内构件优化推动厌氧生物反应器的发展

厌氧生物反应器处理废水因具有能耗低、不易产生二次污染、可循环利用沼气能源等优点而被广泛使用。厌氧生物反应器内构件的改造设计与内部流态特性的变化有重要联系。

通过增设内构件可获取合适的流态特性，从而避免较长的反应时间并提高出水水质，实现反应器节能降耗，提高处理能力。

工程上常将流态特性作为厌氧生物反应器处理效率的重要评价指标，流态特性同时也是厌氧生物反应器改造设计的重要参考依据。国内外通常用示踪实验和数值模拟方式分析厌氧生物反应器的流态特性，其中分散数D/（uL）、佩克莱数Pe和串联级数N值为重要参数。本文对厌氧生物反应器内构件的改造设计思路及发展进程进行了总结回顾。

1 主要厌氧生物反应器内构件的改造设计

厌氧生物反应器初期不含内构件，随后其内部逐步出现各类内构件，旨在改变内部流态，提高出水水质。内构件一般分为横向内构件、纵向内构件和填料。基于内构件改造设计的主要厌氧生物反应器如图1所示。

图1 基于内构件改造设计的主要厌氧生物反应器

1.1 无内构件

1860年厌氧消化处理创始人L. Mouras对简易沉淀池进行了改造；1895年Donald设计出第1个厌氧化粪池，随后根据隔室格数分为单格、两格和三格等，池形分为平底、锥形和蛋形等。

1.2 固定件（横、纵向内构件）

（1）外加动力搅拌：1920年Watson以沼气为动力用泵对传统消化池实现混合搅拌，后续高速厌氧消化池增设了机械搅拌和加热设备。

（2）增设固定内构件：由于横、纵向内构件不断优化，厌氧生物反应器类型日益丰富。

升流式厌氧污泥床反应器（UASB）由Lettinga等于20世纪70年代初研发，80年代被引入国内，常用于处理制药、啤酒等生产废水，其三相分离区作为特殊内构件，实现了HRT和污泥停留时间（SRT）的有效分离。

膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）于20世纪80年代开始研发，研究者对关键的内构件——三相分离器进行了不同方式的改进，如增设搅拌器、筛鼓或在出水堰处加设挡板等；此外，更大的出水回流以提高水力负荷，水流上升流速和耐冲击负荷较UASB反应器更强，污泥床呈膨胀状态。

1982年McCarty和Bachman等研发了厌氧折流板反应器（ABR），增设上下折流板为内构件，形成含不同处理效果的隔室，类似多个UASB反应器横向串联，其微生物截留能力强，耐有毒物质和冲击负荷，并可在各个反应室培养不同功能的优势菌。

1985年Paques BV公司开发了厌氧内循环反应器（IC），相当于2个UASB反应器上下叠加构成，无需施加外力即可进行内循环，占地面积小。1996年，沈阳华润雪花啤酒厂从荷兰引进第1套IC处理技术。

由横、纵向内构件改进的高效厌氧生物反应器还有厌氧生物转盘（AnRBC）、以多层斜板代替三相分离器的上流式分段污泥床（USSB）、在UASB和厌氧序批式间歇反应器（ASBR）基础上于各个隔室增设搅拌器的厌氧迁移式污泥床反应器（AMBR）、过滤膜作为内构件的厌氧膜生物反应器（AnMBR）、结合脉冲间歇进水和复合水解技术增设布水竖管的间歇式膨胀复合形厌氧生物反应器、倒锥形一体式内构件的IC反应器，以及布料器结构优化的厌氧生物反应器等。

1.3 非固定件（填料）

1969年Young和McCarty研发了厌氧滤池（AF），将填料作为内构件为微生物生长提供载体，使微生物和废水接触更充分，强化生物降解和生物吸附的协同作用，但载体易堵塞管道，常用于处理中等浓度的有机污水。

增设填料的厌氧生物反应器典型代表还有：以活性炭、砂、陶粒和多孔玻璃等作为载体的厌氧流化床（AFB），集AF和UASB反应器优点于一体的上流式厌氧污泥床-滤层反应器（UBF）等。

此外，20世纪50年代Soepfer研发的厌氧接触反应器和20世纪90年代出现的ASBR可按回流污泥和颗粒污泥作特殊填料进行划分

1.4 内构件组合

将固定内构件和非固定内构件（填料）组合能改善厌氧生物反应器流态。李英杰等在生化处理室中增设立体弹性填料，混合折流发酵室中添加导流管，结合ABR分隔室多阶段处理废水和化粪池悬浮沉淀相分离的优点，开发了一种新型无动力混合式厌氧生物反应器，可处理实际居民生活污水和食堂废水。

2 厌氧生物反应器流态表征

厌氧生物反应器无论是增加折板、三相分离器、搅拌装置或复合措施，其结构变化的本质是内部流态的变化，一般采用示踪实验和数值模拟等分析其流态特征。厌氧生物反应器内流态存在不同形式的混合现象，轴向分散模型和多釜串联模型是2种分析流态的重要模型，轴向分散模型见式（1）：

式中：θ——无量纲时间；D——轴向扩散系数，m2/s；u——平均流速，m/s；L——反应器轴向长度，m。

其中，D/（uL）值可表达厌氧生物反应器的混合状态：D/（uL）=0表示理想PFR，D/（uL）为∞表示理想CSTR。D/（uL）值越趋近0，混合程度越弱，状态偏向PFR；D/（uL）值越趋近∞，混合程度越强，状态偏向CSTR。

在轴向分散模型中，Pe值表示反应器流体对流速率与扩散速率之比，可表达为分散数的倒数（Pe=uL/D），其中Pe值越趋于∞代表反应器状态偏向PFR，Pe值越趋于0代表反应器状态偏向CSTR。其计算公式为：

在多釜串联模型中，δθ2=1/N，其中N值越趋近1，

流态偏向完全混合流态；N值越趋近∞，流态偏向平推流态。

典型厌氧生物反应器流态特性

对典型的厌氧生物反应器，如EGSB、AnRBC、ABR、改良ABR、镶板厌氧折流板过滤反应器（PABFR）、超高效螺旋式厌氧生物反应器（SSAB）、螺旋对称流厌氧生物反应器（SSSAB）和新型控制双环厌氧生物反应器（CDCAR）等的D/（uL）、Pe或N值进行测算，发现厌氧生物反应器的高效性与稳定性与其流态特性相关（如表2所示）。

表2 厌氧生物反应器的流态特性

随着负荷、上升流速和转盘转速的增大，D/（uL）越大，Pe和N越小，流态越趋向完全混合流；随着隔室增多和HRT增大，D/（uL）越小，Pe和N越大，流态越趋向平推流。D/（uL）<0.2，N>3，流态趋向平推流；D/（uL）≥0.2，N≤3，流态趋向完全混合流。一般通过内构件的改造设计，选择0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5，可将厌氧生物反应器内流态介于平推流和完全混合流之间，有利于提高废水处理能力。

3 结 论

（1）对厌氧生物反应器内构件进行改造优化旨在改善反应器的内部流态，可推动反应器的更新换代。

（2）对于不含或含有不同内构件类型的厌氧生物反应器，可通过示踪实验和数值模拟方法来揭示其内部流体特性，其中轴向扩散模型和多釜串联模型运用的较多。

（3）D/（uL）和N值为表征反应器流态特性的重要参数，能间接表现反应器内废水和微生物的混合情况，可为未来厌氧生物反应器的设计提供理论参考：当0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5时，厌氧生物反应器内流态介于平推流和完全混合流之间，有助于提高其处理各类废水的能力。