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第頁(yè)IC反應(yīng)器設(shè)計(jì)參考loser設(shè)計(jì)說明IC反應(yīng)器,即內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器,相似由2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成。其由上下兩個(gè)反應(yīng)室組成。在處理高濃度有機(jī)廢水時(shí),其進(jìn)水負(fù)荷可提高至35~50kgCOD/(m3·d)。及UASB反應(yīng)器相比,在獲得相同處理速率的條件下,IC反應(yīng)器具有更高的進(jìn)水容積負(fù)荷率和污泥負(fù)荷率,IC反應(yīng)器的平均升流速度可達(dá)處理同類廢水UASB反應(yīng)器的20倍左右。設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)選取設(shè)計(jì)參數(shù)選取如下:第一反應(yīng)室的容積負(fù)荷NV1=35kgCOD/(m3·d),:第二反應(yīng)室的容積負(fù)荷NV2=12kgCOD/(m3·d);污泥產(chǎn)率0.03kgMLSS/kgCOD;產(chǎn)氣率0.35m3/kgCOD設(shè)計(jì)水質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)CODcrBOD5SS進(jìn)水水質(zhì)/(mg/L)120006000890去除率/%858030出水水質(zhì)/(mg/L)設(shè)計(jì)水量Q=3000m3/d=125m3/h=0.035m3/s反應(yīng)器所需容積及主要尺寸的確定(見附圖6-4)有效容積本設(shè)計(jì)采用進(jìn)水負(fù)荷率法,按中溫消化(35~37℃)、污泥為顆粒污泥等情況進(jìn)行計(jì)算。V=式中V-反應(yīng)器有效容積,m3;Q-廢水的設(shè)計(jì)流量,m3/d;本設(shè)計(jì)流量日變化系數(shù)取Kd=1.2,Q=3600m3/dNv-容積負(fù)荷率,kgCOD/(m3·d);C0-進(jìn)水COD濃度,kg/m3;mg/L=10-3kg/m3,設(shè)計(jì)取24.074kg/m3Ce-出水COD濃度,kg/m3。設(shè)計(jì)取3.611kg/m3本設(shè)計(jì)采用IC反應(yīng)器處理高濃度廢水,而IC反應(yīng)器內(nèi)部第一反應(yīng)室和第二反應(yīng)室由于內(nèi)部流態(tài)及處理效率的不同,這里涉及一,二反應(yīng)室的容積。據(jù)相關(guān)資料介紹,IC反應(yīng)器的第一反應(yīng)室(相當(dāng)于EGSB)去除總COD的80%左右,第二反應(yīng)室去除總COD的20%左右。第一反應(yīng)室的有效容積V1===700m3第二反應(yīng)室的有效容積V1===510m3IC反應(yīng)器的總有效容積為V=700+510=1210m3,這里取1250m3IC反應(yīng)器幾何尺寸小型IC反應(yīng)器的高徑比(H/D)一般為4~8,高度在15~20m,而大型IC反應(yīng)器高度在20~25m,因此高徑比相對(duì)較小,本設(shè)計(jì)的IC反應(yīng)器的高徑比為2.5.H=2.5/DV=A×H==則D===8.2m,取9m,已知體積V利用高徑比推直徑D,再由D反推IC高度。(這部可以直接求得底面積)H=2.5×9=22.5m,取23m。每個(gè)IC反應(yīng)器總?cè)莘e負(fù)荷率:NV===24.5[kgCOD/(m3·d)]IC反應(yīng)器的底面積A===63.6m2,則第二反應(yīng)室高H2===8m.第一反應(yīng)室的高度H1=H-H2=23-8=15mIC反應(yīng)器的循環(huán)量進(jìn)水在反應(yīng)器中的總停留時(shí)間為tHRT===10h設(shè)第二反應(yīng)室內(nèi)液體升流速度為4m/h(IC反應(yīng)器里第二反應(yīng)室的上升流速一般為2~10m/h),則需要循環(huán)泵的循環(huán)量為256m3/h。(可能為V×A=254.4m3/h)第一反應(yīng)室內(nèi)液體升流速度一般為10~20m/h,主要由厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的氣流推動(dòng)的液流循環(huán)所帶動(dòng)。第一反應(yīng)室產(chǎn)生的沼氣量為Q沼氣=Q(C0-Ce)×0.8×0.35式中廢水量Q=3000m3/d,C0和Ce分別為進(jìn)出水COD濃度,0.8為第一反應(yīng)室的效率,0.35為每千克去除的COD轉(zhuǎn)化為0.35m3的沼氣。則第一反應(yīng)室沼氣量為:3000×(12-1.8)×0.8×0.35=8568m3/d每立方米沼氣上升時(shí)攜帶1~2m3左右的廢水上升至反應(yīng)器頂部,頂部氣水分離后,廢水從中心管回流至反應(yīng)器底部,及進(jìn)水混合后。由于產(chǎn)氣量為8568m3/d,則回流廢水量為8568~17136m3/d,即357~714m3/h,加上IC反應(yīng)器廢水循環(huán)泵循環(huán)量256m3/h,則在第一反應(yīng)室中總的上升水量達(dá)到了613~970m3/h,(V流速=Q/A)上流速度可達(dá)9.68~15.25m/h,IC反應(yīng)器第一反應(yīng)室上升流速一般為10~20m/h),可見IC反應(yīng)器設(shè)計(jì)符合要求。IC反應(yīng)器第一反應(yīng)室的氣液固分離不同于UASB反應(yīng)器頂部的三項(xiàng)分離系統(tǒng),IC第一反應(yīng)室的頂部功能主要為氣體收集和固液兩相分離。較高的上升流速的廢水流至第一反應(yīng)室頂部,大部分液體和顆粒污泥隨氣體流入氣室上升IC反應(yīng)器頂部的氣液固分離器,部分液體和固體流入三相分離器,顆粒污泥在分離器上部靜態(tài)區(qū)沉淀,廢水從上部隔板流入第二反應(yīng)室。圖6-4為第一反應(yīng)室頂部氣液固分離器流態(tài)示意。IC反應(yīng)器第一反應(yīng)室的氣液固分離設(shè)計(jì)第一反應(yīng)室三相分離器的氣液固三相分離是IC最重要組成部分,是IC反應(yīng)器最有特點(diǎn)的裝置,它對(duì)該種反應(yīng)器的高效率起了十分重要的作用。其設(shè)計(jì)直接影響氣液固三項(xiàng)分離及內(nèi)部循環(huán)效果。高效的三項(xiàng)分離器應(yīng)具備以下幾個(gè)功能:氣液固混合液中氣體不得進(jìn)入沉淀區(qū),即流體(污泥及水混合物)進(jìn)入沉淀區(qū)之前,氣體必須進(jìn)行有效地分離去除,避免氣體在沉淀區(qū)干擾固,液的分離;沉淀區(qū)液流穩(wěn)定,使其具備良好的固液分離效果;沉淀分離的部分固體(污泥)能迅速通過斜板返回到反應(yīng)器內(nèi),以維持反應(yīng)器內(nèi)很高的污泥濃度和較長(zhǎng)的泥齡;防止上浮污泥洗出,提高出水凈化效果。為了達(dá)到上述要求,進(jìn)行了許多研究開發(fā)。IC反應(yīng)器有上.下兩個(gè)三相分離器,第一反應(yīng)室三相分離器嚴(yán)格意義上講是不分離三相物質(zhì),不分離氣體,僅分離液固體。IC反應(yīng)器的第二反應(yīng)器流態(tài)及UASB極為相似。一反應(yīng)室的氣液固分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。第一反應(yīng)室氣液固三相分離器通過擋板將氣液固收集,氣體和顆粒污泥受擋板的導(dǎo)流通過集氣罩進(jìn)入上升導(dǎo)流管,其中顆粒污泥受強(qiáng)大水流的作用(在上升管中流速大于0.5m/s)和氣液一起流入反應(yīng)器頂部的氣液(固)分離器。部分液體(含少量顆粒污泥)通過上下導(dǎo)流板進(jìn)入分離器上部的沉淀區(qū),在該區(qū)域所受水流影響較小,顆粒沉降從回流縫回到反應(yīng)區(qū)域,廢水則進(jìn)入第二反應(yīng)室處理。圖6-5為第一反應(yīng)室三相分離器設(shè)計(jì)示意圖。圖6-6為第一反應(yīng)室三相分離器俯視圖。IC反應(yīng)器第一反應(yīng)室的氣液固分離幾何尺寸沉淀區(qū)設(shè)計(jì)三相分離器沉淀區(qū)固液分離是靠重力沉淀達(dá)到的,其設(shè)計(jì)的方法及普通二沉池設(shè)計(jì)相似,主要考慮沉淀面積和水深兩相因素。一般情況下沉淀區(qū)的沉淀面積即為反應(yīng)器的水平面積;沉淀區(qū)的表面負(fù)荷率的大小及需要去除的污泥顆粒重力沉降速度vs數(shù)值相等,但方向相反。據(jù)報(bào)道,顆粒污泥沉降速度一般在100m/h以上,沉降速度<20m/h的顆粒污泥認(rèn)為沉降性能較差,沉降速度>50m/h的顆粒污泥被認(rèn)為沉降性能良好。顆粒在水中的沉降速度常用Stokes公式計(jì)算。顆粒污泥沉降性能的好壞主要取決于顆粒的有效直徑和密度。處于自由沉降狀態(tài)的污泥的自由沉降速度可用公式(6-2)計(jì)算。根據(jù)Stokes:vs=式中--顆粒污泥沉降速度,cm/s或36m/h--顆粒污泥密度,g/cm3--清水密度,g/cm3--顆粒直徑。cm--重力加速度,981cm/s2--水的粘滯系數(shù),g/(cm.s)--水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù),cm2/s--水溫,℃上式可求出不同粒徑顆粒污泥在清水中的自由沉降速度,并以它近似地代表顆粒污泥的實(shí)際自由沉降速度。設(shè)溫度為35℃,則水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)為:=0.0071(cm2/s)IC反應(yīng)器由于升流速度較大,細(xì)小顆粒容易被沖刷而使反應(yīng)器內(nèi)細(xì)小顆粒的比例減小,因此顆粒污泥的粒徑較粗。平均直徑在1.0~2.0mm,最大顆粒直徑為3.14~3.57mm;顆粒密度為1.04~1.06g/cm3。清水密度近似取1g/cm3,則=0.0071g/(cm·s);顆粒污泥密度取1.05g/cm3,一般IC反應(yīng)器中顆粒直徑大于0.1cm,算得沉降速度vs:vs==三相分離器單元結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖6-7。三相分離器中物質(zhì)流態(tài)示意圖見圖6-8,圖中v1為上升液流流速,vs為氣泡上升速度。計(jì)算B-B‘間的負(fù)荷可以確定相鄰兩上擋板間的距離。三相分離器平面上共有10個(gè)氣固液分離單元,中部被集氣罩分隔(如圖6-5,圖6-6所示)。B-B‘間水流上升速度一般小于20m/h(1.0mm直徑的顆粒污泥沉降速度在100m/h以上),則B-B‘間總面積S為:S===12.7m2式中Q為IC反應(yīng)器循環(huán)泵的流量。S=,則=0.45m,即相鄰兩上擋板間的間距為450mm。兩相鄰下?lián)醢彘g的間距b2=200mm;上下?lián)醢彘g回流縫b3=150mm,板間縫隙液流速度為30m/h;氣封及下?lián)醢彘g的距離b4=100mm;兩下?lián)醢彘g距離(C-C‘)b5=400mm,板間液流速度大于25m/h。沉淀區(qū)斜壁角度及分離器高度設(shè)計(jì)三相分離器沉淀區(qū)斜壁傾斜角度選50o(一般45o~60o之間),上擋板三角頂及集氣罩相距300mm。設(shè)計(jì)IC反應(yīng)器=0.85m,=0.7m。氣液分離的設(shè)計(jì)欲達(dá)到較好的氣液分離效果,氣罩需及下?lián)醢逵幸欢ǖ闹丿B。重疊的水平距離(C的投影)越大,氣體分離效果越好,去除氣泡的直徑越小,對(duì)沉淀區(qū)固液分離的效果影響越小。所以重疊量的大小是決定氣液分離效果好壞的關(guān)鍵所在,重疊量一般為10~20cm。根據(jù)以上計(jì)算,上下三角形集氣罩在反應(yīng)器內(nèi)的位置已經(jīng)確定。對(duì)已確定的三相分離器的構(gòu)造進(jìn)行氣,液分離條件的校核。如圖6-8所示,當(dāng)混合液上升至A點(diǎn)后,氣泡隨液體以速度v1沿斜面上升,同時(shí),氣泡受浮力的作用有垂直上升的速度vg,所以氣泡將沿著v1和vg合成速度v合的方向運(yùn)動(dòng)。要使氣泡不隨回流縫液體流向沉淀區(qū),vg+v1的合成速度(v合)必須大于回流縫中液體流速v回流(30m/h)。圖6-9是氣泡在下?lián)醢暹吘壛鲬B(tài)示意圖。氣泡上升流速v1的大小及其直徑.大小.水溫液體和氣體的密度.液體的粘滯系數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)氣泡直徑很?。╠<0.1mm)時(shí)圍繞氣泡的水流呈層流狀態(tài),Re<1,這時(shí)氣泡上升速度用Stokes公式計(jì)算:式中--氣泡直徑,cm取0.01cm;--液體密度,g/cm3,取1.02g/cm3;--沼氣密度,g/cm3,取1.2×10-3g/cm3--廢水動(dòng)力粘滯系數(shù),g/(cm·s)[廢水的一般比凈水大,這里取2×10-2g/(cm·s)]--碰撞系數(shù),取0.95--重力加速度,cm/s2(取981cm/s2)所以,那么合速度的計(jì)算量為:可見合速度大于回流縫的回流速度,保證氣相不進(jìn)入沉淀區(qū)。反應(yīng)器頂部氣液分離器的設(shè)計(jì)IC頂部氣液分離器的目的是分離氣和固液由于采用切線流狀態(tài),上部分離器中氣和固液分離較容易,這里設(shè)計(jì)直徑為3m的氣液分離器,筒體高2m,下錐底角度65°,上頂高500mm。IC反應(yīng)器進(jìn)水配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明布水區(qū)位于反應(yīng)器的下端,其基本功能:一是將待處理的廢水均勻地分布在反應(yīng)區(qū)的橫斷面上,因?yàn)樯a(chǎn)裝置的橫斷面往往很大,均勻布水的難度高,需設(shè)置復(fù)雜的進(jìn)水分布系統(tǒng);二是水力攪拌,因?yàn)檫M(jìn)入水流的動(dòng)能會(huì)使進(jìn)水孔口周圍產(chǎn)生縱向環(huán)流,有助于廢水中污染物及顆粒污泥的接觸,從而提高反應(yīng)速率,同時(shí)也有利于顆粒污泥上粘附的微小氣泡脫離,防止其上浮。為實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足下列原則。1.確保各單位面積的進(jìn)水量基本相同,以防短路或表面符合不均勻等現(xiàn)象的發(fā)生。實(shí)踐證明,只有當(dāng)負(fù)荷過低或配水系統(tǒng)不合理時(shí)會(huì)發(fā)生溝流。2.盡可能滿足水力攪拌需要,促使水中污染物及污泥迅速混合。3.易于觀察到進(jìn)水管的堵塞,一旦發(fā)生堵塞,便于疏通。4.IC反應(yīng)器進(jìn)水管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥和流量計(jì),以均衡流量。布水方式采用切線進(jìn)水的布水方式,布水器具有開閉功能,即泵循環(huán)時(shí)開口出水,停止運(yùn)行時(shí)自動(dòng)封閉。本工程擬每2~5m2設(shè)置一布水點(diǎn),出口水流速度2~5m/s。擬設(shè)24個(gè)布水點(diǎn),每個(gè)負(fù)荷面積為Si==2.65m2。配水系統(tǒng)形式本工程采用無(wú)堵塞式進(jìn)水分配系統(tǒng)(見附圖6-10)。為了配水均勻一般采用對(duì)稱布置,各支管出水口向著池底,出水口池底約20cm,位于服務(wù)面積的中心點(diǎn)。管口對(duì)準(zhǔn)池底反射錐體,使射流向四周均勻散布于池底,出水口支管直徑約20mm,每個(gè)出水口的服務(wù)面積為2~4m2。此種配水系統(tǒng)的特點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單,只要施工安裝正確,配水可基本達(dá)到均勻分布的要求。單點(diǎn)配水面積Si=2.65m2時(shí),配水半徑r=0.92m。取進(jìn)水總管中流速為1.6m/s,則進(jìn)水總管管徑為:D==2×=0.166m=166mm配水口8個(gè),配水口出水流速選為2.5m/s,則配水管管徑d===47mm出水系統(tǒng)設(shè)計(jì)出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在IC反應(yīng)器的設(shè)計(jì)中占有重要地位,因?yàn)槌鏊欠窬鶆蛞矊⒂绊懗恋硇Ч统鏊|(zhì)。為保持出水均勻,沉淀區(qū)的出水系統(tǒng)通常采用出水渠。一般每個(gè)單元三相分離器沉淀區(qū)設(shè)一條出水渠,而出水渠每個(gè)一定距離設(shè)三角出水堰。一般出水渠前設(shè)擋板以防止漂浮物隨出水帶出,如果沉淀區(qū)水面漂浮物很少,有時(shí)也可不設(shè)擋板。出水渠寬取0.3m,工程設(shè)計(jì)4條出水渠。設(shè)出水渠渠口附近流速為0.2m/s,則出水渠水深===0.145m設(shè)計(jì)出水渠渠高位0.2m,這樣基本可保持出水均勻,出水渠出水直接進(jìn)入A/O反應(yīng)池進(jìn)一步處理。排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明由于厭氧消化過程微生物的不斷增長(zhǎng)和反應(yīng)器內(nèi)懸浮固體的積累,反應(yīng)器內(nèi)的污泥量會(huì)不斷增加。為維持IC反應(yīng)器內(nèi)的污泥量近于恒定,運(yùn)行中產(chǎn)生的剩余污泥必須定期排出反應(yīng)器。一般認(rèn)為UASB反應(yīng)器排出剩余污泥的位置上反應(yīng)器的1/2高度處,但大部分設(shè)計(jì)者推薦把排泥設(shè)備安裝在反應(yīng)器底部,也有人在三相反應(yīng)器下0.5m處設(shè)排泥管以排出污泥床上面部分的剩余絮體污泥,而不會(huì)把顆粒污泥帶走。IC反應(yīng)器排泥系統(tǒng)必須同時(shí)考慮上.中.下不同位置設(shè)置排泥設(shè)備,具體布置還應(yīng)考慮生產(chǎn)運(yùn)行的具體情況。因?yàn)榇笮虸C反應(yīng)器一般不設(shè)污泥斗,而池底面積較大,考慮排泥均勻的需要必須進(jìn)行多點(diǎn)排泥。據(jù)相關(guān)資料介紹建議每10m2設(shè)一排泥點(diǎn)。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),在離兩級(jí)三相分離器下三角以下0.5m處設(shè)一排泥口,在反應(yīng)器設(shè)防空管,口徑均為100mm。此外,在池壁全高上設(shè)置若干(4~6)個(gè)取樣管,取反應(yīng)器內(nèi)的污泥樣,以隨時(shí)掌握污泥在高度方向的濃度分布情況。并可據(jù)此計(jì)算出反應(yīng)器的儲(chǔ)泥總量以確定是否需要排泥。IC反應(yīng)器產(chǎn)泥量的計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),一般情況下每去除1kgCOD,可產(chǎn)生0.05~0.1kgVSS。這里取X=0.05KgVSS/KgCOD進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)流量3000m3/d,進(jìn)水COD12000mg/L,出水為1800mg/L,則每天去除的COD量為:3000×(12000-1800)×10-3=30600(kg),那么IC反應(yīng)器的產(chǎn)泥量為30600×0.05=1530(KgVSS/d),根據(jù)VSS/SS=0.8,則SS的產(chǎn)量為1530/0.8=1912.5(kg/d)。IC反應(yīng)器中第一反應(yīng)室膨脹床污泥濃度較高,可達(dá)50~100gSS/L甚至更高,第二反應(yīng)室污泥為20gSS/L,則IC反應(yīng)器中污泥總量為:G=100V1+20V2=100×700+20×510=80200(kgSS)因此,IC反應(yīng)器的污泥齡為80200/1912.5=42d沼氣的收集.儲(chǔ)存和利用產(chǎn)氣量計(jì)算本工程根據(jù)去除的COD量計(jì)算實(shí)際產(chǎn)氣量。式中V--每降解1KgCOD產(chǎn)生的甲烷產(chǎn)量,取0.4m3CH4/KgCODQ--廢水流量,m3/dC0,Ce--進(jìn)出水COD濃度,mg/L。則本工程中的CH4產(chǎn)量為:=9172.8(m3/d)由于沼氣中除含CH4外,還有CO2.H2S等其他微量氣體。這里取沼氣中的CH4含量p=70%,那么沼氣產(chǎn)量V=9172.8/0.7=13104m3/d水封的設(shè)計(jì)水封是IC裝置內(nèi)外環(huán)境的屏障,一般設(shè)于反應(yīng)器和沼氣柜之間,起調(diào)整和穩(wěn)定壓力作用。水封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)是其高度,計(jì)算公式為;H=H1-H2=(h1-h2)-H2式中H--水封有效高度,m;H1--水封后面的阻力,m;h1--氣室頂部到出水水面的高度,m;h2--氣室高度,m。氣室高度(h2)的選擇應(yīng)保證氣室出氣管在反應(yīng)器運(yùn)行中不被淹沒,能通常的將沼氣排出池體,防止浮渣堵塞。氣室水面常有浮渣層,在選擇h2時(shí)應(yīng)留有浮渣層的高度,此外氣室還需設(shè)浮渣排放口,以便及時(shí)清理浮渣。綜上所述,h2取1.00m,h1=0.50m,H2=0.40m。所以,H=1.00+0.50-0.40=1.10m。水封罐的高度取為1.5m,直徑為1.0m,進(jìn)氣管DN200一根,出氣管DN200一根,進(jìn)水管DN50一根,并設(shè)液位計(jì)。儲(chǔ)氣柜的設(shè)計(jì)沼氣的產(chǎn)量和用量都不是恒定的,沼氣柜常采用前者。它是一種單級(jí)或多級(jí)濕式貯氣柜。貯氣柜直徑及高之比一般為1.5:1,浮動(dòng)罩下的水室在有冰凍的地區(qū)應(yīng)考慮防凍措施。本設(shè)計(jì)采用單擊濕式貯氣柜。貯氣柜的設(shè)計(jì)計(jì)算貯氣柜的容積V=13104÷24×3=1638(m3/d)。取D/H=1.5:1。而式中D--貯氣柜鐘罩直徑,mH--貯氣柜高度,mV--貯氣柜體積,m3所以H=10,D=15m。貯氣柜中的壓力為600mmH2O,由于沼氣中含有少量H2S,對(duì)設(shè)備有腐蝕作用,貯氣柜內(nèi)涂以一層防腐材料。另外,為了減少太陽(yáng)照射氣體受熱引起的容積增加,貯氣柜外側(cè)涂反射性色彩,如銀灰色涂料。氣柜其他部件的設(shè)計(jì)a,考慮到剛開始近氣時(shí),使氣柜不壓到管底,在水池底部安裝6個(gè)鋼筋混凝土支撐,長(zhǎng)600mm,寬400mm.b.為了使氣柜能上下沉浮,設(shè)計(jì)中安裝6個(gè)導(dǎo)輪。c.為維持氣柜內(nèi)恒定壓力及安全起見,在鐘罩的封頭上安裝一根放空管。d.進(jìn)出氣管比自動(dòng)放空管高400mme.鐘罩內(nèi)外設(shè)置人梯,鐘罩上開一人孔。(4)加熱及保溫厭氧生物處理及溫度密切相關(guān),因此應(yīng)常將厭氧反應(yīng)器加熱和保溫。廢水加熱時(shí)所需的熱量式中QH--加熱廢水至操作溫度時(shí)的熱量,kJ/h;--廢水相對(duì)密度,按1計(jì);--廢水比熱容,kJ/(kg·K);--反應(yīng)器內(nèi)的溫度,℃;--廢水加熱前的溫度,℃;--廢水的流量,m3/h;--熱效率,可取=0.85。本工程設(shè)計(jì)中,檸檬酸廢水的溫度(約36℃)及反應(yīng)器內(nèi)的溫度(35~37℃)相當(dāng),所以可不設(shè)加熱裝置以節(jié)省費(fèi)用。反應(yīng)器保溫所需熱量計(jì)算式中QD--反應(yīng)器保溫所需熱量,kJ/hA--反應(yīng)器外表面積,m2K--總傳熱系數(shù),W/(m2·K)ta--反應(yīng)器周圍環(huán)境溫度,℃K值可按下式計(jì)算:式中--反應(yīng)器內(nèi)壁的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K)--反應(yīng)器外壁的對(duì)流傳熱系數(shù),W/(m2·K),--反應(yīng)器壁和保溫層的厚度,m,--反應(yīng)器壁及保溫材料的熱導(dǎo)率見表6-7,W/(m·K)。≈0.85,≈2000~4000W/(m2·K),=20W/(m2·K)。加熱和保溫所需的總熱量:Q=QH+QD本工程設(shè)計(jì)中,Q=QD。反應(yīng)器壁為鋼結(jié)構(gòu),保溫層采用軟木;反應(yīng)器壁厚200mm,保溫層厚150mm,則K=0.30反應(yīng)器外表面積A=DH=3.14×9×23=649.98m2。反應(yīng)器內(nèi)溫度取36℃,反應(yīng)器周圍溫度按15℃計(jì)時(shí),反應(yīng)器保溫所需的熱量沼氣發(fā)電每立方米沼氣發(fā)電2kW·h,沼氣用于發(fā)電,電量為:W=9172.8m3/d×2kW·h/m3=18345.6(kW·h/d)選用兩臺(tái)1000kW發(fā)電機(jī),一備一用。產(chǎn)生的電可以滿足廢水處理設(shè)施用電和部分廠區(qū)其他部門用電,每年有一百多萬(wàn)元盈余,變廢為寶。IC反應(yīng)器其他設(shè)計(jì)考慮在處理蛋白質(zhì)或脂肪含量較高的工業(yè)廢水時(shí),這些化合物會(huì)使沉淀區(qū)和集氣罩的液面形成一層很厚的浮渣層。當(dāng)浮渣層厚度太大時(shí)會(huì)阻礙沼氣的順利釋放,或堵塞集氣室的排氣管,導(dǎo)致部分沼氣從沉淀區(qū)逸出,嚴(yán)重干擾了固液分離的效果。為了清除沉淀區(qū)液面和氣室液面形成的浮渣層,必須設(shè)置專門的清除設(shè)備或預(yù)防措施。在沉淀區(qū)液面形成的浮渣層可采用撇渣機(jī)或刮泥機(jī)清除,而在氣室形成的浮渣清除較為困難,可用定期進(jìn)行循環(huán)水或沼氣反沖洗等方法減少或去除浮渣,必須設(shè)置沖洗管和循環(huán)水泵(或氣泵)。IC反應(yīng)器各部分應(yīng)采取相應(yīng)的防腐措施,尤其是采用鋼板制造三相分離器時(shí),必須嚴(yán)加防腐。由于H2S在空氣中氧化成H2SO4。溶解性CO2都會(huì)產(chǎn)生腐蝕,所以應(yīng)對(duì)反應(yīng)器上部的混凝土和鋼結(jié)構(gòu)采取防腐措施。本工程處理的檸檬酸廢水由于硫酸鹽含量很高,更應(yīng)加強(qiáng)防腐IC厭氧反應(yīng)技術(shù)《后記》1
引言
廢水厭氧生物技術(shù)由于其巨大的處理能力和潛在的應(yīng)用前景,一直是水處理技術(shù)研究的熱點(diǎn)。從傳統(tǒng)的厭氧接觸工藝發(fā)展到現(xiàn)今廣泛流行的UASB工藝,廢水厭氧處理技術(shù)已日趨成熟。隨著生產(chǎn)發(fā)展及資源、能耗、占地等因素間矛盾的進(jìn)一步突出,現(xiàn)有的厭氧工藝又面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),尤其是如何處理生產(chǎn)發(fā)展帶來的大量高濃度有機(jī)廢水,使得研發(fā)技術(shù)經(jīng)濟(jì)更優(yōu)化的厭氧工藝非常必要[1]。內(nèi)循環(huán)厭氧處理技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱IC厭氧技術(shù))就是在這一背景下產(chǎn)生的高效處理技術(shù),它是20世紀(jì)80年代中期由荷蘭PAQUES公司研發(fā)成功,并推入國(guó)際廢水處理工程市場(chǎng),目前已成功應(yīng)用于土豆加工、啤酒、食品和檸檬酸等廢水處理中。實(shí)踐證明,該技術(shù)去除有機(jī)物的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通厭氧處理技術(shù)(如UASB),而且IC反應(yīng)器容積小、投資少、占地省、運(yùn)行穩(wěn)定,是一種值得推廣的高效厭氧處理技術(shù)。2
現(xiàn)有厭氧處理技術(shù)的局限性
厭氧處理是廢水生物處理技術(shù)的一種方法,要提高厭氧處理速率和效率,除了要提供給微生物一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境外,保持反應(yīng)器內(nèi)高的污泥濃度和良好的傳質(zhì)效果也是2個(gè)關(guān)鍵性舉措。
以厭氧接觸工藝為代表的第1代厭氧反應(yīng)器,污泥停留時(shí)間(SRT)和水力停留時(shí)間(HRT)大體相同,反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度較低,處理效果差。為了達(dá)到較好的處理效果,廢水在反應(yīng)器內(nèi)通常要停留幾天到幾十天之久。
以UASB工藝為代表的第2代厭氧反應(yīng)器,依靠顆粒污泥的形成和三相分離器的作用,使污泥在反應(yīng)器中滯留,實(shí)現(xiàn)了SRT>HRT,從而提高了反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度,但是反應(yīng)器的傳質(zhì)過程并不理想。要改善傳質(zhì)效果,最有效的方法就是提高表面水力負(fù)荷和表面產(chǎn)氣負(fù)荷。然而高負(fù)荷產(chǎn)生的劇烈攪動(dòng)又會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)污泥處于完全膨脹狀態(tài),使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向轉(zhuǎn)變,污泥過量流失,處理效果變差。3
IC反應(yīng)器工作原理及技術(shù)優(yōu)點(diǎn)3.1IC反應(yīng)器工作原理
IC反應(yīng)器基本構(gòu)造如圖1所示,它相似由2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成。按功能劃分,反應(yīng)器由下而上共分為5個(gè)區(qū):混合區(qū)、第1厭氧區(qū)、第2厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。
混合區(qū):反應(yīng)器底部進(jìn)水、顆粒污泥和氣液分離區(qū)回流的泥水混合物有效地在此區(qū)混合。
第1厭氧區(qū):混合區(qū)形成的泥水混合物進(jìn)入該區(qū),在高濃度污泥作用下,大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣。混合液上升流和沼氣的劇烈擾動(dòng)使該反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥呈膨脹和流化狀態(tài),加強(qiáng)了泥水表面接觸,污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產(chǎn)量的增多,一部分泥水混合物被沼氣提升至頂部的氣液分離區(qū)。
氣液分離區(qū):被提升的混合物中的沼氣在此及泥水分離并導(dǎo)出處理系統(tǒng),泥水混合物則沿著回流管返回到最下端的混合區(qū),及反應(yīng)器底部的污泥和進(jìn)水充分混合,實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)部循環(huán)。
第2厭氧區(qū):經(jīng)第1厭氧區(qū)處理后的廢水,除一部分被沼氣提升外,其余的都通過三相分離器進(jìn)入第2厭氧區(qū)。該區(qū)污泥濃度較低,且廢水中大部分有機(jī)物已在第1厭氧區(qū)被降解,因此沼氣產(chǎn)生量較少。沼氣通過沼氣管導(dǎo)入氣液分離區(qū),對(duì)第2厭氧區(qū)的擾動(dòng)很小,這為污泥的停留提供了有利條件。
沉淀區(qū):第2厭氧區(qū)的泥水混合物在沉淀區(qū)進(jìn)行固液分離,上清液由出水管排走,沉淀的顆粒污泥返回第2厭氧區(qū)污泥床。
從IC反應(yīng)器工作原理中可見,反應(yīng)器通過2層三相分離器來實(shí)現(xiàn)SRT>HRT,獲得高污泥濃度;通過大量沼氣和內(nèi)循環(huán)的劇烈擾動(dòng),使泥水充分接觸,獲得良好的傳質(zhì)效果。3.2
IC工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
IC反應(yīng)器的構(gòu)造及其工作原理決定了其在控制厭氧處理影響因素方面比其它反應(yīng)器更具有優(yōu)勢(shì)。
(1)容積負(fù)荷高:IC反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高,微生物量大,且存在內(nèi)循環(huán),傳質(zhì)效果好,進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可超過普通厭氧反應(yīng)器的3倍以上。
(2)節(jié)省投資和占地面積:IC反應(yīng)器容積負(fù)荷率高出普通UASB反應(yīng)器3倍左右,其體積相當(dāng)于普通反應(yīng)器的1/4~1/3左右,大大降低了反應(yīng)器的基建投資。而且IC反應(yīng)器高徑比很大(一般為4~8),所以占地面積特別省,非常適合用地緊張的工礦企業(yè)。
(3)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng):處理低濃度廢水(COD=2000~3000mg/L)時(shí),反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的2~3倍;處理高濃度廢水(COD=10000~15000mg/L)時(shí),內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的10~20倍。大量的循環(huán)水和進(jìn)水充分混合,使原水中的有害物質(zhì)得到充分稀釋,大大降低了毒物對(duì)厭氧消化過程的影響。
(4)抗低溫能力強(qiáng):溫度對(duì)厭氧消化的影響主要是對(duì)消化速率的影響。IC反應(yīng)器由于含有大量的微生物,溫度對(duì)厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴(yán)重。通常IC反應(yīng)器厭氧消化可在常溫條件(20~25℃)下進(jìn)行,這樣減少了消化保溫的困難,節(jié)省了能量。
(5)具有緩沖pH的能力:內(nèi)循環(huán)流量相當(dāng)于第1厭氧區(qū)的出水回流,可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度,對(duì)pH起緩沖作用,使反應(yīng)器內(nèi)pH保持最佳狀態(tài),同時(shí)還可減少進(jìn)水的投堿量。
(6)內(nèi)部自動(dòng)循環(huán),不必外加動(dòng)力:普通厭氧反應(yīng)器的回流是通過外部加壓實(shí)現(xiàn)的,而IC反應(yīng)器以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)循環(huán),不必設(shè)泵強(qiáng)制循環(huán),節(jié)省了動(dòng)力消耗。
(7)出水穩(wěn)定性好:利用二級(jí)UASB串聯(lián)分級(jí)厭氧處理,可以補(bǔ)償厭氧過程中Ks高產(chǎn)生的不利影響。VanLier在1994年證明,反應(yīng)器分級(jí)會(huì)降低出水VFA濃度,延長(zhǎng)生物停留時(shí)間,使反應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定。
(8)啟動(dòng)周期短:IC反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高,生物增殖快,為反應(yīng)器快速啟動(dòng)提供有利條件。IC反應(yīng)器啟動(dòng)周期一般為1~2個(gè)月,而普通UASB啟動(dòng)周期長(zhǎng)達(dá)4~6個(gè)月。
(9)沼氣利用價(jià)值高:反應(yīng)器產(chǎn)生的生物氣純度高,CH4為70%~80%,CO2為20%~30%,其它有機(jī)物為1%~5%,可作為燃料加以利用。4
IC處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
IC處理技術(shù)從問世以來已成功應(yīng)用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、檸檬酸和造紙等廢水處理中。1985年荷蘭首次應(yīng)用IC反應(yīng)器處理土豆加工廢水,容積負(fù)荷(以COD計(jì))高達(dá)35~50kg/(m3·d),停留時(shí)間4~6h;而處理同類廢水的UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有10~15kg/(m3·d),停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾到幾十個(gè)小時(shí)。
在啤酒廢水處理工藝中,IC技術(shù)應(yīng)用得較多,目前我國(guó)已有3家啤酒廠引進(jìn)了此工藝。從運(yùn)行結(jié)果看,IC工藝容積負(fù)荷(以COD計(jì))可達(dá)15~30kg/(m3·d),停留時(shí)間2~4.2h,COD去除率ηCOD>75%;而UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有4~7kg/(m3·d),停留時(shí)間近10h。
對(duì)于處理高濃度和高鹽度的有機(jī)廢水,IC反應(yīng)器也有成功的經(jīng)驗(yàn)。位于荷蘭Roosendaal的一家菊苣加工廠的廢水,COD約7900mg/L,SO42-為250mg/L,Cl-為4200mg/L。采用22m高、1100m3容積的IC反應(yīng)器,容積負(fù)荷(以COD計(jì))達(dá)31kg/(m3·d),ηCOD>80%,平均停留時(shí)間僅6.1h。
我國(guó)無(wú)錫羅氏中亞檸檬有限公司的IC厭氧處理系統(tǒng)自2019年12月運(yùn)行以來一直都很穩(wěn)定,進(jìn)水COD一般在8000mg/L以上,pH5.0左右,容積負(fù)荷(以COD計(jì))可達(dá)30kg/(m3·d),出水COD基本在2000mg/L以下,且每千克COD產(chǎn)沼氣0.42m3[10]。1996年IC反應(yīng)器首次應(yīng)用于紙漿造紙行業(yè),并迅速獲得客戶歡迎,至今全世界造紙行業(yè)已建造IC反應(yīng)器23個(gè)。
表1列出了IC反應(yīng)器和UASB反應(yīng)器處理典型廢水的對(duì)照結(jié)果,從表中數(shù)據(jù)可以看出,IC反應(yīng)器在很大程度上解決了UASB的不足,大大提高了反應(yīng)器單位容積的處理容量。表1
IC反應(yīng)器及UASB反應(yīng)器處理相同廢水的對(duì)比結(jié)果[1]對(duì)比指標(biāo)反應(yīng)器類型ICUASB啤酒廢水土豆加工廢水啤酒廢水土豆加工廢水反應(yīng)器體積(m3)6×16210014002×1700反應(yīng)器高度(m)20156.45.5水力停留時(shí)間(h)2.14.0630容積負(fù)荷kg/(m3·d)24486.810進(jìn)水COD(mg/L)20006000~80ηCOD(%)80858095
隨著生產(chǎn)的發(fā)展,經(jīng)濟(jì)高效、節(jié)能省地的厭氧反應(yīng)器越來越受到水處理工作者的青睞。IC反應(yīng)器的一系列技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及其工程成功實(shí)踐,是現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器的一個(gè)突破,值得進(jìn)一步研究開發(fā)。而且由于反應(yīng)器容積小,生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和維修都十分方便,產(chǎn)業(yè)化前景也很樂觀。5
IC反應(yīng)器存在的幾個(gè)問題
COD容積負(fù)荷大幅度提高,使IC反應(yīng)器具備很高的處理容量,同時(shí)也帶來了不少新的問題:
(1)從構(gòu)造上看,IC反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比普通厭氧反應(yīng)器復(fù)雜,設(shè)計(jì)施工要求高。反應(yīng)器高徑比大,一方面增加了進(jìn)水泵的動(dòng)力消耗,提高了運(yùn)行費(fèi)用;另一方面加快了水流上升速度,使出水中細(xì)微顆粒物比UASB多,加重了后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)。另外內(nèi)循環(huán)中泥水混合液的上升還易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象,使內(nèi)循環(huán)癱瘓,處理效果變差。
(2)發(fā)酵細(xì)菌通過胞外酶作用將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物,再將可溶性的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸和醇類等,該類細(xì)菌水解過程相當(dāng)緩慢[13]。IC反應(yīng)器較短的水力停留時(shí)間勢(shì)必影響不溶性有機(jī)物的去除效果。
(3)在厭氧反應(yīng)中,有機(jī)負(fù)荷、產(chǎn)氣量和處理程度三者之間存在著密切的聯(lián)系和平衡關(guān)系。一般較高的有機(jī)負(fù)荷可獲得較大的產(chǎn)氣量,但處理程度會(huì)降低[13]。因此,IC反應(yīng)器的總體去除效率相比UASB反應(yīng)器來講要低些。
(4)缺乏在IC反應(yīng)器水力條件下培養(yǎng)活性和沉降性能良好的顆粒污泥關(guān)鍵技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)引進(jìn)的IC反應(yīng)器均采用荷蘭進(jìn)口的顆粒污泥接種[2],增加了工程造價(jià)。
上述問題有待在對(duì)IC厭氧處理技術(shù)內(nèi)部規(guī)律進(jìn)行更深入探討的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)踐加以克服,使這一新技術(shù)更加完善。厭氧顆粒污泥的培養(yǎng)注意事項(xiàng)首先要有接種污泥,如果是已經(jīng)顆粒污泥,只需培養(yǎng)馴化一下就可以了;如果采用活性污泥的話就比較麻煩。必須注意以下幾點(diǎn):1營(yíng)養(yǎng)元素和微量元素在當(dāng)廢水中N、P等營(yíng)養(yǎng)元素不足時(shí),不易于形成顆粒,對(duì)于已經(jīng)形成的顆粒污泥會(huì)發(fā)生細(xì)胞自溶,導(dǎo)致顆粒破碎,因此要適當(dāng)加以補(bǔ)充。N源不足時(shí),可添加氮肥、含氮量高的糞便、氨基酸渣及剩余活性污泥等;P源不足時(shí),可適當(dāng)投加磷肥。鐵、鎳、鈷和錳等微量元素是產(chǎn)甲烷輔酶重要的組成部分,適量補(bǔ)充可以增加所有種群?jiǎn)挝毁|(zhì)量微生物中活細(xì)胞的濃度以及它們的酶活性。2選擇壓通常將水力負(fù)荷率和產(chǎn)氣負(fù)荷率兩者作用的總和稱為系統(tǒng)的選擇壓。選擇壓對(duì)污泥床產(chǎn)生沿水流方向的攪拌作用和水力篩選作用,是UASB等一系列無(wú)載體厭氧反應(yīng)器形成顆粒污泥的必要條件。高選擇壓條件下,水力篩選作用能將微小的顆粒污泥及絮體污泥分開,污泥床底聚集比較大的顆粒污泥,而比重較小的絮體污泥則進(jìn)入懸浮層區(qū),或被淘汰出反應(yīng)器。定向攪拌作用產(chǎn)生的剪切力使顆粒產(chǎn)生不規(guī)則的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),有利于絲狀微生物的相互纏繞,為顆粒的形成創(chuàng)造一個(gè)外部條件。低選擇壓條件下,主要是分散微生物的生長(zhǎng),這將產(chǎn)生膨脹型污泥。當(dāng)這些微生物不附著在固體支撐顆粒上生長(zhǎng)時(shí),形成沉降性能很差的松散絲狀纏繞結(jié)構(gòu)。液體上升流速在2.5~3.0m/d之間內(nèi),最有利于UASB反應(yīng)器內(nèi)污泥的顆?;?。3有機(jī)負(fù)荷率和污泥負(fù)荷率可降解的有機(jī)物為微生物提供充足的碳源和能源,是微生物增長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在微生物關(guān)鍵性的形成階段,應(yīng)盡量避免進(jìn)水的有機(jī)負(fù)荷率劇烈變化。實(shí)驗(yàn)研究表明,由絮狀污泥作為種泥的初次啟動(dòng)時(shí),有機(jī)負(fù)荷率在0.2~0.4kgCOD/(kgVSS;d)和污泥負(fù)荷率在0.1~0.25kgCOD/(kgVSS;d)時(shí),有利于顆粒污泥的形成。4堿度堿度對(duì)污泥顆?;挠绊懕憩F(xiàn)在兩方面:一是對(duì)顆粒化進(jìn)程的影響;二是對(duì)顆粒污泥活性的影響。后者主要表現(xiàn)在通過調(diào)節(jié)pH值(即通過堿度的緩沖作用使pH值變化較小)使得產(chǎn)甲烷菌呈不同的生長(zhǎng)活性,前者主要表現(xiàn)在對(duì)污泥顆粒分布及顆?;俣鹊挠绊?。在一定的堿度范圍內(nèi),進(jìn)水堿度高的反應(yīng)器污泥顆粒化速度快,但顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性低;進(jìn)水堿度低的反應(yīng)器其污泥顆粒化速度慢,但顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性高。因此,在污泥顆?;^程中進(jìn)水堿度可以適當(dāng)偏高(這主要是因?yàn)榇藭r(shí)產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制)以加速污泥的顆?;?,使反應(yīng)器快速啟動(dòng);而在顆粒化過程基本結(jié)束時(shí),進(jìn)水堿度應(yīng)適當(dāng)偏低以提高顆粒污泥的產(chǎn)甲烷活性。5接種污泥顆粒污泥形成的快慢很大程度上決定于接種污泥的數(shù)量和性質(zhì)[1]。根據(jù)Lettinga的經(jīng)驗(yàn),中溫型UASB反應(yīng)器的污泥接種量需稠密型污泥12~15kgVSS/m3或稀薄型污泥6kgVSS/m。高溫型UASB反應(yīng)器最佳接種量在6~15kgVSS/m3。過低的接種污泥量會(huì)造成初始的污泥負(fù)荷過高,污泥量的迅速增長(zhǎng)會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)各種群數(shù)量不平衡,降低運(yùn)行的穩(wěn)定性,一旦控制不當(dāng)便會(huì)造成反應(yīng)器的酸化。較多的接種菌液可大大縮短啟動(dòng)所需的時(shí)間,但過多的接種污泥量沒有必要。一般說來,用處理同樣性
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