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期年1991第l河南师范大学学报(自然科学御oJumalofHenanNo皿alUinver咸ty(Natu比1Seioce)1991拾1UASB处理石灰草浆黑液的流形分布()I杨玉杰侯杰刘兴旺胡兰群’(化学系)摘要本文用Kl作示踪剂.采用矩形脉冲示踪法测定了实验室规模的usAB反应器(有效容积27.5)L的流形分布,它表明UASB反应器可分为污泥床区、悬浮层区和三相分离区三部分.其中污泥床区和悬浮层区可用完全混和反应器描述;三相分离器可用管式反应器描述;污泥床区和悬浮层区通过废水流量和返混流量相连通.关键词:升流厌氧污泥层反应器(UAsB);矩形脉冲示踪;流形分布.近几年,由于世界范围的能源危机及有机污染的日益严重,厌氧消化技术又重新受到了重视.70年代,由荷兰人Lcttinga等开发的UASB反应器,对处理高浓度有机废水具有很高的效率川,对于石灰法草浆造纸黑液,也有很高的效率,实验室〔有效容积27.5)L体积负荷可达10一2k5gcoD/m’·d,coD去除率为75一85%.本文首先对uAsB反应器处理石灰法草浆造纸黑液渐乡市郊区牧村纸厂)的污泥分布及流形分布进行了研究,为后续的动力学模型和动态模型的建立奠定了基础.众所周知,UASB反应器的关键在于反应器上部的三相分离器对气、泥、废水的分离性能,而分离性能除与设计及污泥特性有关外,跟操作条件也有很大关系.通常,我们尽可能使反应器中污泥浓度维持较高的数值,但这时分离器中可能已经超负荷运转,致使污泥回流相对不足,污泥被大量冲刷出反应器,反应器污泥量减少,污泥浓度降低,污泥负荷却在变大,以致于造成恶性循环,致使反应器破坏;又因为产甲烷细菌的繁殖速度很慢,补偿污泥的损失,需要很长的时间.为了更好地设计、建造和操作UAsB反应器,必须定量地知道UASB的流形分布及污泥分布特性.1污泥分布特性Ll流程如图1,造纸黑液在贮槽1中由输液泵(1一SL/h可调)经预加热器3、4加热到”℃,由UASB下部进人反应器中,反应器放在35℃恒温箱中.产生的沼气由三相分离器分离后,经由水封8,用流量计计量后排空处理后的废水由反应器上部排出.LZ实验条件及污泥分布在流量Q=2.5L/h,进水浓度s。=.9g2COD/L,产气量Qg=10.08L/h(35℃,以下同)的情况下,测定了反应器污泥浓度ss和COD残留率沿高度的变化,如图2.2流形分布升流厌氧污泥层反应器的流形分布,国内外文献`--24〕作了介绍,测定时用P同位文稿收到日期:l”0-习2一19。我校朋属环保专业毕业生.DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.1991.01.009第1期杨玉杰等:UAsB处理石灰草浆黑液的流形分布仍预加热器预加热器UASB三相分离器二相分离器水封咄水口}}}、、88888图IUS^B处理造纸黑液流程素或iL炸示踪剂,阶跃切换法测定.建立的模型有扩散模型,多级申连模型及申连返混模型.本文选用Ies作示踪荆,采用矩形脉冲示除法,侧定简便、精确,又能节约大量示踪剂,是比较理想的方法.11矩落脉冲示踪原理如图3所示的矩形脉冲x(t)可以看作是两个幅值相等`方向相反的阶跃作用Xl(t)和x,(t)的代数和,它们之间的相位差八:就是脉冲宽度,用数学式表示为:口白一.,`J~`f若,叹I)口才Ut八rX(t)“嘴_______________rl、tX.(t)+X,(t)二X,(I)一X.(t一八了)二ot)△了三舀.`为此,矩形脉冲响应曲线y(t)可以看作是阶跃作用xl(t)、x2(t)所引起的阶跃响应曲线Y;(t)和叽(t)的代数和:X:(t)Y:(t)+YZ(t)0t八t二Y、(t)一Y:(t一▲t)=ot》▲r(2)r.J、.t一一、刀夕户`盆`.Y(2)式表明,当0t△:时YI(t)和Y(t)相同;当t▲T时,Yl(t)二Y(t)+Yl(t一△r)(3)即阶跃响应曲线YI(t)等于当时的矩形脉冲响应曲线Y(t)加山以前的阶跃响应曲线Y;(什△)T,随着时间的推移,就可由矩形脉冲响应曲线Y(t)求得完整的阶跃脉冲响应曲线YI(t)..22实验方法及数据处理用含Kl的黑液(Kl浓度为39/L,s。=.92gCOD/)L在流量Q=2.5L/h的条件下突然切换不含Kl的黑液,1小时后改进不含Kl的黑液,并且每隔1小时,侧定出水中r的浓度(用吸光度表示),一共测了十六组数据.利用上面的方法进行数据处理,得出UASB流形分布(见表l、图4).42河南师范大学学报(白然科学版)1991年属勿SSCOD兰兰剑剑多吕①55(g/)LO加40印80】l月COD残留率(%)ǎ日。ó月圈2时间向COD与SS沿离度h的分布圈3矩形脉冲及其对应的响应曲线表1示踪荆浓度和时间的关系01234,678,101112131415160.0300.026B./6·870.0310.0270.025弓/:c0.0()70.麟`0.0790.0科0.0兄0.0360.0000.0230.0760.0710.0,50.0430.0()70.0760.2310.3肠0.4710.5500.0000.0300.1,20.3020.4210一,140.6110.6640.5810.6380.689表中端代表进水腆离子浓度;碑代表出水碘离子浓度.示踪荆吸光值为`.盯.l①矩阵脉冲响应曲线⑧阶跃响应曲线Q,口ǎ6:0000甘\甘0.30.2024681012t间①1416图4U^S日流行分布.23流行分布模型由污泥的分布曲线(图2)可知,UASB反应器可分为下部的高浓度的污泥床区(污泥浓度55=70一1209/)L;中部的悬浮层区s(s=10一309/)L;及上部的三相分离器澄清区第l期杨玉杰等:UASB处理石灰草浆黑液的流形分布ms(s109/L).由于沼气的搅拌作用,污泥床区和悬浮层区为完全混合反应器;澄清区由于没有沼气影响,且ss较小,产气甚微,可以忽略,所以用推流式反应器来描述,它只起纯滞后作用,不产生沼气和进行有机质降解(3).图5UASB流行分布模擞污泥床区产生的沼气G。,.把一部分废水从污泥床区提升到悬浮层区,其流量一.lOG。【3,,即沼气提升的水量等于当时条件下的产气量.同时,为了流量平衡,从悬浮层区又返回到污泥床一部分废水,其流量Q,~_“~__.10U,一g。一’·U行。一U百·叮。`下不丙不不蔽PJ=Qlb·(4)乌:lNJ已知产气系数亡=0.42L/去除19c0Dh+h_=l.29m代人(4、一P’一了一’一一一’、`,、”Q。,一Q声一0·372Qs.粉。一0·372Q(s。一s。)对图5中各反应器进行示踪浓度衡算,(5)`、.声、万夕ù07ù了`、了.、犷。dC。dtdC,]y`I二Q(c。一c。)一Q。,c一+Q户cr一。(c。一c,)+Q。,c。一Q,c,又知,。一.060F。一.85L联立(5),(6),(7)式犷,=19.00二2.5LJ~}C`d(二二)/dt公C.C,二0.2941一0.8980〔长井)+0.6040`二声)一`一’CC,C.d(扩)/J`一”·40’“(扩OOC,J(8)一分)`用龙格一库塔法解方程组(8)(初始条件t=0,c。=.0c了二0)得出曲线,由于澄清区的纯滞后作用,把Cf/C厂t曲线向右平移:p=1.2h,线.由图6,可见计算值和实验值是比较接近的.c。/c了一t关系即得理论分布曲3结论11用矩形脉冲示踪法测定UASB流形分布方便可行,既能保证精度,又能节约大量示44河南师范大学学掀自然科学肋1991年踪剂;l~测定精确、简便,且I一对厌氧菌又无毒害作用,可以使用.12采用申连、返混模型描述UASB反应器流形是可以的.且和实验值误差较小.计算值实验值刀.600.05.04..0203.01th()02468101214161820图`流形分布的计算值和实验值比较本文所用符号及其含意:Q一流量(L/h);Cee示踪物浓度;s一废水浓度(gCOD/)L;---B吸光值;叮一基质去除率;G一产气速率(L/h);Hh()一高度m(;)二停留时间(h);--t时间(h);心一产气系数(L/去除gCOD.)下标及上标含意:b一污泥床;b卜污泥床到悬浮区;p一三相分离器;I一碘离子;卜悬浮层;几一悬浮区到污泥床;g一沼气;。一进水.参考文献1LETTINGAG.Biotech及Bioeng.1980,22:699一342隋军.厌氧处理机理及设备的研究.哈尔滨建筑工程学院硕士论文.19843VanderMeer.Biotceh&Bioeng.1982,24:443一4594VandcrMeer.Biotech&Bi此ng:1978,20:1577,15945VanderMecr.Biote比泣Bioeng,1983,25:2531一5566VanderMeer.Biotech色Biocng.1982,24:1975一1989THEFLU】DFLOWPATERNOFUASBREACTORFORTREATMENTOFLIMESTRAWBLACKLIQUORYangYo介HouJicL沁XingwangHuLanqun旧七partmentofch。而styr,HenanNormalUniversity)ABSTRACTBymeansofrcctangularPulesersPonseexPeirmontswithartareer,adeseirPtionofthefluidflowinalaboratoyrcsaleUASBreaetor(about27.5liters)ucsdfort比amtentofilmestrawblaekilquor,wasdCivred.haP沐aerdhtarhtesldugebCdandtheslud罗blancktcoudlbedecsirbdeasPercfetlym认eder-igons;htefluidifowintheTherePhas-eseParatoreould忱decsribedasPlugflow.Thebodandblanket比gionsweerintereon讹etedbyfluidflowandbaekm该sterem.K灯wo心:`upnowAnaeorbiesludgeB一anketRoactor;erctaogularpules;nuidnow.