升流式厭氧污泥床

1、升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器的系列化和設(shè)備化研究一、概述對各種厭氧工藝的應(yīng)用進行統(tǒng)計，在世界范圍(不包括中國)內(nèi)到99年共統(tǒng)計了1303個采用了不同類型的反應(yīng)器(見圖1a)。其中有近800座采用UASB反應(yīng)器，占全部項目的59%。UASB反應(yīng)器最大的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單便于放大、運行管理簡單。EGSB目前雖然僅占厭氧工藝應(yīng)用總數(shù)的11%左右，但是考慮到其是近年來剛剛開發(fā)的工藝，其占據(jù)市場的速度非?？?，在新建厭氧處理裝置中占有很大的比例。而在我國采用各種厭氧處理技術(shù)據(jù)不完全統(tǒng)計，到99年共有219個項目采用不同類型的厭氧反應(yīng)器(見圖1b)。其中采用UASB反應(yīng)器的有120座以上，占全部項目的58

2、%，基本與國外應(yīng)用情況相類似。國際上荷蘭的PAQUES、美國的BIOTHANE和比利時的BIOTIM公司是世界上主要三個UASB技術(shù)的廠家。僅這三家公司占國際市場份額的74%，這三家公司的技術(shù)主要是采用UASB技術(shù)，這反映了UASB技術(shù)除其技術(shù)本身的特點之外，其市場化的水平也是比較高的。這與UASB技術(shù)本身的特點有關(guān)，如UASB的反應(yīng)器、三相分離器和顆粒污泥等等都是專有技術(shù)，技術(shù)含量較高。這使得厭氧UASB工藝在歐洲迅速得到了推廣和普及，目前已向美國和世界其他地區(qū)輻射。 二、UASB反應(yīng)器1、UASB反應(yīng)器的原理升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器是由Lettinga在七十年代開發(fā)的。圖2是UA

3、SB反應(yīng)器及其設(shè)備的示意圖。廢水被盡可能均勻的引入到UASB反應(yīng)器的底部，污水向上通過包含顆粒污泥或絮狀污泥的污泥床。厭氧反應(yīng)發(fā)生在廢水與污泥顆粒的接觸過程，反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣引起了內(nèi)部的循環(huán)。附著和沒有附著在污泥上的沼氣向反應(yīng)器頂部上升，碰擊到三相分離器氣體發(fā)射板，引起附著氣泡的污泥絮體脫氣。氣泡釋放后污泥顆粒將沉淀到污泥床的表面，氣體被收集到反應(yīng)器頂部的三相分離器的集氣室。一些污泥顆粒會經(jīng)過分離器縫隙進入沉淀區(qū)。UASB反應(yīng)器包括以下幾個部分：進水和配水系統(tǒng)、反應(yīng)器的池體和三相分離器(圖2)。如果考慮整個厭氧系統(tǒng)還應(yīng)該包括沼氣收集和利用系統(tǒng)。在UASB反應(yīng)器中最重要的設(shè)備是三相分離器，這一設(shè)備

4、安裝在反應(yīng)器的頂部并將反應(yīng)器分為下部的反應(yīng)區(qū)和上部的沉淀區(qū)。2、反應(yīng)器的池體幾何形狀第一個生產(chǎn)性的UASB反應(yīng)器(200m3)和在圣保羅CETESB處理生活污水的中試廠(120m3)具有特殊的形狀，即上部的(沉淀池的)截面積大于下部反應(yīng)區(qū)的截面積(圖3a)。較大表面積的沉淀器的水力負荷較低，有利于保持反應(yīng)器內(nèi)的污泥，對于低濃度污水尤為重要。但是對于高濃度污水，有機負荷比水力負荷更重要，因此沉淀池截面沒有必要設(shè)計為較大的表面積(圖3b)。但是實際上不論是在建的或已投入運轉(zhuǎn)的大部分生產(chǎn)規(guī)模的UASB反應(yīng)器，在反應(yīng)器的反應(yīng)和沉淀部分是等面積的(圖3c所示)。建筑直壁的反應(yīng)器比斜壁的具有較大(或較小)

5、 沉淀池的反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上更加有利。因此，以下僅討論直壁的UASB反應(yīng)器。從反應(yīng)器的形狀有矩形和圓形這兩種反應(yīng)器，已大量應(yīng)用于實際中。圓形反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的優(yōu)點，同時對于圓形反應(yīng)器在同樣的面積下，其周長比正方形的少12%。所以圓形池子的建造費用比具有相同面積的矩形反應(yīng)器至少要低12%。但是圓形反應(yīng)器的這一優(yōu)點僅僅在采用單個池子時才成立，所以，單個或小的反應(yīng)器可以建造成圓形的。當(dāng)建立兩個或兩個以上反應(yīng)器時，矩形反應(yīng)器可以采用共用壁。當(dāng)建造多個矩形反應(yīng)器時有其優(yōu)越性。對于采用公共壁的矩形反應(yīng)器，池型的長寬比對造價也有較大的影響。對于大型UASB反應(yīng)器建造多個池子的系統(tǒng)是有益的，這可以增加處理系統(tǒng)

6、的適應(yīng)能力。如果有多個反應(yīng)池的系統(tǒng)，則可能關(guān)閉一個進行維護和修理，而其他單元的反應(yīng)器繼續(xù)運行。三、UASB反應(yīng)器的設(shè)備化1、矩形(鋼筋混凝土)結(jié)構(gòu)反應(yīng)器混凝土結(jié)構(gòu)的UASB反應(yīng)器是最為常見的結(jié)構(gòu)和材料型式，但是采用標準化和系列化的設(shè)計必須考慮結(jié)構(gòu)的通用性和簡單性，在此基礎(chǔ)上形成的系列化才推廣的價值。池體的標準化主要是根據(jù)三相分離器的尺寸進行布置的，筆者采用的三相分離器的平面尺寸是2×5m。根據(jù)這一形式布置池體有以下幾種方式(圖4)。圖4中(a)為整個池表面均采用三相分離器的形式，而圖4b是池頂?shù)囊徊糠植捎贸伢w本身結(jié)構(gòu)構(gòu)成氣室。這樣可以節(jié)省一部分三相分離器的投資。標準化可以分為單池單個

7、分離器和兩個并列分離器，大型結(jié)構(gòu)可采用雙池公用壁的形式。很明顯如果需要也可以構(gòu)成雙池每池兩組分離器的形式。由于三相分離器的尺寸原因，池子的寬度一般以5m為模數(shù)，長度方向以2m為模數(shù)。原則上如果采用管道或渠道布水，池子的長度是不受限制。如前所述由于反應(yīng)器的長寬比的范圍涉及到池子的經(jīng)濟性，所以在上述范圍內(nèi)選擇要結(jié)合池子組數(shù)考慮適當(dāng)?shù)拈L寬比。 UASB反應(yīng)器由于其反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物均有一定的腐蝕性，其對于材料防腐性能有特殊的要求。采用柔性搪瓷預(yù)制鋼板或Lipp不銹鋼復(fù)合鋼板的防腐形式，能阻止筒體腐蝕。特殊防腐涂層的開發(fā)，解決了鋼制反應(yīng)器腐蝕問題。同時此項技術(shù)由于整體設(shè)計合理的罐體結(jié)構(gòu)材料用量大大減少

8、，降低了造價。并將UASB工藝技術(shù)設(shè)備化，將技術(shù)融于設(shè)備中，形成技術(shù)含量高的一體化設(shè)備。a) 拼裝制罐技術(shù)拼裝技術(shù)采用高新技術(shù)制成的罐體材料，以快速低耗的現(xiàn)場拼裝方式最終成型，組成成套化的單元反應(yīng)器設(shè)備，使污水處理設(shè)備的全套裝置達到技術(shù)先進、配制合理、性能優(yōu)良、耐腐性好、維修便利、外表美觀的效果。罐體材料將根據(jù)不同反應(yīng)器采用軟性搪瓷或其他防腐形式預(yù)制鋼板。預(yù)制的鋼板采用以栓接方式拼裝，栓接處加特制密封材料防漏(見圖6a)，此種預(yù)制鋼板形成的保護層不僅能阻止罐體腐蝕，而且具有抗酸堿的功能。 b) Lipp技術(shù)Lipp罐制作時薄鋼板通過一臺成型機和一臺咬合機，在成型機上薄鋼板上部被折成h形而下部被

9、折成n形，在咬合機上薄鋼板上部與上一層薄鋼板的下部被咬合在一起的成型過程和截面形狀(如圖6b)。廢水處理中被處理廢水具有腐蝕性(如酸堿廢水)的廢水，或處理工藝過程中產(chǎn)生腐蝕性(如厭氧處理)的情況，采用鍍鋅板無法像搪瓷鋼板一樣法滿足罐體材料具有耐腐蝕的要求。而全部用不銹鋼卷板來制作罐體其制作成本相當(dāng)高，通過復(fù)合機械，將鍍鋅卷板與0.3mm厚度的不銹鋼薄膜復(fù)合在一起，其截面形狀如圖6b所示。Lipp制罐技術(shù)是一種具有世界先進水平的制罐工藝與技術(shù)，但是需要特殊機械。80年代國內(nèi)糧食系統(tǒng)引進多套加工機械，并且在糧倉上有大量的應(yīng)用。目前也逐步應(yīng)用于污水處理。2) 兩種罐體的基礎(chǔ)和配件 應(yīng)用上述兩項技術(shù)由

10、于罐體所用材料較少，在基礎(chǔ)承載力計算中幾乎可以不考慮罐體自重對基礎(chǔ)的承壓要求。在基礎(chǔ)底板澆筑時，按所要制作的罐件直徑在底板表面留一條寬150mm，深100mm的預(yù)留槽，槽內(nèi)按直徑均勻放置一定數(shù)量的預(yù)埋件，反應(yīng)器制作完成后，放入預(yù)留槽內(nèi)，用螺栓將罐體和預(yù)埋件固定，然后用膨脹混凝土和瀝青等材料來密封，最后覆細石混凝土保護層(見圖7a)。罐體的設(shè)計是設(shè)備化的一部分工作，可對不同高度和直徑的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進行系列設(shè)計。這樣整個反應(yīng)器的設(shè)計僅僅是基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計中比較簡單。圖7b是基礎(chǔ)圖設(shè)計之一，這樣整個反應(yīng)器池體和基礎(chǔ)的設(shè)計就形成了系列化。3、拼裝預(yù)制和Lipp制罐技術(shù)的優(yōu)點和局限性施工時間

11、短，質(zhì)量高是預(yù)制拼裝和Lipp反應(yīng)器的優(yōu)點之一。由于機械化加工和施工方式，工作強度大幅減小，施工難度降低，施工質(zhì)量得到保障。雖然在預(yù)制加工過程中對材質(zhì)要求較高(如：拼裝結(jié)構(gòu)需要冷扎板和搪燒，Lipp罐需要鍍鋅鋼板和不銹鋼薄板)。采用的薄壁結(jié)構(gòu)雖然材料用量減少，但是由于其相等間距的咬合筋(或栓接)的作用，拼裝預(yù)制和Lipp制罐具有相當(dāng)大的環(huán)拉強度。對于圓形池體，滿足了環(huán)向受壓的要求也就是基本滿足了池體的強度要求。環(huán)向拉力的強度計算過程，對于不同的材料、不同的介質(zhì)以及不同的池容，需要進行計算。計算的過程實際上就是尋求最佳材料厚度的過程。例如，對直徑為10m，總高度6.5m，水力高度為6m的500m

12、3反應(yīng)器，其壁厚可選用了兩種不同壁厚的材料用于不同水力高度的位置，罐體下部壁厚為3mm，而罐體上部均選用2mm。從理論上講，罐的壁厚可比2mm小。但是，考慮到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，一般不小于2mm。對于直徑大、高度高的罐體，理論上可選用更厚的鋼板制作。但由于國內(nèi)搪瓷鋼板的規(guī)格和Lipp制罐機械在機械壓緊強度，咬口緊密度等方面的限制，罐體的選用材料壁厚一般最大為4mm。所以，這兩種技術(shù)國內(nèi)制作的最大罐體直徑在3040m。對于特殊的超大超高的罐體，可選用高強度材料。同樣，由于價格成本和池形的限制，拼裝預(yù)制和Lipp制罐不適用對于容積小和直徑小于5m的反應(yīng)器。從結(jié)構(gòu)上考慮拼裝和Lipp技術(shù)不適用于地下池

13、和方形結(jié)構(gòu)池。四、不同池型結(jié)構(gòu)的技術(shù)經(jīng)濟比較UASB反應(yīng)器的材料，可采用碳鋼、Lipp(或拼裝結(jié)構(gòu))和混凝土結(jié)構(gòu)。對鋼制結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器需進行保溫處理，鋼池考慮采用現(xiàn)場48mm厚阻燃型聚苯乙烯泡沫板及彩色防護板保溫和裝飾，碳鋼的防腐材料采用環(huán)氧樹脂加玻璃布三層做法?；炷脸夭豢紤]保溫問題。附屬設(shè)備如三相分離器、配水系統(tǒng)、走道、扶手、樓梯暫等不考慮。對以上三種結(jié)構(gòu)型式進行了技術(shù)經(jīng)濟比較。三種池的容積均按1250m3考慮，表2是投資、折舊和施工技術(shù)條件的對比表。table表2 不同結(jié)構(gòu)經(jīng)濟技術(shù)比較(投資、經(jīng)常維護費用和施工)序號 項  目 混凝土池(萬元) 碳鋼池(萬元) 拼裝或復(fù)

14、合Lipp罐(萬元) 1 容積(總) 10×20×7m 15×8.0×10 15×8.0m×3 2 重量(噸) - 36 12. 20 3 池體投資費用 56 28.8 14.54 保溫投資費用 無 4.0 4.0 5 池基礎(chǔ)費用 無 3.0 2.4 6 內(nèi)防腐費用 無 4.0 無 7 外防腐費用 無 2.0 無   小計 56 41.8 20.9   經(jīng)常維護費用       8 年防腐費 無 4.2(內(nèi)外) 無 9 設(shè)備折舊費 1.87(>30年

15、計) 4.18(10年計) 0.92(25年計) 10 施工周期 >三個月 >兩個月 <一個月   小計 1.87 8.38 0.92   施工要求       11 施工周期 >三個月 >兩個月 <一個月 12 加工技術(shù)要求 土建，嚴格 焊接，較難 專業(yè)設(shè)備，易 13 安裝難易程度 嚴格 一般 易 14 搬遷可能性 不可能 一般 可能 15 外觀美觀程度 低 低 高 由上述表格比較可知從一次性投資來看，以拼裝結(jié)構(gòu)和Lipp罐的價格最低，而混凝土池最高。但是，鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的投資相差不大，混凝土使用壽命遠遠高于碳鋼結(jié)構(gòu)池體。并且每年的經(jīng)常費用一年就相差較大。從整體比較來看，拼裝結(jié)構(gòu)或Lipp罐從投資上和年經(jīng)常費用上均較低。同時優(yōu)點是安裝方便，