮蓋應(yīng)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(yīng)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(dāng)水力負(fù)荷是限制性設(shè)計參數(shù)時，在三相分離器縫隙處保持大的過流面積，使得zui大的上升流速在這一過水?dāng)嗝嫔媳M可能的低是十分重要的。

五、建筑材料

　　選擇適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧蠈τ赨ASB反應(yīng)器的持久性是非常重要的。防腐較差的UASB反應(yīng)器在使用3-5年后都出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕，zui嚴(yán)重的腐蝕出現(xiàn)在反應(yīng)器上部氣、液交界面。此處H₂S可能造成直接化學(xué)腐蝕，同時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(gòu)成了微電池，形成電化學(xué)腐蝕。無論普通鋼材和一般不銹鋼在此處都會被損害。
厭氧反應(yīng)器應(yīng)該盡可能的避免采用金屬材料，即使昂貴的不銹鋼也會受到嚴(yán)重的腐蝕，而油漆或其他涂料僅僅能起到部分保護(hù)。一般反應(yīng)器池壁zui合適的建筑材料是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的剝蝕?；炷两Y(jié)構(gòu)也需要采用在氣水交界面上下一米采用環(huán)氧樹脂防腐。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。