厭氧生物(wu)反應器處(chu)理廢水(shui)因具(ju)有(you)能耗低(di)、不易產生二次(ci)污染(ran)、可循環利用(yong)沼氣能源等優(you)點而(er)被(bei)廣泛使(shi)用(yong)。厭氧生物(wu)反應器內(nei)構件的改造(zao)設計(ji)與內(nei)部流態特性的變(bian)化有(you)重要聯系。

通過增設內構件可獲取合適的流態特(te)性，從而避(bi)免(mian)較(jiao)長的反應時間并提(ti)高出水水質，實現反應器節能(neng)降耗，提(ti)高處理能(neng)力。

工程(cheng)上常(chang)將流(liu)態(tai)(tai)特(te)性作(zuo)為厭(yan)氧(yang)生物反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)處理效率的(de)重要評價指標，流(liu)態(tai)(tai)特(te)性同時也是厭(yan)氧(yang)生物反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)改造設(she)計的(de)重要參考(kao)依據(ju)。國內(nei)外通(tong)常(chang)用示(shi)蹤實(shi)驗和數(shu)(shu)值模擬方式分析厭(yan)氧(yang)生物反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)的(de)流(liu)態(tai)(tai)特(te)性，其中分散數(shu)(shu)D/（uL）、佩克萊數(shu)(shu)Pe和串聯級(ji)數(shu)(shu)N值為重要參數(shu)(shu)。本(ben)文對(dui)厭(yan)氧(yang)生物反(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內(nei)構件的(de)改造設(she)計思路(lu)及(ji)發展進程(cheng)進行了(le)總結回顧。

1 主要厭氧生物反應器內構件的改造設計

厭(yan)氧(yang)生物反應(ying)器(qi)初期(qi)不含內(nei)構(gou)(gou)件，隨后其(qi)內(nei)部(bu)逐步出現各類內(nei)構(gou)(gou)件，旨在(zai)改變內(nei)部(bu)流(liu)態(tai)，提高(gao)出水水質(zhi)。內(nei)構(gou)(gou)件一(yi)般分為橫向內(nei)構(gou)(gou)件、縱(zong)向內(nei)構(gou)(gou)件和(he)填料。基于內(nei)構(gou)(gou)件改造設計的主(zhu)要厭(yan)氧(yang)生物反應(ying)器(qi)如圖1所示。

圖1 基(ji)于內構件改造設計的主要厭氧生物反應器(qi)

1.1 無內構件

 1860年厭(yan)氧消化處理(li)創(chuang)始人(ren)L. Mouras對簡易沉淀池進行了改造(zao)；1895年Donald設計出第1個厭(yan)氧化糞池，隨后根據隔室(shi)格(ge)數分(fen)為單(dan)格(ge)、兩格(ge)和三格(ge)等，池形分(fen)為平底、錐形和蛋形等。

1.2 固定件（橫、縱向內構件）

（1）外加(jia)動力攪(jiao)(jiao)拌：1920年Watson以沼氣為動力用泵對(dui)傳(chuan)統消(xiao)化(hua)池(chi)實現混(hun)合攪(jiao)(jiao)拌，后續高速(su)厭氧消(xiao)化(hua)池(chi)增設了機(ji)械攪(jiao)(jiao)拌和(he)加(jia)熱設備(bei)。

（2）增設固(gu)定內(nei)構件：由于(yu)橫、縱(zong)向(xiang)內(nei)構件不斷優化(hua)，厭(yan)氧(yang)生(sheng)物反應器類型(xing)日益(yi)豐(feng)富。

升流式厭(yan)氧污泥床(chuang)反(fan)應(ying)器(qi)（UASB）由Lettinga等于20世紀(ji)70年代初研發，80年代被引入國(guo)內，常用于處理制(zhi)藥(yao)、啤酒(jiu)等生產廢水，其(qi)三相分離(li)區作(zuo)為(wei)特殊內構(gou)件，實現了HRT和(he)污泥停留時間（SRT）的有(you)效分離(li)。

膨(peng)(peng)脹顆粒污(wu)泥(ni)床反應器(qi)(qi)（EGSB）于20世(shi)紀80年(nian)代(dai)開始(shi)研發(fa)，研究者對關鍵的內構(gou)件——三相分離器(qi)(qi)進(jin)(jin)行了不同方式(shi)的改(gai)進(jin)(jin)，如增設攪拌器(qi)(qi)、篩鼓或(huo)在出(chu)水(shui)堰(yan)處加設擋(dang)板等；此外，更大(da)的出(chu)水(shui)回(hui)流(liu)以提(ti)高水(shui)力(li)負荷(he)(he)，水(shui)流(liu)上升(sheng)流(liu)速和耐沖(chong)擊負荷(he)(he)較UASB反應器(qi)(qi)更強，污(wu)泥(ni)床呈膨(peng)(peng)脹狀態。

1982年McCarty和(he)Bachman等研發(fa)了厭氧折流板反(fan)(fan)應器（ABR），增設上下折流板為內構件，形(xing)成含不(bu)同(tong)處理效果的(de)隔(ge)室，類似多(duo)個(ge)UASB反(fan)(fan)應器橫向串聯，其微(wei)生物截(jie)留(liu)能(neng)力(li)強，耐有(you)毒(du)物質和(he)沖擊(ji)負荷，并可在各個(ge)反(fan)(fan)應室培養(yang)不(bu)同(tong)功能(neng)的(de)優勢菌。

1985年(nian)Paques BV公司開發(fa)了(le)厭氧內循(xun)(xun)環(huan)反應器(qi)（IC），相當于2個UASB反應器(qi)上下疊(die)加構成，無需施加外力(li)即可進(jin)行內循(xun)(xun)環(huan)，占(zhan)地面積小。1996年(nian)，沈陽華潤雪花啤酒廠(chang)從(cong)荷蘭引進(jin)第1套(tao)IC處理技術。

由(you)橫、縱向內構(gou)件改進的(de)高效厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)還有厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)轉盤（AnRBC）、以(yi)多層斜板代替(ti)三相分離器(qi)(qi)(qi)的(de)上流式分段污泥床(chuang)(chuang)（USSB）、在UASB和(he)厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)序批式間歇(xie)(xie)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)（ASBR）基(ji)礎上于各個隔室(shi)增(zeng)設攪拌器(qi)(qi)(qi)的(de)厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)遷移式污泥床(chuang)(chuang)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)（AMBR）、過濾(lv)膜作為(wei)內構(gou)件的(de)厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)膜生(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)（AnMBR）、結合(he)脈沖間歇(xie)(xie)進水(shui)和(he)復合(he)水(shui)解技(ji)術增(zeng)設布水(shui)豎管的(de)間歇(xie)(xie)式膨脹(zhang)復合(he)形厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)、倒錐形一體式內構(gou)件的(de)IC反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)，以(yi)及布料器(qi)(qi)(qi)結構(gou)優(you)化的(de)厭(yan)(yan)(yan)氧(yang)生(sheng)物(wu)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)器(qi)(qi)(qi)等。

1.3 非固定件（填料）

1969年(nian)Young和McCarty研(yan)發了(le)厭氧濾池(chi)（AF），將填料作(zuo)為(wei)內構件為(wei)微生物生長提供載(zai)體，使微生物和廢水(shui)接觸更充分，強化生物降解和生物吸附的協(xie)同作(zuo)用，但載(zai)體易堵塞管道，常用于處理中(zhong)等濃度的有機污水(shui)。

增設填料的(de)厭(yan)氧(yang)生物反(fan)應(ying)器典(dian)型(xing)代(dai)表還(huan)有(you)：以(yi)活(huo)性炭(tan)、砂(sha)、陶粒(li)和多孔玻(bo)璃等(deng)作為(wei)載(zai)體的(de)厭(yan)氧(yang)流(liu)化床（AFB），集(ji)AF和UASB反(fan)應(ying)器優(you)點(dian)于(yu)一體的(de)上流(liu)式厭(yan)氧(yang)污泥床-濾層(ceng)反(fan)應(ying)器（UBF）等(deng)。

此外，20世紀50年代(dai)Soepfer研發(fa)的厭氧接觸(chu)反應(ying)器和(he)20世紀90年代(dai)出現的ASBR可按回流污泥(ni)(ni)和(he)顆粒污泥(ni)(ni)作(zuo)特(te)殊填料進行劃分

1.4 內構件組合

將(jiang)固(gu)定內構件和非固(gu)定內構件（填料）組合(he)能改(gai)善厭(yan)氧生物反應(ying)器(qi)流態(tai)。李英杰等在生化處理室(shi)中(zhong)增設立體(ti)彈(dan)性(xing)填料，混合(he)折流發酵(jiao)室(shi)中(zhong)添加導(dao)流管，結(jie)合(he)ABR分(fen)隔室(shi)多階段(duan)處理廢水和化糞池懸浮沉(chen)淀相分(fen)離的優點，開發了一種新(xin)型(xing)無動力混合(he)式厭(yan)氧生物反應(ying)器(qi)，可(ke)處理實際居民生活污水和食堂廢水。

2 厭氧生物反應器流態表征

厭氧生物(wu)反應器無論是增加折板、三相(xiang)分(fen)離器、攪拌(ban)裝置或(huo)復(fu)合措(cuo)施(shi)，其(qi)結構(gou)變(bian)化的本(ben)質(zhi)是內(nei)部流態的變(bian)化，一(yi)般采(cai)用示蹤實驗(yan)和數值(zhi)模(mo)擬等分(fen)析(xi)其(qi)流態特(te)征。厭氧生物(wu)反應器內(nei)流態存在不同形式(shi)的混合現(xian)象，軸向分(fen)散模(mo)型(xing)(xing)和多(duo)釜串聯模(mo)型(xing)(xing)是2種分(fen)析(xi)流態的重(zhong)要模(mo)型(xing)(xing)，軸向分(fen)散模(mo)型(xing)(xing)見式(shi)（1）：

式中：θ——無(wu)量(liang)綱時間；D——軸向擴散系數，m2/s；u——平均(jun)流速(su)，m/s；L——反(fan)應器軸向長度，m。

其中，D/（uL）值(zhi)可表達厭氧生(sheng)物反應器的(de)混(hun)(hun)合狀態：D/（uL）=0表示理(li)(li)想PFR，D/（uL）為(wei)∞表示理(li)(li)想CSTR。D/（uL）值(zhi)越趨近0，混(hun)(hun)合程度越弱，狀態偏向PFR；D/（uL）值(zhi)越趨近∞，混(hun)(hun)合程度越強，狀態偏向CSTR。

在軸向分散模型中，Pe值(zhi)表(biao)示反應(ying)器(qi)流體對流速率(lv)與擴散速率(lv)之比，可表(biao)達為分散數的倒數（Pe=uL/D），其中Pe值(zhi)越(yue)趨于∞代表(biao)反應(ying)器(qi)狀態偏向PFR，Pe值(zhi)越(yue)趨于0代表(biao)反應(ying)器(qi)狀態偏向CSTR。其計(ji)算公式為：

在(zai)多釜串聯模型中(zhong)，δθ2=1/N，其(qi)中(zhong)N值越(yue)趨近1，

流(liu)態(tai)(tai)(tai)偏(pian)向(xiang)完全混合流(liu)態(tai)(tai)(tai)；N值越趨近∞，流(liu)態(tai)(tai)(tai)偏(pian)向(xiang)平推流(liu)態(tai)(tai)(tai)。

典型厭(yan)氧(yang)生物反應(ying)器流態特性

對(dui)典型的(de)厭氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)，如EGSB、AnRBC、ABR、改良ABR、鑲板厭氧(yang)折流(liu)板過濾反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)（PABFR）、超高效螺旋(xuan)式厭氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)（SSAB）、螺旋(xuan)對(dui)稱流(liu)厭氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)（SSSAB）和(he)新型控制雙環厭氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)（CDCAR）等的(de)D/（uL）、Pe或(huo)N值進行(xing)測算，發(fa)現(xian)厭氧(yang)生(sheng)物(wu)(wu)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)(qi)的(de)高效性與穩定性與其流(liu)態特性相關（如表2所示）。

表2 厭氧生(sheng)物(wu)反應器的(de)流(liu)態特性

隨(sui)(sui)著負荷、上升流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)速(su)和轉盤轉速(su)的(de)增(zeng)大(da)，D/（uL）越(yue)大(da)，Pe和N越(yue)小，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)態(tai)越(yue)趨向(xiang)完全混合(he)(he)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)；隨(sui)(sui)著隔室增(zeng)多和HRT增(zeng)大(da)，D/（uL）越(yue)小，Pe和N越(yue)大(da)，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)態(tai)越(yue)趨向(xiang)平(ping)推流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)。D/（uL）<0.2，N>3，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)態(tai)趨向(xiang)平(ping)推流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)；D/（uL）≥0.2，N≤3，流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)態(tai)趨向(xiang)完全混合(he)(he)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)。一(yi)般通過內構件的(de)改造設計，選(xuan)擇0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5，可將(jiang)厭氧生物反應(ying)器(qi)內流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)態(tai)介于(yu)平(ping)推流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)和完全混合(he)(he)流(liu)(liu)(liu)(liu)(liu)之間，有(you)利于(yu)提高(gao)廢水處理能力。

3 結 論

（1）對(dui)厭氧(yang)生物反(fan)應器(qi)內構件(jian)進行改(gai)造優化旨(zhi)在(zai)改(gai)善反(fan)應器(qi)的(de)(de)內部流態，可推動反(fan)應器(qi)的(de)(de)更新換(huan)代。

（2）對于(yu)不含(han)(han)或含(han)(han)有不同內(nei)構件類型的(de)厭氧生物反應器，可通過示蹤實驗和數值模擬方法來揭示其(qi)內(nei)部(bu)流體特性(xing)，其(qi)中軸向擴散模型和多釜串(chuan)聯模型運用的(de)較多。

（3）D/（uL）和(he)N值為(wei)表征(zheng)反應(ying)器(qi)流(liu)態(tai)特性(xing)的重(zhong)要參數，能(neng)間(jian)接表現(xian)反應(ying)器(qi)內廢(fei)水(shui)和(he)微生物的混(hun)合情(qing)況，可(ke)為(wei)未來厭氧生物反應(ying)器(qi)的設計提供理論(lun)參考：當0.08&le;D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5時，厭氧生物反應(ying)器(qi)內流(liu)態(tai)介于(yu)(yu)平推流(liu)和(he)完全混(hun)合流(liu)之間(jian)，有助于(yu)(yu)提高其處(chu)理各類廢(fei)水(shui)的能(neng)力。

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