UASB設(shè)計(jì)方法討論

1、UASB工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討?發(fā)布時(shí)間:2005-9-28 11:25:38摘要：本文全面的介紹了 UAS療統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，介紹了厭氧預(yù)處理工藝和UASB反應(yīng)器的負(fù)荷設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了混凝土結(jié)構(gòu)的矩形UASB反應(yīng)器各個(gè)部分尺寸的計(jì)算和確定原則。對UASB勺進(jìn)水配水系統(tǒng)和布水方式進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。對于三相分離器和UASB建筑材料等問題也進(jìn)行討論。關(guān)鍵詞：UASB反應(yīng)器預(yù)處理配水系統(tǒng)三相分離器建筑材料設(shè)計(jì)?一、概述厭氧處理已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種高、中濃度的工業(yè)廢水處理中。雖然中、高濃度的廢水在相當(dāng) 程度上得到了解決，但是當(dāng)污水中含有抑制性物質(zhì)時(shí)，如含有硫酸鹽的味精廢水在處理上仍有一定 的難

2、度。在厭氧處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是UAS皈應(yīng)器，所以本文重點(diǎn)討論 UAS皈應(yīng)器的設(shè)計(jì)方法。但是，其與其它的厭氧處理工藝有一定的共同點(diǎn)，例如，流化床和UAS睹E有三相分離器。而UASB和厭氧濾床對于布水的要求是一致的，所以結(jié)果也可以作為其他反應(yīng)器設(shè)計(jì)參考。包含厭氧處理單元的水處理過程一般包括預(yù)處理、厭氧處理（包括沼氣的收集、處理和利用）、好氧后處理和污泥處理等部分，可以用圖1所示的流程表示。二、UASE系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、預(yù)處理設(shè)施一般預(yù)處理系統(tǒng)包括粗格柵、細(xì)格柵或水力篩、沉砂池、調(diào)節(jié)（酸化）池、營養(yǎng)鹽和pH調(diào)控系統(tǒng)。格柵和沉砂池的目的是去除粗大固體物和無機(jī)的可沉固體，這對對于保護(hù)各種類型厭氧反應(yīng)器 的

3、布水管免于堵塞是必需的。當(dāng)污水中含有砂礫時(shí)，例如以薯干為原料的釀酒廢水，怎么強(qiáng)調(diào)去除 砂礫的重要性也不過分。不可生物降解的固體，在厭氧反應(yīng)器內(nèi)積累會占據(jù)大量的池容，反應(yīng)器池 容的不斷減少最終將導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。由于厭氧反應(yīng)對水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感，所以對于工業(yè)廢水適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)是厭氧反應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行的保證。調(diào)節(jié)池的作用是均質(zhì)和均量，一般還可考慮兼有沉淀、混合、加藥、中和和預(yù)酸化等功能。在調(diào)節(jié)池中設(shè)有沉淀池時(shí)，容積需扣除沉淀區(qū)的體積；根 據(jù)顆?；蚿H調(diào)節(jié)的要求，當(dāng)廢水堿度和營養(yǎng)鹽不夠需要補(bǔ)充堿度和營養(yǎng)鹽（N、P）等；可采用計(jì)量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過調(diào)節(jié)池水力或機(jī)械

4、攪拌達(dá)中和作用。同時(shí)，酸化池或兩相系統(tǒng)是去除和改變，對厭氧過程有抑制作用的物質(zhì)、改善生物反應(yīng)條件和可生化性也是厭氧預(yù)處理的主要手段，也是厭氧預(yù)處理的目的之一。僅考慮溶解性廢水時(shí)，一般不 需考慮酸化作用。對于復(fù)雜廢水，可在調(diào)節(jié)池中取得一定程度的酸化，但是完全的酸化是沒有必要 的，甚至是有害處的。因?yàn)檫_(dá)到完全酸化后，污水pH會下降，需采用投藥調(diào)整 pH值。另外有證據(jù)表明完全酸化對UAS皈應(yīng)器的顆粒過程有不利的影響。對以下情況考慮酸化或相分離可能是有利 的：1）當(dāng)采用預(yù)酸化可去除或改變對甲烷菌有毒或抑制性化合物的結(jié)構(gòu)時(shí)；2）當(dāng)廢水存在有較高的 CaT時(shí)，部分酸化可避免顆粒污泥表面產(chǎn)生CaCO結(jié)垢；3

5、）當(dāng)處理含高含懸浮物和/或采用高負(fù)荷，對非溶解性組分去除有限時(shí)；4）在調(diào)節(jié)池中取得部分酸化效果可以通過調(diào)節(jié)池的合理設(shè)計(jì)取得。例如，上向流進(jìn)水方式，在反應(yīng)器底部形成污泥層（1.0m）。底部布水孔口設(shè)計(jì)為 510n1/孔即可。2、UASB反應(yīng)器體積的設(shè)計(jì)a）負(fù)荷設(shè)計(jì)法采用有機(jī)負(fù)荷（q）或水力停留時(shí)間（HRT）設(shè)計(jì)UASB反應(yīng)器是目前最為主要的方法。一旦q或HR確定，反應(yīng)器的體積（V）可以很容易根據(jù)公式（1或2）計(jì)算。對某種特定廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一 般應(yīng)通過試驗(yàn)確定。V = QSo/q（1）V 二KQ.HRT3式中：Q-廢水流量，m/d ;SO-進(jìn)水有機(jī)物濃度，gCOD/L或gBOD/L。表1給

6、出不同類型廢水國內(nèi)外采用UASB反應(yīng)器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，需要說明的是表中無法一一注明采用的預(yù)處理?xiàng)l件和厭氧污泥類型等情況，這些條件對選擇設(shè)計(jì)負(fù)荷是至關(guān)重要的。下表供設(shè)計(jì) 人員設(shè)計(jì)時(shí)參考，選用前必須進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步查詢有關(guān)的技術(shù)資料。表1國內(nèi)外生產(chǎn)性UASB裝置的設(shè)計(jì)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表序號廢水類型負(fù)荷kgCOD/md（國外資料）負(fù)荷kgCOD/md（國內(nèi)資料）平均最高最低廠家數(shù)平均最高最低廠家數(shù)1酒精生產(chǎn)11.615.77.176.520.02.0152啤酒廠9.818.85.6805.38.05.0103造酒廠13.918.59.9366.410.04.084葡萄酒廠10.212.08.045清涼

7、飲料6.812.01.885.05.05.0126小麥淀粉8.610.76.667淀粉9.211.46.465.48.02.728土豆加工等9.516.84.0249酵母業(yè)9.812.46.0166.06.06.0110檸檬酸生產(chǎn)8.414.31.0314.820.06.5311味精3.24.02.3212再生紙,紙漿12.320.07.91513造紙12.738.96.03914食品加工9.113.30.8103.54.03.0215屠宰廢水6.26.26.213.14.02.3416制糖15.222.58.21217制藥廠10.933.26.3115.08.00.8518家畜飼料廠10.5

8、10.510.5119垃圾濾液9.912.07.97b）經(jīng)驗(yàn)公式方法Lett in ga等人采用同樣經(jīng)驗(yàn)公式描述不同厭氧處理系統(tǒng)處理生活污水HRT與去除率（E）之間的關(guān)系，并且對不同反應(yīng)器處理生活污水的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得出了參數(shù)值。式中：G ,C 2反應(yīng)常數(shù)。c）動力學(xué)方法許多研究者致力于動力學(xué)的研究，Henxen和Harremoes（1983）根據(jù)眾多研究結(jié)果匯總了酸性發(fā)酵和甲烷發(fā)酵過程重要的動力學(xué)常數(shù)（見表2）。到目前為止，動力學(xué)理論的發(fā)展，還沒有使它能夠在選擇和設(shè)計(jì)厭氧處理系統(tǒng)過程中成為有力的工具，通過評價(jià)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)方法現(xiàn)在仍 是設(shè)計(jì)和優(yōu)化厭氧消化系統(tǒng)的唯一的選擇。表2厭氧動

9、力學(xué)參數(shù)（Henxen和Harremoes，1982）培養(yǎng)m(d -1)Y (mgVSS/mgCODKmmgCOD/(mgVSS?d)Ks(mgCOD/L)產(chǎn)酸菌2.00.1513200甲烷菌0.40.031350混合培養(yǎng)0.40.182-3、UASB反應(yīng)器的詳細(xì)設(shè)計(jì)1）反應(yīng)器的體積和高度采用水力停留時(shí)間進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，體積 （V）按公式（1）或（2）計(jì)算。選擇反應(yīng)器高度的原則是設(shè)計(jì)、運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮的結(jié)果。從設(shè)計(jì)、運(yùn)行方面考慮：高度會影響上升流速，高流速增加系統(tǒng)擾動和污泥與進(jìn)水之間的接觸。但流速過高會引起污泥流失，為保持足夠多的污泥，上升流速不能超過一定的限值，從而使反應(yīng)器的高度受到限制；高

10、度與CO溶解度有關(guān)，反應(yīng)器越高溶解的CO濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最優(yōu)值，會危害系統(tǒng)的效率。從經(jīng)濟(jì)上考慮:土方工程隨池深增加而增加，但占地面積則相反；考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螚l件，一般將反應(yīng)器建造在半地下減少建筑和保溫費(fèi)用。最經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)器高度（深度）一般是在4到6i之間，并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)最優(yōu)的運(yùn)行范圍。2）反應(yīng)器的升流速度對于UASB反應(yīng)器還有其他的流速關(guān)系（圖2）。對于日平均上升流速的推薦值見表3,應(yīng)該注意對短時(shí)間（如26h）的高峰值是可以承受的（即暫時(shí)的高峰流量可以接收）。表3 UASB和EGSBft許上升流速（平均日流量）V = 0.253.0m/h? 0.751.

11、0m/h顆粒污泥絮狀污泥UASB反應(yīng)器V < 1.5m/h絮狀污泥? < 8m/h顆粒污泥7。< 12m/h顆粒污泥< 3.0m/h絮狀污泥Vg = 1m/h建議最小值3）反應(yīng)器的截面積和反應(yīng)器的長、寬 （或直徑）在確定反應(yīng)器的容積和高度（H）之后，可確定反應(yīng)器的截面積（A）。從而確定反應(yīng)器的長和寬， 在同樣的面積下正方形池的周長比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以表面積為600m的反應(yīng)器為例，30X 20m的反應(yīng)器與15mX 40m的反應(yīng)器周長相差10%這意味著建筑費(fèi)用要增加 10%但從布水均勻性考慮，矩形在長 /寬比較大較為合適。從布水均勻性和經(jīng)濟(jì)性考慮

12、，矩形池在 長/寬比在2:1以下較為合適。長/寬比在4:1時(shí)費(fèi)用增加十分顯著。圓形反應(yīng)器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%但這一優(yōu)點(diǎn)僅僅在采用單個(gè)池子時(shí)才成立。當(dāng)建立兩個(gè)或兩個(gè)以上反應(yīng)器時(shí)，矩形反應(yīng)器可以采用共用壁。對于采用公共壁的矩形反應(yīng) 器，池型的長寬比對造價(jià)也有較大的影響。如果不考慮其他因素，這是一個(gè)在設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的參 數(shù)。4）單元反應(yīng)器最大體積和分格化的反應(yīng)器在UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中，采用分格化對運(yùn)行操作是有益的。首先，分格化的單元尺寸不會過大，可避免體積過大帶來的布水均勻性等問題；同時(shí)多個(gè)反應(yīng)器對系統(tǒng)的啟動也是有益的，可首先 啟動一個(gè)反應(yīng)器，再用這個(gè)反應(yīng)器的污泥去接種其他反應(yīng)

13、器；另外，有利于維護(hù)和檢修，可放空一 個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行檢修，而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。從目前實(shí)踐看最大的單體UASB反應(yīng)器（不是最優(yōu)的）可、r3為 1000-2000m。5）單元反應(yīng)器的系列化單元的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)三相分離器尺寸進(jìn)行，三相分離器的型式趨向于多層箱體的設(shè)備化結(jié)構(gòu)。以2X 5m的三相分離器為例，原則上講有多種配合形式。但從標(biāo)準(zhǔn)化和系列化考慮，要求具有通用性和簡單性。所以，池子寬度是以 5m為模數(shù)，長度方向是以2m為模數(shù)。布置單元尺寸的方式可分成 單池單個(gè)分離器和單池兩個(gè)分離器的形式。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，由于長寬比涉及到反應(yīng)器的經(jīng)濟(jì)性，所以要結(jié)合池子組數(shù)考慮

14、適當(dāng)?shù)拈L寬比。對寬 度為10m的單個(gè)反應(yīng)器，2:1的長寬比的反應(yīng)器可達(dá)到 2000m3的池容。對更大的反應(yīng)器，如果需要 也可采用雙池共用壁的型式。三、反應(yīng)器的配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、配水孔口負(fù)荷一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)服務(wù)的最大面積問題是應(yīng)該進(jìn)行深入的實(shí)驗(yàn)研究。對于UASB反應(yīng)器Lettinga建議在完成了起動之后，每個(gè)進(jìn)水點(diǎn)負(fù)擔(dān)2.0到4.0m對獲得滿意的去除效率是足夠的。但是在溫度低于20C或低負(fù)荷的情況，產(chǎn)氣率較低并且污泥和進(jìn)水的混合不充分時(shí)，需要較高密度的布水點(diǎn)。對 于城市污水De Man和Van der Last (1990) 建議12m/孔。表4是Lettinga 等人根據(jù)UASE反應(yīng) 器的大量實(shí)踐推

15、薦的進(jìn)水管負(fù)荷。表4采用UASB處理主要為溶解性廢水時(shí)進(jìn)水管口負(fù)荷污泥典型每個(gè)進(jìn)水口負(fù)荷(m2)負(fù)荷(kgCOD/m d)1*顆粒污泥0.5 12.01224> 2>4凝絮狀污泥> 40kgDS/m36.5 1<1.0121223>2中等濃度絮狀污泥3120 40kg/m12<1225>22、進(jìn)水分配系統(tǒng)進(jìn)水分配系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)對 UASB處理廠的良好運(yùn)轉(zhuǎn)是至關(guān)重要的，進(jìn)水系統(tǒng)兼有配水和水力攪拌的功能，為了這兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，需要滿足如下原則：a）確保單位面積的進(jìn)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(jìn)水有機(jī)物與污泥迅速混合；

16、c）很容易觀察到進(jìn)水管的堵塞；d）當(dāng)堵塞被發(fā)現(xiàn)后，很容易被清除。在生產(chǎn)裝置中采用的進(jìn)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(jié)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(jìn)水方式（一管一孔）為了確保進(jìn)水均勻分布，每個(gè)進(jìn)水管線僅僅與一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)相連接，是最為理想的情況（圖3a） o為保證每一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的流量相等，建議用高于反應(yīng)器的水箱（或渠道式）進(jìn)行分配，通過渠道或分配箱之間的三角堰來保證等量的進(jìn)水。這種系統(tǒng)的好處是容易觀察到堵塞情況。2）脈沖進(jìn)水方式我國UASB反應(yīng)器與國外的最為顯著的特點(diǎn)是很多采用脈沖進(jìn)水方式。有些研究者認(rèn)為脈沖方式進(jìn)水，使底層污泥交替進(jìn)

17、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(yīng)器池底配水橫管上幵孔的方式布水，為了配水均勻，要求出水流速不小于2.0m/s o這種配水方式可用于脈沖進(jìn)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(yīng)該盡可能避免在一個(gè)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(diǎn)采用較長的配水支管增加沿程阻力，以達(dá)到布水均勻的目的（圖3c）。根據(jù)筆者的實(shí)踐，最大的分枝布水系統(tǒng)的負(fù)荷面積為54m。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(fù)雜程

18、度。對其他類型布水方式，我國也有很多設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。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(shí)上，各種類型的布水器都有成功的經(jīng)驗(yàn)和業(yè)績。3、配水管道設(shè)計(jì)對重力布水方式，污水通過三角堰進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)可能吸入空氣，會引起對甲烷菌的抑制；進(jìn)入 大量氣體與產(chǎn)生的沼氣會形成有爆炸可能的混合氣體；同時(shí)，氣泡太多可能還會影響沉淀功能。因 為，大于2.0mm直徑的氣泡在水中以大約 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(dāng)?shù)乇苊獬^2mmt徑的空氣泡進(jìn)入反應(yīng)器，同時(shí)還可避免氣阻。在反應(yīng)器底部用較小直徑，形成高的流速產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動，使進(jìn)水與

19、污泥之間混合加強(qiáng)。污水中存在大的物體可能堵塞進(jìn)水管，設(shè)計(jì)良好的進(jìn)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(shè)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(jìn)水水位差僅僅比反應(yīng)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（三角堰的底部）與反應(yīng)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。四、氣、固、液三相分離裝置三相分離器是UAS皈應(yīng)器最有特點(diǎn)和最重要的裝置。它同時(shí)具有兩個(gè)功能：1）能收集從分離器下的反應(yīng)室產(chǎn)生的沼氣；2）使得在分離器之上的懸浮物沉淀下來。三相分離器設(shè)計(jì)要點(diǎn)匯總： 1）集氣室的隙縫部分的面積應(yīng)該占反應(yīng)器全部面積的1520%; 2）在反應(yīng)器高度為57m時(shí)，集氣室的高度在1.52m 3）在集氣室內(nèi)應(yīng)保持氣液