反应器结构设计原理详解

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：根据设定的有机容积负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。表9-10Lettinga等推荐的上升流速和反应器高度4.三相分离系统的结构UASB反应器的三相分离器结构与反应器的进水系统设计是难点，特别是对于生产规模的大型构筑物。小型UASB反应器的三相分离器较容易设计，而大型的设计难度较大。小型设备常采用圆柱形钢结构，而大型设备均采用矩形钢结构或钢筋混凝土结构，三相分离器的设计结构有差异，但遵循的原则是一致的。

根据目前运行的生产性处理装置来看，USAB反应器高度一般为3.5～6.5m，最高10m左右。对于形成絮凝污泥层的USAB反应器来说，在有机负荷为5～6KgCOD/（m3·d）的情况下，表面水力负荷为0.5m3/（m2·h）左右，最高达1.5m3/（m2·h），在这种情况下，反应器高度以6m为宜。对于颗粒污泥层的反应器来说，表面水力负荷相当高，有时可达10m3/（m2·h）以上，所以，原则上说，反应器的高度可以更高。

UASB反应器设计需要考虑的主要因素为：（1）废水组成成分和固体含量；（2）有机容积负荷和反应器容积；（3）上升流速和反应器截面面积；（4）三相分离系统；（5）布水系统和水封高度等物理特性。

1.废水水质特性

设计中应考虑废水是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫和浮渣，降解速率如何等。一般，含有较高的蛋白质或脂肪的废水需考虑前2个问题。溶解性COD（简称sCOD）含量越高，设计中可选择的容积负荷越高。废水中含有的悬浮固体愈多，所形成的颗粒密度越小，进水悬浮固体浓度不应大于6gTSS/L。

2.有机容积负荷

Lettinga等推荐的典型有机容积负荷如表9-8和表9-9所示。有机容积负荷的选择与处理废水的水质、预期达到的处理效率，以及不同废水水质下所形成的颗粒污泥大小和特性有关。根据设定的有机容积负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。由表9-9可见，对于经产酸发酵后的废水，UASB可在较高的负荷下运行。

表9-8　sCOD含量为70%～90%的废水，在30℃时COD去除率达到85%～90%时推荐的COD容积负荷

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表9-9　不同温度下平均污泥浓度25g/L，COD去除率达到85%～90%时推荐的sCOD容积负荷

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3.上升流速

亦称表面水力负荷uc（m3/（m2·h）），与进水流量和反应器横截面积有关，是重要的设计参数（参见图9-9。上升流速的设计主要考虑颗粒污泥的沉降速率，与废水种类和反应器高度有直接关系。废水种类可决定颗粒的大小和密实程度，而反应器高度可决定污泥挟带量。Lettinga等推荐的典型上升流速和反应器高度如表9-10所示。已知反应器的有效容积和上升流速，即可计算出反应器的截面面积以及核算出反应器反应区高度。

表9-10　Lettinga等推荐的上升流速和反应器高度

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4.三相分离系统的结构

UASB反应器的三相分离器结构与反应器的进水系统设计是难点，特别是对于生产规模的大型构筑物。到目前为止，反应器的三相分离系统与进水系统大多属专利技术。

由于需分离的混合物是由气体、液体和固体（污泥）组成，所以这一系统要具有气、液、固三相分离的功能，因此必须满足以下条件：①在水和污泥的混合物进入沉淀区前，必须首先将气泡分离出来；②为避免在沉淀区里产气，污泥在沉淀器里的滞留时间必须足够短；③由于厌氧污泥具有积聚的特征，沉淀器内形成的颗粒污泥层对液体通过它向上流动影响不大。

一般来说，分离器的设计（参见图9-9）应考虑以下几方面因素：（1）由于厌氧污泥较黏，沉淀器底部倾角应较大，可选择a=40°～60°；（2）沉淀器内最大截面的表面水力负荷应保持在us=0.7m3/（m2·h）以下，水流通过液-固分离孔隙（a值）的平均流速应保持在uo=2m3/（m2·h）以下；（3）气体收集器间缝隙的截面面积不小于总面积的15%～20%；（4）对于高为5～7m的反应器，气体收集器的高度应为1.5～2m；（5）气室与液-固分离的交叉板应重叠b=100～200mm，以免气泡进入沉淀区；（6）应避免气室内产生大量泡沫和浮渣，通过水封系统（见后）控制气室的液汽界面上形成气囊，压破泡沫并减少浮渣的形成，此外，应考虑气室上部排气管直径足够大，避免泡沫挟带污泥堵塞排气系统。

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图9-9　三相分离器基本参数

图9-10为几种可供参考的典型三相分离器。小型UASB反应器的三相分离器较容易设计，而大型的设计难度较大。小型设备常采用圆柱形钢结构，而大型设备均采用矩形钢结构或钢筋混凝土结构，三相分离器的设计结构有差异，但遵循的原则是一致的。在设计中，考虑到三相分离器的结构与环境条件要求，反应器池顶可以是密闭的，也可以是敞开的，池顶敞开式结构便于操作管理与维修，但可能有少量臭气滋出。(https://www.chuimin.cn)

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图9-10　各种三相分离器形式

5.布水系统

为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量均匀，避免沟流，布水点的设置很重要，这也是提高反应器处理能力的重要因素之一。原则上，UASB反应器的进水可参考滤池大阻力布水系统形式，在反应器底部均匀设置布水点，布水的不均匀系数为0.95，可以达到布水均匀的目的。但对于大型UASB构筑物来说，应采取在反应器底部多点进水。布水点的服务面积与有机负荷和颗粒污泥特性有关，一般每个进水点服务1～2m2底面积，并应考虑每个布水点的阻力相等，即出流量相等。布水点过少，装置长期停运后再启动，底物与污泥不能充分接触，在反应器底部形成死区，并形成沟流，需要很长时间才能达到设计负荷，从而影响装置的快速启动和处理能力。

图9-11为一种德国专利布水系统，反应器底部均匀设置许多布水点（布水点高度不同，见图9-11（a）所示。从水泵来的水通过配水设备流进布水管，从管口流出。配水设备由一根可旋转的配水管与配水槽构成（见图9-11（b）配水槽为圆环形，被分割为多个单元，每一单元与通进反应器的布水管相连。从水泵来的水管与可旋转的配水管（见图9-11（c））相连接，工作时配水管旋转，在一定的时间间隙内，污水流进配水槽的一个单元，由此流进一根布水管进入反应器。这种布水方式对反应器来说是连续进水，而对每个布水点而言，则是间歇（脉冲）进水，布水管的瞬间流量与整个反应器流量相等。

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图9-11　大型UASB反应器的布水系统

（a）进水系统立面与平面图；（b）配水设备；（c）旋转配水管

目前，在生产运行装置中所采用的进水方式大致可分间歇式、脉冲式、连续均匀流、连续与间歇回流相结合等几种。

6.水封高度

对于UAB反应器，气室中气囊高度的控制是十分重要的。控制一定的气囊高度可压破泡沫，并可避免泡沫和浮泥进入排气系统而使污泥流失或堵塞排气系统。气室中气囊的高度是由水封的有效高度来控制和调节的。

设计水封高度的计算原理见图9-12，其计算式为：

式中：H——水封有效高度；

H1——气室液面至出水（反应器最高水面）的高度；

H2——水封后面的阻力，包括计量设备、管道系统的水头损失和沼气用户所要求的贮气柜压力；

h1——气室顶部到出水水面的高度，由沉淀器尺寸决定；

h2——气室高度。

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图9-12　水封高度计算示意图

气室的高度（h2）的选择应保证气室出气管在反应器运行中不被淹没，能畅通地将沼气排出池体，防止浮渣堵塞。从实践来看，气室水面上经常有一层浮渣，浮渣层的厚度与水质（形成泡沫多少）及工艺条件（气体释放强度）有关。在选择h2时，应当留有浮渣层的高度，此外需有排放浮渣的出口，以便在必要时能排出浮渣。特别是在处理含有高浓度蛋白质、脂肪的废水时，更要特别注意。

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