UASB和IC反應器的原理及設計_圖文

1、目錄UASB反應器 1一、UASB原理 1二、UASB反應器的構成 21、三相分離器的原理 32、進水和配水系統(tǒng)的要求 3三、UASB反應器的主要設備 41、反應器的池體 42、三相分離器的設計 83、進水分配系統(tǒng) 10四、其他設計考慮 141、配水管道設計 142、出水系統(tǒng)的設計 153、排泥系統(tǒng)的設計 154、浮渣清除方法的考慮 165、防腐措施 16五、附屬設備 171、剩余沼氣燃燒器 172、保溫加熱設備 173、監(jiān)控設備 17IC反應器 18一、IC反應器的原理 18二、IC反應器的設計 201、COD容積負荷的確定 202、三相分離器 203、配水系統(tǒng) 204、循環(huán)系統(tǒng) 215、高

2、徑比的控制 216、其他 22UASB反應器一、UASB原理UASB反應器廢水被盡可能均勻的引入反應器的底部，污水向上通過包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床。厭氧反應發(fā)生在廢水和污泥顆粒接觸的過程。在厭氧狀態(tài)下產生的沼氣（主要是甲烷和二氧化碳）引起了內部的循環(huán)，這對于顆粒污泥的形成和維持有利。在污泥層形成的一些氣體附著在污泥顆粒上，附著和沒有附著的氣體向反應器頂部上升。上升到表面的污泥撞擊三相反應器氣體發(fā)射器的底部，引起附著氣泡的污泥絮體脫氣。氣泡釋放后污泥顆粒將沉淀到污泥床的表面，附著和沒有附著的氣體被收集到反應器頂部的三相分離器的集氣室。置于極其使單元縫隙之下的擋板的作用為氣體發(fā)射器和防止沼氣

3、氣泡進入沉淀區(qū)，否則將引起沉淀區(qū)的絮動，會阻礙顆粒沉淀。包含一些剩余固體和污泥顆粒的液體經(jīng)過分離器縫隙進入沉淀區(qū)。由于分離器的斜壁沉淀區(qū)的過流面積在接近水面時增加，因此上升流速在接近排放點降低。由于流速降低污泥絮體在沉淀區(qū)可以絮凝和沉淀。累積在三相分離器上的污泥絮體在一定程度上將超過其保持在斜壁上的摩擦力，其將滑回反應區(qū)，這部分污泥又將與進水有機物發(fā)生反應。二、UASB反應器的構成UASB反應器包括以下幾個部分：進水和配水系統(tǒng)、反應器的池體和三相分離器。在UASB反應器中最重要的設備是三相分離器，這一設備安裝在反應器的頂部并將反應器分為下部的反應區(qū)和上部的沉淀區(qū)。為了在沉淀器中取得對上升流中污

4、泥絮體顆粒的滿意的沉淀效果，三相分離器第一個主要的目的就是盡可能有效地分離從污泥床層中產生的沼氣，特別是在高負荷的情況下，在集氣室下面反射板的作用是防止沼氣通過集氣室之間的縫隙逸出到沉淀室，另外擋板還有利于減少反應室內高產氣量所造成的液體絮動。反應器的設計應該是只要污泥層沒有膨脹到沉淀器，污泥顆?；蛐鯛钗勰嗑湍芑氐椒磻遥☉撜J識到有時污泥層膨脹到沉淀器中不是一件壞事。相反，存在于沉淀器內的膨脹的泥層將網(wǎng)捕分散的污泥顆粒絮體，同時它還對可生物降解的溶解性COD起到一定的去除作用）。只一方面，存在一定可供污泥層膨脹的自由空間，以防止重的污泥在暫時性的有機或水力負荷沖擊下流失是很重要的。水力和有

5、機(產氣率負荷率兩者都會影響到污泥層以及污泥床的膨脹。UASB系統(tǒng)原理是在形成沉降性能良好的污泥凝絮體的基礎上，并結合在反應器內設置污泥沉淀系統(tǒng)使氣、液、固三相得到分離。形成和保持沉淀性能良好的污泥(其可以是絮狀污泥或顆粒型污泥是UASB系統(tǒng)良好運行的根本點。1、三相分離器的原理在UASB反應器中的三相分離器(GLS是UASB反應器最有特點和最重要的裝置。它同時具有兩個功能：能收集從分離器下的反應室產生的沼氣；使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來。對上述兩種功能均要求三相分離器的設計避免沼氣氣泡上升到沉淀區(qū)，如其上升到表面將引起出水混濁降低沉淀效率，并且損失了所產生的沼氣。設計三相分離器的原則是：

6、(1間隙和出水面的截而積比 影響到進入沉淀區(qū)和保持在污泥相中的絮體的沉淀速度。(2分離器相對于出水液面的位置 確定反應區(qū)(下部和沉淀區(qū)(上部的比例。在多數(shù)UASB反應器中內部沉淀區(qū)是總體積的1520。(3三相分離器的傾角 這個角度要使固體可滑回到反應器的反應區(qū)，在實際中是在4560之間。這個角度也確定了三相分離器的高度，從而確定了所需的材料。(4分離器下氣液界面的面積 確定了沼氣的釋放速率。適當?shù)尼尫怕蚀蠹s是13m3/（m2h）。速率低有形成浮渣層的趨勢，非常高導致形成氣沫層，兩者都導致堵塞釋放管。對于低濃度污水處，當水力負荷是限制性設計參數(shù)時，在三相分離器縫隙處保持大的過流面積，使得最大的上

7、升流速在這一過水斷面上盡可能的低是十分重要的。原則上只有出水截面的面積(而不是縫隙面積才是決定保持在反應器中最小沉速絮體的關鍵。2、進水和配水系統(tǒng)的要求進水系統(tǒng)兼有配水和水力攪拌的功能，為了保證這兩個功能的實現(xiàn)，需要滿足如下原則：(1進水裝置的設計使分配到各點的流量相同，確保單位面積的進水量基本相同，防止發(fā)生短路等現(xiàn)象；(2很容易觀察進水管的堵塞，當堵塞發(fā)現(xiàn)后、必須很容易被清除。(3應盡可能的(雖然不是必須的滿足污泥床水力攪拌的需要，保證進水有機物與污泥迅速混合防止局部產生酸化現(xiàn)象。為確保進水等量地分布在池底，每個進水管僅與個進水點相連接是最理想狀態(tài)，只要保證每根配水管流量相等，即可取得均勻布

8、水的要求；因此有必要采用特殊的布水分配裝置，以保證一根配水管只服務一個配水點，為了保證每一個進水點達到應得的進水流量，建議采用高于反應器的水箱式(或渠道式進水分配系統(tǒng)。圖11給出了一種連續(xù)流的布水器形式，這種敞開的布水器的個好處是可以容易用肉眼觀察堵塞情況。對高濃度廢水由于水力負荷較低，采用脈沖式進水分配裝置是一種較好的選擇。三、UASB反應器的主要設備1、反應器的池體有兩種基本幾何形狀的UASB反應器：即矩形和圓形。這兩種類型的反應器都已大量應用于實際中。圓形反應器具有結構較穩(wěn)定的優(yōu)點，同時對于圓形反應器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12。所以圓形池子的建造費用比具有相同面積的矩形反應器

9、至少要低12。但是圓形反應器的這一優(yōu)點僅僅在采用單個池子時才成立，所以，單個或小的反應器可以建造成圓形的。而大的反應器經(jīng)常建成矩形的或方形的。當建立兩個或兩個以上反應器時，矩形反應器可以采用共用壁。當建造多個矩形反應器時有其優(yōu)越性。對于采用公共壁的矩形反應器，池型的長寬比對造價也有較大的影響。對于大型UASB反應器建造多個池子的系統(tǒng)是有益的，這可以增加處理系統(tǒng)的適應能力。如果有多個反應池的系統(tǒng)，則可能關閉一個進行維護和修理，而其他單元的反應器繼續(xù)運行?；炷两Y構的UASB反應器是最為常見的結構和材料型式，但是采用標準化和系列化的設計必須考慮結構的通用性和簡單性，在此基礎上形成的系列化設計才能有

10、生命力和推廣的價值。(1平面布置 池體的標準化主要是根據(jù)三相分離器的尺寸進行布置的，目前生產的三相分離器的平面尺寸是2m5m。根據(jù)這一形式布置池體有以下幾種方式(圖2-3、2-4和2-5。圖2-3中(a為整個池表面均采用三相分離器的形式，而(b是池頂?shù)囊徊糠植捎贸伢w本身結構構成氣室；這樣可以節(jié)省一部分三相分離器的投資。整個池子分成單池單個分離器、雙池每池單個分離器和單池兩個分離器的形式，很明顯如果需要也可以構成雙池每池兩組分離器的形式。由于三相分離器的尺寸的原因，所以池子的寬度是以5m為模數(shù)，長度方向是以2m為模數(shù)。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長度是不受限制。如前所述出于反應器的長寬比

11、的范圍涉及到建筑物的經(jīng)濟性，所以在上述范圍內選擇要結合池子組數(shù)考慮適當?shù)拈L寬比。由于反應器的高度推薦范圍為46m，表2-1給出了5m高的反應器的尺寸選擇的系列。從原則上講安排2m5m的三相分離器的平面布置還可以有其他多種的平面配合形式如，寬度可以以2m為模數(shù)，而長度以10m為模數(shù)。構成4m 5m，4m10m，6m5m，6m10m，6m15m的系列。甚至可以采用三相分離器橫豎混合布置的形式。但是考慮通用性和簡單性的原則，推薦表2-1的組合方式。(2設備固定形式 三相分離器設備固定的形式可以采用牛腿和工字鋼支撐的兩種形式(圖2-6。需要說明的是由于運行過程中，三相分離器的氣室內有一定量的沼氣，所以

12、會形成比較大的浮力，需要考慮上部的固定措施，固定措施可以借助出水管和出氣管，以及其他形式。池底同樣可以采用兩種不同的形式(圖2-7其中對于典型的UASB反應器推薦采用因2-7(b的形式，因為這種結構可以避免布水不均勻形成的死區(qū)問題：同時可以減少布水管的投資，但是會增加一定的土建投資。圖2-8是采用混凝土反應器的工程圖示意，從圖見到的是一種可整體安裝的三相分離器設計形式。2、三相分離器的設計通過對不同大小三相分離器的分析，可以發(fā)現(xiàn)三相分離器設計的關鍵是圖2-16(b和(c圓圈中所示的平行四邊形中的流速關系。要求選擇合理的縫隙寬度(b和斜面長度(或遮蓋寬度，以防止UASB消化區(qū)中產生的氣泡被上升的

13、液流夾帶入沉淀區(qū)，造成污泥流失。由圖2-16(b可見，當氣泡隨液流以速度v沿分離器縫隙上升時，它同時具有垂直向上的速度Vp。在由B點移至A點時，在垂直方向上向上移動距離AC，因此滿足以下關系式：若已知氣泡的直徑和水溫，則Vp由斯托克斯公式等求出。問題是V怎么求，為了簡化問題，同時也為了方便、安全，可按下式求V：式中：QUASB裝置設計流量B裝置寬度；n縫隙條數(shù)；b縫隙寬度。以上計算方法也可類推于其它形式的三相分離器的設計，如圖2-16c。水封高度計算 水封高度是控制污泥床反應器小氣室高度的參數(shù)。根據(jù)圖216(c反應器中氣室的高度h2是由水封有效高度H來加以控制。H的計算值應為：H=h2+h4-

14、H2式中：H為水封后面可能產生的阻力。分離器錐體的高度h4，一般與所采用的直徑有關。h4值的選擇應保證氣室出氣管暢通無阻，防止浮渣堵塞出氣管。從實踐來看，氣室水面上總是有一層浮渣，浮渣的厚度與水質有關，例如，含難消化短纖維較多的污水，浮渣就較多。因此在選擇h4時，應當留有浮渣層的高度。此外還需有排放浮渣的出口。當h4選定后再根據(jù)流程的實際情況確定H2，此時水封的有效高度H就能確定。從原則上講中試裝置所采用的UASB反應器和相應的三相分離器與實驗室裝置沒有本質的差別。但是，生產性裝置需要考慮三相分離器的型式和一些水力學的問題，以及一些工程放大和安裝等問題。3、進水分配系統(tǒng)進水分配系統(tǒng)的合理設計對

15、UASB處理廠的良好運轉是至關重要的，進水系統(tǒng)兼有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個功能的實現(xiàn)，需要滿足如下原則：a 確保單位面積的進水量基本相同，以防止短路等現(xiàn)象發(fā)生；b 盡可能滿足水力攪拌需要，保證進水有機物與污泥迅速混合；c 很容易觀察到進水管的堵塞；d 當堵塞被發(fā)現(xiàn)后，很容易被清除。在生產裝置中采用的進水方式大致可分為間歇式(脈沖式、連續(xù)流、連續(xù)與間歇相結合等方式；從布水管的形式有一管多孔、一管一孔和分枝狀等多種形式。1 連續(xù)進水方式(一管一孔為了確保進水均勻分布，每個進水管線僅僅與一個進水點相連接，是最為理想的情況。為保證每一個進水點的流量相等，建議用高于反應器的水箱(或渠道式進行分配

16、，通過渠道或分配箱之間的三角堰來保證等量的進水。這種系統(tǒng)的好處是容易觀察到堵塞情況。 2 脈沖進水方式我國UASB反應器與國外的最為顯著的特點是很多采用脈沖進水方式。有些研究者認為脈沖方式進水，使底層污泥交替進行收縮和膨脹，有助于底層污泥的混合。圖3a為北京環(huán)科院采用的一種脈沖布水器的原理圖，該系統(tǒng)借鑒了給水中虹吸濾池的布水方式。3 一管多孔配水方式采用在反應器池底配水橫管上開孔的方式布水，為了配水均勻，要求出水流速不小于2.0m/s。這種配水方式可用于脈沖進水系統(tǒng)。一管多孔式配水方式的問題是容易發(fā)生堵塞，因此，應該盡可能避免在一個管上有過多的孔口。4 分枝式配水方式這種配水系統(tǒng)的特點采用較長

17、的配水支管增加沿程阻力，以達到布水均勻的目的。根據(jù)實踐，最大的分枝布水系統(tǒng)的負荷面積為54m2。大阻力系統(tǒng)配水均勻度好，但水頭損失大。小阻力系統(tǒng)水頭損失小，如果不影響處理效率，可減少系統(tǒng)的復雜程度。 對其他類型布水方式，我國也有很多設計和運行經(jīng)驗。與三相分離器一樣，不同型式的布水裝置之間，很難比較孰優(yōu)孰劣。事實上，各種類型的布水器都有成功的經(jīng)驗和業(yè)績。下面是幾種布水器：四、其他設計考慮1、配水管道設計 對重力布水方式，污水通過三角堰進入反應器時可能吸入空氣，會引起對甲烷菌的抑制；進入大量氣體與產生的沼氣會形成有爆炸可能的混合氣體；同時，氣泡太多可能還會影響沉淀功能。因為，大于2.0mm直徑的氣

18、泡在水中以大約0.20.3m/s速度上升，采用較大的管徑使液體在管道的垂直部分的流速低于這一數(shù)值，可適當?shù)乇苊獬^2mm直徑的空氣泡進入反應器，同時還可避免氣阻。在反應器底部用較小直徑，形成高的流速產生較強的擾動，使進水與污泥之間混合加強。污水中存在大的物體可能堵塞進水管，設計良好的進水系統(tǒng)要求可疏通堵塞；對于壓力流采用穿孔管布水器(一管多孔或分枝狀，需考慮設液體反沖洗或清堵裝置，可采用停水分池分段反沖；采用一管多孔布水管道，布水管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞；采用重力流布水方式(一管一孔，如果進水水位差僅僅比反應器的水位稍高(水位差小于10cm，將經(jīng)常發(fā)生堵塞。在水箱中的水位(

19、三角堰的底部與反應器中的水位差大于30cm很少發(fā)生這種堵塞。無論采用那一種布水方式，盡可能少地采用彎頭等非直管。2、出水系統(tǒng)的設計出水系統(tǒng)的設計在UASB反應器設計中也占有重要地位。因為出水是否均勻也將影響沉淀效果和出水水質。為了保持出水均勻、沉淀區(qū)的出水系統(tǒng)通常采用出水渠(槽。一般每個單元三相分離器沉淀區(qū)設一條出水渠，而出水渠每隔一定距離設三角出水堰。常用的布置形式有兩種，如圖8-22所示。出水渠寬度常采用20cm，水深及渠高由計算確定。圖8-22(b出水渠的特點是出水渠與集氣罩成一整體。有助于裝配化和整體安裝，簡化施工過程。一般出水渠前設擋板，可防止漂浮物隨出水帶走，可提高出水水質。當所處

20、理廢水中含懸浮固體較高，設置擋板是很必要的。如果沉淀區(qū)水面的漂浮物很少，有時也可不設擋板。3、排泥系統(tǒng)的設計由于厭氧消化過程微生物的不斷增長，或進水不可降解懸浮固體的積累，必須在污泥床區(qū)定期排除剩余污泥，所以UASB反應器的設計應包括剩余污泥的排除設施。一般認為排去剩余污泥的位置是反應器的1/2高度處。但是大部設計者推薦把排泥設備安裝在靠近反應器的低部。也有人在三相分離器下0.5m處設排泥管，以排除污泥床上面部分的剩余絮體污泥，而不會把顆粒污泥排走。UASB反應器排污泥系統(tǒng)必須同時考慮上，中，下不同位置設排泥設備，應根據(jù)生產運行中的具體情況考慮實際排泥的要求，而確定在什么位置排泥。設置在污泥床

21、區(qū)池底的排泥設備，由于污泥的流動性差，必須考慮排泥均勻。因為大型UASB反應器一般不設污泥斗，而池底面積較大，所以必須進行均布多點排泥。每個點服務面積多大合適，尚缺乏具體資料，根據(jù)我們經(jīng)驗，建議每10m2設一個排泥點。當采用穿孔管配水系統(tǒng)時，如能同時把穿孔管兼作穿孔排泥管是較為理想的。專設排泥管管徑不應小于200，以防發(fā)生堵塞。為了簡化設計，可在反應器1/2高度處和三相分離器下0.5m處在池壁分別各設一個排泥口，口徑可取100。此外，在池壁全高上設置苦干(56個取樣管，可以取反應器內的污泥樣，以隨時掌握污泥在高度方向的濃度分布情況。并可計算反應器的污泥總量以確定是否需要排泥。4、浮渣清除方法的

22、考慮有的廢水含有一些化合物會促使沉淀區(qū)和集氣罩的液面形成一層很厚的浮渣層。厚度太大時會阻礙沼氣的順利釋放，或堵塞集氣空的排氣管，導致部分沼氣從沉淀區(qū)逸出，嚴重干擾了沉淀區(qū)的固液分離效果。為了清除沉淀區(qū)液面和氣室液面形成的浮渣層，必須設置專門的清除設備或預防措施。在沉淀區(qū)液面產生的浮渣層，可采用撇渣機或刮渣機清除，其構造與常規(guī)的沉淀池和氣浮池撇(刮渣機相同。或采用人工清渣。在氣室形成的浮渣，清除較為困難，可用定期進行循環(huán)水或沼氣反沖等方法減少或去除浮渣這時必須設置沖洗管和循環(huán)水泵(或氣泵。5、防腐措施UASB反應器各部分應采取相應的防腐措施，尤其是當采用鋼板制造三相分離器時，必須嚴加防腐。由于H

23、2S在空氣中氧化成H2S04，溶解性C02的腐蝕，所以特別是UASB反應器的上部的混凝土和鋼結構必須要采取防腐措施。五、附屬設備1、剩余沼氣燃燒器一般不允許將剩余沼氣向空氣中排放，以防污染大氣。在確有剩余沼氣無法利用時，可安裝余氣燃燒器將其燒掉。燃燒器應裝在安全地區(qū)，并應在其前安裝閥門和阻火器。剩余氣體燃燒器，是種安全裝置，要能自動點火和自動滅火。剩余氣體燃燒器和消化池蓋、或貯氣柜之間的距離，一般至少需要15m，并應設置在容易監(jiān)視的開闊地。2、保溫加熱設備厭氧消化像其他生物處理工藝一樣受溫度影響很大，厭氧工藝受溫度影響更加顯著。中溫厭氧消化的最優(yōu)溫度范圍從3035，可以計算在20和10的消化速

24、率大約分別是30下最大值的35和12。所以，加溫和保溫的重要性是不言而喻的。如果工廠或附近有可利用的廢熱或者需要從出水中間收效量，則安裝熱交換器是必要的。3、監(jiān)控設備為提高厭氧反應器的運行可靠性，必須設置各種類型的計量設備和儀表，如控制進水量、投藥量等計量設備和pH計(酸度計、溫度測量等自動化儀表。自動計量設備和儀表是自動控制的基礎。對UASB反應器實行監(jiān)控的目的主要有兩個，一個是了解進出水的情況，以便觀測進水是否滿足工藝設計情況；另外一個目的是為了控制各工藝的運行，判斷工藝運行是否正常。由于UASB反應器的特殊性還要增加一些檢測項目，如揮發(fā)件有機酸(VFA、堿度和甲烷等。但是，這些設備屬于標

25、準設備，一些設備還很難形成在線的測量和控制。IC反應器一、IC反應器的原理IC 反應器的構造特點是具有很大的高徑比，一般可達 4 8，反應器的高度可達 16 25m。所以在外形上看，IC 反應器實際上是個厭氧生化反應塔。由圖 17-1 可知，進水通過泵由反應器底部進入第一反應室，與該室內的厭氧顆粒污泥均勻混合。廢水中所含的大部分有機物在這里被轉化成沼氣，所產生的沼氣被第一反應室的集氣罩收集，沼氣將沿著提升管上升。沼氣上升的同時，把第一反應室的混合液提升至設在反應器頂部的氣液分離器，被分離出的沼氣由氣液分離器頂部的沼氣排出管排走。分離出的泥水混合液將沿著回流管回到第一反應室的底部，并與底部的顆粒

26、污泥和進水充分混合，實現(xiàn)第一反應室混合液的內部循環(huán)。IC 反應器的命名由此得來。內循環(huán)的結果是，第一反應室不僅有很高的生物量、很長的污泥齡，并具有很大的升流速度，使該室內的顆粒污泥完全達到流化狀態(tài)，有很高的傳質速率，使生化反應速率提高，從而大大提高第一反應室的去除有機物能力。經(jīng)過第一反應室處理過的廢水，會自動地進入第二反應室繼續(xù)處理。廢水中的剩余有機物可被第二反應室內的厭氧顆粒污泥進一步降解，使廢水得到更好的凈化，提高出水水質。產生的沼氣由第二反應室的集氣罩收集，通過集氣管進入氣液分離器。第二反應室的泥水混合液進入沉淀區(qū)進行固液分離，處理過的上清液由出水管排走，沉淀下來的污泥可自動返回第二反應

27、室。這樣，廢水就完成了在 IC 反應器內處理的全過程。綜上所述可以看出，IC 反應器實際上是由兩個上下重疊的 UASB 反應器串聯(lián)組成的。由下面第一個 UASB 反應器產生的沼氣作為提升的內動力，使升流管與回流管的混合液產生密度差，實現(xiàn)下部混合液的內循環(huán)，使廢水獲得強化預處理。上面的第二個UASB 反應器對廢水繼續(xù)進行后處理（或稱精處理），使出水達到預期的處理要求。下圖為BIOPAQ IC reactor的示意圖：二、IC反應器的設計IC反應器的涉及內容包括反應器的容積負荷、三相分離器、循環(huán)系統(tǒng)、布水系統(tǒng)及反應器的外形尺寸等。1、COD容積負荷的確定表4-1歸納了國外生產裝置和中試裝置所推薦的COD容積負荷。這些數(shù)據(jù)對于主要含溶解性有機物的廢水來水，是比較安全的，實際的中試和小試裝置上達到的COD負荷遠遠高于此值。2、三相分離器三相分離器的設計目的是使沼氣從混合液和上浮的污泥絮體或顆粒中分離出來，并使污泥盡可能很好地與水分離，返回反應區(qū)。三相分離器同UASB中的，因此具體見UASB中三相分離器的設計。3、配水系統(tǒng)為了盡可能減少污