一、概述

　　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。

　　包含厭氧處理單元的水處理過(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）、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(lèi)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zui終將導(dǎo)致系統(tǒng)*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)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?；蚿H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*的酸化是沒(méi)有必要的，甚至是有害處的。因?yàn)檫_(dá)到*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*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*；
　　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5～10m²/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）或水力停留時(shí)間（HRT） 設(shè)計(jì)UASB反應(yīng)器是目前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(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 = 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(lèi)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(lèi)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。

　　b） 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：C₁ ,C₂——反應(yīng)常數(shù)。

　　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(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*的選擇。

3、UASB反應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)
　　1） 反應(yīng)器的體積和高度
　　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*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。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(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）。

　　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）。從而確定反應(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，30×20m的反應(yīng)器與15m×40m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%。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)計(jì)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(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(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。