內構件優化推動厭氧生物反應器的發展
厭氧生物反應器處理廢水因具有能耗低、不易產生二次污染、可循環利用沼氣能源等優點而被廣泛使用。厭氧生物反應器內構件的改造設計與內部流態特性的變化有重要聯系。
通過增設內構件可獲取合適的流態特性，從而避免較長的反應時間并提高出水水質，實現反應器節能降耗，提高處理能力。
工程上常將流態特性作為厭氧生物反應器處理效率的重要評價指標，流態特性同時也是厭氧生物反應器改造設計的重要參考依據。國內外通常用示蹤實驗和數值模擬方式分析厭氧生物反應器的流態特性，其中分散數D/（uL）、佩克萊數Pe和串聯級數N值為重要參數。本文對厭氧生物反應器內構件的改造設計思路及發展進程進行了總結回顧。
1 主要厭氧生物反應器內構件的改造設計
厭氧生物反應器初期不含內構件，隨后其內部逐步出現各類內構件，旨在改變內部流態，提高出水水質。內構件一般分為橫向內構件、縱向內構件和填料。基于內構件改造設計的主要厭氧生物反應器如圖1所示。
圖1 基于內構件改造設計的主要厭氧生物反應器
1.1 無內構件
1860年厭氧消化處理創始人L. Mouras對簡易沉淀池進行了改造；1895年Donald設計出第1個厭氧化糞池，隨后根據隔室格數分為單格、兩格和三格等，池形分為平底、錐形和蛋形等。
1.2 固定件（橫、縱向內構件）
（1）外加動力攪拌：1920年Watson以沼氣為動力用泵對傳統消化池實現混合攪拌，后續高速厭氧消化池增設了機械攪拌和加熱設備。
（2）增設固定內構件：由于橫、縱向內構件不斷優化，厭氧生物反應器類型日益豐富。
升流式厭氧污泥床反應器（UASB）由Lettinga等于20世紀70年代初研發，80年代被引入國內，常用于處理制藥、啤酒等生產廢水，其三相分離區作為特殊內構件，實現了HRT和污泥停留時間（SRT）的有效分離。
膨脹顆粒污泥床反應器（EGSB）于20世紀80年代開始研發，研究者對關鍵的內構件——三相分離器進行了不同方式的改進，如增設攪拌器、篩鼓或在出水堰處加設擋板等；此外，更大的出水回流以提高水力負荷，水流上升流速和耐沖擊負荷較UASB反應器更強，污泥床呈膨脹狀態。
1982年McCarty和Bachman等研發了厭氧折流板反應器（ABR），增設上下折流板為內構件，形成含不同處理效果的隔室，類似多個UASB反應器橫向串聯，其微生物截留能力強，耐有毒物質和沖擊負荷，并可在各個反應室培養不同功能的優勢菌。
1985年Paques BV公司開發了厭氧內循環反應器（IC），相當于2個UASB反應器上下疊加構成，無需施加外力即可進行內循環，占地面積小。1996年，沈陽華潤雪花啤酒廠從荷蘭引進第1套IC處理技術。
由橫、縱向內構件改進的高效厭氧生物反應器還有厭氧生物轉盤（AnRBC）、以多層斜板代替三相分離器的上流式分段污泥床（USSB）、在UASB和厭氧序批式間歇反應器（ASBR）基礎上于各個隔室增設攪拌器的厭氧遷移式污泥床反應器（AMBR）、過濾膜作為內構件的厭氧膜生物反應器（AnMBR）、結合脈沖間歇進水和復合水解技術增設布水豎管的間歇式膨脹復合形厭氧生物反應器、倒錐形一體式內構件的IC反應器，以及布料器結構優化的厭氧生物反應器等。
1.3 非固定件（填料）
1969年Young和McCarty研發了厭氧濾池（AF），將填料作為內構件為微生物生長提供載體，使微生物和廢水接觸更充分，強化生物降解和生物吸附的協同作用，但載體易堵塞管道，常用于處理中等濃度的有機污水。
增設填料的厭氧生物反應器典型代表還有：以活性炭、砂、陶粒和多孔玻璃等作為載體的厭氧流化床（AFB），集AF和UASB反應器優點于一體的上流式厭氧污泥床-濾層反應器（UBF）等。
此外，20世紀50年代Soepfer研發的厭氧接觸反應器和20世紀90年代出現的ASBR可按回流污泥和顆粒污泥作特殊填料進行劃分
1.4 內構件組合
將固定內構件和非固定內構件（填料）組合能改善厭氧生物反應器流態。李英杰等在生化處理室中增設立體彈性填料，混合折流發酵室中添加導流管，結合ABR分隔室多階段處理廢水和化糞池懸浮沉淀相分離的優點，開發了一種新型無動力混合式厭氧生物反應器，可處理實際居民生活污水和食堂廢水。
2 厭氧生物反應器流態表征
厭氧生物反應器無論是增加折板、三相分離器、攪拌裝置或復合措施，其結構變化的本質是內部流態的變化，一般采用示蹤實驗和數值模擬等分析其流態特征。厭氧生物反應器內流態存在不同形式的混合現象，軸向分散模型和多釜串聯模型是2種分析流態的重要模型，軸向分散模型見式（1）：
式中：θ——無量綱時間；D——軸向擴散系數，m2/s；u——平均流速，m/s；L——反應器軸向長度，m。
其中，D/（uL）值可表達厭氧生物反應器的混合狀態：D/（uL）=0表示理想PFR，D/（uL）為∞表示理想CSTR。D/（uL）值越趨近0，混合程度越弱，狀態偏向PFR；D/（uL）值越趨近∞，混合程度越強，狀態偏向CSTR。
在軸向分散模型中，Pe值表示反應器流體對流速率與擴散速率之比，可表達為分散數的倒數（Pe=uL/D），其中Pe值越趨于∞代表反應器狀態偏向PFR，Pe值越趨于0代表反應器狀態偏向CSTR。其計算公式為：
在多釜串聯模型中，δθ2=1/N，其中N值越趨近1，
流態偏向完全混合流態；N值越趨近∞，流態偏向平推流態。
典型厭氧生物反應器流態特性
對典型的厭氧生物反應器，如EGSB、AnRBC、ABR、改良ABR、鑲板厭氧折流板過濾反應器（PABFR）、超高效螺旋式厭氧生物反應器（SSAB）、螺旋對稱流厭氧生物反應器（SSSAB）和新型控制雙環厭氧生物反應器（CDCAR）等的D/（uL）、Pe或N值進行測算，發現厭氧生物反應器的高效性與穩定性與其流態特性相關（如表2所示）。
表2 厭氧生物反應器的流態特性
隨著負荷、上升流速和轉盤轉速的增大，D/（uL）越大，Pe和N越小，流態越趨向完全混合流；隨著隔室增多和HRT增大，D/（uL）越小，Pe和N越大，流態越趨向平推流。D/（uL）<0.2，N>3，流態趨向平推流；D/（uL）≥0.2，N≤3，流態趨向完全混合流。一般通過內構件的改造設計，選擇0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5，可將厭氧生物反應器內流態介于平推流和完全混合流之間，有利于提高廢水處理能力。
3 結 論
（1）對厭氧生物反應器內構件進行改造優化旨在改善反應器的內部流態，可推動反應器的更新換代。
（2）對于不含或含有不同內構件類型的厭氧生物反應器，可通過示蹤實驗和數值模擬方法來揭示其內部流體特性，其中軸向擴散模型和多釜串聯模型運用的較多。
（3）D/（uL）和N值為表征反應器流態特性的重要參數，能間接表現反應器內廢水和微生物的混合情況，可為未來厭氧生物反應器的設計提供理論參考：當0.08≤D/（uL）≤0.32，2.5≤N≤3.5時，厭氧生物反應器內流態介于平推流和完全混合流之間，有助于提高其處理各類廢水的能力。
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