UASB工藝系統(tǒng)設(shè)計方法探討

1、UASB工藝系統(tǒng)設(shè)計方法探討    摘要：本文全面的介紹了UASB系統(tǒng)的設(shè)計問題，介紹了厭氧預處理工藝和UASB反應器的負荷設(shè)計原則和設(shè)計方法。重點介紹了混凝土結(jié)構(gòu)的矩形UASB反應器各個部分尺寸的計算和確定原則。對UASB的進水配水系統(tǒng)和布水方式進行了詳細的介紹。對于三相分離器和UASB建筑材料等問題也進行討論。 關(guān)鍵詞：UASB反應器 預處理 配水系統(tǒng) 三相分離器 建筑材料 設(shè)計  一、概述 厭氧處理已經(jīng)成功地應用于各種高、中濃度工業(yè)廢水處理中。雖然中、高濃度的廢水在相當程度上得到了解決，但是當污水中含有抑制性物質(zhì)時，如含有硫酸鹽的味精廢水

2、在處理上仍有一定的難度。在厭氧處理領(lǐng)域應用最為廣泛的是UASB反應器，所以本文重點討論UASB反應器的設(shè)計方法。但是，其與其它的厭氧處理工藝有一定的共同點，例如，流化床和UASB都有三相分離器。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器設(shè)計參考。 包含厭氧處理單元的水處理過程一般包括預處理、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、UASB系統(tǒng)設(shè)計1、預處理設(shè)施一般預處理系統(tǒng)包括粗格柵、細格柵或水力篩、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的可沉固體，這對對于保

3、護各種類型厭氧反應器的布水管免于堵塞是必需的。當污水中含有砂礫時，例如以薯干為原料的釀酒廢水，怎么強調(diào)去除砂礫的重要性也不過分。不可生物降解的固體，在厭氧反應器內(nèi)積累會占據(jù)大量的池容，反應器池容的不斷減少最終將導致系統(tǒng)完全失效。由于厭氧反應對水質(zhì)、水量和沖擊負荷較為敏感，所以對于工業(yè)廢水適當尺寸的調(diào)節(jié)池，對水質(zhì)、水量的調(diào)節(jié)是厭氧反應穩(wěn)定運行的保證。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、中和和預酸化等功能。在調(diào)節(jié)池中設(shè)有沉淀池時，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，當廢水堿度和營養(yǎng)鹽不夠需要補充堿度和營養(yǎng)鹽(N、P)等；可采用計量泵自動投加酸、堿和藥劑，通過

4、調(diào)節(jié)池水力機械攪拌達中和作用。同時，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)、改善生物反應條件和可生化性也是厭氧預處理的主要手段，也是厭氧預處理的目的之一。僅考慮溶解性廢水時，一般不需考慮酸化作用。對于復雜廢水，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。因為達到完全酸化后，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UASB反應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) 當采用預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；2) 當廢水存在有較高的Ca2+時，部分酸化可避免顆粒污泥表面產(chǎn)生Ca

5、CO3結(jié)垢；3) 當處理含高含懸浮物和/或采用高負荷，對非溶解性組分去除有限時；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)計取得。例如，上向流進水方式，在反應器底部形成污泥層(1.0m)。底部布水孔口設(shè)計為510m2/孔即可。2、UASB反應器體積的設(shè)計a) 負荷設(shè)計法采用有機負荷(q)或水力停留時間(HRT) 設(shè)計UASB反應器是目前最為主要的方法。一旦q或HRT確定，反應器的體積(V)可以很容易根據(jù)公式(1或2)計算。對某種特定廢水，反應器的容積負荷一般應通過試驗確定。V = QSo/q (1)V =KQ.HRT (2)式中：Q-廢水流量，m3/d；So-進水有機物濃度，gCO

6、D/L或gBOD5/L。表1給出不同類型廢水國內(nèi)外采用UASB反應器處理的負荷數(shù)據(jù)，需要說明的是表中無法一一注明采用的預處理條件和厭氧污泥類型等情況，這些條件對選擇設(shè)計負荷是至關(guān)重要的。下表供設(shè)計人員設(shè)計時參考，選用前必須進行必要的實驗和進一步查詢有關(guān)的技術(shù)資料。表1國內(nèi)外生產(chǎn)性UASB裝置的設(shè)計負荷統(tǒng)計表序號廢水類型負荷kgCOD/m3·d(國外資料) 負荷kgCOD/m3·d(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13.9

7、18.59.9366.410.04.084葡萄酒廠10.212.08.04    5清涼飲料6.812.01.885.05.05.0126小麥淀粉8.610.76.66    7淀粉9.211.46.465.48.02.728土豆加工等9.516.84.024    9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12.3

8、20.07.915    13造紙12.738.96.039    14食品加工9.113.30.8103.54.03.0215屠宰廢水6.26.26.213.14.02.3416制糖15.222.58.212    17制藥廠10.933.26.3115.08.00.8518家畜飼料廠10.510.510.51    19垃圾濾液9.912.07.97    b) 經(jīng)驗公式方法Lettinga等

9、人采用同樣經(jīng)驗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，并且對不同反應器處理生活污水的數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，得出了參數(shù)值。 式中：C1 ,C2反應常數(shù)。c) 動力學方法許多研究者致力于動力學的研究，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常數(shù)(見表2)。到目前為止，動力學理論的發(fā)展，還沒有使它能夠在選擇和設(shè)計厭氧處理系統(tǒng)過程中成為有力的工具，通過評價所獲得的實驗結(jié)果的經(jīng)驗方法現(xiàn)在仍是設(shè)計和優(yōu)化厭氧消化系統(tǒng)的唯一的選擇。表2 厭氧動力學參數(shù)(Henxen和Harremoes，1982)培養(yǎng)mm(d-1) Y(mgVS

10、S/mgCOD)KmmgCOD/(mgVSS?d)Ks(mgCOD/L) 產(chǎn)酸菌 2.0 0.1513200甲烷菌 0.4 0.031350混合培養(yǎng)0.40.182- 3、UASB反應器的詳細設(shè)計1) 反應器的體積和高度 采用水力停留時間進行設(shè)計時，體積(V)按公式(1)或(2)計算。選擇反應器高度的原則是設(shè)計、運行經(jīng)濟上綜合考慮的結(jié)果。從設(shè)計、運行方面考慮：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，從而使反應器的高度受到限制；高度與CO2溶解度有關(guān)，反應器越高溶解的CO2濃度越高，因此，p

11、H值越低。如pH值低于最優(yōu)值，會危害系統(tǒng)的效率。從經(jīng)濟上考慮: 土工程隨池深增加而增加，但占地面積則相反；考慮當?shù)氐臍夂蚝偷匦螚l件，一般將反應器建造在半地下減少建筑和保溫費用。最經(jīng)濟的反應器高度(深度)一般是在4到6m之間，并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)最優(yōu)的運行范圍。2) 反應器的升流速度 對于UASB反應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，應該注意對短時間(如26h)的高峰值是可以承受的(即暫時的高峰流量可以接收)。表3 UASB和EGSB允許上升流速(平均日流量)UASB反應器 Vr0.253.0m/h   0.751.0m/h 顆粒污泥 絮狀污泥 V

12、s1.5m/h 絮狀污泥   8m/h 顆粒污泥 Vo12m/h 顆粒污泥 3.0m/h 絮狀污泥 Vg1m/h 建議最小值 3) 反應器的截面積和反應器的長、寬(或直徑)在確定反應器的容積和高度(H)之后，可確定反應器的截面積(A)。從而確定反應器的長和寬，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600m2的反應器為例，30×20m的反應器與15m×40m的反應器周長相差10%，這意味著建筑費用要增加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)濟性考慮，矩形池在長/寬比在2:1以下較為合適。

13、長/寬比在4:1時費用增加十分顯著。圓形反應器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。但這一優(yōu)點僅僅在采用單個池子時才成立。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。對于采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。如果不考慮其他因素，這是一個在設(shè)計中需要優(yōu)化的參數(shù)。4) 單元反應器最大體積和分格化的反應器在UASB反應器的設(shè)計中，采用分格化對運行操作是有益的。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；同時多個反應器對系統(tǒng)的啟動也是有益的，可首先啟動一個反應器，再用這個反應器的污泥去接種其他反應器；另外，有利于維護和檢修，可放空一個反應器進行檢修，而不影響系統(tǒng)的運行。從目前實踐看最大的單體UASB反應器(不是最優(yōu)的)可為1000-2000m3。5) 單元反應器的系列化單元的標準化根據(jù)三相分離器尺寸進行，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2×5m的三相分離器為例，原則上講有多種配合形