內(nèi)構(gòu)件優(yōu)化推動(dòng)厭氧生物反應(yīng)器的發(fā)展

張淳之，陸永生

（上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，上海200444）

厭氧生物反應(yīng)器處理廢水因具有能耗低、不易產(chǎn)生二次污染、可循環(huán)利用沼氣能源等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的改造設(shè)計(jì)與內(nèi)部流態(tài)特性的變化有重要聯(lián)系。通過增設(shè)內(nèi)構(gòu)件可獲取合適的流態(tài)特性，從而避免較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間并提高出水水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器節(jié)能降耗，提高處理能力。工程上常將流態(tài)特性作為厭氧生物反應(yīng)器處理效率的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，流態(tài)特性同時(shí)也是厭氧生物反應(yīng)器改造設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。國(guó)內(nèi)外通常用示蹤實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方式分析厭氧生物反應(yīng)器的流態(tài)特性，其中分散數(shù)D/（uL）、佩克萊數(shù)Pe和串聯(lián)級(jí)數(shù)N值為重要參數(shù)。本文對(duì)厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的改造設(shè)計(jì)思路及發(fā)展進(jìn)程進(jìn)行了總結(jié)回顧。

1 主要厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件的改造設(shè)計(jì)

厭氧生物反應(yīng)器初期不含內(nèi)構(gòu)件，隨后其內(nèi)部逐步出現(xiàn)各類內(nèi)構(gòu)件，旨在改變內(nèi)部流態(tài)，提高出水水質(zhì)。內(nèi)構(gòu)件一般分為橫向內(nèi)構(gòu)件、縱向內(nèi)構(gòu)件和填料?；趦?nèi)構(gòu)件改造設(shè)計(jì)的主要厭氧生物反應(yīng)器如圖1所示。

圖1 基于內(nèi)構(gòu)件改造設(shè)計(jì)的主要厭氧生物反應(yīng)器

1.1 無內(nèi)構(gòu)件

1860年厭氧消化處理創(chuàng)始人L.Mouras對(duì)簡(jiǎn)易沉淀池進(jìn)行了改造；1895年Donald設(shè)計(jì)出第1個(gè)厭氧化糞池，隨后根據(jù)隔室格數(shù)分為單格、兩格和三格等，池形分為平底、錐形和蛋形等。

1.2 固定件（橫、縱向內(nèi)構(gòu)件）

（1）外加動(dòng)力攪拌：1920年Watson以沼氣為動(dòng)力用泵對(duì)傳統(tǒng)消化池實(shí)現(xiàn)混合攪拌，后續(xù)高速厭氧消化池增設(shè)了機(jī)械攪拌和加熱設(shè)備。

（2）增設(shè)固定內(nèi)構(gòu)件：由于橫、縱向內(nèi)構(gòu)件不斷優(yōu)化，厭氧生物反應(yīng)器類型日益豐富。

升流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB）由Lettinga等于20世紀(jì)70年代初研發(fā)，80年代被引入國(guó)內(nèi)，常用于處理制藥、啤酒等生產(chǎn)廢水，其三相分離區(qū)作為特殊內(nèi)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了HRT和污泥停留時(shí)間（SRT）的有效分離〔1〕。

膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器（EGSB）于20世紀(jì)80年代開始研發(fā)，研究者對(duì)關(guān)鍵的內(nèi)構(gòu)件——三相分離器進(jìn)行了不同方式的改進(jìn)，如增設(shè)攪拌器、篩鼓或在出水堰處加設(shè)擋板等；此外，更大的出水回流以提高水力負(fù)荷，水流上升流速和耐沖擊負(fù)荷較UASB反應(yīng)器更強(qiáng)，污泥床呈膨脹狀態(tài)。

1982年McCarty和Bachman等研發(fā)了厭氧折流板反應(yīng)器（ABR），增設(shè)上下折流板為內(nèi)構(gòu)件，形成含不同處理效果的隔室，類似多個(gè)UASB反應(yīng)器橫向串聯(lián)，其微生物截留能力強(qiáng)，耐有毒物質(zhì)和沖擊負(fù)荷，并可在各個(gè)反應(yīng)室培養(yǎng)不同功能的優(yōu)勢(shì)菌〔2〕。

1985年P(guān)aques BV公司開發(fā)了厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC），相當(dāng)于2個(gè)UASB反應(yīng)器上下疊加構(gòu)成，無需施加外力即可進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，占地面積小。1996年，沈陽華潤(rùn)雪花啤酒廠從荷蘭引進(jìn)第1套IC處理技術(shù)〔3〕。

由橫、縱向內(nèi)構(gòu)件改進(jìn)的高效厭氧生物反應(yīng)器還有厭氧生物轉(zhuǎn)盤（AnRBC）、以多層斜板代替三相分離器的上流式分段污泥床（USSB）、在UASB和厭氧序批式間歇反應(yīng)器（ASBR）基礎(chǔ)上于各個(gè)隔室增設(shè)攪拌器的厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器（AMBR）〔4〕、過濾膜作為內(nèi)構(gòu)件的厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）〔5〕、結(jié)合脈沖間歇進(jìn)水和復(fù)合水解技術(shù)增設(shè)布水豎管的間歇式膨脹復(fù)合形厭氧生物反應(yīng)器〔6〕、倒錐形一體式內(nèi)構(gòu)件的IC反應(yīng)器〔7〕，以及布料器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的厭氧生物反應(yīng)器〔8〕等。

1.3 非固定件（填料）

1969年Young和McCarty研發(fā)了厭氧濾池（AF），將填料作為內(nèi)構(gòu)件為微生物生長(zhǎng)提供載體，使微生物和廢水接觸更充分，強(qiáng)化生物降解和生物吸附的協(xié)同作用，但載體易堵塞管道，常用于處理中等濃度的有機(jī)污水。

增設(shè)填料的厭氧生物反應(yīng)器典型代表還有：以活性炭、砂、陶粒和多孔玻璃等作為載體的厭氧流化床（AFB），集AF和UASB反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)于一體的上流式厭氧污泥床-濾層反應(yīng)器（UBF）等。

此外，20世紀(jì)50年代Schroepfer研發(fā)的厭氧接觸反應(yīng)器和20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的ASBR可按回流污泥和顆粒污泥作特殊填料進(jìn)行劃分。

1.4 內(nèi)構(gòu)件組合

將固定內(nèi)構(gòu)件和非固定內(nèi)構(gòu)件（填料）組合能改善厭氧生物反應(yīng)器流態(tài)。李英杰等〔9〕在生化處理室中增設(shè)立體彈性填料，混合折流發(fā)酵室中添加導(dǎo)流管，結(jié)合ABR分隔室多階段處理廢水和化糞池懸浮沉淀相分離的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了一種新型無動(dòng)力混合式厭氧生物反應(yīng)器，可處理實(shí)際居民生活污水和食堂廢水。

2 厭氧生物反應(yīng)器流態(tài)表征

厭氧生物反應(yīng)器無論是增加折板、三相分離器、攪拌裝置或復(fù)合措施，其結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)是內(nèi)部流態(tài)的變化，一般采用示蹤實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等分析其流態(tài)特征。厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)存在不同形式的混合現(xiàn)象，軸向分散模型和多釜串聯(lián)模型是2種分析流態(tài)的重要模型〔10-11〕，軸向分散模型見式（1）：

式中：θ——無量綱時(shí)間；

D——軸向擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

u——平均流速，m/s；

L——反應(yīng)器軸向長(zhǎng)度，m。

其中，D/（uL）值可表達(dá)厭氧生物反應(yīng)器的混合狀態(tài)：D/（uL）=0 表示理想 PFR，D/（uL）為 ∞ 表示理想 CSTR。D/（uL）值越趨近 0，混合程度越弱，狀態(tài)偏向 PFR；D/（uL）值越趨近 ∞，混合程度越強(qiáng)，狀態(tài)偏向CSTR。

在軸向分散模型中，Pe值表示反應(yīng)器流體對(duì)流速率與擴(kuò)散速率之比，可表達(dá)為分散數(shù)的倒數(shù)（Pe=uL/D），其中Pe值越趨于∞代表反應(yīng)器狀態(tài)偏向PFR，Pe值越趨于0代表反應(yīng)器狀態(tài)偏向CSTR。其計(jì)算公式為

2.1 典型厭氧生物反應(yīng)器流態(tài)特性

對(duì)典 型 的 厭 氧 生 物 反 應(yīng) 器 ，如 EGSB〔12-13〕、AnRBC〔14〕、ABR〔15〕、 改 良 ABR〔16-17〕、鑲 板 厭 氧 折 流板過濾反應(yīng)器（PABFR）〔18〕、超高效螺旋式厭氧生物反應(yīng)器（SSAB）〔19〕、螺旋對(duì)稱流厭氧生物反應(yīng)器（SSSAB）〔20〕和 新 型 控 制 雙 環(huán) 厭 氧 生 物 反 應(yīng) 器（CDCAR）〔21〕等的 D/（uL）、Pe 或 N 值進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)厭氧生物反應(yīng)器的高效性與穩(wěn)定性與其流態(tài)特性相關(guān)（如表2所示）。

表2 厭氧生物反應(yīng)器的流態(tài)特性

隨著負(fù)荷、上升流速和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增大，D/（uL）越大，Pe和N越小，流態(tài)越趨向完全混合流；隨著隔室增多和 HRT 增大，D/（uL）越小，Pe和 N 越大，流態(tài)越趨向平推流。 D/（uL）<0.2，N>3，流態(tài)趨向平推流；D/（uL）≥0.2，N≤3，流態(tài)趨向完全混合流。一般通過內(nèi)構(gòu)件的改造設(shè)計(jì)，選擇 0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5，可將厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)介于平推流和完全混合流之間，有利于提高廢水處理能力。

3 結(jié)論

（1）對(duì)厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行改造優(yōu)化旨在改善反應(yīng)器的內(nèi)部流態(tài)，可推動(dòng)反應(yīng)器的更新?lián)Q代。

（2）對(duì)于不含或含有不同內(nèi)構(gòu)件類型的厭氧生物反應(yīng)器，可通過示蹤實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方法來揭示其內(nèi)部流體特性，其中軸向擴(kuò)散模型和多釜串聯(lián)模型運(yùn)用的較多。

（3）D/（uL）和 N 值為表征反應(yīng)器流態(tài)特性的重要參數(shù)，能間接表現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)廢水和微生物的混合情況，可為未來厭氧生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供理論參考：當(dāng) 0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5 時(shí)，厭氧生物反應(yīng)器內(nèi)流態(tài)介于平推流和完全混合流之間，有助于提高其處理各類廢水的能力。