UASB工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探討

1、UASB工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)萬(wàn)法探討摘要：本文全面的介紹了UASB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，介紹了厭氧預(yù)處理工藝和UASB反響器的負(fù)荷設(shè)計(jì)原那么和設(shè)計(jì)方法。重點(diǎn)介紹了混凝土構(gòu)造的矩形UASB反響器各個(gè)局部尺寸的計(jì)算和確定原那么。對(duì)UASB的進(jìn)水配水系統(tǒng)和布水方式進(jìn)展了詳細(xì)的介紹。對(duì)于三相別離器和UASB建筑材料等問題也進(jìn)展討論。關(guān)鍵詞：UASB反響器預(yù)處理配水系統(tǒng)三相別離器建筑材料設(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度。在厭氧處理領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的是UASB反響器，

2、所以本文重點(diǎn)討論UASB反響器的設(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UASB都有三相別離器。而UASB和厭氧濾床對(duì)于布水的要求是一致的，所以結(jié)果也可以作為其他反響器設(shè)計(jì)參考。出也治青她以因S21理好玩處瑁污沈姓鹿圖2 UASB反應(yīng)器中物鐲蜀源圖包含UA5B反應(yīng)器的廢水處加胃簫程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局部，可以用圖1所示的流程表示。二、UASB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(yíng)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

3、體物和無(wú)機(jī)的可沉固體，這對(duì)對(duì)于保護(hù)各種類型厭氧反響器的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，在厭氧反響器內(nèi)積累會(huì)占據(jù)大量的池容，反響器池容的不斷減少最終將導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。由于厭氧反響對(duì)水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感，所以對(duì)于工業(yè)廢水適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)池，對(duì)水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)是厭氧反響穩(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(yíng)養(yǎng)鹽不夠需要補(bǔ)充堿度和營(yíng)養(yǎng)鹽（N、P）等；可采用

4、計(jì)量泵自動(dòng)投加酸、堿和藥劑，通過調(diào)節(jié)池水力或機(jī)械攪拌達(dá)中和作用。同時(shí)，酸化池或兩相系統(tǒng)是去除和改變，對(duì)厭氧過程有抑制作用的物質(zhì)、改善生物反響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(duì)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，甚至是有害處白因?yàn)榈竭_(dá)完全酸化后，污水pH會(huì)下降，需采用投藥調(diào)整pH值。另外有證據(jù)說(shuō)明完全酸化對(duì)UASB反響器的顆粒過程有不利的影響。對(duì)以下情況考慮酸化或相別離可能是有利的：1）當(dāng)采用預(yù)酸化可去除或改變對(duì)甲烷菌有毒或抑制性化合物的構(gòu)造時(shí)；2）當(dāng)廢水存在有較高的Ca2+時(shí)，局部酸

5、化可防止顆粒污泥外表產(chǎn)生CaCO3結(jié)垢；3）當(dāng)處理含高含懸浮物和/或采用高負(fù)荷，對(duì)非溶解性組分去除有限時(shí)；4）在調(diào)節(jié)池中取得局部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，在反響器底部形成污泥層（1.0m）。底部布水孔口設(shè)計(jì)為510m2/孔即可。2、UASB反響器體積的設(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反響器是目前最為主要的方法。一旦q或HRT確定，反響器的體積（V）可以很容易根據(jù)公式（1或2）計(jì)算。對(duì)某種特定廢水，反響器的容積負(fù)荷一般應(yīng)通過試驗(yàn)確定。V=QSo/q（1）V=KQ.HRT（2）式中：Q-廢水流量，m3/d;So-進(jìn)水有機(jī)物濃

6、度，gCOD/L或gBODJL。表1給出不同類型廢水國(guó)內(nèi)外采用UASB反響器處理的負(fù)荷數(shù)據(jù)，需要說(shuō)明的是表中無(wú)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(duì)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)展必要的實(shí)驗(yàn)和進(jìn)一步查詢有關(guān)的技術(shù)資料。表1國(guó)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(hào)廢水類型負(fù)荷kgCOD/m3-d（國(guó)外資料）負(fù)荷kgCOD/m3-d（國(guó)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.

7、084葡萄酒廠10.212.08.045清涼飲料6.812.01.885.05.05.0126小麥淀粉8.610.76.66LJ7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食品力工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.

8、3115.08.00.8518家畜飼料廠10.510.510.5119垃圾濾液9.912.07.97b）經(jīng)歷公式方法Lettinga等人采用同樣經(jīng)歷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(duì)不同反響器處理生活污水的數(shù)據(jù)進(jìn)展了統(tǒng)計(jì)，得出了參數(shù)值。式中：Ci，金一一反響常數(shù)。c）動(dòng)力學(xué)方法許多研究者致力于動(dòng)力學(xué)的研究，Henxen和Harremoes（1983跟據(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(dòng)力學(xué)常數(shù)（見表2）。到目前為止，動(dòng)力學(xué)理論的開展，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(píng)價(jià)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)歷方法現(xiàn)在仍是設(shè)計(jì)和

9、優(yōu)化厭氧消化系統(tǒng)的唯一的選擇。表2厭氧動(dòng)力學(xué)參數(shù)（Henxen和Harremoe§1982）培養(yǎng)mm(d-1)丫(mgVSS/mgCOD)KmmgCOD/(mgVSS?d)Ks(mgCOD/L)產(chǎn)酸菌2.00.1513200甲烷菌0.40.031350混合培養(yǎng)0.40.1823、UASB反響器的詳細(xì)設(shè)計(jì)1）反響器的體積和高度采用水力停留時(shí)間進(jìn)展設(shè)計(jì)時(shí)，體積（V）按公式或（2）計(jì)算。選擇反響器高度的原那么是設(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(huì)影響上升流速，高流速增加系統(tǒng)擾動(dòng)和污泥與進(jìn)水之間的接觸。但流速過高會(huì)引起污泥流失，為保持足夠多的污泥，上升流速不能超過一

10、定的限值，從而使反響器的高度受到限制；高度與CO2溶解度有關(guān)，反響器越高溶解的CO2濃度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最優(yōu)值，會(huì)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，但占地面積那么相反；考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦螚l件，一般將反響器建造在半地下減少建筑和保溫費(fèi)用。最經(jīng)濟(jì)的反響器高度（深度廠般是在4到6m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X圍。2）反響器的升流速度對(duì)于UASB反響器還有其他的流速關(guān)系（圖2）。對(duì)于日平均上升流速的推薦值見表3,應(yīng)該注意對(duì)短時(shí)間（如26h）的頂峰值是可以承受的（即暫時(shí)的頂峰流量可以接收）。表3UASB和EGSB允許上升流速（平均日流量）UA

11、SB反響器Vr=0.253.0m/h0.751.0m/h顆粒污泥絮狀污泥Vs<1.5m/h絮狀污泥<8m/h顆粒污泥Vo<12m/h顆粒污泥<3.0m/h絮狀污泥Vg=1m/h建議最小值3）反響器的截面積和反響器的長(zhǎng)、寬（或直徑）在確定反響器的容積和高度（H）之后，可確定反響器的截面積（A）。從而確定反響器的長(zhǎng)和寬，在同樣的面積下正方形池的周長(zhǎng)比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以外表積為600m2的反響器為例，30X20m反響器與15mx40m的反響器周長(zhǎng)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(zhǎng)/寬比擬大較為適宜。從布水均勻性和

12、經(jīng)濟(jì)性考慮，矩形池在長(zhǎng)/寬比在2:1以下較為適宜。長(zhǎng)/寬比在4:1時(shí)費(fèi)用增加十分顯著。圓形反響器在同樣的面積下，其周長(zhǎng)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)以上反響器時(shí)，矩形反響器可以采用共用壁。對(duì)于采用公共壁的矩形反響器，池型的長(zhǎng)寬比對(duì)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）單元反響器最大體積和分格化的反響器在UASB反響器的設(shè)計(jì)中，采用分格化對(duì)運(yùn)行操作是有益的。首先，分格化的單元尺寸不會(huì)過大，可防止體積過大帶來(lái)的布水均勻性等問題；同時(shí)多個(gè)反響器對(duì)系統(tǒng)的啟動(dòng)也是有益的，可首先啟動(dòng)一個(gè)反響器，再用這個(gè)反響器的污泥去接種其他

13、反響器；另外，有利于維護(hù)和檢修，可放空一個(gè)反響器進(jìn)展檢修，而不影響系統(tǒng)的運(yùn)行。從目前實(shí)踐看最大的單體UASB反響器（不是最優(yōu)的）可為1000-2000m3。5）單元反響器的系列化單元的標(biāo)準(zhǔn)化根據(jù)三相別離器尺寸進(jìn)展，三相別離器的型式趨向于多層箱體的設(shè)備化構(gòu)造。以2X5m的三相別離器為例，原那么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(jiǎn)單性。所以，池子寬度是以5m為模數(shù)，長(zhǎng)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)別離器和單池兩個(gè)別離器的形式。原那么上如果采用管道或渠道布水，池子的長(zhǎng)度是不受限制。如前所述，由于長(zhǎng)寬比涉及到反響器的經(jīng)濟(jì)性，所以要結(jié)合池子組數(shù)考慮適當(dāng)白

14、長(zhǎng)寬比。對(duì)寬度為10m的單個(gè)反響器，2:1的長(zhǎng)寬比的反響器可到達(dá)2000m3的池容。對(duì)更大的反響器，如果需要也可采用雙池共用壁的型式三、反響器的配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、配水孔口負(fù)荷一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)效勞的最大面積問題是應(yīng)該進(jìn)展深入的實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)于UASB反響器Lettinga建議在完成了起動(dòng)之后，每個(gè)進(jìn)水點(diǎn)負(fù)擔(dān)2.0到4.0m2對(duì)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(duì)于城市污水DeMan和VanderLast（1990健議12m2/孔。表4是Lettinga等人根據(jù)UASB反響器的大量實(shí)踐推薦的進(jìn)水管負(fù)荷。表4采用UA

15、SB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/m3-d)顆粒污泥0.5-12.01224>2>4凝絮狀污泥3>40kgDS/m6.卜1<1.0121223>2中等濃度絮狀污泥312040kg/m312<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(duì)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)，需要滿足如下原那么：a）確保單位面積的進(jìn)水量根本一樣，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；c）很容易觀察到進(jìn)水管的堵塞；d）當(dāng)

16、堵塞被發(fā)現(xiàn)后，很容易被去除。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）。為保證每一個(gè)進(jìn)水點(diǎn)的流量相等，建議用高于反響器的水箱（或渠道式）進(jìn)展分配，通過渠道或分配箱之間的三角堰來(lái)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。a）一管一孑腹已水方式b）脆：糖斑方式0分枝（成一管委孔）配水方式圖3UASB反應(yīng)器不同的配水方式原程圖2）脈沖進(jìn)水方式我國(guó)UASB反響器與國(guó)外的最為顯著的特點(diǎn)是

17、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)展收縮和膨脹，有助于底層污泥的混合。圖3a為環(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響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(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)該盡可能防止在一個(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(zhǎng)的配水支管增加沿程阻力，以到達(dá)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54m2。大阻力系統(tǒng)配水均勻度好，但水頭損失大

18、。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)雜程度。對(duì)其他類型布水方式，我國(guó)也有很多設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)歷。與三相別離器一樣，不同型式的之水裝置之間，很難比擬孰優(yōu)孰劣。事實(shí)上，各種類型的布水器都有成功的經(jīng)歷和業(yè)績(jī)。3、配水管道設(shè)計(jì)對(duì)重力布水方式，污水通過三角堰進(jìn)入反響器時(shí)可能吸入空氣，會(huì)引起對(duì)甲烷菌的抑制；進(jìn)入大量氣體與產(chǎn)生的沼氣會(huì)形成有爆炸可能的混合氣體；同時(shí)，氣泡太多可能還會(huì)影響沉淀功能。因?yàn)?，大?.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局部的流速低于這一數(shù)值，可適當(dāng)?shù)胤乐钩^2mm直徑的空氣泡進(jìn)入反響器，同時(shí)還可防止氣阻。在反響器

19、底部用較小直徑，形成高的流速產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng)，使進(jìn)水與污泥之間混合加強(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(duì)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，以利于去除堵塞；采用重力流布水方式（一管一孔），如果進(jìn)水水位差僅僅比反響器的水位稍高（水位差小于10cm）將經(jīng)常發(fā)生堵塞。在水箱中的水位（三角堰白底部）與反響器中的水位差大于30cm很少發(fā)生這種堵塞。無(wú)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、液三相別離裝置1）能收三相別離器是UASB反響器最有特點(diǎn)和最重要的裝置。它同時(shí)具有兩個(gè)功能:集從別離器下的反響室產(chǎn)生的沼氣；2）使得在別離器之上的懸浮物沉淀下來(lái)。三相別離器設(shè)計(jì)要點(diǎn)匯總：1）集氣室的隙縫局部的面積應(yīng)該占反響器全部面積的1520%;2）在反響器高度為57m時(shí)，集氣室的高度在1.52m；3）在集氣室內(nèi)應(yīng)保持氣