IC反应器的设计.doc

IC反应器设计参考loser1. 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3550kgCOD/(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。设计参数（1） 参数选取设计参数选取如下：第一反应室的容积负荷NV135kgCOD/(m3d)，：第二反应室的容积负荷NV212kgCOD/(m3d)；污泥产率0.03kgMLSS/kgCOD；产气率0.35m3/kgCOD（2） 设计水质设 计 参 数CODcrBOD5SS进水水质/ (mg/L)120006000890去除率/ %858030出水水质/ (mg/L)18001000623（3） 设计水量Q3000m3/d125m3/h=0.035m3/s2. 反应器所需容积及主要尺寸的确定（见附图6-4）（1） 有效容积 本设计采用进水负荷率法，按中温消化（3537）、污泥为颗粒污泥等情况进行计算。V 式中 V反应器有效容积，m3；Q废水的设计流量，m3/d；本设计流量日变化系数取Kd=1.2,Q=3600 m3/dNv容积负荷率，kgCOD/（m3d）；C0进水COD浓度，kg/m3； mg/L =10-3kg/m3，设计取24.074 kg/m3Ce出水COD浓度，kg/m3。 设计取3.611kg/m3 本设计采用IC反应器处理高浓度废水，而IC反应器内部第一反应室和第二反应室由于内部流态及处理效率的不同，这里涉及一，二反应室的容积。据相关资料介绍，IC反应器的第一反应室（相当于EGSB）去除总COD的80左右，第二反应室去除总COD的20左右。第一反应室的有效容积V1 700m3第二反应室的有效容积V1 510m3IC反应器的总有效容积为V7005101210m3，这里取1250m3（2） IC反应器几何尺寸 小型IC反应器的高径比（H/D）一般为48，高度在1520m,而大型IC反应器高度在2025m,因此高径比相对较小，本设计的IC反应器的高径比为2.5.H=2.5/DVAH则D=8.2m，取9m，已知体积V利用高径比推直径D，再由D反推IC高度。（这部可以直接求得底面积）H2.5922.5m，取23m。每个IC反应器总容积负荷率：NV24.5kgCOD/(m3d)IC反应器的底面积A63.6m2，则第二反应室高 H28m.第一反应室的高度 H1HH223815m（3） IC反应器的循环量进水在反应器中的总停留时间为tHRT10h设第二反应室内液体升流速度为4m/h（IC反应器里第二反应室的上升流速一般为210m/h），则需要循环泵的循环量为256m3/h。(可能为VA=254.4m3/h)第一反应室内液体升流速度一般为1020m/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（C0Ce）0.80.35式中废水量Q=3000m3/d, C0和Ce分别为进出水COD浓度，0.8为第一反应室的效率，0.35为每千克去除的COD转化为0.35m3的沼气。则第一反应室沼气量为：3000（121.8）0.80.358568m3/d 每立方米沼气上升时携带12m3左右的废水上升至反应器顶部，顶部气水分离后，废水从中心管回流至反应器底部，与进水混合后。由于产气量为8568 m3/d，则回流废水量为856817136 m3/d，即357714 m3/h，加上IC反应器废水循环泵循环量256 m3/h，则在第一反应室中总的上升水量达到了613970 m3/h，（V流速=Q/A）上流速度可达9.6815.25m/h，IC反应器第一反应室上升流速一般为1020m/h）,可见IC反应器设计符合要求。（4） IC反应器第一反应室的气液固分离 不同于UASB反应器顶部的三项分离系统，IC第一反应室的顶部功能主要为气体收集和固液两相分离。较高的上升流速的废水流至第一反应室顶部，大部分液体和颗粒污泥随气体流入气室上升IC反应器顶部的气液固分离器，部分液体和固体流入三相分离器,颗粒污泥在分离器上部静态区沉淀，废水从上部隔板流入第二反应室。图6-4为第一反应室顶部气液固分离器流态示意。IC反应器第一反应室的气液固分离设计 第一反应室三相分离器的气液固三相分离是IC最重要组成部分，是IC反应器最有特点的装置，它对该种反应器的高效率起了十分重要的作用。其设计直接影响气液固三项分离及内部循环效果。 高效的三项分离器应具备以下几个功能：气液固混合液中气体不得进入沉淀区，即流体（污泥与水混合物）进入沉淀区之前，气体必须进行有效地分离去除，避免气体在沉淀区干扰固，液的分离；沉淀区液流稳定，使其具备良好的固液分离效果；沉淀分离的部分固体（污泥）能迅速通过斜板返回到反应器内，以维持反应器内很高的污泥浓度和较长的泥龄；防止上浮污泥洗出，提高出水净化效果。为了达到上述要求，进行了许多研究开发。 IC反应器有上.下两个三相分离器，第一反应室三相分离器严格 意义上讲是不分离三相物质，不分离气体，仅分离液固体。IC反应器的第二反应器流态与UASB极为相似。一反应室的气液固分离器结构设计。 第一反应室气液固三相分离器通过挡板将气液固收集，气体和颗粒污泥受挡板的导流通过集气罩进入上升导流管，其中颗粒污泥受强大水流的作用（在上升管中流速大于0.5m/s）和气液一起流入反应器顶部的气液（固）分离器。部分液体（含少量颗粒污泥）通过上下导流板进入分离器上部的沉淀区，在该区域所受水流影响较小，颗粒沉降从回流缝回到反应区域，废水则进入第二反应室处理。 图6-5为第一反应室三相分离器设计示意图。图6-6为第一反应室三相分离器俯视图。（6） IC反应器第一反应室的气液固分离几何尺寸沉淀区设计 三相分离器沉淀区固液分离是靠重力沉淀达到的，其设计的方法与普通二沉池设计相似，主要考虑沉淀面积和水深两相因素。一般情况下沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积；沉淀区的表面负荷率的大小与需要去除的污泥颗粒重力沉降速度vs数值相等，但方向相反。据报道，颗粒污泥沉降速度一般在100m/h以上，沉降速度50m/h的颗粒污泥被认为沉降性能良好。颗粒在水中的沉降速度常用Stokes 公式计算。颗粒污泥沉降性能的好坏主要取决于颗粒的有效直径和密度。处于自由沉降状态的污泥的自由沉降速度可用公式（6-2）计算。根据Stokes：vs式中 颗粒污泥沉降速度，cm/s或36m/h 颗粒污泥密度，g/cm3 清水密度，g/cm3 颗粒直径。cm 重力加速度，981cm/s2 水的粘滞系数，g/(cm.s) 水的运动粘滞系数，cm2/s 水温， 上式可求出不同粒径颗粒污泥在清水中的自由沉降速度，并以它近似地代表颗粒污泥的实际自由沉降速度。 设温度为35，则水的运动粘滞系数为： = =0.0071(cm2/s)IC反应器由于升流速度较大，细小颗粒容易被冲刷而使反应器内细小颗粒的比例减小，因此颗粒污泥的粒径较粗。平均直径在1.02.0mm,最大颗粒直径为3.143.57mm；颗粒密度为1.041.06g/cm3。 清水密度近似取1g/cm3,则=0.0071g/(cms)；颗粒污泥密度取1.05g/cm3，一般IC反应器中颗粒直径大于0.1cm,算得沉降速度vs:vs= 三相分离器单元结构结构示意图见图6-7。三相分离器中物质流态示意图见图6-8，图中v1为上升液流流速，vs为气泡上升速度。 计算B-B间的负荷可以确定相邻两上挡板间的距离。三相分离器平面上共有10个气固液分离单元，中部被集气罩分隔（如图6-5，图6-6所示）。B-B间水流上升速度一般小于20m/h(1.0mm直径的颗粒污泥沉降速度在100m/h以上)，则B-B间总面积S为：S12.7m2式中Q为IC反应器循环泵的流量。S=,则=0.45m,即相邻两上挡板间的间距为450mm。两相邻下挡板间的间距b2200mm；上下挡板间回流缝b3150mm，板间缝隙液流速度为30m/h；气封与下挡板间的距离b4100mm；两下挡板间距离（CC）b5400mm，板间液流速度大于25m/h。沉淀区斜壁角度与分离器高度设计 三相分离器沉淀区斜壁倾斜角度选50（一般4560之间），上挡板三角顶与集气罩相距300mm。设计IC反应器=0.85m, =0.7m。气液分离的设计 欲达到较好的气液分离效果，气罩需与下挡板有一定的重叠。重叠的水平距离（C的投影）越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离的效果影响越小。所以重叠量的大小是决定气液分离效果好坏的关键所在，重叠量一般为1020cm。根据以上计算，上下三角形集气罩在反应器内的位置已经确定。对已确定的三相分离器的构造进行气，液分离条件的校核。如图6-8所示，当混合液上升至A点后，气泡随液体以速度v1沿斜面上升，同时，气泡受浮力的作用有垂直上升的速度vg,所以气泡将沿着v1和vg合成速度v合的方向运动。要使气泡不随回流缝液体流向沉淀区，vg+v1的合成速度（v合）必须大于回流缝中液体流速v回流（30m/h）。图6-9是气泡在下挡板边缘流态示意图。气泡上升流速v1的大小与其直径.大小.水温液体和气体的密度.液体的粘滞系数等因素有关。当气泡直径很小（d0.1mm）时围绕气泡的水流呈层流状态，ReHRT，从而提高了反应器内污泥浓度，但是反应器的传质过程并不理想。要改善传质效果，最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态，使原本SRTHRT向SRT=HRT方向转变，污泥过量流失，处理效果变差。3 IC反应器工作原理及技术优点3.1 IC反应器工作原理 IC反应器基本构造如图1所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。 混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。 第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。 气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。 第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。 沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。 从IC反应器工作原理中可见，反应器通过2层三相分离器来实现SRTHRT，获得高污泥浓度；通过大量沼气和内循环的剧烈扰动，使泥水充分接触，获得良好的传质效果。3.2 IC工艺技术优点 IC反应器的构造及其工作原理决定了其在控制厌氧处理影响因素方面比其它反应器更具有优势。 （1）容积负荷高：IC反应器内污泥浓度高，微生物量大，且存在内循环，传质效果好，进水有机负荷可超过普通厌氧反应器的3倍以上。 （2）节省投资和占地面积：IC反应器容积负荷率高出普通UASB反应器3倍左右，其体积相当于普通反应器的1/41/3左右，大大降低了反应器的基建投资。而且IC反应器高径比很大（一般为48），所以占地面积特别省，非常适合用地紧张的工矿企业。 （3）抗冲击负荷能力强：处理低浓度废水（COD=20003000mg/L）时，反应器内循环流量可达进水量的23倍；处理高浓度废水（COD=1000015000mg/L）时，内循环流量可达进水量的1020倍。大量的循环水和进水充分混合，使原水中的有害物质得到充分稀释，大大降低了毒物对厌氧消化过程的影响。 （4）抗低温能力强：温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响。IC反应器由于含有大量的微生物，温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重。通常IC反应器厌氧消化可在常温条件（2025 ）下进行，这样减少了消化保温的困难，节省了能量。 （5）具有缓冲pH的能力：内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流，可利用COD转化的碱度，对pH起缓冲作用，使反应器内pH保持最佳状态，同时还可减少进水的投碱量。 （6）内部自动循环，不必外加动力：普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的，而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗。 （7）出水稳定性好：利用二级UASB串联分级厌氧处理，可以补偿厌氧过程中Ks高产生的不利影响。Van Lier在1994年证明，反应器分级会降低出水VFA浓度，延长生物停留时间，使反应进行稳定。 （8）启动周期短：IC反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC反应器启动周期一般为12个月，而普通UASB启动周期长达46个月。 （9）沼气利用价值高：反应器产生的生物气纯度高，CH4为7080，CO2为2030，其它有机物为15，可作为燃料加以利用。4 IC处理技术应用现状及发展前景 IC处理技术从问世以来已成功应用于土豆加工、菊苣加工、啤酒、柠檬酸和造纸等废水处理中。1985年荷兰首次应用IC反应器处理土豆加工废水，容积负荷（以COD计）高达3550kg/(m3d)，停留时间46 h；而处理同类废水的UASB反应器容积负荷仅有1015 kg/(m3d)，停留时间长达十几到几十个小时。 在啤酒废水处理工艺中，IC技术应用得较多，目前我国已有3家啤酒厂引进了此工艺。从运行结果看，IC工艺容积负荷（以COD计）可达1530 kg/(m3d)，停留时间24.2 h，COD去除率COD75；而UASB反应器容积负荷仅有47 kg/(m3d)，停留时间近10 h。 对于处理高浓度和高盐度的有机废水，IC反应器也有成功的经验。位于荷兰Roosendaal的一家菊苣加工厂的废水，COD约7900mg/L，SO42为250mg/L，Cl为4200mg/L。采用22m高、1100m3容积的IC反应器，容积负荷（以COD计）达31 kg/(m3d)，COD80，平均停留时间仅6.1 h。 我国无锡罗氏中亚柠檬有限公司的IC厌氧处理系统自1998年12月运行以来一直都很稳定，进水COD一般在8000mg/L以上，pH5.0左右，容积负荷（以COD计）可达30 kg/(m3d)，出水COD基本在2000mg/L以下，且每千克COD产沼气0.42m310。1996年IC反应器首次应用于纸浆造纸行业，并迅速获得客户欢迎，至今全世界造纸行业已建造IC反应器23个。 表1列出了IC反应器和UASB反应器处理典型废水的对照结果，从表中数据可以看出，IC反应器在很大程度上解决了UASB的不足，大大提高了反应器单位容积的处理容量。表1 IC反应器与UASB反应器处理相同废水的对比结果1对比指标反应器类型ICUASB啤酒废水土豆加工废水啤酒废水土豆加工废水反应器体积（m3）6162100140021700反应器高度（m）20156.45.5水力停留时间（h）2.14.0630容积负荷kg/(m3d)24486.810进水COD（mg/L）200060008000170012000COD（）80858095 随着生产的发展，经济高效、节能省地的厌氧反应器越来越受到水处理工作者的青睐。IC反应器的一系列技术优点及其工程成功实践，是现代厌氧反应器的一个突破，值得进一步研究开发。而且由于反应器容积小，生产、运输、安装和维修都十分方便，产业化前景也很乐观。5 IC反应器存在的几个问题 COD容积负荷大幅度提高，使IC反应器具备很高的处理容量，同时也带来了不少新的问题： （1）从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。 （2）发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等，该类细菌水解过程相当缓慢13。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果。 （3）在厌氧反应中，有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低13。因此，IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低些。 （4）缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种2，增加了工程造价。 上述问题有待在对IC厌氧处理技术内部规律进行更深入探讨的基础上，结合工程实践加以克服，使这一新技术更加完善。厌氧颗粒污泥的培养注意事项首先要有接种污泥，如果是已经颗粒污泥，只需培养驯化一下就可以了；如果采用活性污泥的话就比较麻烦。必须注意以下几点：1营养元素和微量元素在当废水中N、P等营养元素不足时，不易于形成颗粒，对于已经形成的颗粒污泥会发生细胞自溶，导致颗粒破碎，因此要适当加以补充。N源不足时，可添加氮肥、含氮量高的粪便、氨基酸渣及剩余活性污泥等；P源不足时，可适当投加磷肥。铁、镍、钴和锰等微量元素是产甲烷辅酶重要的组成部分，适量补充可以增加所有种群单位质量微生物中活细胞的浓度以及它们的酶活性。2选择压通常将水力负荷率和产气负荷率两者作用的总和称为系统的选择压。选择压对污泥床产生沿水流方向的搅拌作用和水力筛选作用，是UASB等一系列无载体厌氧反应器形成颗粒污泥的必要条件。高选择压条件下，水力筛选作用能将微小的颗粒污泥与絮体污泥分开，污泥床底聚集比较大的颗粒污泥，而比重较小的絮体污泥则进入悬浮层区，或被淘汰出反应器。定向搅拌作用产生的剪切力使颗粒产生不规则的旋转运动，有利于丝状微生物的相互缠绕，为颗粒的形成创造一个外部条件。低选择压条件下，主要是分散微生物的生长，这将产生膨胀型污泥。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。液体上升流速在2.53.0m/d之间内，最有利于UASB反应器内污泥的颗粒化。3有机负荷率和污泥负荷率可降解的有机物为微生物提供充足的碳源和能源，是微生物增长的物质基础。在微生物关键性的形成阶段，应尽量避免进水的有机负荷率剧烈变化。实验研究表明，由絮状污泥作为种泥的初次启动时，有机负荷率在0.20.4 kgCOD/(kgVSS;d)和污泥负荷率在0.10.25kgCOD/(kgVSS;d)时，有利于颗粒污泥的形成。4 碱度碱度对污泥颗粒化的影响表现在两方面：一是对颗粒化进程的影响；二是对颗粒污泥活性的影响。后者主要表现在通过调节pH值(即通过碱度的缓冲作用使pH值变化较小)使得产甲烷菌呈不同的生长活性，前者主要表现在对污泥颗粒分布及颗粒化速度的影响。在一定的碱度范围内，进水碱度高的反应器污泥颗粒化速度快，但颗粒污泥的产甲烷活性低；进水碱度低的反应器其污泥颗粒化速度慢，但颗粒污泥的产甲烷活性高。因此，在污泥颗粒化过程中进水碱度可以适当偏高(这主要是因为此时产甲烷菌会受到严重抑制)以加速污泥的颗粒化，使反应器快速启动；而在颗粒化过程基本结束时，进水碱度应适当偏低以提高颗粒污泥的产甲烷活性。5接种污泥颗粒污泥形成的快慢很大程度上决定于接种污泥的数量和性质1。根据Lettinga的经验，中温型UASB反应器的污泥接种量需稠密型污泥1215kgVSS/m3或稀薄型污泥6 kgVSS/m。高温型UASB反应器最佳接种量在615kgVSS/m3。过低的接种污泥量会造成初始的污泥负荷过高，污泥量的迅速增长会使反应器内各种群数量不平衡，降低运行的稳定性，一旦控制不当便会造成反应器的酸化。较多的接种菌液可大大缩短启动所需的时间，但过多的接种污泥量没有必要。一般说来，用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的，但在没有同类型污泥时。不同的厌氧污泥同样对反应器的启动具有一定的影响，没有处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥时，厌氧消化污泥或粪便可优先考虑。6温度温度对于UASB的启动与保持系统的稳定性具有重要的影响。UASB反应器在常温(25)，中温(3341)和高温(55)下均能顺利启动，并形成颗粒污泥。但绝大多数UASB启动过程的研究都是在中温条件下进行的，也有少数低温启动的报道。另外，不同种群产甲烷菌对生长的温度范围，均有严格要求。因此，需要对厌氧反应的介质保持恒温。不论何种原因导致反应温度的短期突变，对厌氧发酵过程均有明显的影响。2 加速污泥颗粒化的方法1 投加无机絮凝剂或高聚