【正文】 算 : gr? = )(lrgrgr uuu ?? (2— 15) 當(dāng)氣體表面上升流速和液體表面上升流速分別在 m/s 一 m/s、 。也就是說 ,隨著提升管浸沒深度的增加 ,同樣多的沼氣能提升更多的發(fā)酵液。實(shí)驗(yàn)觀察到 ,在氣量相同的情況下 ,隨著提升管浸沒深度的增加 ,發(fā)酵液的循環(huán) 量增加。如果 “ 滯留液位 ” 超過溢流口，也會(huì)增加提升的阻力，減少循環(huán)量。而適當(dāng)?shù)亟档吞嵘叨?(h2)卻可以增加發(fā)酵液的循環(huán)量。但在設(shè)計(jì)中 ,不能根據(jù) (1)式確定提升管的工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 提升高度 ,這是因?yàn)樵趦?nèi)循環(huán)裝置的設(shè)計(jì)中希望得到最大的循環(huán)量 ,而不是為了要將發(fā)酵液提升得很高。 h2=(Dw/Dm1)h1 (2 14) Dw水 的 容重（ kg/m3）； Dm提升管內(nèi)氣水混合液得容重（ kg/m3）； h1提升管在水內(nèi)的浸沒深度（ m）； h2水的提升高度（ m） ； 從 (214)式可以了解到 ,提升高度 (h2)與提升管內(nèi)發(fā)酵液的容重 (Dm)和提 圖 2— 6 內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖 ； ； ； 4滯留液位； ； ； ；； ； 升管的浸沒深度 (h1)有關(guān)。 則 1 室 內(nèi)的沼氣產(chǎn)量為： V=500m3 20㎏ /m3 =3000m3 (213) 每 m3沼氣可提升發(fā)酵液的數(shù)量為 。在理論情況下，完全厭氧消化狀況下 1㎏ COD 可得沼氣 ，實(shí)際只有 。 IC 反 應(yīng) 器的混合液上升流速為 【 3】 .在一定程度上改善了基質(zhì)與微生物間的傳質(zhì)過程。如圖 2— 6所示 沼氣提升管的計(jì)算 (1) 提升管的直徑 反應(yīng)器中提升管的直徑可以根據(jù)“沼氣產(chǎn)量”和“氣提比”計(jì)算出提升液的“流量”（ ） ,在根據(jù)“流量”和“上升流速”（ ） 計(jì)算出提升管的管徑。其性能參數(shù)見下表 2— 1。 在上面的計(jì)算中已經(jīng)知道每座反應(yīng)器每天去除 COD 為 109mg 則每天產(chǎn)生 VSS 量為： QVSS＝ ?8000kgCOD/d=800kgVSS/d＝ (2— 11) 顆粒污泥的干重 ( TSS) 是揮發(fā)性懸浮物 (VSS)與灰分 (ASH) 之和。所以在反應(yīng)器的底部設(shè)計(jì) 3 個(gè)排泥點(diǎn)即可。每個(gè)點(diǎn)服務(wù)面積多大合適，尚缺乏具體資料，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議每 10m2設(shè)一個(gè)排泥點(diǎn)。設(shè)置在污 泥床區(qū)池底的排泥設(shè)備，由于污泥的流動(dòng)性差，必須考慮排泥均勻。 則每升廢液去除的 COD 為 20200mg/L?80％＝ 16000mg/L 每座反應(yīng)器每天處理廢水 500m3，則每天去除 COD 為 : 500 310? L?16000mg/L=? 910 mg, 確定沼氣管直徑時(shí)管內(nèi)的氣流速度最大為 8m/s,平均為 5m/s【 2】 .那么反應(yīng)器內(nèi)每日所產(chǎn)沼氣的量為： Q 沼氣 = %680 ??? PQS =500m3 20kgCOD/m3 =4000m3 (29) 式中 S0進(jìn)水 COD 或 BOD5濃度， kgCOD/m3； Q 廢水流量， m3； P厭氧條件下完全降解 1gCOD 產(chǎn)生的沼氣量， m3/kgCOD； Q 沼氣 消化器中每天產(chǎn)生的沼氣的量， m3； Q=US 沼氣管 (210) 則沼氣管的直徑 d=?uQ4=3600245 40004 ??? ??= 取整為 110mm。而實(shí)際上消耗每千克 COD 只有 ～ 米 3沼氣產(chǎn)生 [27],本設(shè)計(jì)中取 米 3。 246126 33 COCHOHC ??? ?? 厭氧菌 （ 2－ 7） 180 48 132 根據(jù)式（ － 1）和式（ － 2），則可計(jì)算 1kgCOD 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的 4CH 質(zhì)工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 量為： k gC O Dk gC HkgOHCkgCO D kgOHCkgCH / 18048)()( )()( 46126 61264 ?? （ 2— 8） 即 1kgCOD 去除可產(chǎn)生 4CH ，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（ C?0 ， ）其體積為： ?? ， 同樣， 1kgCOD 完全厭氧發(fā)酵可產(chǎn)生 350L 2CO 。 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(jì)算。 在實(shí)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(cè)定具體有機(jī)物。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(shí)際產(chǎn)量要比理論值小。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(shí)清通。圖 3(a)中所示為德國設(shè)計(jì)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(gè)專門 設(shè)計(jì)的脈沖配水器 [如圖 2— 3(b)(c)]，廢水定時(shí)地分配給不同位置和高度的配水管，對(duì)整個(gè)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。此種配水系統(tǒng)的特點(diǎn)是一根配水管只服務(wù)一個(gè)配水點(diǎn)，即配水管根數(shù)與配水點(diǎn)數(shù)相同。為了使第二章 內(nèi)循環(huán)厭氧消化器（ IC）方案設(shè)計(jì)與計(jì)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。 (2)穿孔管式：穿孔管式分配系統(tǒng)如圖 2— 2(b)所示。一般每個(gè)出水口服務(wù)面積為2～ 4m2，出水口直徑約 20mm。 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(duì)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(jì) 配 水系統(tǒng)的形式主要有以下幾種。對(duì)特定的廢水，反應(yīng)器的容積負(fù)荷一般通過實(shí)驗(yàn)確定， IC 反應(yīng)器在處理中低濃度廢水時(shí)反應(yīng)器的進(jìn)水容積負(fù)荷可達(dá)（ 20－ 24kgCOD/） [1]本設(shè)計(jì)取 20kgCOD/（ ）。 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(jì)算可參照一下兩個(gè)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(jì)與計(jì)算 12 H反應(yīng)器有效高度， m； t允許的最大水利停留時(shí)間， h或 d. 一般講，廢水濃度較低時(shí)，反應(yīng)器容積計(jì)算主要取決于水力停留時(shí)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。 IC 反應(yīng)器把 4 個(gè)重要的工藝過程集合在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，這 4 個(gè)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。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(jià) ,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。 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(jì)與計(jì)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]。 IC 的設(shè)計(jì)基于顆粒化污泥的理論和原理，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(jì)、使用比較混亂，效果難以達(dá)到預(yù)期目的。 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(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn) ,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。 IC 反應(yīng)器因?yàn)榛亓鞯南♂屪饔?,應(yīng)該比 UASB 更能處理難降解甚至有毒的有機(jī)物 ,這一點(diǎn)已在普通 EGSG 反應(yīng)器中得到較為普遍的證實(shí)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化 ,提高整個(gè)反應(yīng)器的效率方面 ,還存在較大 的挖潛空間。 ③ IC 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化?，F(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(jì)算參數(shù)難確定、計(jì)算復(fù)雜等問題 ,其合理性和實(shí)用性還有待進(jìn)一步研究。此外 ,工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 國內(nèi)運(yùn)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(jià) ,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(jì)與計(jì)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)。顆粒污泥是 IC 反 應(yīng)器得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，結(jié)合中國的實(shí)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(diǎn)開發(fā)第 三 代反應(yīng)器的同時(shí)，應(yīng)對(duì)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(diǎn)的反應(yīng)器的研究以及水處理技術(shù)理論研究。同時(shí)，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(diǎn)，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(dòng)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。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(shí)間相對(duì)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)。再加上反應(yīng)器高徑比大 ,對(duì)水泵的動(dòng)力消耗也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。 ②結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ,維護(hù)困難。此外 ,由于 IC 反應(yīng)器通常采用很短的水力停留時(shí)間 (HRT),所以反應(yīng)器進(jìn)水往往需預(yù)酸化處理。 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(yùn)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(shí)和評(píng)價(jià)一個(gè)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(diǎn) ,但同時(shí)也有一些不足之處 : ①進(jìn)水需預(yù)處理。表 1— 3 給出了 IC 反應(yīng)器處理典型廢水的運(yùn)行數(shù)據(jù) 。目前國外造紙生產(chǎn)廢水的處理已成為 IC 反應(yīng)器應(yīng)用最成功的領(lǐng)域之一 [15]。可見 , IC 工藝達(dá)到了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。該 1C 反應(yīng)器的進(jìn)水容積負(fù)荷率高達(dá) COD25kg/()～ 30 kg/(),COD 的去除率在 80%。自 1985 年第 1個(gè)中等規(guī)模的 IC反應(yīng)器被用于處理土 草加工廢水以來 [13],IC反應(yīng)器業(yè)已被成功放大到大于 1000m3[13]。 IC 反應(yīng)器的應(yīng)用 IC 反應(yīng)器 可用于處理各種工業(yè)廢水和低 .中 . 高濃度的農(nóng)產(chǎn)品加工廢水 (如奶制 工業(yè)、土豆加工工業(yè)等 )。反應(yīng)器接種后的幾個(gè)月中顆粒污泥的性質(zhì)即得到優(yōu)化(development) 。建立的顆粒粒徑分布模型能很好地描述 IC 反應(yīng)器中較大顆粒的分布。 如果進(jìn)水中的懸浮顆粒多，則污泥顆粒的粒徑 分布范圍小 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒破碎并不嚴(yán)重影響粒徑分布 。顆粒污泥的性質(zhì)包括 :粒徑分布、強(qiáng)度、沉降速度、密度、灰分含量和產(chǎn)甲烷活性，其中物理特性主要取決于生物學(xué)因素。逐級(jí)測(cè)定 (gradient measurements)表明污泥床混合的 相當(dāng)好，液體紊動(dòng)不會(huì)將大顆粒污泥洗去 [910]. 與 UASB 反應(yīng)器相比，盡管 IC 反應(yīng)器中顆粒污泥的洗出有所增加，但第 二厭氧反應(yīng)室可以將足夠的生物量滯留在反應(yīng)器中。由于 IC 反應(yīng)器的容積負(fù)荷大，使產(chǎn)氣量增加，導(dǎo)致反應(yīng)器中平均剪切速率增高， IC 反應(yīng)器中液體平均剪切速率 (theaverage shear rate)約是 UASB 反應(yīng)工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 器的 2 倍 [9]。的范圍內(nèi)時(shí)，這個(gè)關(guān)系式在 IC 反應(yīng)器的提升管內(nèi)得到很好的 證實(shí) [9]。 IC 反應(yīng)器的研究發(fā)展 1. IC 反映器水力學(xué)特性研究 根據(jù) Chisti 等 [8]研究的氣升式反應(yīng)器中的液體循環(huán)， Pereboom 建立水力動(dòng)力學(xué)模型描述 IC 反應(yīng)器中液體循環(huán)。 IC 反應(yīng)器相當(dāng)于兩級(jí) UASB 工藝處理?？蓽p少進(jìn)水的投堿量。因?yàn)檠h(huán)流量與進(jìn)水在第一反應(yīng)室充分混合 ,使原廢水中的有害物質(zhì)得到充分稀釋 ,大大降低有害程度 ,從而提高了反應(yīng)器的耐沖擊負(fù)荷能力。 4. 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng) 由于 IC 反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán) ,處理低濃度廢水 (如啤酒廢水 )時(shí) ,