一、概述
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，如含有硫酸鹽的味精廢水在處理上仍有一定的難度。在處理領(lǐng)域應(yīng)用的是UASB反應(yīng)器，所以本文重點討論UASB反應(yīng)器的設(shè)計方法。但是，其與其它的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和濾床對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)計參考。
包含處理單元的水處理過程一般包括預(yù)處理、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
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機的可沉固體，這對對于保護(hù)各種類型反應(yīng)器的布水管免于堵塞是必需的。當(dāng)污水中含有砂礫時，例如以薯干為原料的釀酒廢水，怎么強調(diào)去除砂礫的重要性也不過分。不可生物降解的固體，在反應(yīng)器內(nèi)積累會占據(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。
由于反應(yīng)對水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感，所以對于工業(yè)廢水適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)是反應(yīng)穩(wěn)定運行的保證。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，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)廢水堿度和營養(yǎng)鹽不夠需要補充堿度和營養(yǎng)鹽（N、P）等；可采用計量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過調(diào)節(jié)池水力或機械攪拌達(dá)中和作用。
同時，酸化池或兩相系統(tǒng)是去除和改變，對過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預(yù)處理的主要手段，也是預(yù)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(fù)雜廢水，可在調(diào)節(jié)池中取得一定程度的酸化，但是*的酸化是沒有必要的，甚至是有害處的。因為達(dá)到*酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調(diào)整pH值。另外有證據(jù)表明*酸化對UASB反應(yīng)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(dāng)采用預(yù)酸化可去除或改變對甲烷菌有毒或抑制性化合物的結(jié)構(gòu)時；
2） 當(dāng)廢水存在有較高的Ca2+時，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調(diào)節(jié)池的合理設(shè)計取得。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)計為5～10m2/孔即可。
2、UASB反應(yīng)器體積的設(shè)計
a） 負(fù)荷設(shè)計法
采用有機負(fù)荷（q）或水力停留時間（HRT） 設(shè)計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）計算。對某種特定廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般應(yīng)通過試驗確定。
V = QSo/q （1）
V =KQ.HRT （2）
式中：Q---廢水流量，m3/d；
So---進(jìn)水有機物濃度，gCOD/L或gBOD5/L。
表1給出不同類型廢水國內(nèi)外采用UASB反應(yīng)器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，需要說明的是表中無法一一注明采用的預(yù)處理條件和污泥類型等情況，這些條件對選擇設(shè)計負(fù)荷是至關(guān)重要的。下表供設(shè)計人員設(shè)計時參考，選用前必須進(jìn)行必要的實驗和進(jìn)一步查詢有關(guān)的技術(shù)資料。
表1國內(nèi)外生產(chǎn)性UASB裝置的設(shè)計負(fù)荷統(tǒng)計表 | 序號 | 廢水類型 | 負(fù)荷kgCOD/m3·d（國外資料） | | 負(fù)荷kgCOD/m3·d（國內(nèi)資料） | |
| 平均 | zui高 | zui低 | 廠家數(shù) | 平均 | zui高 | zui低 | 廠家數(shù) |
| 1 | 酒精生產(chǎn) | 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(yè) | 9.8 | 12.4 | 6.0 | 16 | 6.0 | 6.0 | 6.0 | 1 |
| 10 | 檸檬酸生產(chǎn) | 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(jīng)驗公式方法
Lettinga等人采用同樣經(jīng)驗公式描述不同處理系統(tǒng)處理生活污水HRT與去除率（E）之間的關(guān)系，并且對不同反應(yīng)器處理生活污水的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，得出了參數(shù)值。
式中：C1 ,C2——反應(yīng)常數(shù)。
c） 動力學(xué)方法
許多研究者致力于動力學(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)酵過程重要的動力學(xué)常數(shù)（見表2）。到目前為止，動力學(xué)理論的發(fā)展，還沒有使它能夠在選擇和設(shè)計處理系統(tǒng)過程中成為有力的工具，通過評價所獲得的實驗結(jié)果的經(jīng)驗方法現(xiàn)在仍是設(shè)計和優(yōu)化消化系統(tǒng)的*的選擇。
表2 動力學(xué)參數(shù)（Henxen和Harremoes，1982） | 培養(yǎng) | mm（d-1） | Y（mgVSS/mgCOD） | Km[mgCOD/（mgVSS?d）] | Ks（mgCOD/L） |
| 產(chǎn)酸菌 | 2.0 | 0.15 | 13 | 200 |
| 甲烷菌 | 0.4 | 0.03 | 13 | 50 |
| 混合培養(yǎng) | 0.4 | 0.18 | 2 | --- |
3、UASB反應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計
1） 反應(yīng)器的體積和高度
采用水力停留時間進(jìn)行設(shè)計時，體積（V）按公式（1）或（2）計算。選擇反應(yīng)器高度的原則是設(shè)計、運行和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮的結(jié)果。從設(shè)計、運行方面考慮：高度會影響上升流速，高流速增加系統(tǒng)擾動和污泥與進(jìn)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(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)*的運行范圍。
2） 反應(yīng)器的升流速度
對于UASB反應(yīng)器還有其他的流速關(guān)系（圖2）。對于日平均上升流速的推薦值見表3，應(yīng)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(yīng)器 | Vr＝0.25~3.0m/h 0.75~1.0m/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zui小值 |
3） 反應(yīng)器的截面積和反應(yīng)器的長、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(yīng)器為例，30×20m的反應(yīng)器與15m×40m的反應(yīng)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(jīng)濟(jì)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(yīng)器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。但這一優(yōu)點僅僅在采用單個池子時才成立。當(dāng)建立兩個或兩個以上反應(yīng)器時，矩形反應(yīng)器可以采用共用壁。對于采用公共壁的矩形反應(yīng)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(shè)計中需要優(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(yīng)器對系統(tǒng)的啟動也是有益的，可首先啟動一個反應(yīng)器，再用這個反應(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，可放空一個反應(yīng)器進(jìn)行檢修，而不影響系統(tǒng)的運行。從目前實踐看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單性。所以，池子寬度是以5m為模數(shù)，長度方向是以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(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寬比。對寬度為10m的單個反應(yīng)器，2:1的長寬比的反應(yīng)器可達(dá)到2000m3的池容。對更大的反應(yīng)器，如果需要也可采用雙池共用壁的型式。
