王凱軍 賈立敏
北京市環境保護科學研究院

　　摘要：本研究通過對國內外厭氧工藝的發展分析，提出了各種厭氧反應器中應用最為廣泛的UASB反應器設備化是國內外的發展方向的觀點。在“九五攻關”期間對UASB反應器進行設備化研究工作，其中對混凝土結構的矩形UASB反應器，結合三相分離器進行了反應器標準化和系列化的設計工作。對國外引進的兩種反應器的制作技術，進行了圓形UASB反應器的設備化研究。結合工程應用的分析表明，新型材料的UASB反應器在技術和經濟上具有一定的優越性。
　　關鍵詞：UASB反應器，設備化，拼裝式反應器，Lipp技術、圓形和矩形反應器

The Standardized and Equalization of Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB) Reactor

Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection

　　Abstractor：In this paper, the development of anaerobic treatment processes are analyzed, the Equalization of the most popularized in application among various kind anaerobic reactors, UASB reactor is trend of technology in abroad and at home. During Nine Five-Year Program periods, the key project for equalization of UASB reactor has been conducted. For rectangular concrete UASB reactor, the standardized and equalization for UASB reactor has been pursued with a special three phase separator. The two kind of new material for production UASB reactor are introduced, which are used for the cycle UASB reactor. The full-scale projects application indicated that UASB reactor made by these new material and techniques are technique and economic feasible and profitable.
　　Key Words：UASB reactor, Equalization, resemble reactor, Lipp technique, cycle and rectangular reactor

王凱軍 賈立敏
北京市環境保護科學研究院

一、概述

　　對各種厭氧工藝的應用進行統計，在世界范圍(不包括中國)內到99年共統計了1303個采用了不同類型的反應器(見圖1a)。其中有近800座采用UASB反應器，占全部項目的59%。UASB反應器最大的優點是結構簡單便于放大、運行管理簡單。EGSB目前雖然僅占厭氧工藝應用總數的11%左右，但是考慮到其是近年來剛剛開發的工藝，其占據市場的速度非常快，在新建厭氧處理裝置中占有很大的比例。而在我國采用各種厭氧處理技術據不完全統計，到99年共有219個項目采用不同類型的厭氧反應器(見圖1b)。其中采用UASB反應器的有120座以上，占全部項目的58%，基本與國外應用情況相類似。

　　國際上荷蘭的PAQUES、美國的BIOTHANE和比利時的BIOTIM公司是世界上主要三個UASB技術的廠家。僅這三家公司占國際市場份額的74%，這三家公司的技術主要是采用UASB技術，這反映了UASB技術除其技術本身的特點之外，其市場化的水平也是比較高的。這與UASB技術本身的特點有關，如UASB的反應器、三相分離器和顆粒污泥等等都是專有技術，技術含量較高。這使得厭氧UASB工藝在歐洲迅速得到了推廣和普及，目前已向美國和世界其他地區輻射。

二、UASB反應器

1、UASB反應器的原理
　　升流式厭氧污泥床(UASB)反應器是由Lettinga在七十年代開發的。圖2是UASB反應器及其設備的示意圖。廢水被盡可能均勻的引入到UASB反應器的底部，污水向上通過包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床。厭氧反應發生在廢水與污泥顆粒的接觸過程，反應產生的沼氣引起了內部的循環。附著和沒有附著在污泥上的沼氣向反應器頂部上升，碰擊到三相分離器氣體發射板，引起附著氣泡的污泥絮體脫氣。氣泡釋放后污泥顆粒將沉淀到污泥床的表面，氣體被收集到反應器頂部的三相分離器的集氣室。一些污泥顆粒會經過分離器縫隙進入沉淀區。UASB反應器包括以下幾個部分：進水和配水系統、反應器的池體和三相分離器(圖2)。如果考慮整個厭氧系統還應該包括沼氣收集和利用系統。在UASB反應器中最重要的設備是三相分離器，這一設備安裝在反應器的頂部并將反應器分為下部的反應區和上部的沉淀區。
2、反應器的池體幾何形狀
　　第一個生產性的UASB反應器(200m³)和在圣保羅CETESB處理生活污水的中試廠(120m³)具有特殊的形狀，即上部的(沉淀池的)截面積大于下部反應區的截面積(圖3a)。較大表面積的沉淀器的水力負荷較低，有利于保持反應器內的污泥，對于低濃度污水尤為重要。但是對于高濃度污水，有機負荷比水力負荷更重要，因此沉淀池截面沒有必要設計為較大的表面積(圖3b)。但是實際上不論是在建的或已投入運轉的大部分生產規模的UASB反應器，在反應器的反應和沉淀部分是等面積的(圖3c所示)。建筑直壁的反應器比斜壁的具有較大(或較小)

　　沉淀池的反應器在結構上更加有利。因此，以下僅討論直壁的UASB反應器。

　　從反應器的形狀有矩形和圓形這兩種反應器，已大量應用于實際中。圓形反應器具有結構較穩定的優點，同時對于圓形反應器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。所以圓形池子的建造費用比具有相同面積的矩形反應器至少要低12%。但是圓形反應器的這一優點僅僅在采用單個池子時才成立，所以，單個或小的反應器可以建造成圓形的。
　　當建立兩個或兩個以上反應器時，矩形反應器可以采用共用壁。當建造多個矩形反應器時有其優越性。對于采用公共壁的矩形反應器，池型的長寬比對造價也有較大的影響。對于大型UASB反應器建造多個池子的系統是有益的，這可以增加處理系統的適應能力。如果有多個反應池的系統，則可能關閉一個進行維護和修理，而其他單元的反應器繼續運行。

三、UASB反應器的設備化

1、矩形(鋼筋混凝土)結構反應器

　　混凝土結構的UASB反應器是最為常見的結構和材料型式，但是采用標準化和系列化的設計必須考慮結構的通用性和簡單性，在此基礎上形成的系列化才推廣的價值。池體的標準化主要是根據三相分離器的尺寸進行布置的，筆者采用的三相分離器的平面尺寸是2×5m。根據這一形式布置池體有以下幾種方式(圖4)。圖4中(a)為整個池表面均采用三相分離器的形式，而圖4b是池頂的一部分采用池體本身結構構成氣室。這樣可以節省一部分三相分離器的投資。標準化可以分為單池單個分離器和兩個并列分離器，大型結構可采用雙池公用壁的形式。很明顯如果需要也可以構成雙池每池兩組分離器的形式。由于三相分離器的尺寸原因，池子的寬度一般以5m為模數，長度方向以2m為模數。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長度是不受限制。如前所述由于反應器的長寬比的范圍涉及到池子的經濟性，所以在上述范圍內選擇要結合池子組數考慮適當的長寬比。

表1 矩形反應器的平面尺寸和有效體積的選用表格(體積單位：m³) 池長(m) 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 單池寬5m 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 雙池寬5m 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 池長(m) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 單池寬10m 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 雙池寬10m 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 注: 反應器的有效高度為5m，一般推薦UASB反應器的高度為4～6m。

　　表1是根據上述原則給出了UASB系列化的一組選擇。從原則上講安排2×5m的三相分離器的平面布置還可以有其他多種的平面配合形式如，寬度可以以2m為模數，而長度以10m為模數，構成4×5，4×10，6×5，6×10，6×15m……的系列。甚至可以采用三相分離器橫豎混合布置的形式。但是考慮通用性和簡單性的原則，推薦表1的組合方式。
　　圖5a是采用混凝土反應器的一種可整體安裝的三相分離器設計形式。三相分離器設備固定可以采用牛腿和工字鋼支撐的兩種形式。需要說明的是由于運行過程中，三相分離器的氣室內有一定量的沼氣，所以會形成比較大的浮力。需要考慮上部的固定措施，固定措施可以借助出水管和出氣管，以及其他形式。
2、UASB反應器新型結構和材料的開發
1) 德國Farmetic公司的拼裝和Lipp公司的雙折邊咬口制罐技術
　　國外發達國家的工業廢水處理工程大多已采用新設備、新材料和新工藝來設計和建造，如德國利浦(Lipp)公司的雙折邊咬口技術和Farmetic公司的拼裝制罐技術就是其中之一。這些技術應用金屬塑性加工中的加工硬化原理和薄殼結構原理，通過專用技術和設備將2～4mm鍍鋅或鍍搪瓷鋼板建造成體積為100～2000m³的反應器。具有施工周期短、造價較低、質量高等優點，其施工周期比同樣規模的混凝土罐縮短60%，罐體自重僅為混凝土罐的10%，比普通鋼板罐節省材料達50%以上，而且耐腐蝕，不需保養維修，使用壽命要達20年以上。高質量的自動化安裝技術，反應器的的先進性和經濟性，表明這些技術是理想的、適宜于中國國情的現代化技術。

　　 UASB反應器由于其反應過程和反應產物均有一定的腐蝕性，其對于材料防腐性能有特殊的要求。采用柔性搪瓷預制鋼板或Lipp不銹鋼復合鋼板的防腐形式，能阻止筒體腐蝕。特殊防腐涂層的開發，解決了鋼制反應器腐蝕問題。同時此項技術由于整體設計合理的罐體結構材料用量大大減少，降低了造價。并將UASB工藝技術設備化，將技術融于設備中，形成技術含量高的一體化設備。
　　a) 拼裝制罐技術
　　拼裝技術采用高新技術制成的罐體材料，以快速低耗的現場拼裝方式最終成型，組成成套化的單元反應器設備，使污水處理設備的全套裝置達到技術先進、配制合理、性能優良、耐腐性好、維修便利、外表美觀的效果。罐體材料將根據不同反應器采用軟性搪瓷或其他防腐形式預制鋼板。預制的鋼板采用以栓接方式拼裝，栓接處加特制密封材料防漏(見圖6a)，此種預制鋼板形成的保護層不僅能阻止罐體腐蝕，而且具有抗酸堿的功能。

b) Lipp技術
　　Lipp罐制作時薄鋼板通過一臺成型機和一臺咬合機，在成型機上薄鋼板上部被折成h形而下部被折成n形，在咬合機上薄鋼板上部與上一層薄鋼板的下部被咬合在一起的成型過程和截面形狀(如圖6b)。廢水處理中被處理廢水具有腐蝕性(如酸堿廢水)的廢水，或處理工藝過程中產生腐蝕性(如厭氧處理)的情況，采用鍍鋅板無法像搪瓷鋼板一樣法滿足罐體材料具有耐腐蝕的要求。而全部用不銹鋼卷板來制作罐體其制作成本相當高，通過復合機械，將鍍鋅卷板與0.3mm厚度的不銹鋼薄膜復合在一起，其截面形狀如圖6b所示。

　　Lipp制罐技術是一種具有世界先進水平的制罐工藝與技術，但是需要特殊機械。80年代國內糧食系統引進多套加工機械，并且在糧倉上有大量的應用。目前也逐步應用于污水處理。
2) 兩種罐體的基礎和配件

　　　

　　應用上述兩項技術由于罐體所用材料較少，在基礎承載力計算中幾乎可以不考慮罐體自重對基礎的承壓要求。在基礎底板澆筑時，按所要制作的罐件直徑在底板表面留一條寬150mm，深100mm的預留槽，槽內按直徑均勻放置一定數量的預埋件，反應器制作完成后，放入預留槽內，用螺栓將罐體和預埋件固定，然后用膨脹混凝土和瀝青等材料來密封，最后覆細石混凝土保護層(見圖7a)。罐體的設計是設備化的一部分工作，可對不同高度和直徑的反應器的結構進行系列設計。這樣整個反應器的設計僅僅是基礎的結構設計，這在結構設計中比較簡單。圖7b是基礎圖設計之一，這樣整個反應器池體和基礎的設計就形成了系列化。
3、拼裝預制和Lipp制罐技術的優點和局限性
　　施工時間短，質量高是預制拼裝和Lipp反應器的優點之一。由于機械化加工和施工方式，工作強度大幅減小，施工難度降低，施工質量得到保障。雖然在預制加工過程中對材質要求較高(如：拼裝結構需要冷扎板和搪燒，Lipp罐需要鍍鋅鋼板和不銹鋼薄板)。
　　采用的薄壁結構雖然材料用量減少，但是由于其相等間距的咬合筋(或栓接)的作用，拼裝預制和Lipp制罐具有相當大的環拉強度。對于圓形池體，滿足了環向受壓的要求也就是基本滿足了池體的強度要求。環向拉力的強度計算過程，對于不同的材料、不同的介質以及不同的池容，需要進行計算。計算的過程實際上就是尋求最佳材料厚度的過程。例如，對直徑為10m，總高度6.5m，水力高度為6m的500m³反應器，其壁厚可選用了兩種不同壁厚的材料用于不同水力高度的位置，罐體下部壁厚為3mm，而罐體上部均選用2mm。

　　從理論上講，罐的壁厚可比2mm小。但是，考慮到結構穩定性等因素，一般不小于2mm。對于直徑大、高度高的罐體，理論上可選用更厚的鋼板制作。但由于國內搪瓷鋼板的規格和Lipp制罐機械在機械壓緊強度，咬口緊密度等方面的限制，罐體的選用材料壁厚一般最大為4mm。所以，這兩種技術國內制作的最大罐體直徑在30～40m。對于特殊的超大超高的罐體，可選用高強度材料。同樣，由于價格成本和池形的限制，拼裝預制和Lipp制罐不適用對于容積小和直徑小于5m的反應器。從結構上考慮拼裝和Lipp技術不適用于地下池和方形結構池。

四、不同池型結構的技術經濟比較

　　UASB反應器的材料，可采用碳鋼、Lipp(或拼裝結構)和混凝土結構。對鋼制結構的反應器需進行保溫處理，鋼池考慮采用現場4～8mm厚阻燃型聚苯乙烯泡沫板及彩色防護板保溫和裝飾，碳鋼的防腐材料采用環氧樹脂加玻璃布三層做法。混凝土池不考慮保溫問題。附屬設備如三相分離器、配水系統、走道、扶手、樓梯暫等不考慮。對以上三種結構型式進行了技術經濟比較。三種池的容積均按1250m³考慮，表2是投資、折舊和施工技術條件的對比表。

表2 不同結構經濟技術比較(投資、經常維護費用和施工) 序號 項 目 混凝土池(萬元) 碳鋼池(萬元) 拼裝或復合Lipp罐(萬元) 1 容積(總) 10×20×7m φ15×8.0×δ10 φ15×8.0m×δ3 2 重量(噸) --- 36 12.20 3 池體投資費用 56 28.8 14.5 4 保溫投資費用 無 4.0 4.0 5 池基礎費用 無 3.0 2.4 6 內防腐費用 無 4.0 無 7 外防腐費用 無 2.0 無 小計 56 41.8 20.9 經常維護費用 8 年防腐費 無 4.2(內外) 無 9 設備折舊費 1.87(>30年計) 4.18(10年計) 0.92(25年計) 10 施工周期 >三個月 >兩個月 <一個月 小計 1.87 8.38 0.92 施工要求 11 施工周期 >三個月 >兩個月 <一個月 12 加工技術要求 土建，嚴格 焊接，較難 專業設備，易 13 安裝難易程度 嚴格 一般 易 14 搬遷可能性 不可能 一般 可能 15 外觀美觀程度 低 低 高

　　由上述表格比較可知從一次性投資來看，以拼裝結構和Lipp罐的價格最低，而混凝土池最高。但是，鋼結構和混凝土的投資相差不大，混凝土使用壽命遠遠高于碳鋼結構池體。并且每年的經常費用一年就相差較大。從整體比較來看，拼裝結構或Lipp罐從投資上和年經常費用上均較低。同時優點是安裝方便，施工周期短。

目前，我國的UASB反應器大多以鋼筋混凝土為材料，施工期長，占地面積大，質量難以控制，使一些工程因施工質量不合格而不能正常運行。有一部分處理工業廢水的沼氣工程采用鋼板結構，但傳統的焊接方法因用料多、成本高、易腐蝕等問題而影響推廣應用。國外的實用經驗與國內的示范工程表明，在污水處理工程中，對于100～2000m³的圓形罐體，拼裝預制和Lipp制罐技術具有極好的實用性和極強的競爭性，隨著國產化進程的提高，制作成本的降低，拼裝預制和Lipp制罐技術必將得到廣泛的推廣與應用。

參考文獻

·北京市環境保護科學研究院(2000)，UASB反應器設備化及其配套產品開發，國家九五攻關項目研究報告(項目編號：96-909-05-04)，2000年8月
· 王凱軍(1998)，厭氧工藝的發展和新型厭氧反應器，環境科學，Vol.19，No.1，pp.94
· 蔡磊(1998),德國利浦制罐技術在大中型沼氣工程中的應用
· 王凱軍 王曉惠(1998)中國水工業的水處理技術和設備的產業化分析，給水排水，Vol.25 No.11