UASB工艺系统设计方法探讨

摘要 本文全面的介绍了UASB系统的设计问题，介绍了厌氧预处理工艺和UASB反应器的负荷设计原则和设计方法。重点介绍了混凝土结构的矩形UASB反应器各个部分尺寸的计算和确定原则。对UASB的进水配水系统和布水方式进行了详细的介绍。对于三相分离器和UASB建筑材料等问题也进行讨论。
　　关键词 UASB反应器、预处理、配水系统、三相分离器、建筑材料、设计

一、概述

　　厌氧处理已经成功地应用于各种高、中浓度的工业废水处理中。虽然中、高浓度的废水在相当程度上得到了解决，但是当污水中含有抑制性物质时，如含有硫酸盐的味精废水在处理上仍有一定的难度。在厌氧处理领域应用最为广泛的是UASB反应器，所以本文重点讨论UASB反应器的设计方法。但是，其与其它的厌氧处理工艺有一定的共同点，例如，流化床和UASB都有三相分离器。而UASB和厌氧滤床对于布水的要求是一致的，所以结果也可以作为其他反应器设计参考。




　　包含厌氧处理单元的水处理过程一般包括预处理、厌氧处理(包括沼气的收集、处理和利用)、好氧后处理和污泥处理等部分，可以用图1所示的流程表示。

二、UASB系统设计

1、预处理设施
　　一般预处理系统包括粗格栅、细格栅或水力筛、沉砂池、调节(酸化)池、营养盐和pH调控系统。格栅和沉砂池的目的是去除粗大固体物和无机的可沉固体，这对对于保护各种类型厌氧反应器的布水管免于堵塞是必需的。当污水中含有砂砾时，例如以薯干为原料的酿酒废水，怎么强调去除砂砾的重要性也不过分。不可生物降解的固体，在厌氧反应器内积累会占据大量的池容，反应器池容的不断减少最终将导致系统完全失效。
　　由于厌氧反应对水质、水量和冲击负荷较为敏感，所以对于工业废水适当尺寸的调节池，对水质、水量的调节是厌氧反应稳定运行的保证。调节池的作用是均质和均量，一般还可考虑兼有沉淀、混合、加药、中和和预酸化等功能。在调节池中设有沉淀池时，容积需扣除沉淀区的体积；根据颗粒化和pH调节的要求，当废水碱度和营养盐不够需要补充碱度和营养盐(N、P)等；可采用计量泵自动投加酸、碱和药剂，通过调节池水力或机械搅拌达中和作用。
　　同时，酸化池或两相系统是去除和改变，对厌氧过程有抑制作用的物质、改善生物反应条件和可生化性也是厌氧预处理的主要手段，也是厌氧预处理的目的之一。仅考虑溶解性废水时，一般不需考虑酸化作用。对于复杂废水，可在调节池中取得一定程度的酸化，但是完全的酸化是没有必要的，甚至是有害处的。因为达到完全酸化后，污水pH会下降，需采用投药调整pH值。另外有证据表明完全酸化对UASB反应器的颗粒过程有不利的影响。对以下情况考虑酸化或相分离可能是有利的：
　　1) 当采用预酸化可去除或改变对甲烷菌有毒或抑制性化合物的结构时；
　　2) 当废水存在有较高的Ca2+时，部分酸化可避免颗粒污泥表面产生CaCO3结垢；
　　3) 当处理含高含悬浮物和/或采用高负荷，对非溶解性组分去除有限时；
　　4) 在调节池中取得部分酸化效果可以通过调节池的合理设计取得。例如，上向流进水方式，在反应器底部形成污泥层(1.0m)。底部布水孔口设计为5～10m2/孔即可。
2、UASB反应器体积的设计
　　a) 负荷设计法
　　采用有机负荷(q)或水力停留时间(HRT) 设计UASB反应器是目前最为主要的方法。一旦q或HRT确定，反应器的体积(V)可以很容易根据公式(1或2)计算。对某种特定废水，反应器的容积负荷一般应通过试验确定。

　　V = QSo/q　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (1)

　　V =KQ.HRT　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　 (2)

　　式中：Q---废水流量，m3/d；
　　　　　So---进水有机物浓度，gCOD/L或gBOD5/L。

　　表1给出不同类型废水国内外采用UASB反应器处理的负荷数据，需要说明的是表中无法一一注明采用的预处理条件和厌氧污泥类型等情况，这些条件对选择设计负荷是至关重要的。下表供设计人员设计时参考，选用前必须进行必要的实验和进一步查询有关的技术资料。


表1国内外生产性UASB装置的设计负荷统计表 序号 废水类型 负荷kgCOD/m3·d(国外资料) 负荷kgCOD/m3·d(国内资料) 平均 最高 最低 厂家数 平均 最高 最低 厂家数 1 酒精生产 11.6 15.7 7.1 7 6.5 20.0 2.0 15 2 啤酒厂 9.8 18.8 5.6 80 5.3 8.0 5.0 10 3 造酒厂 13.9 18.5 9.9 36 6.4 10.0 4.0 8 4 葡萄酒厂 10.2 12.0 8.0 4 5 清凉饮料 6.8 12.0 1.8 8 5.0 5.0 5.0 12 6 小麦淀粉 8.6 10.7 6.6 6 7 淀粉 9.2 11.4 6.4 6 5.4 8.0 2.7 2 8 土豆加工等 9.5 16.8 4.0 24 9 酵母业 9.8 12.4 6.0 16 6.0 6.0 6.0 1 10 柠檬酸生产 8.4 14.3 1.0 3 14.8 20.0 6.5 3 11 味精 3.2 4.0 2.3 2 12 再生纸,纸浆 12.3 20.0 7.9 15 13 造纸 12.7 38.9 6.0 39 14 食品加工 9.1 13.3 0.8 10 3.5 4.0 3.0 2 15 屠宰废水 6.2 6.2 6.2 1 3.1 4.0 2.3 4 16 制糖 15.2 22.5 8.2 12 17 制药厂 10.9 33.2 6.3 11 5.0 8.0 0.8 5 18 家畜饲料厂 10.5 10.5 10.5 1 19 垃圾滤液 9.9 12.0 7.9 7
　　b) 经验公式方法
　　Lettinga等人采用同样经验公式描述不同厌氧处理系统处理生活污水HRT与去除率(E)之间的关系，并且对不同反应器处理生活污水的数据进行了统计，得出了参数值。

　　

　　式中：C1 ,C2——反应常数。

　　c) 动力学方法
　　许多研究者致力于动力学的研究，Henxen和Harremoes(1983)根据众多研究结果汇总了酸性发酵和甲烷发酵过程重要的动力学常数(见表2)。到目前为止，动力学理论的发展，还没有使它能够在选择和设计厌氧处理系统过程中成为有力的工具，通过评价所获得的实验结果的经验方法现在仍是设计和优化厌氧消化系统的唯一的选择。

表2 厌氧动力学参数(Henxen和Harremoes，1982) 培养 mm(d-1) Y(mgVSS/mgCOD) Km[mgCOD/(mgVSS•d)] Ks(mgCOD/L) 产酸菌 2.0 0.15 13 200 甲烷菌 0.4 0.03 13 50 混合培养 0.4 0.18 2 ---

3、UASB反应器的详细设计
　　1) 反应器的体积和高度
　　采用水力停留时间进行设计时，体积(V)按公式(1)或(2)计算。选择反应器高度的原则是设计、运行和经济上综合考虑的结果。从设计、运行方面考虑：高度会影响上升流速，高流速增加系统扰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，反应器越高溶解的CO2浓度越高，因此，pH值越低。如pH值低于最优值，会危害系统的效率。
　　从经济上考虑: 土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，一般将反应器建造在半地下减少建筑和保温费用。最经济的反应器高度(深度)一般是在4到6m之间，并且在大多数情况下这也是系统最优的运行范围。
　　2) 反应器的升流速度
　　对于UASB反应器还有其他的流速关系(图2)。对于日平均上升流速的推荐值见表3，应该注意对短时间(如2～6h)的高峰值是可以承受的(即暂时的高峰流量可以接收)。

表3 UASB和EGSB允许上升流速(平均日流量) UASB反应器 Vr＝0.25~3.0m/h


　 0.75~1.0m/h 颗粒污泥


絮状污泥 Vs≤1.5m/h 絮状污泥 ≤8m/h

颗粒污泥 Vo≤12m/h 颗粒污泥 ≤3.0m/h 絮状污泥 Vg＝1m/h 建议最小值