升流式厌氧污泥床UASB反应器的系列化和设备化

升流式厌氧污泥床(UASB)反应器的系列化和设备化研究

摘要：本研究通过对国内外厌氧工艺的发展分析，提出了各种厌氧反应器中应用最为广泛的UASB反应器设备化是国内外的发展方向的观点。在“九五攻关”期间对UASB反应器进行设备化研究工作，其中对混凝土结构的矩形UASB反应器，结合三相分离器进行了反应器标准化和系列化的设计工作。对国外引进的两种反应器的制作技术，进行了圆形UASB反应器的设备化研究。结合工程应用的分析表明，新型材料的UASB反应器在技术和经济上具有一定的优越性。

关键字：UASB反应器设备化拼装式反应器Lipp技术圆形和矩形反应器TheStaandarddizedandEEqualiizatioonofUpfloowAnaaerobiicSluudgeBBlankeet(UASSB)ReeactorrBeijinggMuniicipallReseearchInstiituteofEnnvironnmentaalProotectiionAbstrractorr：Inthhispaaper,theddeveloopmenttofaanaeroobicttreatmmentpprocesssesaareannalyzeed,thheEquualizaationofthhemosstpoppulariizediinappplicattionaamongvarioouskiindannaerobbicreeactorrs,UAASBreeactorristtrendofteechnollogyiinabrroadaandatthomee.DurringNNineFFive-YYearPPrograamperriods,,thekeypprojecctforrequaalizattionoofUASSBreaactorhasbbeencconduccted.ForrrectanngularrconccreteUASBreacttor,tthesttandarrdizeddandequallizatiionfoorUASSBreaactorhasbbeenppursueedwitthasspeciaalthrreephhasesseparaator.ThettwokiindoffnewmaterrialfforprroducttionUUASBrreactoorareeintrroduceed,whhichaareussedfoortheecyclleUASSBreaactor..Thefull--scaleeprojjectsappliicatiooninddicateedthaatUASSBreaactormadebythhesennewmaateriaalanddtechhniqueesareetechhniqueeandeconoomicffeasibbleanndproofitabble.

KeyWWords：UASBreacttor,EEqualiizatioon,reesembllereaactor,,Lippptechhniquee,cyccleanndrecctanguularrreactoor一、概述对各种厌氧氧工艺的应用用进行统计，在在世界范围(不包括中国)内到99年共统计了1303个采用了不不同类型的反反应器(见图1a)。其中有近800座采用UASB反应器，占占全部项目的的59%。UASB反应器最大大的优点是结结构简单便于于放大、运行行管理简单。EGSB目前虽然仅仅占厌氧工艺艺应用总数的的11%左右，但是是考虑到其是是近年来刚刚刚开发的工艺艺，其占据市市场的速度非非常快，在新新建厌氧处理理装置中占有有很大的比例例。而在我国国采用各种厌厌氧处理技术术据不完全统统计，到99年共有219个项目采用用不同类型的的厌氧反应器器(见图1b)。其中采用UASB反应器的有120座以上，占占全部项目的的58%，基本与国国外应用情况况相类似。国际上荷兰兰的PAQUEES、美国的BIOTHHANE和比利时的BIOTIIM公司是世界界上主要三个个UASB技术的厂家家。仅这三家家公司占国际际市场份额的的74%，这三家公公司的技术主主要是采用UASB技术，这反反映了UASB技术除其技技术本身的特特点之外，其其市场化的水水平也是比较较高的。这与与UASB技术本身的的特点有关，如UASB的反应器、三相分离器和颗粒污泥等等都是专有技术，技术含量较高。这使得厌氧UASB工艺在欧洲迅速得到了推广和普及，目前已向美国和世界其他地区辐射。二、UASB反反应器1、UASB反反应器的原理理

升流式厌厌氧污泥床(UASBB)反应器是由Lettiinga在七十年代代开发的。图图2是UASB反应器及其其设备的示意意图。废水被被尽可能均匀匀的引入到UASB反应器的底底部，污水向向上通过包含含颗粒污泥或或絮状污泥的的污泥床。厌厌氧反应发生生在废水与污污泥颗粒的接接触过程，反反应产生的沼沼气引起了内内部的循环。附附着和没有附附着在污泥上上的沼气向反反应器顶部上上升，碰击到到三相分离器器气体发射板板，引起附着着气泡的污泥泥絮体脱气。气气泡释放后污污泥颗粒将沉沉淀到污泥床床的表面，气气体被收集到到反应器顶部部的三相分离离器的集气室室。一些污泥泥颗粒会经过过分离器缝隙隙进入沉淀区区。UASB反应器包括括以下几个部部分：进水和和配水系统、反反应器的池体体和三相分离离器(图2)。如果考虑整整个厌氧系统统还应该包括括沼气收集和和利用系统。在UASB反应器中最重要的设备是三相分离器，这一设备安装在反应器的顶部并将反应器分为下部的反应区和上部的沉淀区。

2、反应器的池体几何形状第一个生产性的UASB反应器(200m3)和在圣保罗CETESB处理生活污水的中试厂(120m3)具有特殊的形状，即上部的(沉淀池的)截面积大于下部反应区的截面积(图3a)。较大表面积的沉淀器的水力负荷较低，有利于保持反应器内的污泥，对于低浓度污水尤为重要。但是对于高浓度污水，有机负荷比水力负荷更重要，因此沉淀池截面没有必要设计为较大的表面积(图3b)。但是实际上不论是在建的或已投入运转的大部分生产规模的UASB反应器，在反应器的反应和沉淀部分是等面积的(图3c所示)。建筑直壁的反应器比斜壁的具有较大(或较小)沉淀池的反反应器在结构构上更加有利利。因此，以以下仅讨论直直壁的UASB反应器。从反应器的的形状有矩形形和圆形这两两种反应器，已已大量应用于于实际中。圆圆形反应器具具有结构较稳稳定的优点，同同时对于圆形形反应器在同同样的面积下下，其周长比比正方形的少少12%。所以圆形形池子的建造造费用比具有有相同面积的的矩形反应器器至少要低12%。但是圆形形反应器的这这一优点仅仅仅在采用单个个池子时才成成立，所以，单单个或小的反反应器可以建建造成圆形的的。

当建建立两个或两两个以上反应应器时，矩形形反应器可以以采用共用壁壁。当建造多多个矩形反应应器时有其优优越性。对于于采用公共壁壁的矩形反应应器，池型的的长宽比对造造价也有较大大的影响。对对于大型UASB反应器建造造多个池子的的系统是有益益的，这可以以增加处理系系统的适应能能力。如果有有多个反应池池的系统，则则可能关闭一一个进行维护护和修理，而而其他单元的的反应器继续续运行。三、UASB反反应器的设备备化1、矩形(钢筋筋混凝土)结构反应器器混凝土结构构的UASB反应器是最最为常见的结结构和材料型型式，但是采采用标准化和和系列化的设设计必须考虑虑结构的通用用性和简单性性，在此基础础上形成的系系列化才推广广的价值。池池体的标准化化主要是根据据三相分离器器的尺寸进行行布置的，笔笔者采用的三三相分离器的的平面尺寸是是2×5m。根据这一一形式布置池池体有以下几几种方式(图4)。图4中(a)为整个池表表面均采用三三相分离器的的形式，而图图4b是池顶的一一部分采用池池体本身结构构构成气室。这这样可以节省省一部分三相相分离器的投投资。标准化化可以分为单单池单个分离离器和两个并并列分离器，大大型结构可采采用双池公用用壁的形式。很很明显如果需需要也可以构构成双池每池池两组分离器器的形式。由由于三相分离离器的尺寸原原因，池子的的宽度一般以以5m为模数，长长度方向以2m为模数。原原则上如果采采用管道或渠渠道布水，池池子的长度是是不受限制。如如前所述由于于反应器的长长宽比的范围围涉及到池子子的经济性，所所以在上述范范围内选择要要结合池子组组数考虑适当当的长宽比。表1矩形反应应器的平面面尺寸和有有效效体积的选选用用表格(体积单位：m3)池长(m)68101214161820222426单池宽5m150200250300350400450500550600650双池宽5m3004005006007008009001000110012001300池长(m)1012141618202224262830单池宽10m500600700800900100011001200130014001500双池宽10m10001200140016001800200022002400260028003000注:反应器的的有效高度度为5m，一般推荐UASB反应器的高高度为4～6m。表1是根据据上述原则给给出了UASB系列化的一一组选择。从从原则上讲安安排2×5m的三相分离离器的平面布布置还可以有有其他多种的的平面配合形形式如，宽度度可以以2m为模数，而而长度以10m为模数，构构成4×5，4×10，6×5，6×10，6×15m……的系列。甚甚至可以采用用三相分离器器横竖混合布布置的形式。但但是考虑通用用性和简单性性的原则，推推荐表1的组合方式式。

图5a是采用混凝凝土反应器的的一种可整体体安装的三相相分离器设计计形式。三相相分离器设备备固定可以采采用牛腿和工工字钢支撑的的两种形式。需需要说明的是是由于运行过过程中，三相相分离器的气气室内有一定定量的沼气，所所以会形成比比较大的浮力力。需要考虑虑上部的固定定措施，固定定措施可以借借助出水管和和出气管，以以及其他形式式。

2、UASB反应器新型型结构和材料料的开发

1))德国Farmeetic公司的拼装装和Lipp公司的双折折边咬口制罐罐技术

国国外发达国家家的工业废水水处理工程大大多已采用新新设备、新材材料和新工艺艺来设计和建建造，如德国国利浦(Lippp)公司的双折折边咬口技术术和Farmeetic公司的拼装装制罐技术就就是其中之一一。这些技术术应用金属塑塑性加工中的的加工硬化原原理和薄壳结结构原理，通通过专用技术术和设备将2～4mm镀锌或镀搪搪瓷钢板建造造成体积为100～2000mm3的反应器。具具有施工周期期短、造价较较低、质量高高等优点，其其施工周期比比同样规模的的混凝土罐缩缩短60%，罐体自重重仅为混凝土土罐的10%，比普通钢钢板罐节省材材料达50%以上，而且且耐腐蚀，不不需保养维修修，使用寿命命要达20年以上。高高质量的自动动化安装技术术，反应器的的的先进性和和经济性，表表明这些技术术是理想的、适适宜于中国国国情的现代化化技术。UASBB反应器由于于其反应过程程和反应产物物均有一定的的腐蚀性，其其对于材料防防腐性能有特特殊的要求。采采用柔性搪瓷瓷预制钢板或或Lipp不锈钢复合合钢板的防腐腐形式，能阻阻止筒体腐蚀蚀。特殊防腐腐涂层的开发发，解决了钢钢制反应器腐腐蚀问题。同同时此项技术术由于整体设设计合理的罐罐体结构材料料用量大大减减少，降低了了造价。并将将UASB工艺技术设设备化，将技技术融于设备备中，形成技技术含量高的的一体化设备备。

a)拼装制罐技技术

拼装技术术采用高新技技术制成的罐罐体材料，以以快速低耗的的现场拼装方方式最终成型型，组成成套套化的单元反反应器设备，使使污水处理设设备的全套装装置达到技术术先进、配制制合理、性能能优良、耐腐腐性好、维修修便利、外表表美观的效果果。罐体材料料将根据不同同反应器采用用软性搪瓷或或其他防腐形形式预制钢板板。预制的钢钢板采用以栓栓接方式拼装装，栓接处加加特制密封材材料防漏(见图6a)，此种预制制钢板形成的的保护层不仅仅能阻止罐体体腐蚀，而且且具有抗酸碱碱的功能。b)Lippp技术

Lipp罐制作时薄薄钢板通过一一台成型机和和一台咬合机机，在成型机机上薄钢板上上部被折成h形而下部被被折成n形，在咬合合机上薄钢板板上部与上一一层薄钢板的的下部被咬合合在一起的成成型过程和截截面形状(如图6b)。废水处理理中被处理废废水具有腐蚀蚀性(如酸碱废水)的废水，或或处理工艺过过程中产生腐腐蚀性(如厌氧处理)的情况，采采用镀锌板无无法像搪瓷钢钢板一样法满满足罐体材料料具有耐腐蚀蚀的要求。而而全部用不锈锈钢卷板来制制作罐体其制制作成本相当当高，通过复复合机械，将将镀锌卷板与与0.3mm厚度的不锈锈钢薄膜复合合在一起，其其截面形状如如图6b所示。Lipp制制罐技术是一一种具有世界界先进水平的的制罐工艺与与技术，但是是需要特殊机机械。80年代国内粮粮食系统引进进多套加工机机械，并且在在粮仓上有大大量的应用。目目前也逐步应应用于污水处处理。

2)两种罐体的的基础和配件件应用上述两两项技术由于于罐体所用材材料较少，在在基础承载力力计算中几乎乎可以不考虑虑罐体自重对对基础的承压压要求。在基基础底板浇筑筑时，按所要要制作的罐件件直径在底板板表面留一条条宽150mmm，深100mm的预留槽，槽槽内按直径均均匀放置一定定数量的预埋埋件，反应器器制作完成后后，放入预留留槽内，用螺螺栓将罐体和和预埋件固定定，然后用膨膨胀混凝土和和沥青等材料料来密封，最最后覆细石混混凝土保护层层(见图7a)。罐体的设设计是设备化化的一部分工工作，可对不不同高度和直直径的反应器器的结构进行行系列设计。这这样整个反应应器的设计仅仅仅是基础的的结构设计，这这在结构设计计中比较简单单。图7b是基础图设设计之一，这这样整个反应应器池体和基基础的设计就就形成了系列列化。

3、拼装预制制和Lipp制罐技术的的优点和局限限性

施工时间间短，质量高高是预制拼装装和Lipp反应器的优优点之一。由由于机械化加加工和施工方方式，工作强强度大幅减小小，施工难度度降低，施工工质量得到保保障。虽然在在预制加工过过程中对材质质要求较高(如：拼装结结构需要冷扎扎板和搪烧，Lipp罐需要镀锌锌钢板和不锈锈钢薄板)。

采用的的薄壁结构虽虽然材料用量量减少，但是是由于其相等等间距的咬合合筋(或栓接)的作用，拼拼装预制和Lipp制罐具有相相当大的环拉拉强度。对于于圆形池体，满满足了环向受受压的要求也也就是基本满满足了池体的的强度要求。环环向拉力的强强度计算过程程，对于不同同的材料、不不同的介质以以及不同的池池容，需要进进行计算。计计算的过程实实际上就是寻寻求最佳材料料厚度的过程程。例如，对对直径为10m，总高度6.5m，水力高度度为6m的500m3反应器，其其壁厚可选用用了两种不同同壁厚的材料料用于不同水水力高度的位位置，罐体下下部壁厚为3mm，而罐体上上部均选用2mm。从理论上讲讲，罐的壁厚厚可比2mm小。但是，考考虑到结构稳稳定性等因素素，一般不小小于2mm。对于直径径大、高度高高的罐体，理理论上可选用用更厚的钢板板制作。但由由于国内搪瓷瓷钢板的规格格和Lipp制罐机械在在机械压紧强强度，咬口紧紧密度等方面面的限制，罐罐体的选用材材料壁厚一般般最大为4mm。所以，这这两种技术国国内制作的最最大罐体直径径在30～40m。对于特殊殊的超大超高高的罐体，可可选用高强度度材料。同样样，由于价格格成本和池形形的限制，拼拼装预制和Lipp制罐不适用用对于容积小小和直径小于于5m的反应器。从从结构上考虑虑拼装和Lipp技术不适用用于地下池和和方形结构池池。四、不同池型结结构的技术经经济比较UASB反反应器的材料料，可采用碳碳钢、Lipp(或拼装结构)和混凝土结结构。对钢制制结构的反应应器需进行保保温处理，钢钢池考虑采用用现场4～8mm厚阻燃型聚聚苯乙烯泡沫沫板及彩色防防护板保温和和装饰，碳钢钢的防腐材料料采用环氧树树脂加玻璃布布三层做法。混混凝土池不考考虑保温问题题。附属设备备如三相分离离器、配水系系统、走道、扶扶手、楼梯暂暂等不考虑。对对以上三种结结构型式进行行了技术经济济比较。三种种池的容积均均按1250mm3考虑，表2是投资、折折旧和施工技技术条件的对对比表。表2不同结构构经济技术术比较(投资、经常常维护费用用和和施工)序号项

目混凝土池(万元元))碳钢池(万元))拼装或复合Liippp罐(万元)1容积(总)10×20×77mmφ15×8.00×δδ10φ15×8.00m××δ32重量(吨)---3612.203池体投资费用5628.814.54保温投资费用无4.04.05池基础费用无3.02.46内防腐费用无4.0无7外防腐费用无2.0无

小计5641.820.9

经常维护费用

8年防腐费无4.2(内外))无9设备折旧费1.87(>3300年计)4.18(100年年计)0.92(255年年计)10施工周期>三个月>两个月<一个月

小计1.878.380.92

施