UASB和IC反应器的原理及设计.docx

UASB反应器1
一、UASB原理1
二、UASB反应器的构成2
1、三相分离器的原理3
2、进水和配水系统的要求3
三、UASB反应器的主要设备4
1、反应器的池体4
2、三相分离器的设计8
3、进水分配系统10
四、其他设计考虑14
1、配水管道设计14
2、出水系统的设计15
3、排泥系统的设计15
4、浮渣清除方法的考虑16
5、防腐措施16
五、附属设备17
1、剩余沼气燃烧器17
2、保温加热设备17
3、监控设备17
IC反应器18
一、IC反应器的原理18
二、IC反应器的设计20
1、COD容积负荷的确定20
2、三相分离器20
3、配水系统20
4、循环系统21
5、高径比的控制21
6、其他22
UASB反应器
一、UASB原理
UASB反应器废水被尽可能均匀的引入反应器的底部，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水和污泥颗粒接触的过程。在厌氧状态下产生的沼气（主要是甲烷和二氧化碳）引起了内部的循环，这对于颗粒污泥的形成和维持有利。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升。上升到表面的污泥撞击三相反应器气体发射器的底部，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，附着和没有附着的气体被收集到反应器顶部的三相分离器的集气室。置于极其使单元缝隙之下的挡板的作用为气体发射器和防止沼气气泡进入沉淀区，否则将引起沉淀区的絮动，会阻碍颗粒沉淀。包含一些剩余固体和污泥颗粒的液体经过分离器缝隙进入沉淀区。
由于分离器的斜壁沉淀区的过流面积在接近水面时增加，因此上升流速在接近排放点降低。由于流速降低污泥絮体在沉淀区可以絮凝和沉淀。累积在三相分离器上的污泥絮体在一定程度上将超过其保持在斜壁上的摩擦力，其将滑回反应区，这部分污泥又将与进水有机物发生反应。

二、UASB反应器的构成
UASB反应器包括以下几个部分：进水和配水系统、反应器的池体和三相分离器。
在UASB反应器中最重要的设备是三相分离器，这一设备安装在反应器的顶部并将反应器分为下部的反应区和上部的沉淀区。为了在沉淀器中取得对上升流中污泥絮体／颗粒的满意的沉淀效果，三相分离器第一个主要的目的就是尽可能有效地分离从污泥床／层中产生的沼气，特别是在高负荷的情况下，在集气室下面反射板的作用是防止沼气通过集气室之间的缝隙逸出到沉淀室，另外挡板还有利于减少反应室内高产气量所造成的液体絮动。反应器的设计应该是只要污泥层没有膨胀到沉淀器，污泥颗粒或絮状污泥就能滑回到反应室（应该认识到有时污泥层膨胀到沉淀器中不是一件坏事。相反，存在于沉淀器内的膨胀的泥层将网捕分散的污泥颗粒／絮体，同时它还对可生物降解的溶解性COD起到一定的去除作用）。只一方面，存在一定可供污泥层膨胀的自由空间，以防止重的污泥在暂时性的有机或水力负荷冲击下流失是很重要的。水力和有机(产气率)负荷率两者都会影响到污泥层以及污泥床的膨胀。UASB系统原理是在形成沉降性能良好的污泥凝絮体的基础上，并结合在反应器内设置污泥沉淀系统使气、液、固三相得到分离。形成和保持沉淀性能良好的污泥(其可以是絮状污泥或颗粒型污泥)是UASB系统良好运行的根本点。
1、三相分离器的原理
在UASB反应器中的三相分离器(GLS)是UASB反应器最有特点和最重要的装置。它同时具有两个功能：①能收集从分离器下的反应室产生的沼气；②使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。对上述两种功能均要求三相分离器的设计避免沼气气泡上升到沉淀区，如其上升到表面将引起出水混浊．降低沉淀效率，并且损失了所产生的沼气。设计三相分离器的原则是：
(1)间隙和出水面的截而积比 影响到进入沉淀区和保持在污泥相中的絮体的沉淀速度。
(2)分离器相对于出水液面的位置 确定反应区(下部)和沉淀区(上部)的比例。在多数UASB反应器中内部沉淀区是总体积的15％—20％。
(3)三相分离器的倾角 这个角度要使固体可滑回到反应器的反应区，在实际中是在45～60℃之间。这个角度也确定了三相分离器的高度，从而确定了所需的材料。
(4)分离器下气液界面的面积 确定了沼气的释放速率。适当的释放率大约是1～3m3/（m2·h）。速率低有形成浮渣层的趋势，非常高导致形成气沫层，两者都导致堵塞释放管。
对于低浓度污水处，当水力负荷是限制性设计参数时，在三相分离器缝隙处保持大的过流面积，使得最大的上升流速在这一过水断面上尽可能的低是十分重要的。原则上只有出水截面的面积(而不是缝隙面积)才是决定保持在反应器中最小沉速絮体的关键。
2、进水和配水系统的要求
进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，为了保证这两个功能的实现，需要满足如下原则：
(1)进水装置的设计使分配到各点的流量相同，确保单位面积的进水量基本相同，防止发生短路等现象；
(2)很容易观察进水管的堵塞，当堵塞发现后、必须很容易被清除。
(3)应尽可能的(虽然不是必须的)满足污泥床水力搅拌的需要，保证进水有机物与污泥迅速混合．防止局部产生酸化现象。
为确保进水等量地分布在池底，每个进水管仅与—个进水点相连接是最理想状态，只要保证每根配水管流量相等，即可取得均匀布水的要求；因此有必要采用特殊的布水分配装置，以保证一根配水管只服务一个配水点，为了保证每一个进水点达到应得的进水流量，建议采用高于反应器的水箱式(或渠道式)进水分配系统。图1—1给出了一种连续流的布水器形式，这种敞开的布水器的—个好处是可以容易用肉眼观察堵塞情况。对高浓度废水由于水力负荷较低，采用脉冲式进水分配装置是一种较好的选择。
三、UASB反应器的主要设备
1、反应器的池体
有两种基本几何形状的UASB反应器：即矩形和圆形。这两种类型的反应器都已大量应用于实际中。
圆形反应器具有结构较稳定的优点，同时对于圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12％。所以圆形池子的建造费用比具有相同面积的矩形反应器至少要低12％。但是圆形反应器的这一优点仅仅在采用单个池子时才成立，所以，单个或小的反应器可以建造成圆形的。
而大的反应器经常建成矩形的或方形的。当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共用壁。当建造多个矩形反应器时有其优越性。对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大的影响。对于大型UASB反应器建造多个池子的系统是有益的，这可以增加处理系统的适应能力。如果有多个反应池的系统，则可能关闭一个进行维护和修理，而其他单元的反应器继续运行。
混凝土结构的UASB反应器是最为常见的结构和材料型式，但是采用标准化和系列化的设计必须考虑结构的通用性和简单性，在此基础上形成的系列化设计才能有生命力和推广的价值。
(1)平面布置 池体的标准化主要是根据三相分离器的尺寸进行布置的，目前生产的三相分离器的平面尺寸是2m×5m。根据这一形式布置池体有以下几种方式(图2-3、2-4和2-5)。图2-3中(a)为整个池表面均采用三相分离器的形式，而(b)是池顶的一部分采用池体本身结构构成气室；这样可以节省一部分三相分离器的投资。整个池子分成单池单个分离器、双池每池单个分离器和单池两个分离器的形式，很明显如果需要也可以构成双池每池两组分离器的形式。由于三相分离器的尺寸的原因，所以池子的宽度是以5m为模数，长度方向是以2m为模数。原则上如果采用管道或渠道布水，池子的长度是不受限制。如前所述出于反应器的长宽比的范围涉及到建筑物的经济性，所以在上述范围内选择要结合池子组数考虑适当的长宽比。

由于反应器的高度推荐范围为4～6m，表2-1给出了5m高的反应器的尺寸选择的系列。从原则上讲安排2m×5m的三相分离器的平面布置还可以有其他多种的平面配合形式如，宽度可以以2m为模数，而长度以10m为模数。构成4m×5m，4m×10m，6m×5m，6m×10m，6m×15m……的系列。甚至可以采用三相分离器横竖混合布置的形式。但是考虑通用性和简单性的原则，推荐表2-1的组合方式。

(2)设备固定形式 三相分离器设备固定的形式可以采用牛腿和工字钢支撑的两种形式(图2-6)。需要说明的是由于运行过程中，三相分离器的气室内有一定量的沼气，所以会形成比较大的浮力，需要考虑上部的固定措施，固定措施可以借助出水管和出气管，以及其他形式。池底同样可以采用两种不同的形式(图2-7)．其中对于典型的UASB反应器推荐采用因2-7(b)的形式，因为这种结构可以避免布水不均匀形成的死区问题：同时可以减少布水管的投资，但是会增加一定的土建投资。图2-8是采用混凝土反应器的工程图示意，从图见到的是一种可整体安装的三相分离器设计形式。

2、三相分离器的设计
通过对不同大小三相分离器的分析，可以发现三相分离器设计的关键是图2-16(b)和(c)圆圈中所示的平行四边形中的流速关系。要求选择合理的缝隙宽度(b)和斜面长度(或遮盖宽度)，以防止UASB消化区中产生的气泡被上升的液流夹带入沉淀区，造成污泥流失。由图2-16(b)可见，当气泡随液流以速度v沿分离器缝隙上升时，它同时具有垂直向上的速度Vp。在由B点移至A点时，在垂直方向上向上移动距离AC，因此满足以下关系式：

若已知气泡的直径和水温，则Vp由斯托克斯公式等求出。问题是V怎么求，为了简化问题，同时也为了方便、安全，可按下式求V：

式中：Q——UASB装置设计流量
B——装置宽度；
n——缝隙条数；
b——缝隙宽度。
以上计算方法也可类推于其它形式的三相分离器的设计，如图2-16c。
水封高度计算 水封高度是控制污泥床反应器小气室高度的参数。根据图2—16(c)反应器中气室的高度h2是由水封有效高度H来加以控制。H的计算值应为：
H=h2+h4-H2
式中：H——为水封后面可能产生的阻力。
分离器锥体的高度h4，一般与所采用的直径有关。h4值的选择应保证气室出气管畅通无阻，防止浮渣堵塞出气管。从实践来看，气室水面上总是有一层浮渣，浮渣的厚度与水质有关，例如，含难消化短纤维较多的污水，浮渣就较多。因此在选择h4时，应当留有浮渣层的高度。此外还需有排放浮渣的出口。当h4选定后再根据流程的实际情况确定H2，此时水封的有效高度H就能确定。

从原则上讲中试装置所采用的UASB反应器和相应的三相分离器与实验室装置没有本质的差别。但是，生产性装置需要考虑三相分离器的型式和一些水力学的问题，以及一些工程放大和安装等问题。

3、进水分配系统
进水分配系统的合理设计对UASB处理厂的良好运转是至关重要的，进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，为了这两个功能的实现，需要满足如下原则：a) 确保单位面积的进水量基本相同，以防止短路等现象发生；b) 尽可能满足水力搅拌需要，保证进水有机物与污泥迅速混合；c) 很容易观察到进水管的堵塞；d) 当堵塞被发现后，很容易被清除。

　　在生产装置中采用的进水方式大致可分为间歇式(脉冲式)、连续流、连续与间歇相结合等方式；从布水管的形式有一管多孔、一管一孔和分枝状等多种形式。

　　1) 连续进水方式(一管一孔)
　　为了确保进水均匀分布，每个进水管线仅仅与一个进水点相连接，是最为理想的情况。为保证每一个进水点的流量相等，建议用高于反应器的水箱(或渠道式)进行分配，通过渠道或分配箱之间的三角堰来保证等量的进水。这种系统的好处是容易观察到堵塞情况。

　　2) 脉冲进水方式
　　我国UASB反应器与国外的最为显著的特点是很多采用脉冲进水方式。有些研究者认为脉冲方式进水，使底层污泥交替进行收缩和膨胀，有助于底层污泥的混合。图3a为北京环科院采用的一种脉冲布水器的原理图，该系统借鉴了给水中虹吸滤池的布水方式。

　　3) 一管多孔配水方式
　　采用在反应器池底配水横管上开孔的方式布水，为了配水均匀，要求出水流速不小于/s。这种配水方式可用于脉冲进水系统。一管多孔式配水方式的问题是容易发生堵塞，因此，应该尽可能避免在一个管上有过多的孔口。

　　4) 分枝式配水方式
　　这种配水系统的特点采用较长的配水支管增加沿程阻力，以达到布水均匀的目的。根据实践，最大的分枝布水系统的负荷面积为54m2。大阻力系统配水均匀度好，但水头损失大。小阻力系统水头损失小，如果不影响处理效率，可减少系统的复杂程度。

对其他类型布水方式，我国也有很多设计和运行经验。与三相分离器一样，不同型式的布水装置之间，很难比较孰优孰劣。事实上，各种类型的布水器都有成功的经验和业绩。
下面是几种布水器：

四、其他设计考虑
1、配水管道设计
对重力布水方式，污水通过三角堰进入反应器时可能吸入空气，会引起对甲烷菌的抑制；进入大量气体与产生的沼气会形成有爆炸可能的混合气体；同时，气泡太多可能还会影响沉淀功能。因为，大于直径的气泡在水中以大约0.2～0.3m/s速度上升，采用较大的管径使液体在管道的垂直部分的流速低于这一数值，可适当地避免超过2mm直径的空气泡进入反应器，同时还可避免气阻。在反应器底部用较小直径，形成高的流速产生较强的扰动，使进水与污泥之间混合加强。
　　污水中存在大的物体可能堵塞进水管，设计良好的进水系统要求可疏通堵塞；对于压力流采用穿孔管布水器(一管多孔或分枝状)，需考虑设液体反冲洗或清堵装置，可采用停水分池分段反冲；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)，如果进水水位差仅仅比反应器的水位稍高(水位差小于10cm)，将经常发生堵塞。在水箱中的水位(三角堰的底部)与反应器中的水位差大于30cm很少发生这种堵塞。无论采用那一种布水方式，尽可能少地采用弯头等非直管。
2、出水系统的设计
出水系统的设计在UASB反应器设计中也占有重要地位。因为出水是否均匀也将影响沉淀效果和出水水质。为了保持出水均匀、沉淀区的出水系统通常采用出水渠(槽)。一般每个单元三相分离器沉淀区设一条出水渠，而出水渠每隔一定距离设三角出水堰。常用的布置形式有两种，如图8-22所示。出水渠宽度常采用20cm，水深及渠高由计算确定。

图8-22(b)出水渠的特点是出水渠与集气罩成一整体。有助于装配化和整体安装，简化施工过程。一般出水渠前设挡板，可防止漂浮物随出水带走，可提高出水水质。当所处理废水中含悬浮固体较高，设置挡板是很必要的。如果沉淀区水面的漂浮物很少，有时也可不设挡板。
3、排泥系统的设计
由于厌氧消化过程微生物的不断增长，或进水不可降解悬浮固体的积累，必须在污泥床区定期排除剩余污泥，所以UASB反应器的设计应包括剩余污泥的排除设施。一般认为排去剩余污泥的位置是反应器的1/2高度处。但是大部设计者推荐把排泥设备安装在靠近反应器的低部。也有人在三相分离器下m处设排泥管，以排除污泥床上面部分的剩余絮体污泥，而不会把颗粒污泥排走。UASB反应器排污泥系统必须同时考虑上，中，下不同位置设排泥设备，应根据生产运行中的具体情况考虑实际排泥的要求，而确定在什么位置排泥。
设置在污泥床区池底的排泥设备，由于污泥的流动性差，必须考虑排泥均匀。因为大型UASB反应器一般不设污泥斗，而池底面积较大，所以必须进行均布多点排泥。每个点服务面积多大合适，尚缺乏具体资料，根据我们经验，建议每10m2设一个排泥点。当采用穿孔管配水系统时，如能同时把穿孔管兼作穿孔排泥管是较为理想的。专设排泥管管径不应小于200㎜，以防发生堵塞。为了简化设计，可在反应器1/2高度处和三相分离器下m处在池壁分别各设一个排泥口，口径可取100㎜。
此外，在池壁全高上设置苦干(5—6)个取样管，可以取反应器内的污泥样，以随时掌握污泥在高度方向的浓度分布情况。并可计算反应器的污泥总量．以确定是否需要排泥。
4、浮渣清除方法的考虑
有的废水含有一些化合物会促使沉淀区和集气罩的液面形成一层很厚的浮渣层。厚度太大时会阻碍沼气的顺利释放，或堵塞集气空的排气管，导致部分沼气从沉淀区逸出，严重干扰了沉淀区的固液分离效果。为了清除沉淀区液面和气室液面形成的浮渣层，必须设置专门的清除设备或预防措施。
在沉淀区液面产生的浮渣层，可采用撇渣机或刮渣机清除，其构造与常规的沉淀池和气浮池撇(刮)渣机相同。或采用人工清渣。
在气室形成的浮渣，清除较为困难，可用定期进行循环水或沼气反冲等方法减少或去除浮渣．这时必须设置冲洗管和循环水泵(或气泵)。
5、防腐措施
UASB反应器各部分应采取相应的防腐措施，尤其是当采用钢板制造三相分离器时，必须严加防腐。由于H2S在空气中氧化成H2S04，溶解性C02的腐蚀，所以特别是UASB反应器的上部的混凝土和钢结构必须要采取防腐措施。
五、附属设备
1、剩余沼气燃烧器
一般不允许将剩余沼气向空气中排放，以防污染大气。在确有剩余沼气无法利用时，可安装余气燃烧器将其烧掉。燃烧器应装在安全地区，并应在其前安装阀门和阻火器。剩余气体燃烧器，是—种安全装置，要能自动点火和自动灭火。剩余气体燃烧器和消化池盖、或贮气柜之间的距离，一般至少需要15m，并应设置在容易监视的开阔地。
2、保温加热设备
厌氧消化像其他生物处理工艺一样受温度影响很大，厌氧工艺受温度影响更加显著。中温厌氧消化的最优温度范围从30～35℃，可以计算在20℃和10℃的消化速率大约分别是30℃下最大值的35％和12％。所以，加温和保温的重要性是不言而喻的。如果工厂或附近有可利用的废热或者需要从出水中间收效量，则安装热交换器是必要的。
3、监控设备
为提高厌氧反应器的运行可靠性，必须设置各种类型的计量设备和仪表，如控制进水量、投药量等计量设备和pH计(酸度计)、温度测量等自动化仪表。自动计量设备和仪表是自动控制的基础。对UASB反应器实行监控的目的主要有两个，一个是了解进出水的情况，以便观测进水是否满足工艺设计情况；另外一个目的是为了控制各工艺的运行，判断工艺运行是否正常。由于UASB反应器的特殊性还要增加一些检测项目，如挥发件有机酸(VFA)、碱度和甲烷等。但是，这些设备属于标准设备，一些设备还很难形成在线的测量和控制。
IC反应器
一、IC反应器的原理
IC 反应器的构造特点是具有很大的高径比，一般可达 4 ～ 8，反应器的高度可达 16 ～ 25m。所以在外形上看，IC 反应器实际上是个厌氧生化反应塔。
由图 17-1 可知，进水通过泵由反应器底部进入第一反应室，与该室内的厌氧颗粒污泥均匀混合。废水中所含的大部分有机物在这里被转化成沼气，所产生的沼气被第一反应室的集气罩收集，沼气将沿着提升管上升。沼气上升的同时，把第一反应室的混合液提升至设在反应器顶部的气液分离器，被分离出的沼气由气液分离器顶部的沼气排出管排走。分离出的泥水混合液将沿着回流管回到第一反应室的底部，并与底部的颗粒污泥和进水充分混合，实现第一反应室混合液的内部循环。IC 反应器的命名由此得来。内循环的结果是，第一反应室不仅有很高的生物量、很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率，使生化反应速率提高，从而大大提高第一反应室的去除有机物能力。经过第一反应室处理过的废水，会自动地进入第二反应室继续处理。废水中的剩余有机物可被第二反应室内的厌氧颗粒污泥进一步降解，使废水得到更好的净化，提高出水水质。产生的沼气由第二反应室的集气罩收集，通过集气管进入气液分离器。第二反应室的泥水混合液进入沉淀区进行固液分离，处理过的上清液由出水管排走，沉淀下来的污泥可自动返回第二反应室。这样，废水就完成了在 IC 反应器内处理的全过程。
综上所述可以看出，IC 反应器实际上是由两个上下重叠的 UASB 反应器串联组成的。由下面第一个 UASB 反应器产生的沼气作为提升的内动力，使升流管与回流管的混合液产生密度差，实现下部混合液的内循环，使废水获得强化预处理。上面的第二个UASB 反应器对废水继续进行后处理（或称精处理），使出水达到预期的处理要求。

下图为BIOPAQ IC reactor的示意图：

二、IC反应器的设计
IC反应器的涉及内容包括反应器的容积负荷、三相分离器、循环系统、布水系统及反应器的外形尺寸等。
1、COD容积负荷的确定
表4-1归纳了国外生产装置和中试装置所推荐的COD容积负荷。这些数据对于主要含溶解性有机物的废水来水，是比较安全的，实际的中试和小试装置上达到的COD负荷远远高于此值。

2、三相分离器
三相分离器的设计目的是使沼气从混合液和上浮的污泥絮体或颗粒中分离出来，并使污泥尽可能很好地与水分离，返回反应区。
三相分离器同UASB中的，因此具体见UASB中三相分离器的设计。
3、配水系统
为了尽可能减少污泥床内出现的沟流、断路等不利因素，涉及良好的配水系统显得尤其重要。均匀的布水和良好的混合将充分发挥IC反应器内颗粒污泥的性能，提高生化降解速率创造条件。反应器底部配水管的布置方式可以是多种多样的（详细见UASB中的布水方式）。比较简单的是采用类似快滤池用的穿孔管配水系统。国外在生产装置的设计中，常根据反应器内可能的污泥状态和最小COD容积负荷确定每平方米底面积所需要的进水孔数（见表4-2）。

4、循环系统
IC反应器中的三相分离器、气液分离器和沼气提升管、泥水下降管构成了反应器的“心脏”和循环系统，两者协同作用使得该反应器在处理有机工业废水方面比其他反应器更有优势。一级三相分离器收集的沼气经由沼气提升管携带泥水倒入顶部的气液分离器，分离后的泥水再沿泥水下降管返回反应器底部，与底部进水充分混合。因此，沼气提升管的设计要考虑能够使所收集的沼气顺利导出，还要考虑由气体上升产生的气提作用能够带动泥水上升至顶部的气液分离器。这必然涉及到一级三相分离器的相对位置和沼气提升管管径的大小。泥水下降管必须保证不被下降的污泥堵塞，其管径可比沼气提升管管径粗一些，以利于泥水在重力作用下自然下降至反应器底部和进水混合。此外，顶部气液分离器要大小适当，以维持一定的液位从而保证稳定的内循环量。
5、高径比的控制
对于特定的废水，在一定的处理容量条件下高径比的不同将直接导致反应器内水流状况的不同，并通过传质速率最终影响生物降解速率，能否控制合适的高径比还将直接影响沉淀出水的效果。过高的反应器高度必使水泵动力消耗增加。国外的生产装置，高径比一般为4～8，反应器的直径和高度的关系主要通过选择适当的表面负荷（或水力停留时间来确定）。根据反应器的高度、容积、以及设计的表面负荷，便可以确定反应器的横截面积。
6、其他
在几乎所有的IC反应器的文献里的构造图中，在与第一级三相分离器相连的出气管（即上水管）和下降管以及与第二级三相分离器相连的出气管是分开标画的，而在实际运行的IC反应器中，三管式采用同心安装的，即下降管在内，上升管在外，而与第二级三相分离器相连的出气管处于最外侧。这样的安装方式可使得反应器结构紧凑，以节约容器内的有效空间。
其它的设备与UASB相同