【正文】 處理典型廢水的運行數(shù)據(jù) 。表 1— 4給 出了同等條件下 ,采用 IC工藝和采用 UASB工藝處理相同廢水時運行參數(shù)的比較 ,可以看出 , IC 反應(yīng)器很大程度上解決了 UASB 反應(yīng)器的不足 ,大大提高了單位反應(yīng)器的處理容量。 工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 表 1— 2 IC反應(yīng)器在國外的運用 表 1— 3 IC反應(yīng)器處理各類工業(yè)廢水的參數(shù) [17] 表 1— 4 IC反應(yīng)器與 UASB反應(yīng)器處理同類廢水的參數(shù)比較 [17] IC 反應(yīng)器的缺陷 客觀地認(rèn)識和評價一個新的工藝是進(jìn)一步開發(fā)研究的基礎(chǔ) ,盡管 IC 反應(yīng)器有第一章 緒論 8 如前所述的諸多 優(yōu) 點 ,但同時也有一些不足之處 : ①進(jìn)水需預(yù)處理。為適應(yīng)較高的生化降解速率 ,許多厭氧反應(yīng)器的進(jìn)水需調(diào)節(jié) pH 值和溫度 ,為微生物的厭氧降解創(chuàng)造最佳條件 , IC 反應(yīng)器也不例外 。此外 ,由于 IC 反應(yīng)器通常采用很短的水力停留時間 (HRT),所以反應(yīng)器進(jìn)水往往需預(yù)酸化處理。這都會增加 IC 反應(yīng)器以外的處理設(shè)施 ,增加工程造價。 ②結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,維護(hù)困難。由于采用內(nèi)循環(huán)技術(shù) ,反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜 ,這無疑會增加施工安裝和日常維護(hù)的難度 。再加上反應(yīng)器高徑比大 ,對水泵的動力消耗也會產(chǎn)生負(fù)面影響。 ③出水需后處理。污泥分析表明 ,與 UASB 反應(yīng)器相比 , IC 反應(yīng)器內(nèi)含有較高濃度的細(xì)微顆粒污泥 (形成大顆粒污泥的前體 ),加上水力停留時間相對短和較大的高徑比 ,其出水中就含有更多的細(xì)微顆粒污泥 ,這使得后續(xù)沉淀設(shè)備成為必要 ,加重了后續(xù)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。 IC 反應(yīng)器的發(fā)展前景 隨著對第 三 代厭氧反應(yīng)器研究的不斷深人，新的工藝設(shè)計概念和綜合生物法處理工藝 (產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷、硫酸鹽還原 )及綜合生物一物理一化學(xué)法處理工藝 FPRP 概念的發(fā)展 [18]，包括 IC 反應(yīng)器在內(nèi)的新型超高效厭氧反應(yīng)器在工業(yè)上處理有機(jī)污染物所具有的廣闊前景，將越來越多地代替 UASR 反應(yīng)器。同時，在IC反應(yīng)器的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于 IC 反應(yīng)器自身存在某些缺點，主要是單位反應(yīng)器容積的有效利用率還沒有發(fā)揮到最佳值，在反應(yīng)器啟動初期產(chǎn)氣量少不能形成液體循環(huán)，因此， IC 反應(yīng)器還有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善。 在我國第 二 代厭氧反應(yīng)器還不能很好應(yīng)用于實踐中，第 三 代 IC 反應(yīng)器的研究幾乎是空白。因此，結(jié)合中國的實際情況，在厭氧反應(yīng)器的開發(fā)應(yīng)用方面，應(yīng)越過第 二 代厭氧反應(yīng)器，在重點開發(fā)第 三 代反應(yīng)器的同時，應(yīng)對厭氧反應(yīng)器進(jìn)一步創(chuàng)新，加強(qiáng)反應(yīng)器的構(gòu)型創(chuàng)新和創(chuàng)制具有新材料及生物技術(shù)兩者特點的反應(yīng)器的研究以及水處理技術(shù)理論研究。 就 IC厭氧反應(yīng)器技術(shù)而言 ,現(xiàn)階段的研究重點應(yīng)為 : ①顆粒污泥培養(yǎng)技術(shù)。顆粒污泥是 IC 反 應(yīng)器得以正常運轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究表明 [1920],相對于 UASB 反應(yīng)器 ,由于不同的水力條件和反應(yīng)器結(jié)構(gòu) , IC 反應(yīng)器培養(yǎng)的顆粒污泥顆粒大、結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低 ,對 IC反應(yīng)器中顆粒污泥的研究可能會成為現(xiàn)有顆粒污泥理論的有力證據(jù)或有益補(bǔ)充 ,具有較大的學(xué)術(shù)價值。此外 ,工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 國內(nèi)運行的 IC 反應(yīng)器中的顆粒污泥均從荷蘭進(jìn)口 ,為降低工程造價 ,需進(jìn)一步掌第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC）方案設(shè)計與計算 10 握在 IC反應(yīng)器水力條件下 ,培養(yǎng)活性和沉降性能俱佳顆粒污泥的關(guān)鍵技術(shù)。 ② IC 反應(yīng)器水力模型的研究 [21]。現(xiàn)常采用的 IC 氧反應(yīng)器的水力模型是pereboom 等 [22]人于 1994 年在氣升式反應(yīng)器水力模型的基礎(chǔ)上提出的 ,還存在簡化不盡合理、計算參數(shù)難確定、計算復(fù)雜等問題 ,其合理性和實用性還有待進(jìn)一步研究。對切合 IC 厭氧反應(yīng)器實際、運算簡便的水力模型的研究開發(fā)是當(dāng)前 IC反應(yīng)器技術(shù)亟待解決的問題之一。 ③ IC 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究表明 [23],厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對厭氧消化過程有很大的影響 ,國內(nèi)外在 IC 反應(yīng)器的工藝和設(shè)備等方面作了很多研究 ,但在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化方面還缺乏理論指導(dǎo) ,許多投入生產(chǎn)運行的反應(yīng)器都是憑經(jīng)驗設(shè)計的 ,反應(yīng)器內(nèi)空間利用率低。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,提高整個反應(yīng)器的效率方面 ,還存在較大 的挖潛空間。 ④應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。 IC 反應(yīng)器因為回流的稀釋作用 ,應(yīng)該比 UASB 更能處理難降解甚至有毒的有機(jī)物 ,這一點已在普通 EGSG 反應(yīng)器中得到較為普遍的證實。目前 ,有關(guān) IC反應(yīng)器的應(yīng)用報道多在易降解廢水的啤酒、檸檬酸等領(lǐng)域 ,其它行業(yè)僅有如造紙及其它含高鹽量廢水的報道 [2427],應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步拓展。 總之 , IC 反應(yīng)器具有容積負(fù)荷高、處理容量大、投資少、占地面積小、運行穩(wěn)定等特點 ,代表現(xiàn)階段厭氧反應(yīng)器的最高研究水平 ,值得進(jìn)一步研究開發(fā)和推廣應(yīng)用。 本設(shè)計的目的和手段 IC 作為新型高效厭氧 消化器，在國內(nèi)外的研究時間并不算很長，尤其是國內(nèi)在 IC 方面的研究還落后國外 10年左右。 IC 的設(shè)計基于顆?；勰嗟睦碚摵驮?，規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)上還沒有一套完整的方案，所以造成 IC的設(shè)計、使用比較混亂，效果難以達(dá)到預(yù)期目的。本設(shè)計采用的手段為通過對 IC 的基本原理和技術(shù)、基本構(gòu)造、設(shè)計方法、應(yīng)用情況進(jìn)行收集、整理、歸納、分析、集成，建立一套IC主體結(jié)構(gòu)及其它各部分 計算、設(shè)計相匹配的方法。 工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC） 方案設(shè)計與計算 前言 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器 (Internal Circulation,IC),是荷蘭 PAQUES 于 80 年代中期在 UASB 反應(yīng)器的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的第三代超高效厭氧反應(yīng)器 [1]。由于是一項重大的發(fā)明創(chuàng)造 ,技術(shù)擁有者作了嚴(yán)格的保密 ,直到 1994 年 ,才有相關(guān)研究的報道 [2]。與以 UASB 為代表的第二代高效厭氧反應(yīng)器相比 ,IC 反應(yīng)器在容積負(fù)荷 ,能耗 ,工程造價 ,占地面積等諸多方面 ,代表著當(dāng)今世界上厭氧生物反應(yīng)器的最高 水平。進(jìn)一步研究和開發(fā) IC 反應(yīng)器 ,推廣其應(yīng)用范圍已成為當(dāng)前厭氧廢水處理的熱點之一 [35]。 IC 反應(yīng)器把 4 個重要的工藝過程集合在同一個反應(yīng)器內(nèi)，這 4 個工藝過程是： 1，進(jìn) 液和混合布水系統(tǒng)； 2,流化床反應(yīng)室； 3,內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)； 4,深度凈化反應(yīng)室。 IC 反應(yīng)器的工藝設(shè)計 設(shè)計任務(wù)：某奶牛養(yǎng)殖場，奶牛存欄量 5000 頭，平均每頭奶牛日產(chǎn)廢水 ，廢水 COD 為 20200mg/L，采用中溫發(fā)酵（ 35℃），厭氧消化器數(shù)量為兩座，試設(shè)計該反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)尺寸。 IC 反應(yīng)器容積 有效容積 已知： Q＝ 5000 m3/d＝ 1000m3/d，進(jìn)水 COD=20200mg/l=20kg/m3, － ，有效容積的計算可參照一下兩個公式，即： V=vNQS0 （ 2－ 1） tQAHV ?? （ 2－ 2） 式中 V反應(yīng)器有效容積， m3； Q 廢水流量， m3/d； S0進(jìn)水 COD 或 BOD5濃度， kg/m3； vN COD 或 BOD5容積負(fù)荷， kg/(m)； A反應(yīng)器橫截面積， m2； 第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC）方案設(shè)計與計算 12 H反應(yīng)器有效高度， m； t允許的最大水利停留時間， h或 d. 一般講，廢水濃度較低時，反應(yīng)器容積計算主要取決于水力停留時間，而在較高濃度情況下，反應(yīng)器容積取決于其容積負(fù)荷的大小與進(jìn)液濃度。而容積負(fù)荷值與反應(yīng)器的溫度、廢水的性質(zhì)和濃度有關(guān)，同時與反應(yīng)器內(nèi)是否形成顆粒污泥也有很大關(guān)系。對特定的廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般通過實驗確定， IC 反應(yīng)器在處理中低濃度廢水時反應(yīng)器的進(jìn)水容積負(fù)荷可達(dá)（ 20－ 24kgCOD/） [1]本設(shè)計取 20kgCOD/（ ）。 厭氧消化器的數(shù)量為兩座，采用并聯(lián)的方式，故每座消化器的廢水進(jìn)流量為： Q1=Q2=2Q = 21000 =500m3/d 所以 V 有效 =vNQS0 ＝ 20202000? ＝ 1000m3 （ 2－ 3） 因為厭氧反應(yīng)器的數(shù)量為兩座，所以平均每座反應(yīng)器 的有效容積為 V1=V2= 21000 ＝ 500m3 實際容積 設(shè) 消化器 的裝填系數(shù)為 85%，則 每個消化器 的實際容積為： V1’ =V2’ = ％有效85V = %85500 =, IC反應(yīng)器的特點是具有很大的高經(jīng)比，一般可達(dá) 4～ 8， 本設(shè)計取 4。 設(shè)消化器的直徑為 D（ m） ，高度為 H(m),容積為 V 總 （ m3） 則： V 總＝ ? D2H/4=? D24D/4=? D3 (24) D=?總V= = H=4D=4?= 對數(shù)據(jù)取整得 23m IC反應(yīng)器的構(gòu)造圖 標(biāo)注如下圖 2— 1 所示： 工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 2— 1 IC反應(yīng)器的構(gòu)造圖 配 水系統(tǒng)的設(shè)計 配 水系統(tǒng)的形式主要有以下幾種。 （ 1） .樹枝管式配水系統(tǒng) 樹枝管式分 配系統(tǒng)如圖 2— 2（ a）所示，這種配水系統(tǒng)比較簡單，為了配水均勻一般采用對稱布置，位于所服務(wù)面積的中心點。一般每個出水口服務(wù)面積為2～ 4m2，出水口直徑約 20mm。這種形式的配水系統(tǒng)的特點是比較簡單，只要施工安裝正確，配水基本達(dá)到均勻分布的要求。 (2)穿孔管式：穿孔管式分配系統(tǒng)如圖 2— 2(b)所示。為了配水均勻，配水管中心距可采用 ～ ，出水孔也可采用 ～ ，孔徑一般為 10～ 20mm，常采用 15mm，空口向下與垂線成 45o方向，每個出水孔服務(wù)面積一般為 2～ 4m2，配水管中心距池底一般為 20～ 25cm，配水管的直徑最好不要小于 100mm。為了使第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC）方案設(shè)計與計算 14 穿孔管各管出水均勻，要求出水口流速不小于 2m/s，是出水孔阻力損失大于穿孔管沿程的阻力損失，也可采用脈沖間接進(jìn)水來增大出水孔的流速。 圖 2— 2 樹枝管式分配系統(tǒng)和孔管式分配系統(tǒng) (3)多點多管式：多點多管式 分配系統(tǒng) 如圖 3 所示。此種配水系統(tǒng)的特點是一根配水管只服務(wù)一個配水點，即配水管根數(shù)與配水點數(shù)相同。只要保證每根配水管流量相同，即可達(dá)到每個配水點流量相等的要求。圖 3(a)中所示為德國設(shè)計專利，配水管設(shè)置在污泥床不用位置和不同高度上，廢水通過一個專門 設(shè)計的脈沖配水器 [如圖 2— 3(b)(c)]，廢水定時地分配給不同位置和高度的配水管，對整個反應(yīng)器進(jìn)水是連續(xù)的，這種配水系統(tǒng)效果是最好的。 圖 2— 3 多點多管配水系統(tǒng)（德國專利布水袋） (4)上給式：如圖 2— 4 所示，上給式進(jìn)水分配系統(tǒng)是在反應(yīng)器的池頂進(jìn)行分配布設(shè)，這種系統(tǒng)的特點是，配水采用明渠，對每個配水點設(shè)一個三角堰，并設(shè)工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 一根配水管。這種配水系統(tǒng)可確保布水均勻，并易于發(fā)現(xiàn)某根管的堵塞情況，也易于及時清通。 圖 2— 4 上給式進(jìn)水分配系統(tǒng) 根據(jù) ： S＝ 42D? = ?? /4= (25) 進(jìn)水流量 Q=uS 進(jìn)水管 =u? d2/4 假設(shè)進(jìn)水的流速為 1m/s 則進(jìn)水管的直徑為 : d=?uQ4=3600241 10004 ??? ??= 為使進(jìn)水分配均勻，在 IC 反應(yīng)器的底部安裝布水器，采用結(jié)構(gòu)較簡單的第一種布水方式，即樹枝管式，一般每個出水口的服務(wù)面積為 2～ 4m2，本設(shè)計中設(shè)布水 點服務(wù)面積為 3m2/個則布水點的個數(shù)為： n=S/3=則每支配水管的管徑為： d2＝?uQ94＝ 進(jìn)水管的分布模型如圖 2— 5所示 則 d1=uQ?34＝ 第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC）方案設(shè)計與計算 16 圖 2— 5 IC反應(yīng)器的配 水分布示意圖 沼氣出氣管 管徑 的計算 一般 1gCOD 理論上在厭氧條件下完全降解可以生成 ，相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下沼氣體積 。由于一部分產(chǎn)生的沼氣將溶于水中，一部分有機(jī)物 要用于微生物的合成，實際產(chǎn)量要比理論值小。正常運行的反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣中甲烷約占 50％～ 70％，二氧化碳約占 20％～ 30％，其余是氫、氮和硫化氫等氣體。 在實際廢水處理中，常采用 BOD或 COD 來表示有機(jī)物的含量，而不去測定具體有機(jī)物。用 COD 指標(biāo)代表廢水中有機(jī)物含量更加方便。 1kgCOD 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的甲烷量，如不考慮微生物合成，則可按 1kg葡萄糖完全氧化所含的 COD進(jìn)行計算。 OHCOOOHC 2226126 666 ??? ??? 厭氧菌 （ 2－ 6） 180 192 264 108 由式（ － 1）可計算出氧化 1kg 葡萄糖需要 192/180＝ 氧，即 1kg葡萄糖的 COD 為 。 246126 33 COCHOHC ??? ?? 厭氧菌 （ 2－ 7） 180 48 132 根據(jù)式（ － 1）和式（ － 2），則可計算 1kgCOD 厭氧