王凱軍
北京市環境保護科學研究院

　　摘要 本文全面的介紹了UASB系統的設計問題，介紹了厭氧預處理工藝和UASB反應器的負荷設計原則和設計方法。重點介紹了混凝土結構的矩形UASB反應器各個部分尺寸的計算和確定原則。對UASB的進水配水系統和布水方式進行了詳細的介紹。對于三相分離器和UASB建筑材料等問題也進行討論。
　　關鍵詞 UASB反應器、預處理、配水系統、三相分離器、建筑材料、設計

一、概述

　　厭氧處理已經成功地應用于各種高、中濃度的工業廢水處理中。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。在厭氧處理領域應用最為廣泛的是UASB反應器，所以本文重點討論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，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機的可沉固體，這對對于保護各種類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，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分。不可生物降解的固體，在厭氧反應器內積累會占據大量的池容，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、水量和沖擊負荷較為敏感，所以對于工業廢水適當尺寸的調節池，對水質、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，容積需扣除沉淀區的體積；根據顆粒化和pH調節的要求，當廢水堿度和營養鹽不夠需要補充堿度和營養鹽(N、P)等；可采用計量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過調節池水力或機械攪拌達中和作用。
　　同時，酸化池或兩相系統是去除和改變，對厭氧過程有抑制作用的物質、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，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有必要的，甚至是有害處的。因為達到完全酸化后，污水pH會下降，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；
　　2) 當廢水存在有較高的Ca²⁺時，部分酸化可避免顆粒污泥表面產生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；
　　4) 在調節池中取得部分酸化效果可以通過調節池的合理設計取得。例如，上向流進水方式，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試驗確定。

　　V = QS_o/q　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)

　　V =KQ.HRT　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　 (2)

　　式中：Q---廢水流量，m³/d；
　　　　　S_o---進水有機物濃度，gCOD/L或gBOD₅/L。

　　表1給出不同類型廢水國內外采用UASB反應器處理的負荷數據，需要說明的是表中無法一一注明采用的預處理條件和厭氧污泥類型等情況，這些條件對選擇設計負荷是至關重要的。下表供設計人員設計時參考，選用前必須進行必要的實驗和進一步查詢有關的技術資料。

表1國內外生產性UASB裝置的設計負荷統計表 序號 廢水類型 負荷kgCOD/m³·d(國外資料) 負荷kgCOD/m³·d(國內資料) 平均 最高 最低 廠家數 平均 最高 最低 廠家數 1 酒精生產 11.6 15.7 7.1 7 6.5 20.0 2.0 15 2 啤酒廠 9.8 18.8 5.6 80 5.3 8.0 5.0 10 3 造酒廠 13.9 18.5 9.9 36 6.4 10.0 4.0 8 4 葡萄酒廠 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 9.8 12.4 6.0 16 6.0 6.0 6.0 1 10 檸檬酸生產 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 10.9 33.2 6.3 11 5.0 8.0 0.8 5 18 家畜飼料廠 10.5 10.5 10.5 1 19 垃圾濾液 9.9 12.0 7.9 7

　　b) 經驗公式方法
　　Lettinga等人采用同樣經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)之間的關系，并且對不同反應器處理生活污水的數據進行了統計，得出了參數值。

　　

　　式中：C₁ ,C₂——反應常數。

　　c) 動力學方法
　　許多研究者致力于動力學的研究，Henxen和Harremoes(1983)根據眾多研究結果匯總了酸性發酵和甲烷發酵過程重要的動力學常數(見表2)。到目前為止，動力學理論的發展，還沒有使它能夠在選擇和設計厭氧處理系統過程中成為有力的工具，通過評價所獲得的實驗結果的經驗方法現在仍是設計和優化厭氧消化系統的唯一的選擇。

表2 厭氧動力學參數(Henxen和Harremoes，1982) 培養 m_m(d^-1) Y(mgVSS/mgCOD) Km[mgCOD/(mgVSS•d)] Ks(mgCOD/L) 產酸菌 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
　　采用水力停留時間進行設計時，體積(V)按公式(1)或(2)計算。選擇反應器高度的原則是設計、運行和經濟上綜合考慮的結果。從設計、運行方面考慮：高度會影響上升流速，高流速增加系統擾動和污泥與進水之間的接觸。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，從而使反應器的高度受到限制；高度與CO₂溶解度有關，反應器越高溶解的CO₂濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最優值，會危害系統的效率。
　　從經濟上考慮: 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系(圖2)。對于日平均上升流速的推薦值見表3，應該注意對短時間(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) UASB反應器 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 絮狀污泥 ≤8m/h

顆粒污泥 V_o≤12m/h 顆粒污泥 ≤3.0m/h 絮狀污泥 V_g＝1m/h 建議最小值

　　3) 反應器的截面積和反應器的長、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的反應器為例，30×20m的反應器與15m×40m的反應器周長相差10%，這意味著建筑費用要增加10%。但從布水均勻性考慮，矩形在長/寬比較大較為合適。從布水均勻性和經濟性考慮，矩形池在長/寬比在2:1以下較為合適。長/寬比在4:1時費用增加十分顯著。
　　圓形反應器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。但這一優點僅僅在采用單個池子時才成立。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。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。如果不考慮其他因素，這是一個在設計中需要優化的參數。
　　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；同時多個反應器對系統的啟動也是有益的，可首先啟動一個反應器，再用這個反應器的污泥去接種其他反應器；另外，有利于維護和檢修，可放空一個反應器進行檢修，而不影響系統的運行。從目前實踐看最大的單體UASB反應器(不是最優的)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單性。所以，池子寬度是以5m為模數，長度方向是以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器的經濟性，所以要結合池子組數考慮適當的長寬比。對寬度為10m的單個反應器，2:1的長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
　　一個進水點服務的最大面積問題是應該進行深入的實驗研究。對于UASB反應器Lettinga建議在完成了起動之后，每個進水點負擔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℃或低負荷的情況，產氣率較低并且污泥和進水的混合不充分時，需要較高密度的布水點。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反應器的大量實踐推薦的進水管負荷。

表4 采用UASB處理主要為溶解性廢水時進水管口負荷 污泥典型 每個進水口負荷(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、進水分配系統
　　進水分配系統的合理設計對UASB處理廠的良好運轉是至關重要的，進水系統兼有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個功能的實現，需要滿足如下原則：a) 確保單位面積的進水量基本相同，以防止短路等現象發生；b) 盡可能滿足水力攪拌需要，保證進水有機物與污泥迅速混合；c) 很容易觀察到進水管的堵塞；d) 當堵塞被發現后，很容易被清除。
　　在生產裝置中采用的進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) 連續進水方式(一管一孔)
　　為了確保進水均勻分布，每個進水管線僅僅與一個進水點相連接，是最為理想的情況(圖3a)。為保證每一個進水點的流量相等，建議用高于反應器的水箱(或渠道式)進行分配，通過渠道或分配箱之間的三角堰來保證等量的進水。這種系統的好處是容易觀察到堵塞情況。

　　2) 脈沖進水方式
　　我國UASB反應器與國外的最為顯著的特點是很多采用脈沖進水方式。有些研究者認為脈沖方式進水，使底層污泥交替進行收縮和膨脹，有助于底層污泥的混合。圖3a為北京環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水系統。一管多孔式配水方式的問題是容易發生堵塞，因此，應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
　　這種配水系統的特點采用較長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。
　　對其他類型布水方式，我國也有很多設計和運行經驗。與三相分離器一樣，不同型式的布水裝置之間，很難比較孰優孰劣。事實上，各種類型的布水器都有成功的經驗和業績。
3、配水管道設計
　　對重力布水方式，污水通過三角堰進入反應器時可能吸入空氣，會引起對甲烷菌的抑制；進入大量氣體與產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2mm直徑的空氣泡進入反應器，同時還可避免氣阻。在反應器底部用較小直徑，形成高的流速產生較強的擾動，使進水與污泥之間混合加強。
　　污水中存在大的物體可能堵塞進水管，設計良好的進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)，如果進水水位差僅僅比反應器的水位稍高(水位差小于10cm)將經常發生堵塞。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

　　三相分離器是UASB反應器最有特點和最重要的裝置。它同時具有兩個功能：1) 能收集從分離器下的反應室產生的沼氣；2) 使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來。三相分離器設計要點匯總：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，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題時消泡；

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，在三相分離器縫隙處保持大的過流面積，使得最大的上升流速在這一過水斷面上盡可能的低是十分重要的。

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下降造成間接化學腐蝕。由于厭氧環境下的氧化-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。混凝土結構也需要采用在氣水交界面上下一米采用環氧樹脂防腐。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
　　(2)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

Man, A. W. A., Rijs, G. B. J, Lettinga, G. and van Starkenburg, W. (1988), Anaerobic Treatment of Sewage Using A Granular Sludge Bed UASB-reactor, In: Poster Paper, 5th Ins Symp. on Anaerobic Digestion, A. Tiche and A. Rozzi(Eds). Monduzzi, Bologna, Italy, pp.735-738

Last, A.R.M. van der and Lettinga G., (1991) Anaerobic Treatment of Domestic Sewage under Moderate Climatic (Dutch) Conditions Using Upflow Reactors at Increased Superficial Velocities, In: Proceedings Congress IAWPRC Anaerobic Digestion‘ 91 Sao Paul, Brazil.

UASB工藝系統設計方法探討

王凱軍

北京市環境保護科學研究院

The Design of Upflow Anaerobic Sludge Blanket(UASB) Reactor System

Wang Kaijun

Beijing Municipal Research Institute of Environmental Protection

Abstractor The purpose of this paper is to discuss the design procedures of UASB system, the design guideline and methods of pre-treatment system and UASB reactor are emphasized. The discussion focus on concrete structure UASB reactor, the dimension calculation and determination principal are introduced. The distribution system and different distributors are introduced. The three-phase separator and construction material of UASB reactor are also discussed.

Key Words UASB reactor,pre-treatment,distribution system,three-phase separator, construction material, design