UASB反应器三相分离器的设计方法胡纪萃

1。,2年8月中国沼气ChinaBiogas第10卷第3期5UASB反应器三相分离器的设计方法胡纪革(清华大学环境工程系,北京)摘要’气固液三相分离器是UASB反应器的重要构成部分。本文提出了一整套三相分离器的设计方法,提供了一些设计参数,并且介绍了三相分离器的设计实例。关键词:UASB反应器气固液三相分离器设计方法1前言升流式厌氧污泥层(UpflowA二aer。~biCSludgeBla二ket,简称UASB)反应器是荷兰学者Leittnga等在70年代初开发的〔,〕。由于UASB反应器能维持很高的生物量(污泥浓度可达50~1。。gVSS/L),很长的污泥龄(一般在30天以上),所以处理废水的效能很高。在中温(35℃)下,进水容积负荷率可达10、1skgCOD/m“·d,在常温(20℃)下,进水容积负荷率可达5~xokgCOD/m“·d,甚至在低温(10~15℃)下,进水容积负荷率也可达2~skgCOD/m“·d,因此,受到人们的极大关注。在国外,UASB反应器已被广泛地应用于处理甜菜制糖、土豆加工、淀粉加工、酒精、酵母、牛奶加工、罐头、屠宰和软饮料等COD浓度较高的工业废水的处理。近年来又被用来处理城市污水,有着良好的发展前景。在我国,UASB反应器的研究和应用也取得了较大的进展〔2〕。处理啤酒、制药、屠宰、酿造和柠檬酸等废水的UASB生产性装置已经投产或即将投产。国内外关于UASB反应器的设计方法的公开报道甚少,尚处在专利保密阶段,这是UASB反应器推广应用的一个障碍。三相分收稿日期:xo91一10一31离器是UASB反应器的重要构成部分,有关它的设计资料更少,本文试图对三相分离器的设计原理和方法作一详细介绍,供大家讨论和参考。2UASB反应器的构造特点为了设计三相分离器,了解一下UASB反应器的基本构造特点是必要的。图1代表一个UASB反应器构造原理示意图。由图1可知,UASB反应器的构造特点是集生物反应与气固液分离于一体的一种“一元化”厌氧反应器。废水由配水系统从反应器的底部进入,经气固液三相分离后进入沉淀区,最后处理过的水由出水槽排出。气固液分离后的气体(沼气)由气室收集,再由沼气管通幼幼厂厂少少△△宁合合气气封封///介六了了沱六系统图1UASB反应器构造原理图619日2年8月中国沼气第10卷第3期过水封罐后引向贮气柜,固体(污泥)由沉淀区经回流缝自动返回反应区,使反应区能维持很高的生物量。UASB反应器不设搅拌装置,上升的水流和沼气气流产生的扰动已可满足搅拌要求。因此,UASB反应器构造比较简单,便于操作运行。3三相分离器的构造形式三相分离器单元的基本构造如图2所示。不论三相分离器的形式多么不同,但其一定有三个主要功能和组成部分,即气液分离、固液分离及污泥回流三个功能,气封、沉淀区和污泥回流缝三个组成部分。由图2可知,虽然三相分离器的构造形式各不相同,但是必须同时满足构造的对称条件,使水、气、固流分布均匀,以保证整个反应器负荷的均衡和水流的稳定,防止短流等现象的发生。由图2(a)可知,虽然这种形式构造比较简单,但在回流缝内同时存在着上升和下降两股流体,·互相之间有一定摩擦,使污泥的回流不太通畅.图2(c)也有类似情况。图2(b)的构造形式虽然较前者复杂些,但污泥回流和水流上升各走其道,基本上互不千扰,污泥回流较通畅,泥水分离效果较好,气体分离效果也较好。沉淀区沉淀区气室沉淀区气室派歹回。喘.气封气封(a)(b)图2三相分离器的构造形式(e)4三相分离器的设计方法三相分离器的设计可分为三个内容:即沉淀区设计,回流缝设计和气液分离效果设计。本文以图2(c)为例来说明设计计算方法。图3为三相分离器设计计算断面的几何关系图。4.1沉淀区设计三相分离器沉淀区的设计方法与普通二沉池的设计方法相似〔3〕。主要考虑二个因素:即沉淀面积和水深。沉淀区的水平沉淀面积可根据处理的废水量和沉淀区的表面负荷率确定。由于沉淀区的厌氧污泥与出水中残余的有机物尚能起生化反应,在沉淀区仍有少量的沼气产生,对沉淀区的固液分离有些干扰,这种情况在处理高浓度有机废水时表现尤为严重,所以表面负荷率应采用得小一些,建议表面负荷率应1.om“/m“·h。三相分离器集气罩(气室)顶以上复盖的水深建议采用0.5、l.om。沉淀区斜面(或斗)的坡度建议采用55~60’。沉淀区斜面(或斗)的高建议采用0.5~l.om,沉淀区的总水深建议应》1.5m,保证水流在沉淀1992年8月胡纪萃UASB反应器三相分离器的设计方法区的停留时间约1.5~2.oh。如能满足上述条件,则沉淀区就可获得良好的固液分离效果。但是祝淀区的水深也不宜过大,否则反应区的深度和容积就会减少,不利于整个反应器处理效能的提高。下三角形集气罩之间污泥回流缝中混合液上升流速V,可用下式计算:v,一华(1nh/)O1(3)图3单元三相分离器几何尺寸关系式中Q—一反应器的设计废水量(m“/h);S,一下三角形集气罩回流缝的总面积(m“)。51可用下式表示:S,=b2Xl)(n(m“)(4)式中1一一反应器宽度,即三相分离器的长度(m);二—反应器三相分离器的单元数;其余符号同前。为了使回流缝的水流稳定,回流缝中水流的速度不能太高,以确保良好的气固液三相的分离效果,并使沉淀区沉降下来的污泥能迅速顺利地回流至反应区,建议V,Zm/il。上三角形集气罩与下三角形集气罩斜面之间回流缝的流速V:可用下式计算:!|l|/从.||-、ee`,l`厂、、l!4.2回流缝设计由图3可知,三相分离器由上下二组重叠的高度不同的三角形集气罩组成。当然二组三角形集气罩的尺寸也可相同。根据图3所示几何关系可得:bl=h:八90(1)式中b:—下三角形集气罩底的1/2宽度(m);h:—下三角形集气罩的垂直高度(m);e—下三角形集气罩斜坡的水平夹角,一般可采用55、60’,使沉积在斜坡上的污泥能顺利下滑。b:=b一Zb,(2)式中b:—两个相邻的下三角形集气罩之间的水平距离(m),即污泥回流缝的宽度:b-—单元三相分离器的宽度(1n)。讥一华(m/h)勺2(5)式中S:—上三角形集气罩回流缝的总面积(m“)。其余符一号同前。S:可用下式表示:S:=CXIXZn(。2)(6)式中C—上三角形集气罩回流缝的宽度(m),即为图3中的CE(C点至AB斜面之间的垂直距离),建议CE0.Zm。其余符号同前。为了保证良好的气固液分离效果和污泥的顺利回流,要求满足下列条件:V:V;2.om/h4.3气液分离的设计丫(、日3的儿何关系可知,欲达到气液分离目的,上下两纵三角形集气:罩的斜面必须81902年8月中国沼气第10卷第3期重叠。重叠的水平距离(AB的水平投影)越大,气体的分离效果越好,去除气泡的直径越小,对沉淀区固液分离效果的影响越小.所以重叠量的大小是决定气体分离效果好坏的主要关键,也将会影响沉淀区的固液分离效果。由图3可知,反应区的上升水流从下三角形集气罩之间的回流缝断面过渡到上三角形集气罩回流缝断面进入沉淀区,此过程的水流流态是十分复杂的。为了简化计算,可假定当混合液上升至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V`垂直上升,所以气泡的运动轨迹将沿着V、和Va合成速度的方向运动。根据速度合成的平行四边形法则,有(见图3):m名/d,经计算已确定反应器的有效高度为4.6m,有效长度为14.4m,有效宽度为7,艺m,反应器内水温为20℃,试设计三相分离器并确定其主要尺寸。解:本设计三相分离器的形式采用图3所示的形式,设计过程如下:5.1沉淀区的设计由图3可知,三相分离器沉淀区的面积即是反应器的水平面积,则沉淀区的表面负荷率为:130024X14.4X7.2=0.52m吕/mZ·h,兰`=些旦=』旦VaABAB(7)此值1.om”Zm’·h,满足要求。根据图3,三相分离器由上下二组三角形集气罩组成,为了保证良好的沉淀效果,取h:+il:,1.sm。要使气泡分离不进入沉淀区的必要条件是:V、、AD1BC、币言~户入百戈=入万一7(8)气泡垂直上升速度V、的大小与直径大小、水温、液体和气体的密度、废水的动力粘滞系数和运动粘滞系数等因素有关。当气泡的直径很小(do.lmm)时,围绕气泡的水流呈层流状态,Re1,此时,气泡的上升流速可用stocks公式计算〔`〕:v、二卫旦.(p:一p)d“(em/s)(。)18卜式中d—气泡直径(cm);p:—废水密度(g/em“);p—沼气密度(gc/m“);日—碰撞系数,可取0.95;件_废水的动力粘滞系数(gc/m·s);林二、p,(10)、—废水的运动粘滞系数(。m“/s)。5.2回流缝的设计取上下三角形集气罩斜面的水平斜角。二55’,下三角形集气罩高h:二1.2m,械据式(1),b:为:b:==1.2/1.425=0.s4m取单元三相分离器的宽度b二2.4m,根据式(2)可求得下三角形集气罩之间的回流缝宽度b:为:b:=2.4一2x0.84=0.72m下三角形集气罩之间回流缝的面积S:和流速V:可分别用式(4)和(3)计算:s:=0.72x7.2x垫2丛=314lm忍Vz130024X31.1二1.74m/h,Zm/h,满足要求.令上三角形集气罩回流缝的宽c=0.38m,根据式(6),回流缝的总面积S:为:三相分离器的设计实例己知UASB反应器的设计废水量为1300。八。_、,,。、,z。、,14.4、。’=”·吞匕入`·艺入、乙入万再)“汤乙·石Ju`-1992年8月由式(5)得:胡纪萃UASB反应器三相分离器的设计方法VZ一丽摆愉一一1.65m/h上述结果可满足V:V:2.om/五的要求.因为BC二e/sin35。=0.38/0.5736=0.“m,取AB~0.3m,上三角形集气罩的位置即可确定,其高h:为:b:h,=(ABcos55’+百)tg55’足,对三相分离器的尺寸要进行必要的调整.设沼气气泡的直径d~0.008cm,20℃时,净水的运动粘滞系数:一o.ololcm’/S,取废水密度p;二1.019/cm“,沼气的密度p=1.2只10一“g/em“,碰撞系数日=0,95。根据式(10)得:林=0.ozoxX1.01二0.01029/em·s由于废水的件一般大于净水,可取废水的卜=0.029/。m·s。根据式(9)可求得气泡的上升速度V。__。,.7.2、、,,,。。,=tU.乃入U.勺fJO卞-二一一j八1.任乙乙i艺=0.76m。取水深h:=0.74m,则可满足沉淀区水深等于1.sm的要求。计算到此,单元三相分离器构造的基本尺寸均已确定,如图4所示。240V、`0.95X98118X0.02(0.005)“(1.02一1.2只20一2)=0.167em/s=6.01m/h根据以上的计算结果有:BCAB0.660.3V`6.01弋二二~一二二二—二二二J。0Va1.65~,,。、,_一。~~。V、、BC二。、_、则上述的结果已满足告冬.书斧的要求。川一一H,~/`、~`内`一Va厂AB”,一’,一。该三相分离器可以脱除直径等于或大于0.008“m的沼气气泡。所确定的三相分离器构造尺寸可以达到良好的气固液三相分离效果。图4单元三相分离器构造尺寸(单位:cm)5.3沼气分离效果的校核确定三相分离器的基本尺寸后,还应校核沼气分离效果是否满足要求。如果不能满参考文献Lett呈nga,G.,etal.Biotee五nolog了andBioengineeri皿9.22:609~734,roso国家环境保护局科技处、清华大学环境工程系编.我国几种工业废水治理技术研究,第三分册.高浓度有机废水.北京:化学工业出版社,1988北京市市政设计院主编.给水排水设计手册,第5册,城市排水,P.23o,北京:中国建筑工业出版社,1986顾夏声等编著。水处理工程.P.83,清华大学出版社.1985十|到111仁l引J!未DesignProeeduresofGas一Solid一LiquidSeParatorfortheUASBReaetorHuJieui(D