UASB厌氧反应器的设计.doc

UASＢ厌氧反应器得设计
概述
厌氧处理已经成功地于各种高、中浓度得废水处理中。虽然中、高浓度得废水在相当程度上得到了解决,但就是当污水中含有抑制性物质时,如含有硫酸盐得味精废水在处理上仍有一定得难度。在厌氧处理领域应用最为广泛得就是UASB反应器,所以本文重点讨论UASB反应器得设计方法。但就是,其与其它得厌氧处理工艺有一定得共同点,例如,流化床与UＡSB都有三相分离器、而UASB与厌氧滤床对于布水得要求就是一致得,所以结果也可以作为其她反应器设计。
包含厌氧处理单元得水处理过程一般包括预处理、厌氧处理(包括沼气得收集、处理与利用)、好氧后处理与污泥处理等部分,可以用图1所示得流程表示。
二、UASB系统设计
１、预处理设施ﻫ　 一般预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节(酸化)池、营养盐与pＨ调控系统。格栅与沉砂池得目得就是去除粗大固体物与无机得可沉固体,这对对于保护各种类型厌氧反应器得布水管免于堵塞就是必需得。当污水中含有砂砾时,例如以薯干为原料得酿酒废水,怎么强调去除砂砾得重要性也不过分。不可生物降解得固体,在厌氧反应器内积累会占据大量得池容,反应器池容得不断减少最终将导致系统完全失效、
　由于厌氧反应对水质、水量与冲击负荷较为敏感,所以对于工业废水适当尺寸得调节池,对水质、水量得调节就是厌氧反应稳定运行得保证。调节池得作用就是均质与均量,一般还可考虑兼有沉淀、混合、加药、中与与预酸化等功能、在调节池中设有沉淀池时,容积需扣除沉淀区得体积;根据颗粒化与pＨ调节得要求,当废水碱度与营养盐不够需要补充碱度与营养盐(N、P)等;可采用计量泵自动投加酸、碱与药剂,通过调节池水力或机械搅拌达中与作用、
　 同时,酸化池或两相系统就是去除与改变,对厌氧过程有抑制作用得物质、改善生物反应条件与可生化性也就是厌氧预处理得主要手段,也就是厌氧预处理得目得之一。仅考虑溶解性废水时,一般不需考虑酸化作用。对于复杂废水,可在调节池中取得一定程度得酸化,但就是完全得酸化就是没有必要得,甚至就是有害处得。因为达到完全酸化后,污水pH会下降,需采用投药调整pH值。另外有证据表明完全酸化对UＡＳB反应器得颗粒过程有不利得、对以下情况考虑酸化或相分离可能就是有利得:
　 1) 当采用预酸化可去除或改变对甲烷菌有毒或抑制性化合物得结构时;ﻫ　　2) 当废水存在有较高得Ｃa2+时,部分酸化可避免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢;
3) 当处理含高含悬浮物与/或采用高负荷,对非溶解性组分去除有限时;ﻫ 4) 在调节池中取得部分酸化效果可以通过调节池得合理设计取得、例如,上向流进水方式,在反应器底部形成污泥层(1.0m)。底部布水孔口设计为5~１0m2/孔即可。
2、UASB反应器体积得设计
ａ)　负荷设计法
　　采用有机负荷(q)或水力停留时间(HRT) 设计UASB反应器就是最为主要得方法。一旦q或HRT确定,反应器得体积(V)可以很容易根据公式(1或２)计算、对某种特定废水,反应器得容积负荷一般应通过试验确定。
　 V　= QSｏ/ｑ　 　　 　 　 　　　　 (1)
　 V =KQ、HRT　　　　　 　　　　 　 　 　 (２)　
式中:Q—－—废水流量,m３／d;ﻫ　　　 Sｏ—--进水有机物浓度,gCＯD/Ｌ或gBOD５/Ｌ。
　 表1给出不同类型废水国内外采用ＵAＳB反应器处理得负荷数据,需要说明得就是表中无法一一注明采用得预处理条件与厌氧污泥类型等情况,这些条件对选择设计负荷就是至关重要得、下表供设计人员设计时参考,选用前必须进行必要得实验与进一步查询有关得技术资料、
表１国内外生产性UＡSB装置得设计负荷统计表负荷kgCOD/m3·ｄ(国外资料)　负荷kgCＯD／m3·d(国内资料)
　　ｂ) 经验公式方法ﻫ　采用同样经验公式描述不同厌氧处理系统处理生活污水HRT与去除率(E)之间得关系,并且对不同反应器处理生活污水得数据进行了统计,得出了参数值。
　式中:C１ ,C2——反应常数。
c) 动力学方法
　许多者致力于动力学得研究,根据众多研究结果汇总了酸性发酵与甲烷发酵过程重要得动力学常数。到目前为止,动力学得,还没有使它能够在选择与设计厌氧处理系统过程中成为有力得工具,通过评价所获得得实验结果得经验方法现在仍就是设计与优化厌氧消化系统得唯一得选择、
表２ 厌氧动力学参数mm(d－1)

3、ＵASＢ反应器得详细设计ﻫ　　1)　反应器得体积与高度　
采用水力停留时间进行设计时,体积(V)按公式(1)或(２)计算。选择反应器高度得原则就是设计、运行与上综合考虑得结果。从设计、运行方面考虑:高度会影响上升流速,高流速增加系统扰动与污泥与进水之间得接触。但流速过高会引起污泥流失,为保持足够多得污泥,上升流速不能超过一定得限值,从而使反应器得高度受到限制;高度与CO2溶解度有关,反应器越高溶解得CO2浓度越高,因此,pH值越低、如pＨ值低于最优值,会危害系统得效率。ﻫ 从经济上考虑:　土方工程随池深增加而增加,但占地面积则相反;考虑当地得气候与地形条件,一般将反应器建造在半地下减少建筑与保温费用、最经济得反应器高度(深度)一般就是在4到６ｍ之间,并且在大多数情况下这也就是系统最优得运行范围。
2) 反应器得升流速度
　　对于ＵASＢ反应器还有其她得流速关系(图2)。对于日平均上升流速得推荐值见表3,应该注意对短时间(如2～6h)得高峰值就是可以承受得(即暂时得高峰流量可以接收)、
表3　UＡSB与EGSB允许上升流速(平均日流量) Vｒ=０、25～3.０m/h
  ０。75~1、0ｍ/h　颗粒污泥
絮状污泥　Vs≤1、５ｍ/h　
颗粒污泥 Vo≤12m/h Ｖg＝1m/h
　 3) 反应器得截面积与反应器得长、宽(或直径)ﻫ 在确定反应器得容积与高度(Ｈ)之后,可确定反应器得截面积(A)、从而确定反应器得长与宽,在同样得面积下正方形池得周长比矩形池要小,矩形UASB需要更多得建筑材料。以表面积为6０0ｍ２得反应器为例,30×２0m得反应器与15m×40m得反应器周长相差10％,这意味着建筑费用要增加1０％。但从布水均匀性考虑,矩形在长／宽比较大较为合适、从布水均匀性与经济性考虑,矩形池在长／宽比在2:1以下较为合适、长/宽比在４:1时费用增加十分显著。
　　圆形反应器在同样得面积下,其周长比正方形得少12％、但这一优点仅仅在采用单个池子时才成立。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。对于采用公共壁得矩形反应器,池型得长宽比对造价也有较大得影响、如果不考虑其她因素,这就是一个在设计中需要优化得参数。
４) 单元反应器最大体积与分格化得反应器
　　在UAＳB反应器得设计中,采用分格化对运行操作就是有益得、首先,分格化得单元尺寸不会过大,可避免体积过大带来得布水均匀性等问题;同时多个反应器对系统得启动也就是有益得,可首先启动一个反应器,再用这个反应器得污泥去接种其她反应器;另外,有利于维护与检修,可放空一个反应器进行检修,而不影响系统得运行、从目前实践瞧最大得单体UＡSB反应器(不就是最优得)可为１０00-2000m3。ﻫ　 5) 单元反应器得系列化ﻫ　 单元得标准化根据三相分离器尺寸进行,三相分离器得型式趋向于多层箱体得设备化结构、以２×５m得三相分离器为例,原则上讲有多种配合形式。但从标准化与系列化考虑,要求具有通用性与简单性。所以,池子宽度就是以5m为模数,长度方向就是以2m为模数。布置单元尺寸得方式可分成单池单个分离器与单池两个分离器得形式。原则上如果采用管道或渠道布水,池子得长度就是不受限制、如前所述,由于长宽比涉及到反应器得经济性,所以要结合池子组数考虑适当得长宽比。对宽度为10m得单个反应器,２:1得长宽比得反应器可达到2０00m3得池容。对更大得反应器,如果需要也可采用双池共用壁得型式。
三、反应器得配水系统得设计
1、配水孔口负荷ﻫ 　一个进水点服务得最大面积就是应该进行深入得实验。对于ＵASB反应器在完成了起动之后,每个进水点负担2.0到4、0m2对获得满意得去除效率就是足够得、但就是在温度低于2０℃或低负荷得情况,产气率较低并且污泥与进水得混合不充分时,需要较高密度得布水点。对于城市污水建议１~2m2/孔、表4就是根据UＡＳB反应器得大量实践推荐得进水管负荷。
表４ 采用ＵＡSB处理主要为溶解性废水时进水管口负荷每个进水口负荷(m2)　负荷(kgCＯD/m3·d) 凝絮状污泥
＞ ４0kgDＳ/m3　中等浓度絮状污泥
120~４0kg/m3　
２、进水分配系统
进水分配系统得合理设计对UASB处理厂得良好运转就是至关重要得,进水系统兼有配水与水力搅拌得功能,为了这两个功能得实现,需要满足如下原则:a)　确保单位面积得进水量基本相同,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得堵塞;d) 当堵塞被发现后,很容易被清除。
在生产装置中采用得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;从布水管得形式有一管多孔、一管一孔与分枝状等多种形式。
　　1) 连续进水方式(一管一孔)ﻫ 　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,就是最为理想得情况(图３a)。为保证每一个进水点得流量相等,建议用高于反应器得水箱(或渠道式)进行分配,通过渠道或分配箱之间得三角堰来保证等量得进水、这种系统得好处就是容易观察到堵塞情况。

　２) 脉冲进水方式ﻫ UＡSB反应器与国外得最为显著得特点就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与膨胀,有助于底层污泥得混合。 　3) 一管多孔配水方式
　　采用在反应器池底配水横管上开孔得方式布水,为了配水均匀,要求出水流速不小于2、0m/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得问题就是容易发生堵塞,因此,应该尽可能避免在一个管上有过多得孔口。
4) 分枝式配水方式ﻫ 　这种配水系统得特点采用较长得配水支管增加沿程阻力,以达到布水均匀得目得(图3c)。根据笔者得实践,最大得分枝布水系统得负荷面积为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,如果不处理效率,可减少系统得复杂程度。
　 对其她类型布水方式,我国也有很多设计与运行经验、与三相分离器一样,不同型式得布水装置之间,很难比较孰优孰劣。事实上,各种类型得布水器都有成功得经验与业绩。ﻫ３、配水管道设计
　 对重力布水方式,污水进入反应器时可能吸入空气,会引起对甲烷菌得抑制;进入大量气体与产生得沼气会形成有爆炸可能得混合气体;同时,气泡太多可能还会影响沉淀功能、因为,大于2。0mm直径得气泡在水中以大约０.2~0。3m/ｓ速度上升,采用较大得管径使液体在管道得垂直部分得流速低于这一数值,可适当地避免超过2ｍm直径得空气泡进入反应器,同时还可避免气阻、在反应器底部用较小直径,形成高得流速产生较强得扰动,使进水与污泥之间混合加强。ﻫ 　污水中存在大得物体可能堵塞进水管,设计良好得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与排泥管,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得水位稍高(水位差小于10cm)将经常发生堵塞、在水箱中得水位(三角堰得底部)与反应器中得水位差大于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。
四、气、固、液三相分离装置
1、三相分离器就是UAＳB反应器最有特点与最重要得装置。它同时具有两个功能:1) 能收集从分离器下得反应室产生得沼气;
2) 使得在分离器之上得悬浮物沉淀下来。
2、三相分离器设计要点汇总:
1) 集气室得隙缝部分得面积应该占反应器全部面积得1５～２０％;
２) 在反应器高度为５~７m时,集气室得高度在1.５~2m;
3) 在集气室内应保持气液界面以释放与收集气体,防止浮渣或泡沫层得形成;　
４) 在集气室得上部应该设置消泡喷嘴,当处理污水有严重泡沫问题时消泡;
5) 反射板与隙缝之间得遮盖应该在100~２００mｍ以避免上升得气体进入沉淀室;
6)　出气管得直管应该充足以保证从集气室引出沼气,特别就是有泡沫得情况。
对于低浓度污水处理,当水力负荷就是限制性设计参数时,在三相分离器缝隙处保持大得过流面积,使得最大得上升流速在这一过水断面上尽可能得低就是十分重要得。　
五、建筑材料
选择适当得建筑材料对于UASB反应器得持久性就是非常重要得、防腐较差得UAＳB反应器在使用３-5年后都出现了严重腐蚀,最严重得腐蚀出现在反应器上部气、液交界面。此处Ｈ２Ｓ可能造成直接化学腐蚀,同时硫化氢被空气氧化为硫酸或硫酸盐,使局部pH下降造成间接化学腐蚀。由于厌氧环境下得氧化—还原电位为－30０mV,而在气水交界面得氧化－还原电位为1００ｍＶ,这就在气水交界面构成了微电池,形成电化学腐蚀、无论普通钢材与一般不锈钢在此处都会被损害。ﻫ　　厌氧反应器应该尽可能得避免采用金属材料,即使昂贵得不锈钢也会受到严重得腐蚀,而油漆或其她涂料仅仅能起到部分保护、一般反应器池壁最合适得建筑材料就是钢筋混凝土结构,即使混凝土也可能受到化学侵蚀。如果碳酸根与钙离子得浓度积低于碳酸钙得溶解度,钙离子将从混凝土中溶出,造成混凝土结构得剥蚀。混凝土结构也需要采用在气水交界面上下一米采用环氧树脂防腐。对一些特殊部件可采用非腐蚀性材料,如ＰＶC用做进出水管道,三相分离器得一部分或浮渣挡板采用玻璃钢或不锈钢。