升流式厌氧污泥床反应器资料

3.2升流式厌氧污泥层反应器（UASB）一、升流式厌氧污泥层反应器的特征及构造1.特征升流式厌氧污泥层(UpflowAnaerobicSludgeBlanket，简称UASB)反应器是荷兰学者莱廷格(Lettinga)等人在70年代初开发的，在国外，目前己广泛用于高浓度有机废水处理，规模较大的容积达5500m3，每天可产沼气2000m3，COD去除率达85%。1980年代，北京市环境保护研究所、清华大学、哈尔滨建筑工业大学开展了UASB的研究，目前在我国工业废水处理中已得到广泛应用。UASB反应器工作原理如图所示。1.特征UASB反应器的工艺特征是在反应器的上部设置气、固、液三相分离器，下部为污泥悬浮层区和污泥床区，废水从反应器底部流入，向上升流至反应器顶部流出，由于混合液在沉淀区进行固液分离，污泥可自行回流到污泥床区，这使污泥床区可保持很高的污泥浓度。UASB反应器还具有一个很大特点是能在反应器内实现污泥颗粒化，颗粒污泥的粒径一般为0.l-0.2cm，比重为1.04-1.08，具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。污泥颗粒化后,反应器内污泥的平均浓度可达50gVSS/L左右，污泥龄一般在30天以上，而反应器的水力停留时间比较短，所以UASB反应器具有很高的容积负荷，在中温发酵条件下，一般可达10kgCOD/（m3·d）左右，甚至能够高达15~40kgCOD/（m3·d）。UASB反应器不仅适于处理高、中等浓度的有机废水，也适用于处理如城市废水这样的低浓度有机废水。1.特征UASB反应器的构造特点(见图3-19-22)是集生物反应与沉淀于一体，结构紧凑。废水由配水系统从反应器底部进入，通过反应区经气、固、液三相分离器后进入沉淀区。气、固、液分离后，沼气由气室收集，再由沼气管流向沼气柜。固体(污泥)由沉淀区沉淀后自行返回反应区，沉淀后的处理水从出水槽排出，勿需设沉淀池和污泥回流装置。UASB反应器内不设搅拌设备，上升水流和沼气产生的气流足可满足搅拌要求。UASB反应器的构造简单，便于操作运行。2.构造反应器主要由下列几部分组成1)进水配水系统，其主要功能是：①将进入反应器的原废水均匀地分配到反应器整个横断面；并均匀上升；②起到水力搅拌的作用。这都是反应器高效运行的关键环节。2)反应区，是升流式厌氧污泥床的主要部位，包括颗粒污泥区和悬浮污泥区。在反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好凝聚和沉淀性能的污泥在池底部形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。2.构造3)三相分离器，由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是将气体(沼气)、固体(污泥)和液体(废水)等三相进行分离。沼气进入气室，污泥在沉淀区进行沉淀，并经回流缝回流到反应区。经沉淀澄清后的废水作为处理水排出反应器。三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果。4)气室，也称集气罩，其功能是收集产生的沼气，并将其导出气室送往沼气柜。5)处理水排出系统，功能是将沉淀区水面上的处理水，均匀地加以收集，并将其排出反应器。此外，在反应器内根据需要还要设置排泥系统和浮渣清除系统。UASB反应器构造分类开敞式UASB反应器封闭式UASB反应器UASB反应器的断面形状一般为圆形或矩形。反应器常为钢结构或钢筋混凝土结构。当采用钢结构时，常采用圆形断面，当采用钢筋混凝土结构时，则常用矩形断面。由于三相分离器构造要求，采用矩形断面便于设计和施工。UASB反应器处理废水一般不加热，利用废水本身的水温。如果需要加热提高反应的温度，则采用与对消化池加热相同的方法。但反应器一般都采用保温措施，方法同消化池。反应器必须采取防腐蚀措施。其特点是反应器的顶部不加密封，出水水面是开放的，或加一层不密封的盖板，这种UASB反应器主要适用于处理中低浓度的有机废水。中低浓度废水经UASB反应器处理后,出水中的有机物浓度已较低，所以在沉淀区产生的沼气数量很少，一般不再收集。这种型式反应器构造比较简单，易于施工安装和维修。其特点是反应器的顶部加盖密封。在液面与地顶之间形成一个气室，可以同时收集反应区和沉淀区产生的沼气。这种型式反应器适用于处理高浓度有机废水或含硫酸盐较高的有机废水。此种型式反应器的池盖也可为浮盖式。二、升流式厌氧污泥层反应器的设计UASB反应器设计的主要内容有下列几项：首先根据处理废水的性质选定适宜的地型和确定有效容积及其主要部位的尺寸，如高、直径、长宽比等。其次，设计进水配水系统、出水系统和三相分离器。此外,还要考虑排泥和刮渣系统。1.UASB反应器容积及主要构造尺寸的确定目前UASB反应器有效容积(包括沉淀区和反应区)均采用进水容积负荷法进行确定，即:V=Q·HRTV—反应器有效容积，m3；Q--废水流量，m3/d；S0--进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L；Nv--容积负荷，kgCOD或BOD5/(m3·d)；C1、C2—反应常数。VNQSV0121CEHRTc1.UASB反应器容积及主要构造尺寸的确定容积负荷值与反应器的温度、废水的性质和浓度有关，同时与反应器内是否形成颗粒污泥也有很大关系。对某种废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确定，如有同类型的废水处理资料，可以作为参考选用。食品工业废水或与其性质相似的其他工业废水，采用UASB反应器处理，在反应器内往往能够形成厌氧颗粒污泥，不同反应温度下的进水容积负荷可参考表3-19-10所列数据确定，COD去除率一般可达80-90%。但如果反应器内不能形成厌氧颗粒污泥，而主要为絮状污泥，则反应器的容积负荷不可能很高，因为负荷高絮状污泥将会大量流失。所以进水容积负荷一般不超过5kgCOD/(m3/d)。不同温度的设计容积负荷温度（℃）设计容积负荷[kgCOD/(m3/d)]高温（50-55）中温（30-35）常温（20-25）低温（10-15）20-3010-205-102-5高度反应器的有效通常应通过试验确定。从设计、运行方面考虑：高度会影响上升流速，高流速增加系统搅动和污泥与进水之间的接触，但流速过高会引起污泥流失。为保持足够多的污泥，上升流速不能超过一定的限值，从而使反应器的高度受到限制；高度与CO2溶解度有关，反应器越高CO2溶解的浓度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最优值，会危害甲烷菌的生长。从经济上考虑：士方工程随池深增加而增加，但占地面积则相反；考虑当地的气候和地形条件，一般将反应器建成半地下式，减少建筑高度和保温费用。现行生产性装置的有效高度常采用4-6m。低浓度废水，水力停留时间较短，常采用较小的高度，浓度较高的废水水力停留时间长，则常采用较大的反应器高度。面积在同样的下正方形池的周长比矩形池要小，矩形UASB需要更多的建筑材料。以截面积为60m2的反应器为例，30m×20m的反应器与15m×40m的反应器周长相差10%，这意味着建筑费用要增加10%。但从布水均匀性考虑，矩形的长/宽比较大较为合适，同时考虑经济性，矩形池的长/宽比在2:1以下较为合适。长/宽比在4:1时费用增加十分显著。圆形反应器在同样的面积下，其周长比正方形的少12%。但这一优点仅仅在采用单池时才成立。当建立两个或两个以上反应器时，矩形反应器可以采用共用壁。对于采用公共壁的矩形反应器，池型的长宽比对造价也有较大的影响。如果不考虑其他因素，这是一个在设计中需要优化的参数。座数为了运行的灵活性,同时考虑维修的可能，一般设二座或二以上反应器，即分格化。这样，单座反应器尺寸不会过大，可避免体积过大带来的布水均匀性问题；同时多个反应器对系统的启动是有利的，可首先启动一个，再用这个反应器的污泥去接种其他反应器；另外，有利于维护与检修，可放空一个反应器进行检修而不影响系统的运行。由于反应器的水平面积一般与三相分离器的沉淀面积相同，所以确定的水平面积必须用沉淀区的表面负荷来校核，如不适合，则必须改变反应器的高度或加大三相分离器沉淀区的面积。2.进水配水系统的设计进水配水系统兼有配水和水力搅拌的功能，所以必须满足以下各项要求：①进水必须在反应器底部均匀分配，确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路或表面负荷不均匀等现象发生。②应满足污泥床水力搅拌的需要，要同时考虑水力搅拌与产生的沼气搅拌，使污泥区达到完全混合的效果，确保进水有机物与污泥迅速混合，防止局部产生酸化现象。2.进水配水系统的设计UASB反应器进水配水系统有多种形式，进水方式大致可分为间歇式（脉冲式）、连续流、连续与间歇相结合等方式：(1)树枝管式配水系统为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向下距池底约2Ocm，位于所服务面积的中心。管口对准的池底所设的反射锥体，使射流向四周散开，均布于池底，一般出水口直径采用15-20mm，每个出水口服务面积为2-4m2。但是在温度低于20℃或低负荷的情况，产气率较低并且污泥和进水的混合不充分时，需要较高密度的布水点。对于城市污水，DeMan和VanderLast(1990)建议1-2m2/孔。这种形式的配水系统的特点是比较简单，只要施工安装正确，配水能够基本达到均匀分布的要求。2.进水配水系统的设计(2)穿孔管配水系统为了配水均匀，配水管中心距可采用l.0-2.Om，出水孔距也可采用1.0-2.0m，孔径一般为lO-20mm，常采用15mm，孔口向下或与垂线呈450方向，每个出水孔服务面积一般为2-4m2。配水管的直径最好不小于100mm，配水管中心距池底一般为20-25cm。为了使穿孔管各孔出水均匀，要求出口流速不小于2m/s，使出水孔阻力损失大于穿孔管的沿程阻力损失，为了增大出水孔的流速,可采用脉冲间歇进水。2.进水配水系统的设计(3)多点多管配水系统此种配水系统的特点是一根配水管只服务一个配水点，配水管根数与配水点数相同。只要保证每根配水管流量相等，则即可达到每个配水点流量相等的要求。一般多采用配水渠道通过三角堰把废水均匀流入配水管的方式。也有在反应器不同高度设置配水管和配水点。国外有些专利采用脉冲配水器，每根管是间歇进水的，但整个反应器是连续进水的。2.进水配水系统的设计2.进水配水系统的设计配水系统的形式确定后，就可进行管道布置、计算管径和水头损失。根据水头损失和反应器(或配水渠)水面和调节池(或集水池)水面高程差计算进水水泵所需的扬程，可以选择合适的水泵。3.三相分离器设计(l)三相分离器的基本构造三相分离器的型式是多种多样的，但其三项主要功能均为:气液分离、固液分离和污泥回流三个功能；主要组成部分为气封、沉淀区和回流缝。图3-19-28所示为三相分离器的基本构造形式。a式构造简单，但泥水分离的情况不佳，在回流缝同时存在上升和下降两股流体，相互干扰，污泥回流不通畅。c式也存在类似情况。b式的构造较为复杂，但污泥回流和水流上升互不干扰，污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离效果也较好。3.三相分离器设计3.三相分离器设计(2)三相分离器的布置形式三相分离器有多种多样的布置形式，下面将列出常用的几种形式。对于容积较大的UASB反应器，往往有若干个连续安装的三相分离器系统(3)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：沉淀区设计、回流缝设计和气液分离设计。本节将以图3-19-28c为例来说明设计计算方法。图3-19-30为三相分离器设计计算断面的几何关系图。三相分离器计算三相分离器设计计算断面的几何关系图①沉淀区设计：三相分离器沉淀区的设计方法与普通二次沉淀池的设计相似，主要考虑两项因素，即沉淀面积和水深。沉淀区的面积根据废水量和沉淀区的表面负荷确定，由于在沉淀区的厌氧污泥与水中残余的有机物尚能产生生化反应，有少量的沼气产生，对固液分离有一定的干扰。这种情况在处理高浓度有机废水时可能更为明显，所以建议表面负荷一般应1.Om3/(m2·h