UASB反应器结构与性能的研究陈坚

生物工程学报7(2):171一179,2901Chi一艺eseJour此alofBiotee入no了09夕UASB反应器结构与性能的研究陈坚伦世仪杨虹杨志军(无锡轻工业学院发降工程系,无锡)借助于刺激响应实验,发现本中试规模(15m3)UASB的布水系统能保证反应器起动佑订3.8m2有一个布水点就可使基质分布均匀;实验验证反应器的床部和层部可分别用两个完全混合流描述,而沉降区则近似于多级串联混合流,并且在床部存在沟流(12.2%)F和死I人(7.3%V,),层一床之间存在着反向流(3。。%)F;三相分离器的分离功能主要山两个记环流和沉降区的作用来完成,其内部污泥的分布与分离模型相一致,分离效率在实验的有机负荷范围内保持在80%一90%。关扭词UASB反应器,厌氧废水处理;布水系统,流动禅型0O,△OO70年代以来,国外开发了上流式厌氧污泥层(简称UASB)反应器,它是废水高速厌氧处理工艺中最典型的一种。它能滞留高浓度活性生物量,同时又不需要污泥沉淀分离、辅助脱气、机械搅拌、回流污泥和流出液的装置和相应的能耗,因而已得到广泛应用“一3,。UASB反应器的特点之一在于它的床-层系统〔们。床部由密度较大和沉降性能优良的活性污泥构成,其污泥浓度可达50一100kgSS加“。位于床部之上的层部主要是由于床部产生的气体上升冲击的结果,其污泥浓度一般小于20kgs乏万m3。UASB的另一个特点是在其顶部设有一个器内分离装置「`’,能高效地分离气(沼气)一固(污泥,即生物量)一液(废水)。通过层部上升的气一固一液在三相分离器作用下,气体通过气室导出,污泥返回悬浮层,而被处理的废水则从反应器顶部溢出。图1为UASB反应器示意图。尽管近10年来国内已有少量UASB装置投入生产,一些单位也曾进行过UASB反应器处理各利`废水的中试研毛乞今;//丁//产,//Z洲///\/尸/\//图xUASB反!以器示意图F19.2UASBreae至orsehemat、e沽I]y1.污泥层5Iudgeblanket2.污泥床Sludgebed3.进水Influent4.出水Efflz一ent5.气体Gas究〔6一吕’,但由于缺乏对反应器结构与性能的研究,大型装置的设计停留在依靠经验数据的水平上。木研究着玉于一种对UASB反应器结构与性能的实验方法的完善,并在15m“UASB反应器中进行了验证,以期为试验型UASB反应器的结构评价、改良和比拟放大提供参断。本文j;一。s。年a月了日仪jJ。DOI:10.13345/j.cjb.1991.02.017对含生物工程学报7卷研究方法(一)布水系统性能图2为实验采用的UASB反应器底部布水系统示意图。本实验分别在起动初期和起动结束后,采用不同数目的进水点,根据示踪试验中的F曲线法’。’,进行了两次布水均匀性的测试。在反应器不同高度测定示踪剂(CI一)浓度的径向分布,得到示踪剂浓度(C)与时间(t)的相关曲线。表1为实验时反应器取样口的设置情况及两次实验时反应器的过程条件。(二)反应器内流体流动挑型1.模型的建立:可以用R:、R:、R:分别代表反应器中的床部、层部和三图2UASB反应吕布水系统示盘图F19.1Theinfluentdistributions了stemoft五eUASBeraetor一进水Influent2.支管BranehPIPe3.总管Influe公tpipe衰1Table1Loeati皿5ofthesample水分布系intsand分布系统实脸取样点设t和过程条件proee3seonditionsininfluentdistributionexperiment进oP厅,d)/欢一妇俩蕊ēó州工ó卜0丫ó3ù月,Jn一,一5油组飞g一刁币)lk一.飞、砂n卜卜ell)胡川ù洲U八冲名月从口诵石卜卜场如.盆e刃r刃门」二、厅且a取样点SamP.Points高度Height(mm)擂入深度DePt五(mm)实验次数ExPt.No.进水点InfluentPoints产气量Gasprod.(m3/h)52一556一930016703001100,O200一600RiR20.250.75等犷…::相分离器的沉降区。在反应器稳态运行时,由于污泥的沉降和顶部三相分离器的作用使得床一层之间和分离器一污泥层之间存在着污泥的回流。反应器内部气一液一固的流向及分布如图3a()所示。本中试UASB反应器刚完成启动时,其R:部分的高径比值远小于1.0。由于进水分布均匀,所产生的沼气不但使R:也使R:内的气一液一固三相体系获得较充分的混合。因而可以认为R:及RZ内的流体流态分别接近于全混流。由于沼气泡大量生成上升,可以设想有少量液体被诱导上升而未被菌体充分作用,故在模型中导入沟流F*,F*是相当于未被菌体作用的基质流量。布水点过少、进水流速过快也会产生类似的效果。R,是稠厚的污泥床或颗粒污泥床,特别在布水不均匀的情况下将有明显的死区,死区以犷`:表示。理想的三相分离器应能避免污泥进入三相分离器的沉降区,这样可以认为R3中的流体流型接近活塞流。实际上往往有污泥进入并沉集在沉降区内,可以设想,随着进入污泥的多少以及水中可降解有机物浓度的高低,则可能不同程度地偏离活塞流。在这种情况下可视为多级串联全泥流模型,其模型参数串联全混流釜级数入可用示踪法测求。2期陈{坚等:uAsB反应器结构与性能的研究综合R,、RZ、R:中不同的流型,可得到描述木中试UASB反应器流体流动动力学状态模型(图3(b))。,,弓一III}}}{}}}!!!!!JJJ{{{lllllllllllllllll!!!}}}}}}}}}}!!!!!!!lll.........··{{{州州VZZZCCC222FFFZ---\\\尹111一一召一一CCCrrr8,3=V,I/F·;(7)由上述方程组经数学处理可得到C:(t)、CZ(t)、Ce(t)。2。参数的确定:根据模型应与反应器中实际工作状态相一致的原则,确定模型中参数厂:、犷:、犷。、V`:、FZ:、F.。测定反应器中污泥纵向分布,确定h:、hZ,根据:犷飞二”!x于`(8,厂、=”Zx一了“2(”,厂〕一Vd、L响JF19(a)反应器中三相流动及分布模型(b)不同区域流体流态模型(a)Threepilaseflowanddistribution口odol(b)Fluidflowpatternm;)dol1nL:液体Li`一uidG:differentregions厂,a=厂,一厂,l一犷、(10)将代、V飞、犷飞分别作为犷:、厂:、犷3的最佳估计值。测定反应器中COD去除率的纵向分布,确定E:、EZ、E:、E,根据COD去除率与气体产量的对应关系,下式成立:E,/E二G:/G(11)由于F:;的产生是R:中气体上升要求液体填充的结果,因此尸2,与G成正比,有:气体GasS:固体SolidRi:污泥床SludgebodRZ:污泥悬浮层SludgeblanketR。:沉降器Settler一.~.E,~厂,:=左、行1=伦tweee,二二~一行气1艺)乙对模型进行质量衡算可以得到:C一妇d一犷=尸oC。+F:一CZ一F,ZC;(1)(12)式给出了F:,的估值。理论上F*的数值可在O一F之间,但F:的存在将是R:产气的重要原因之一,在假设F。中基质在R,中、F*中基质在R:中完全降解的条件下,可以得到:二F*C。+F一ZC。Có妇`盛子一`tù犷:(13)一F:IC:一FCZF。=F一FkF,:二FZ:+F。厂,=U:+犷2十厂3+犷`;Ce{t/:+0*3=C。It/下(2)(3)(4)(5)(6)。E.。厂杏=--;下;~一厂力(13)式算出的F*比实际值偏大,为F,的最大估值。3.实验方法和数据处理:采用示踪试验的阶梯输入法。示踪剂为LICI,主要甘4生物工程学报7卷是考虑Li十不易被污泥吸附并且测定简便和准确度高〔’。’。数据处理用自编Basic程序,IBM-PC241一1型计算机。通过对厂,、厂2、犷3、F::、F.的试差,得到与实测值最吻合的示踪剂浓度与时间的相关曲线,从而最终确定了流动模型。(三)三相分离器1.分离模型(见图4):部分附着有气泡的污泥在上升过程中由于折流板a的偏挡,气泡与污泥脱离进入气室,污泥则由本身的沉降作用而返回RZ中;大部分液体、固体和少量气体由狭道c进入,由于污泥回流区中高污泥浓度和少量气泡使得在此区内和区外流体形成密度差,从而产生循环流①②,这个循环流有助于污泥的回流和避开沉降区,并且在位置上将液体上升和污泥回流的途径加以分开,S:3、S,。和出水示踪剂的浓度以确定沉降区内的流体流型;通过测定S:、S:.处示踪剂浓度以确定小循环流是否存在。习一图5三相分离器取样口示意图F19.5Loeationsofs盆mplepointsinseparator1.沉降区SettleeomPartment2.气室Gaseolleetor3.污泥回流区Slodgeeireulationrgeion2.分离效率和污泥分布:所谓三相分离器的分离效率是针对进出分离器的水中所含的悬浮固形物而言的,其定义式如下:分离效率`1E:=1一出水中悬浮固体XeR:中悬浮固体X:图4分离模型示意图F19.`Thediagramoftheseparatemodel三相分离器底部b挡板处存在第三个小循环流③,加强了污泥的回流;少量污泥随液体流入沉降区,由于区内流体上流速度很慢,污泥在白身沉降作用下与液体再次分离。图5给出了确定分离模型试验时所采用的取样口位置。实验中通过比较取样口12和S;。处的示踪剂浓度随时间的变化曲线以确定①②循环流是否存在;通过分析实验中对不同有机负荷运行下的反应器,多次测定了分离效率和分离器内部污泥分布,以分析分离器结构和分离模型的合理性。(四)流程和分析1.试验流程和水质情况:图6为本试验采用的中试流程图,其中反应器容积15m,,直径2.2m,高4.om。试验中用的酒糟废水水质为:总COD与BOD。分别为24370mg/L和18578mg/L,总N与点P分别为1015.8mg/L和116mg/L,挥发酸537mg/L,碱度953.8mg/L,55为4.Og/L,pH为4。0一4。2。2.分析项目:COD、BODS、总N、总P、55、VSS、有机酸、pH均采用标2期陈坚等:UASB反应器结构与性能的研究助庄锐只PVJu为`l明I赢蕊]丫}。…邢611}!沸一下奸—翔上!}’“』_Sewagepl呷图6U人SB反应器处理回糟废水中试流程图F19.6Flows;hcetofthepilot一plantUASBsystem1.调节罐Adjustingtank2.缓冲罐Buffertank3,4,UASB反应器reaetor5.沉降罐Settlingtank6.水封Waterseal7.气水分离器G及s一waterseparator5.气表Gas:neter9.温度表Thermometer10.流量计Flow-moterl一液位计Liquid]evelmetcr22.泵Pump标准方法〔`”;示踪剂Cl一采用莫尔滴定法【`“’;示踪剂L亨采用原子吸收法。乡6,`拼户共舒结果和讨论少护好心了尹(一)布水系统性能的研究图7为第一次布水系统性能实验结果,其中C。为初始示踪剂浓度。由图7S2S`于朽牢昌夕1.52.0图F19.8口第二次布水系统性能实验结果只é今工:八以nU~J~,匕-.上---匕一一0.25(0.50.下51.0000.250.50.了51.00Resultsofinfluentdistributionexperiment26,7,8,9.取样口Sa也ploPoints-O。`n八.八éJ公图了第一次布水系统性能实验结果F19.7Resultsofinfluentdistribu士ion〔愁xPerimentlS,,SJ,S:,55,6,7,8,9取样点Samplepoints可见,在反应器不同高度的布水均匀性均比较令人满意,而且R,中的均匀程度要优于RZ。图8为第二次实验的结果,尽