工业水处理｜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。
主要厌氧生物反应器内构件的改造设计
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。
（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。
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。
厌氧生物反应器流态表征
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，
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。
（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。