1、UASB工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討厭氧處理已經(jīng)成功地應(yīng)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(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(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(yīng)用最為廣泛的是UASB反應(yīng)器，所以本文重點(diǎn)討論UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)參考。*出水圖1包含UASB醯啊一沈淀麟熊脫冊(cè)速.可丁-氣體的上升刑4.ML燉一位沉淀群里游處保理,圖2UASB反應(yīng)墨中竊忸速關(guān)系包含厭氧處理單元的水

2、處理過(guò)程一般包括預(yù)處理、厭氧處理（包括沼氣的收集、處理和利用卜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(jì)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(yíng)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(wú)機(jī)的可沉固體，這對(duì)對(duì)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(shí)，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(guò)分。不可生物降解的固體，在厭氧反應(yīng)器內(nèi)積累會(huì)占據(jù)大量的池容，反應(yīng)器池容的不斷減少最終將導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。由于厭氧反應(yīng)對(duì)水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感，所以對(duì)于工業(yè)廢水適當(dāng)尺寸的調(diào)

3、節(jié)池，對(duì)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(shí)，容積需扣除沉淀區(qū)的體積；根據(jù)顆粒化和pH調(diào)節(jié)的要求，當(dāng)廢水堿度和營(yíng)養(yǎng)鹽不夠需要補(bǔ)充堿度和營(yíng)養(yǎng)鹽（N、P）等；可采用計(jì)量泵自動(dòng)投加酸、堿和藥劑，通過(guò)調(diào)節(jié)池水力或機(jī)械攪拌達(dá)中和作用。同時(shí)，酸化池或兩相系統(tǒng)是去除和改變，對(duì)厭氧過(guò)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(shí)，一般不需考慮酸化作用。對(duì)于復(fù)雜廢水，可在調(diào)節(jié)池中取得一定程度的酸化，但是完全的酸化是沒(méi)有必要的，甚至是有害

4、處的。因?yàn)檫_(dá)到完全酸化后，污水pH會(huì)下降，需采用投藥調(diào)整pH值。另外有證據(jù)表明完全酸化對(duì)UASB反應(yīng)器的顆粒過(guò)程有不利的影響。對(duì)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(duì)甲烷菌有毒或抑制性化合物的結(jié)構(gòu)時(shí)；2）當(dāng)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(jié)垢；3）當(dāng)處理含高含懸浮物和/或采用高負(fù)荷，對(duì)非溶解性組分去除有限時(shí)；4）在調(diào)節(jié)池中取得部分酸化效果可以通過(guò)調(diào)節(jié)池的合理設(shè)計(jì)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(jì)為510m2/孔即可。2、UASB反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)a）負(fù)荷設(shè)計(jì)法采用有機(jī)負(fù)荷（q）或水力停

5、留時(shí)間（HRT）設(shè)計(jì)UASB反應(yīng)器是目前最為主要的方法。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(jì)算。對(duì)某種特定廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)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(jī)物濃度，gCOD/L或gBOD5/L。表1給出不同類型廢水國(guó)內(nèi)外采用UASB反應(yīng)器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，需要說(shuō)明的是表中無(wú)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(duì)選擇設(shè)計(jì)負(fù)荷是至關(guān)重要的。下表供設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)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(guó)內(nèi)外生產(chǎn)性UASB裝置的設(shè)計(jì)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表序號(hào)廢水類型

6、負(fù)荷kgCOD/m3d（國(guó)外資料）負(fù)荷kgCOD/m3d（國(guó)內(nèi)資料平均最局最低廠家數(shù)平均最局最低廠家數(shù)1酒精生產(chǎn)11.615.77.176.520.02.0152啤酒廠9.818.85.6805.38.05.0103造酒廠13.918.59.9366.410.04.084葡萄酒廠10.212.08.045清涼飲料6.8r12.01.885.05.05.0126小麥淀粉8.610.76.667淀粉9.211.46.465.48.02.728土豆加工等9.516.84.0249酵母業(yè)9.812.46.0166.06.06.0110檸檬酸生產(chǎn)8.414.31.0314.820.06.5311味精3.

7、24.02.3212再生紙，紙漿12.320.07.91513造紙12.738.96.03914食品力口工9.113.30.8103.54.03.0215屠宰廢水6.26.26.213.14.02.3416制糖15.222.58.21217制藥廠10.933.26.3115.08.010.8518家畜飼料廠10.510.510.5119垃圾濾液9.912.07.97b）經(jīng)驗(yàn)公式方法Lettinga等人采用同樣經(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(duì)不同反應(yīng)器處理生活污水的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出了參數(shù)值。式中：Ci,C2反應(yīng)常數(shù)。c）動(dòng)力學(xué)方法許多研究者致力于

8、動(dòng)力學(xué)的研究，Henxen和Harremoes（1983）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(guò)程重要的動(dòng)力學(xué)常數(shù)（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(shè)計(jì)厭氧處理系統(tǒng)過(guò)程中成為有力的工具，通過(guò)評(píng)價(jià)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(jì)和優(yōu)化厭氧消化系統(tǒng)的唯一的選擇。表2厭氧動(dòng)力學(xué)參數(shù)（Henxen和Harremoes,1982）培養(yǎng)mm(d")丫(mgVSS/mgCOD)KmmgCOD/(mgVSS?d)Ks(mgCOD/L)產(chǎn)酸菌2.00.1513200甲烷菌0.40.031350混合培養(yǎng)0.40.1823、UASB反應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)1）反應(yīng)器的體積和

9、高度采用水力停留時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，體積（V）按公式（1）或（2）計(jì)算。選擇反應(yīng)器高度的原則是設(shè)計(jì)、運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮的結(jié)果。從設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面考慮：高度會(huì)影響上升流速，高流速增加系統(tǒng)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(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值低于最優(yōu)值，會(huì)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。最經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)器高度（深度）一般是在4到6m之間，并

10、且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)最優(yōu)的運(yùn)行范圍。2）反應(yīng)器的升流速度對(duì)于UASB反應(yīng)器還有其他的流速關(guān)系（圖2）。對(duì)于日平均上升流速的推薦值見(jiàn)表3,應(yīng)該注意對(duì)短時(shí)間（如26h）的高峰值是可以承受的（即暫時(shí)的高峰流量可以接收）。表3UASB和EGSB允許上升流速（平均日流量）UASB反應(yīng)器Vr=0.253.0m/h0.751.0m/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(yīng)器的截面積和反應(yīng)器的長(zhǎng)、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）o從而確定反

11、應(yīng)器的長(zhǎng)和寬，在同樣的面積下正方形池的周長(zhǎng)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，30x20m的反應(yīng)器與15mx40m的反應(yīng)器周長(zhǎng)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(zhǎng)/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(zhǎng)/寬比在2:1以下較為合適。長(zhǎng)/寬比在4:1時(shí)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(zhǎng)比正方形的少12%o但這一優(yōu)點(diǎn)僅僅在采用單個(gè)池子時(shí)才成立。當(dāng)建立兩個(gè)或兩個(gè)以上反應(yīng)器時(shí)，矩形反應(yīng)器可以采用共用壁。對(duì)于采用公共壁的矩形反應(yīng)器，池型的長(zhǎng)寬比對(duì)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(shè)

12、計(jì)中需要優(yōu)化的參數(shù)。4）單元反應(yīng)器最大體積和分格化的反應(yīng)器在UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，采用分格化對(duì)運(yùn)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(yīng)器對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)也是有益的，可首先啟動(dòng)一個(gè)反應(yīng)器，再用這個(gè)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(gè)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)踐看最大的單體UASB反應(yīng)器（不是最優(yōu)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2X5m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

13、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(shù)，長(zhǎng)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(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(zhǎng)度是不受限制。如前所述，由于長(zhǎng)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(zhǎng)寬比。對(duì)寬度為10m的單個(gè)反應(yīng)器，2:1的長(zhǎng)寬比的反應(yīng)器可達(dá)到2000m3的池容。對(duì)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(jì)1、配水孔口負(fù)荷一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)服務(wù)的最大面積問(wèn)題是應(yīng)該進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于UASB反應(yīng)器Lettinga建議在完成了起動(dòng)之后，每個(gè)進(jìn)水點(diǎn)負(fù)擔(dān)2.0到4.0m2對(duì)獲得滿意的

14、去除效率是足向O勺。但是在溫度低于20c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(shí)，需要較高密度的布水點(diǎn)。對(duì)于城市污水DeMan和VanderLast（1990）建議12m2/孔。表4是Lettinga等人根據(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(shí)進(jìn)水管口負(fù)荷污泥典型每個(gè)進(jìn)水口負(fù)荷（m2）負(fù)荷(kgCOD/m3d)顆粒污泥0.512.01-224>2>4凝絮狀污泥3>40kgDS/m6.51<1.01-21223>2中等濃度絮狀污泥一一.312040kg/m1-2<1225>22、進(jìn)水分配系統(tǒng)進(jìn)水分

15、配系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對(duì)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(gè)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(gè)進(jìn)水管線僅僅與一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)相連接，是最為理想的情況（圖3a）o為保證每一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的流量相等，建議用高

16、于反應(yīng)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(tǒng)的好處是容易觀察到堵塞情況。b）脈沖配水方式c）分枝（或一管資孔甯金水方式圖3UASB反應(yīng)髭不同的配水方式原理圖2）脈沖進(jìn)水方式我國(guó)UASB反應(yīng)器與國(guó)外的最為顯著的特點(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。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(tǒng)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(yīng)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/so這種配水方式可用于脈沖進(jìn)水系統(tǒng)。一管多孔式配

17、水方式的問(wèn)題是容易發(fā)生堵塞，因此，應(yīng)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(tǒng)的特點(diǎn)采用較長(zhǎng)的配水支管增加沿程阻力，以達(dá)到布水均勻的目的（圖3c）o根據(jù)筆者的實(shí)踐，最大的分枝布水系統(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，如果不影響處理效率，可減少系統(tǒng)的復(fù)雜程度。對(duì)其他類型布水方式，我國(guó)也有很多設(shè)計(jì)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(jī)。3、配水管道設(shè)計(jì)對(duì)重力布水方式，污水通過(guò)三角堰進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)可能吸入空氣，會(huì)引起對(duì)甲烷菌的抑制；進(jìn)入大量氣體與產(chǎn)生的沼

18、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?yàn)?，大?.0mm直徑的氣泡在水中以大約0.20.3m/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^(guò)2mm直徑的空氣泡進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)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(dòng)，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(jì)良好的進(jìn)水系統(tǒng)要求可疏通堵塞；對(duì)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(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(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(yīng)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(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(lái)。三相分離器設(shè)計(jì)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1520%;2）在反應(yīng)器高度為57m時(shí)，集氣室的高度在1.52m;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