摘  要：不完全厌氧序批式反应器HSBR、升流式不完全厌氧污泥床反应器HUSB是利用不完全厌氧过程处理污水的反应器，反应器的下临界混合强度直接关系到处理效果。本文通过分析这两类反应器各自混合过程的特点，对表征下临界混合强度的控制指标进行了理论计算，提出了确定下临界混合强度的方法。
　　关键词：不完全厌氧过程；下临界混合强度；污水处理

1 引言

　　厌氧工艺是低耗有效的有机废水处理工艺，目前广泛应用于城市污水和工业废水的处理中。与完全厌氧工艺相比，不完全厌氧工艺（有些文献也称水解酸化工艺）的运行条件比较宽泛，能耗低，具有一定的抗冲击负荷能力和较好的有机物去除能力，同时可以在一定程度上提高废水的可生化性。
　　不完全厌氧过程的反应速率和处理效果与底物的种类和形态、pH值、HRT、温度以及污泥的性能有关。其中，系统中底物与微生物的混合强度（也即接触程度）直接影响不完全厌氧过程的处理效果。有效的混合可以增加底物与微生物的接触，也可以使系统内温度达到均一。
　　现有的不完全厌氧工艺采用的混合方式主要有机械方式、水力方式和气体方式三种。由于气体混合方式要求非空气气体作为介质，因此实际使用中有一定的局限。本文主要讨论以机械方式和水力方式进行混合的两种不完全厌氧反应器最小强度的混合要求及下临界混合强度确定方法。这两种不完全厌氧反应器分别为新型的不完全厌氧序批式反应器（Hydrolytic Sequence Batch Reactor，HSBR）和目前使用较多的升流式不完全厌氧污泥床反应器（Hydrolytic Upflow Sludge Blanket Reactor，HUSB）。

2 不完全厌氧反应器混合强度分析及确定

　　反应器中底物利用速率r可以用Monod方程描述：

　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)

　　式中：X—活性微生物的浓度，mg/L；
　　　　　S—底物的浓度，g/L；
　　　　　k—饱和底物利用率，d^-1；
　　　　　K_S—半速率常数，g/L；

　　由公式（1）可以得知，混合对方程中底物浓度的均匀分布以及活性微生物浓度两项产生影响。如果反应系统中，微生物群落结构处处相同，系统对混合强度的变化反应敏感。此时，在混合强度的正常范围之内，混合越充分，有效的底物浓度越大，参与反应的污泥浓度越高，底物利用速率也越大。而污泥浓度与混合强度的关系比较复杂：低强度混合条件下，混合的均匀性影响有效底物和反应污泥的浓度分布，污泥浓度变化体现为参与反应的污泥的浓度分布，所以对处理效果影响更大；高强度混合条件下，底物浓度和污泥浓度分布已均匀，混合强度过大将直接影响污泥的絮凝作用，污泥流失严重导致污泥浓度下降，从而降低处理效果。所以最低限度混合强度值的确定只需考虑混合的均匀性，而表征混合均匀性的指标需要根据具体的混合形式来确定。最佳混合强度和上临界混合强度确定的理论分析比较复杂，需要在满足一定工艺目的的基础上结合实验数据或运行数据来确定。本文仅给出下临界混合强度的理论推导。
2.1 不完全厌氧序批式反应器（HSBR）
　　HSBR反应器是以缺氧搅拌代替一般SBR反应器中曝气过程，其流态、停留时间有别于升流式不完全厌氧反应器。HSBR反应器便于控制，适合于昼夜流量变化较大的中小城镇污水的处理。
　　在HSBR反应器中，污泥与污水为非均相固液系统，属于非牛顿流体的宾格汉塑性，污泥近似为固体颗粒。系统中最低强度的混合是使得所有污泥都处于离底悬浮状态，固体粒子在槽底的停留时间不超过1～2 s。完全离底悬浮的作用之一是降低污泥周围的扩散阻力，便于污泥和底物之间的接触和传质。因此有Zwieteringr完全离底悬浮临界转速关联式：

　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (2)

　　式中：Nc－临界转速，r/s；
　　　　　k－方程式常数；
　　　　　ν－污水运动粘度，m²/s；
　　　　　ρ－污水密度，kg/m³；
　　　　　ρ_p－污泥颗粒密度，kg/m³；
　　　　　d_P－污泥颗粒直径，m；
　　　　　d－桨径，m；
　　　　　g－重力加速度，m/s²；
　　　　　X－100乘以固液质量比

　　对于选定的HSBR反应器，确定相应的参数，可以得到该反应器的完全离底悬浮临界转速。
　　例如：实验室HSBR反应器直径D=0.15 m；有效容积V=8 L；采用双联平桨搅拌，D/d=3，k=10.95；反应器中MLSS为8 g/L；(ρ_p-ρ)/ρ=0.1，则由公式（2），该反应器的下临界转速为：
　　N_c=10.95×（0.05）^-0.85×（10^-6）^0.1×（10^-4）^0.2×（9.8×0.1）^0.45×0.81^0.13=5.3 r/s
　　对于平直桨片，其克服阻力做功为：

　　P = n·C_D·ρ·b·ω³·r₄/8　　　　　　　　　　　　　  (3)

　　式中：n－桨片的数目；
　　　　　C_D－阻力系数，取1.19；
　　　　　b－桨片宽度，m；
　　　　　ρ－液体密度，kg/m³；
　　　　　r－桨片半径，m。

　　则反应器的单位体积输入功率为：

　　P/V = (n·C_D·ρ·b·ω³·r₄/8)/V　　　　　　　　　　　　　　　  (4)

　　实际应用中，通常以单位体积输入功率来衡量混合强度。由公式（2）、（3）、（4）联立，可以得到HSBR反应器的下临界单位体积输入功率为P/V=12.8 W/m³。
　　公式（5）是Reynolds等人提出的确定活性污泥法处理单元单位体积最小输入功率的经验公式。

　　P/V = 0.94·(μ)^0.3·(MLSS)^0.298　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (5)

　　式中：P/V－单位体积最小输入功率，W/m³；
　　　　　MLSS－污泥浓度，mg/L；
　　　　　μ－20℃下，μ=1.0087 cP；(1 cP=10^-3 Pa·s=1.02×10^-4 kgf·s/m²)

　　由经验公式（5）得出的下临界单位体积输入功率为P/V=13.7 W/m³。经验公式数值与理论公式数值的比值A为1.07。
　　HSBR反应器中，搅拌装置是最主要的附属设施。考虑到颗粒污泥的性能要好于分散污泥的性能，所以在混合时，应该避免出现涡流。设计中可以根据几何相似、流体动力相似来计算搅拌器在搅拌介质中的搅拌功率。搅拌过程中的功率值不仅与液体的宏观循环流动相关联，而且与微观的流体动力过程相联系。
　　同一种搅拌过程，常常用单位体积输入功率为比拟放大准则，通过利用搅拌过程求搅拌功率的算图，根据搅拌过程的种类以及物料量、物性参数来求得搅拌功率，然后按搅拌过程的特点选择搅拌器形式，桨叶尺寸和转速。
2.2 升流式不完全厌氧污泥床反应器（HUSB） HUSB反应器内存在一个污泥层，反应器是利用上升流进行水力混合，并保持污泥
　　层整体悬浮，内部接近完全混合。污泥层上部为推流区。这种反应器流态，底部有利于反应，上部有利于沉淀。
　　工艺中反应器内混合能耗W是前后构筑物的水位差ΔH减去沿程损耗f。

　　W=ΔH-f　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (6)

　　其中f包括上一级构筑物的内部水头损失、构筑物之间的沿程水头损失、反应器内配水系统水头损失。采用大阻力配水系统，可以满足其配水均匀性的要求，但是必然降低了混合能耗。
　　HUSB反应器以上升流进行水力混合，能耗随上升流流速增加而增加，但上升流速度有一定范围，其上升流速V_max一般不超过2.5 m/h，所以其下临界混合强度的确定方法与HSBR反应器不同。
　　对于污泥床整体来说，不考虑污泥床内部的混合，其最小的能耗状态是污泥床整体悬浮静止，此状态下混合强度为其下临界混合强度。
　　其单位体积输入功率为：

　　P/V = g·v　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (7)

　　式中：v－为平均上升流速；
　　　　　P－输入水体功率；
　　　　　V－水体体积。

　　根据北京密云污水处理厂的运行数据，以及Dick理论，污泥的沉降速率υ与污泥浓度X存在着如下关系：

　　v =α·X^-n=9.53X^-0.75 　　　　　　　　　　　　　　　　　　  (8)

　　一般来说，HUSB反应器中污泥浓度保持在10 g/L左右就可以保证处理效果。根据公式（8），对应上升流速为1.70 m/h，下临界单位体积输入功率为4.90W/m³。HUSB反应器的混合特征是水力混合为主，那么可以认为其污泥床内部完全混合的能耗不超过上升流对污泥床的混合能耗，也就是其总能耗不会超过下临界混合能耗的两倍。所以，一般估算总的混合强度在4.9 ～ 9.8W/m³之间。
　　而根据经验公式（5）得到下临界混合强度为11.2W/m³。经验公式数值与理论公式数值的比值A为1.40 ～ 2.80。
　　以国内某污水处理厂为例，该污水处理厂在好氧工艺前设置HUSB反应器，代替常规二级处理系统中的初沉池，其二期工程的工艺参数为：Q=3×10⁴ m³/d，反应器两座，单体尺寸40 m×15 m×5 m。则对应的单位体积输入功率为：

　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (9)

　　不难得出，与理论下临界混合强度相比，该HUSB反应器的混合强度偏低。

3 结论与建议

　　根据对理论下临界混合强度和经验下临界混合强度的分析，HSBR反应器的下临界混和强度与经验值接近，A值为1.07；HUSB反应器的下临界混合强度比经验值低，A值为1.40 ～ 2.80。
　　由于机械搅拌，HSBR反应器更容易调控混合强度。设计中，可根据经验公式（5）的下临界混合强度来选择合适的值，考虑到功率输入的均匀性，决定搅拌器型式等；也可根据搅拌过程的难易程度来确定混合强度，然后与经验值比较。在搅拌器设置上，需要考虑搅拌功率的时间分配。
　　对于HUSB反应器，其下临界混合强度的确定可以参照公式（9）。在保持一定污泥浓度情况下，可以通过优化配水系统，增加配水的均匀性，脉冲进水，加强回流等方法提高混合区的混合效果，在不增加单体反应器尺寸的基础上，获得合理的混合强度。
　　实际运行中，还可以通过向反应器投加合适的示踪剂，由此得到混合强度与底物以及污泥的分布均匀性的关系，并对应着不同的处理效果和污泥性能。根据一定的选择标准，得到实际的混和强度的分布范围，与理论的下临界混合强度相比较并对之进行修正，为HSBR和HUSB反应器的设计提供必要的依据。