IC反应器设计参数的说明.docx
《IC反应器设计参数的说明.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IC反应器设计参数的说明.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
IC反应器设计参数的说明
IC反应器设计参数的说明
1.设计说明
IC反应器，即内循环厌氧反应器，相似由2层UASB反应器串联而成。
其由上下两个反应室组成。
在处理高浓度有机废水时，其进水负荷可提高至35～50kgCOD/（m3d）。
与UASB反应器相比，在获得相同处理速率的条件下，IC反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率，IC反应器的平均升流速度可达处理同类废水UASB反应器的20倍左右。
（3）IC反应器的循环量
进水在反应器中的总停留时间为tHRT＝
＝
＝16h
设第二反应室内液体升流速度为4m/h，则需要循环泵的循环量为256m3/h。
第一反应室内液体升流速度一般为10～20m/h，主要由厌氧反应产生的气流推动的液流循环所带动。
第一反应室产生的沼气量为Q沼气＝Q（C0－Ce）×0.8×0.35＝3600/2×（24.074－3.611）×0.8×0.35＝10313×2＝20626m3/d
每立方米沼气上升时携带1～2m3左右的废水上升至反应器顶部，则回流废水量为10313～20620m3/d，即430～859m3/h，加上IC反应器废水循环泵循环量256m3/h，则在第一反应室中总的上升水量达到了686～1115m3/h，上流速度可达10.79～17.53m/h，可见IC反应器设计符合要求。
研究快速启动厌氧反应器的技术
一、外加物质效应
1投加无机絮凝剂或高聚物
为了保证反应器内的最佳生长条件,必要时可改变废水的成分,其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。
Macarie和Guyot研究发现,在处理生物难降解有机污染物亚甲基安息香酸废水时,向废水中投加FeSO4和生物易降解培养基后,可以有效地降低原系统的氧化还原能力,达到一个合适的亚甲基源水平,缩短ＵＡＳＢ的启动时间。
Imai研究了向接种污泥中添加吸水性聚合物（WAP）的作用。
WAP主要成分为丙烯酸颗粒树脂，具有可供微生物附着的高的比表面和复杂网状结构。
而且密度低（湿密度1.0g/ml），与砂及其他物质相比提高了颗粒与微生物间的接触，明显强化了以葡萄糖或VFA为基质的实验室规模和中试规模UASB反应器的颗粒化过程。
在颗粒污泥形成之后WAP被厌氧微生物慢慢降解，这造成颗粒分裂成多个小碎块，然后再次生长为成熟颗粒。
逐渐地，所有颗粒被降解。
根据试验提出用于强化颗粒化过程的反应器体积内WAP投加量为约750mg/L。
王林山等人向厌氧接种污泥中投加膨润土（BT）和聚丙烯酰胺（PAM）,采用常温间歇式进料,在一月内获得了颗粒污泥.膨润土的特征成分是蒙脱石。
聚丙烯酰胺的酰胺基与蒙脱石生成氢键,起吸附和架桥作用,从而使膨润土、污泥和细菌聚集成直径5～10mm的絮凝团，成为颗粒污泥生长核心，絮凝团丝状菌网络内菌体继续生长,使其成为密实的,近似为球形的颗粒污泥。
2 投加细微颗粒物
Lettinga等人研究表明粘土和其他无机颗粒似乎对颗粒污泥的形成有害。
他们的实践表明:
在无分散无机物质中能形成很好的颗粒污泥，颗粒挥发性固体含量很高。
另一种观点认为：
有助于悬浮污泥形成颗粒的因素之一是存在微生物能附着生长的晶核或生物载体。
细胞附着在这些颗粒上是颗粒化的第一步。
第二步是在惰性载体上形成致密和厚实的生物膜。
所以，添加惰性载体的UASB反应器中污泥颗粒化过程可解释为生物膜形成现象。
周律在反应器中投加了少量陶粒、颗粒活性炭等,启动时间明显缩短,这部分细颗粒物的体积约占反应器有效容积的2%～3%。
用石化厂含有机氯化物的废水进行对比实验表明,在其它条件相同时,投加粒径小于0.4ｍｍ的颗粒活性炭后,启动时间几乎缩短了一半。
启动阶段投加的细颗粒物似乎仅起着初期颗粒污泥晶核的作用,这是利用颗粒物的表面性质,在短期内加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在细颗粒物表面的富集。
另外,初期投加细颗粒物后,系统的稳定性和最大有机负荷都有明显的提高。
实验中还发现,以前启动ＵＡＳＢ反应器时要求严格的水力负荷和有机负荷控制,在投加细颗粒物后这些控制措施显得并不重要了。
HuishoffPol说明了惰性载体颗粒在颗粒化过程中的重要性。
当从接种生活污水污泥中去除惰性颗粒（尺寸为40-100μm），在不去除惰性颗粒的分散污泥颗粒化所需的时间内没有观察到颗粒化。
同一学者观察到添加水-无烟煤颗粒（尺寸为0.25-0.42mm）显著减少中温条件下颗粒化所需时间。
Yoda等报道当添加100μm粉末沸石作为载体比无沸石时颗粒污泥形成得快。
Fukuzaki等发现添加聚亚安酯泡沫提高了甲烷菌群的停留。
所以处理富含丙酸污水UASB反应器在短的启动时间获得高的甲烷发酵效率。
但是，在高温颗粒化中在接种消化污泥中添加或不添加砂（50-10μm）没有差别，尽管形成的颗粒包括砂颗粒这能归因于一些惰性颗粒相对于微生物比重较大，如砂粒。
更多的微生物可能在反应器上部积累，而砂粒趋向于在反应器底部积累。
所以有利于微生物附着生长的颗粒与微生物之间的接触机会显著减少，导致颗粒化过程不显著.
Verrier等证明在厌氧消化池中添加细菌生长的载体能提高甲烷产量。
Munoz等也表明载体如海泡石和辉绿岩在中试规模厌氧消化池中提高甲烷产量。
Ross报道粉末活性炭的存在提高了处理玉米加工废水污泥的可沉降性。
Morgan等和Yu等观察到活性炭能强化颗粒化过程，颗粒活性炭的添加提高了生物吸附从而刺激颗粒污泥的形成和其吸附污染物以固定状态降解的能力。
Yu等研究了在UASB反应器启动期间粉末活性炭（PAC）和颗粒活性炭（GAC）对于污泥颗粒化的作用。
结果表明PAC或GAC的添加能明显强化污泥颗粒化过程并加速工艺启动。
污泥颗粒化定义为当10%颗粒大于2.0mm，在不添加惰性物质时约需95天，添加PAC和GAC反应器中分别减少25和35天。
此外，通过试验PAC或GAC的添加使得微生物浓度更高，更早观察到肉眼可见颗粒，提高单位容积COD去除能力。
而且，添加GAC对于UASB反应器启动的有益作用略高于PAC。
通过添加PAC或GAC强化的颗粒化过程归因于丝状菌在活性炭表面更好的附着。
但是，此研究未详细研究PAC或GAC的性质。
PAC和GAC性质差异可能是添加PAC和GAC反应器间微小差异的原因。
下表列出了添加不同惰性载体对污泥颗粒化的影响
惰性材料
接种污泥
反应器
介质尺寸（mm）
基质
颗粒化缩短时间（d）
颗粒大小（mm）
优势菌种
泡沫塑料
絮状污泥
填充床（85和200ml）
5.0
丙酸
-
7.8-8.0
甲烷丝菌
沸石
-
上向流反应器（9.4和4.0l）
0.1
葡萄糖
20
1.0-2.0
甲烷丝菌
水无烟煤
非颗粒化厌氧消化污泥
0.1
VFA
14
2.0
甲烷丝菌
WAP
UASB1.3l
0.1-0.2
葡萄糖
20
1.8-1.9
杆状甲烷丝菌
GAC
UASB10l
VFA
模拟颗粒污泥*
2.1-2.3
丝状甲烷丝菌
10
-
GAC
UASB0.75l
0.32
蔗糖
-
0.4
甲烷丝菌
PAC
UASB7.3l
0.4
葡萄糖+蛋白胨+肉汤提取物
35
2.0-4.0
甲烷丝菌
0.2
30
2.0-4.0
甲烷丝菌
由此可见，惰性材料确实能加快UASB的启动。
尽管这些载体仅为惰性材料，在基质降解中不起重要作用，但是也应非常仔细地挑选载体，并应具有以下性质：
a比表面积高b比重接近厌氧污泥c好的憎水性d球形形状
投加过量的惰性颗粒会在水力冲刷和沼气搅拌下相互撞击、摩擦,造成强烈的剪切作用,阻碍初成体的聚集和粘结,对于颗粒污泥的成长有害无益。
另一方面，污水中高浓度絮凝性差的悬浮物质对于颗粒污泥的形成是有害的。
并且高浓度分散惰性固体对于颗粒化过程也是不利的，因为在这些情况下，对于细菌用于生长的表面积太大，聚集生长受到限制。
颗粒化完全取决于细菌生长，所以生长减慢导致颗粒化过程减缓。
在高组分细小分散悬浮固体的污水中，细菌附着在分散颗粒上会导致活的细菌的流失。
二、选择压理论
该理论认为UASB反应器颗粒化过程的本质是反应器中存在污泥颗粒的连续选择过程。
HulshoffPol等人的研究认为：
在高选择压条件下，轻的和分散的污泥被洗出而较重的组分保持在反应器中。
从而使细小分散的污泥生长最小化，细菌生长主要局限在有限数量由惰性有机和无机载体物质或种泥中存在的小的细菌聚集体组成的生长核心。
这些生长核心的粒径增加直至达到颗粒污泥和生物膜部分产生脱落的特定最大尺寸，形成新生长核，如此反复。
颗粒化初级阶段出现的丝状颗粒随着时间的增长变得更致密。
低选择压条件下，主要是分散微生物的生长，这产生膨胀型污泥。
当这些微生物不附着在固体支撑颗粒上生长时，形成沉降性能很差的松散丝状缠绕结构。
而且，气泡附着在这些松散缠绕的丝状菌上时，污泥甚至有上浮的趋势。
在生物反应器中，因气体流动或者液体流动和颗粒间碰撞引起的脱膜力是影响厌氧颗粒污泥的形成、生物结构及其稳定性的关键因素。
在一个生物膜系统中，高的水力剪切力能够产生比较结实的生物膜，而剪切力比较弱的时候，生物膜容易成为一个异质多孔和比较脆弱的生物膜。
另一方面，有证据表明，在好氧和厌氧颗粒污泥形成的过程中需要有一定的水力剪切力。
当剪切力比较弱的时候，很少观察到污泥颗粒化现象。
这些也表明了水力剪切力在生物附着和自固定化过程中的重要性。
但是，水力剪切力对颗粒污泥的形成、结构和代谢机理的影响还不十分清楚。
从上面的讨论显示，UASB反应器中的上升流速对污泥颗粒化过程具有显著的影响。
因此，研究者在通过控制UASB反应器中的水力剪切力来加速污泥颗粒化进程的研究方面付出了许多努力。
Alphenaar等人发现UASB反应器中高的液体上升流速和短的水力停留时间（HRT）两者结合有利于污泥颗粒化过程。
Noyola和Moreno进行了一系列实验来研究UASB反应器中液体上升流速对厌氧颗粒污泥形成的影响。
实验结果表明通过水剪切力作用使絮状厌氧污泥能够通过在非常短的时间里（不到8小时）而被转化为活性相对比较好的厌氧颗粒污泥。
这些厌氧颗粒污泥的SVI和污泥沉淀速度显著改善，并且颗粒污泥的沉降性的增加将导致流失污泥从46%减少到2%。
清华大学的实践表明将水力负荷提高到0.6m3/（m2h），可以冲走大部分的絮状污泥，使密度较大的颗粒状污泥积累在反应器的底部，形成颗粒污泥层，这部分污泥层可首先获得充足的营养而较快地增长。
因此，通过提高UASB反应器中液体上升流速，将水剪切力作用于絮状厌氧污泥上，使得厌氧颗粒污泥的形成速度得到显著增强。
但是，提高水力负荷不能过快，否则大量絮状污泥的过早淘汰会导致污泥负荷过高，影响反应器的稳定运行。
探讨三相分离器在厌氧颗粒污泥膨胀床中的优化设计
厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器是荷兰Lettinga教授和他同事在20世纪80年代后期对UASB反应器进行改良而开发的第三代反应器。
因具结构简单、负荷高、适应性广等特点，受到国内外普遍重视，已被用于多种工业有机废水（如淀粉、啤酒、酒精、屠宰、味精、柠檬等）的处理［1—4］。
自EGSB开发以来，因三相分离器是EGSB反应器稳定运行的关键，而且在日益发展的三相流态化技术中也有着广泛的应用前景，故反应器的设计重点集中在气一液一固三相分离器方面。
但到目前为止，用于大规模生产的三相分离器结构在国外仍属专利，有关设计方法也是沿用UASB的设计方法。
国内已有的报道对EGSB的三相分离器大多按固液和气液两相分离的方法进计设计［5］，主要是针对低浓度的有机废水，而对于高浓度的有机废水分高效果不太理想，出现污泥流失，限制了反应器负荷的提高。
因此，在高浓度有机废水中EGSB反应器的三相分离器设计是一项值得探讨的课题。
本文运用流体力学理论来对互相分离器进行理论分析和优化计算.以便对三相分离器的设计提供理论依据。
1三相分离器的基本要求及工作原理
三相分离器是EGSB反应器的重要结构，它对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起着十分重要的作用。
它同时具有以下两个功能：
一是收集从分离器下反应室产生的沼气；二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。
要实现这两个功能，在厌氧反应器内设置的三相分离器应满足以下条件：
①水和污泥的混合物在进入沉淀室之前，气泡必须得到分离。
②沉淀区的表面负荷应在3.0m3／（m2h）以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉降速度。
③由于厌氧污泥具有凝结的性质，液流上升通过泥层时，应有利于在沉淀器中形成污泥层。
沉淀区斜壁角度要适当，应使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内。
④应防止气室产生大量的泡沫；并控制气室的高度，防止浮渣堵塞出气管。
现以图1所示三相分离器为例来说明其工作原理。
气、液、固混合液上升到三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出，与固、液分离。
与气泡分离后的污泥在重力作用下一部分落回反应区，另一部分随流体沿一狭道上升，进入沉淀区。
澄清液通过溢流堰排出，污泥在沉淀区絮凝、沉降和浓缩，然后沿斜壁下滑，通过污泥回流口返回反应区。
由于沉淀区内液体无气泡，故污泥回流口以上的水柱密度大于反应器内液体密度，使浓缩后的污泥能够返回反应区，达到固液分离。
2三相分离器的设计
一般来说，三相分离器的设计包括沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。
现对矩形结构反应器内的三相分离器设计进行阐述。
2.1沉淀区设计
沉淀区的设计方法可参考普通二次沉淀池的设计［6］，主要考虑沉淀面积和水深。
沉淀池的面积根据废水量和沉淀区的表面负荷确定，在处理高浓度的有机废水时，由于在沉淀区的厌氧污泥与水中残余的有机物还能产生生化反应，对固液分离有一定的干扰，但EGSB反应器中的颗粒污泥比UASB中的絮状污泥直径大，凝聚和沉降性能好，机械强度也较高，不易被水流冲碎而流失，因此，表面负荷UASB（小于1.0m3/（m2h））中的大，一般小于3.0m3/（m2h）。
对于一个已知的反应器来说，沉淀区的面积是已知，故只须设汁沉淀区的水深。
根据浅池沉降原理及工程实践，一般沉降区的体积是总体积的15％－20％，这样不仅能收集部分沼气，而且能提高反应器的沉降效率。
2.2回流缝的设计
由图2可知，三相分离器由上、下两组三角形集气罩所组成，根据几何关系可得：
tgθ=h3/b1
（1）
b2=b—2b1
（2）
v1=Q/S1 （3）
S1=ab2 （4）
v2=Q/S2 （5）
S2=2ca （6）
其中θ为下三角形集气罩斜面的水平夹角，一般采用45－600，为了利于回流，θ取600；h3为下三角形集气罩的垂直高度，m；b1为下三角形集气罩的1／2宽度，m；b2为两个下三角形集气罩之间的水平距离，即污泥的回流缝之一，m；b为单元三相分离器的宽度，m；Q为反应器进水流量，m3／h；S1为下三角形集气罩回流缝的总面积，m2；S2为上三角形集气罩回流缝的总面积，m2；c为C点到下三角形斜面的垂直距离，即CE，m；a为反应器宽度，即三相分流器的长度，m；v1下三角形集气罩之间的污泥回流缝中混合液的上升流速，m/h；v2为混合液通过上三角形集气罩与下三角集气罩之间回流缝的流速，m／h；v0为废水的上升流速，m／h。
设λ=b2/b，则有0＜λ＜1，为了使回流缝和沉淀区的水流稳定，确保良好的固液分离效果和污泥的顺利回流，通过理论计算和工程经验来优化λ值，使得v2＜v1。
c可以通过调节h4来实现。
最终确定流速池，以使回流缝的水流稳定，污泥能顺利地回流。
一个性能优良的三相分离器应使沉淀区的浓缩污泥能够顺利回流至反应区，污泥在沉淀区的停留时间要短。
因此分离器设计的关键是回流口的尺寸。
回流口下方的污泥浓度ρms越低，沉淀区浓缩污泥回流的推动力也越大。
下三角形集气罩回流缝面积S1减小，进入三相分离器的气量减小，ρms降低，但同时下三角形集气罩回流缝处的纵向流速增大，又使ρms增加。
ρms与悬浮污泥层浓度、通过回流口的气量、液体流速及污泥沉降速度有关。
ρms可参照文献［7］计算悬浮层污泥浓度的公式并通过小试实验归纳为下式：
ρmd为悬浮层污泥浓度，Kg［SS］/m3；Φ＇＇gd＇为单位时间每平方米悬浮层顶部产气体积，m3；Φ"gd‘为单位时间每平方米反应器产气体积，m3；Ksg为单位有机物甲烷转化量，m3［CH4］/Kg［COD］；fme为气体中的甲烷含量；ρ0为进水COD的质量浓度，Kg［COD］/m3；ρe为出水COD的质量浓度，Kg［COD］/m3；vsl为污泥的界面沉降速度，m／h；Kls为污泥模型常数。
集气罩最小断面的污泥浓度较高，而且被上升气体夹带到这一部分的污泥沉降性较差，污泥的沉降为拥挤沉降。
污泥的界面沉降速度可用下列经验公式表示［7］：
vsl＝aρ—nmd （8）
有机质的厌氧消化在具有固定床性质的污泥床和具有流化床性质的悬浮层两部分完成，三相分离器不参与有机质的消化过程。
在一定的有机负荷下悬浮层浓度可根据VanDerMeer等人提出的上流式反应器厌氧消化过程的数学描述求得。
这样三相分离器的设计首先要找出ρms值最小时的λ，即可获得集气罩的最佳横向尺寸。
2.3气液分离设计
由图2可知，欲达到气液分离的目的，上下三角形集气罩的斜边必须重叠，重叠的水平距离越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区同液分离效果的影响越小。
由反应区上升的水流从下三角形集器罩回流缝过渡到上三角形集气罩回流缝再进入沉淀区，其水流状态比较复杂。
当混合液上升到A点后，将沿着AB方向斜面流动，并设流速为Va，同时假定A点的气泡以速度Vb垂直上升，所以气泡的运动轨迹将沿着Va和Vb合成的方向运动，根据速度的平行四边形法则，有：
Vb/Va=BC/AB （9）
要使气泡分离后不进入沉淀区的必要条件是：
Vb/Va＞BC/AB （10）
气泡上升速度Vb与其直径、水温、液体和气体的密度、废水的粘度系数等因素有关。
当气泡的直径很小（d＜0.1mm＝时、在气泡周围的水流呈层流状态，Re＜1，这时气泡的上升速度可用如下的斯托克斯公式计算：
Vb＝d1g（ρL—ρG）/18μ （11）
式中：
ρL为废水的密度，Kg/m3；ρG为气泡的密度，Kg/m3。
由图二可知，如果c已知，则BC＝c／cosθ，由式（10），可求得AB，而上三角形集气罩的高满足如下的关系式：
ABcosθ+bλ/2=h4ctgθ （12）
从而可以求得h4。
从式（12）可以看出，h4是依据λ而变化的。
b1已由前面λ确定，这样给定缝隙宽度C即可求出脱除直径为db的气泡所需最小h4。
h4越大，上三角形集气罩的覆盖面就越宽，气体的分离效果就越好，去除的气泡也越小。
但h4不能太大，否则上下两个三角形集气罩之间的截面面积减少，从而使得流经该截面的流速V2高于3m/h，使浓缩污泥回流困难。
由于三相混合液在进入三相分离器前大部分气体已被排除，沉淀区下方污泥浓度较低，气量也少，此时浓缩污泥颗粒的沉降速度可用自由沉降速度来代替，并用下列公式来计算不同粒径的污泥沉降速度［9］：
vp=（ρL—ρG）gd2p/18u （Re≤2） （13）
由vp＞v2sinθ及vp＞v2，即可求出使浓缩污泥能够顺利回流的上部集气罩最小断面面积。
从而求出上三角形集气罩的高度。
考虑到颗粒形状不规则及仍有一定的干扰作用，实际沉降速度要比计算值低。
另外，下部集气罩最小断面的污泥沉降速度应高于料液纵向流速，即vsl＞v1。
3模型算法及其设计应用示例
在一定的反应器负荷下，ρms为λ的单目标函数，其优化模型为：
目标函数ρms＝f［Φ"gd（λ），v1（λ）］ 求λ，使得ρms最小。
约束条件O＜λ＜1。
由于目标函数的表达式复杂，自变量的取值范围不大，因此可以采用比较法来寻求，其可靠性和准确性通过λ的离散密集程度来保证。
确定下三角形的回流缝宽度以后，就可以求得分离器的其它结构尺寸。
计算步骤如下：
①确定ρ0，ρe，v0；
②查Ksg，fme及有关参数；
③找出满足ρms最小值的λ；
④由公式
（1）～（7）和（9）～（13）求出b2和h4；
⑤校核。
应用此方法对实验室小试中EGSB反应器的三相分离器进行了设计，用此三相分离器来分离混合液中的气体和污泥颗粒，取得了较满意的结果。
进水的COD质量浓度为4000mg／L，废水的上升流速为6m／h，在一定的水力停留时间下可获得80％的稳定去除率，模型中有关参数由参照有关资料及菌种驯化实验所得如下：
Ksg=0.35m3［CH4］／kg［COD］；fme＝0.85；
ρmd＝10kg［S
升级会员 