IOC厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)介紹及設(shè)計(jì)計(jì)算的探討

陸 紅， 高用貴， 高興齋， 任艷雙， 李成海， 肖誠斌， 宗海峰， 徐 璜， 張 林， 葉明琪， 陳 杰

(1.光大環(huán)保技術(shù)研究院(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518000； 2.光大環(huán)保技術(shù)裝備(常州)有限公司， 江蘇 常州 213011)

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IOC厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)介紹及設(shè)計(jì)計(jì)算的探討

陸 紅1,2， 高用貴1,2， 高興齋1,2， 任艷雙1,2， 李成海1,2， 肖誠斌1,2， 宗海峰1,2， 徐 璜1,2， 張 林1,2， 葉明琪1,2， 陳 杰1,2

(1.光大環(huán)保技術(shù)研究院(深圳)有限公司， 廣東 深圳 518000； 2.光大環(huán)保技術(shù)裝備(常州)有限公司， 江蘇 常州 213011)

文章介紹了內(nèi)外循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IOC)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并舉實(shí)例論述了IOC反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

IOC厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； IOC厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)計(jì)算

IOC(Inter & Outer Circulation內(nèi)外循環(huán))厭氧反應(yīng)器(以下簡稱IOC反應(yīng)器)是筆者單位近期研發(fā)成功，主要用于高濃度有機(jī)廢水(尤其是滲濾液)處理的高效厭氧反應(yīng)器，并已成功應(yīng)用于多個(gè)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的滲濾液處理工程中。

1 IOC反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 IOC反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)介紹

1.1.1 整體結(jié)構(gòu)

IOC反應(yīng)器主要由底部配水系統(tǒng)、第一反應(yīng)室、第一層三相分離器、第二反應(yīng)室、第二層三相分離器、氣水分離器、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)、外循環(huán)系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)、沼氣系統(tǒng)等組成。滲濾液處理過程中，考慮調(diào)試期間或者進(jìn)水量不足時(shí)沼氣產(chǎn)量的制約，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)動力不足以維持罐內(nèi)的上升流速，對IOC反應(yīng)器增加外循環(huán)系統(tǒng)，保證了穩(wěn)定的上升流速，并能維持良好的傳質(zhì)效率。此外，IOC反應(yīng)器對布水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)、三相分離器做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1.2 布水系統(tǒng)

進(jìn)水系統(tǒng)兼有配水和水力攪拌的功能，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況及CFD模擬成果本厭氧布水采用環(huán)形布水管網(wǎng)，管道開孔并安裝帶傾角的噴嘴，通過調(diào)節(jié)傾角角度，使進(jìn)水形成旋流，提供污泥懸浮時(shí)間，改善布水效果。

圖1 IOC反應(yīng)器三維圖

圖2 IOC反應(yīng)器旋流布水系統(tǒng)三維圖

1.1.3 三相分離器

此次研發(fā)的IOC反應(yīng)器借鑒了IC反應(yīng)器的技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)置了上、下兩層三相分離器，通過兩層三相分離器將反應(yīng)器內(nèi)部分為上、下兩個(gè)反應(yīng)室，下部為第一反應(yīng)室，第一反應(yīng)室內(nèi)污泥濃度高、上升流速快，是降解有機(jī)物、產(chǎn)生沼氣的主要區(qū)域；上部為第二反應(yīng)室，第二反應(yīng)室內(nèi)污泥濃度低、上升流速慢，在去除剩余有機(jī)物的同時(shí)，減少了出水帶出的污泥量，提高了出水水質(zhì)。在設(shè)置兩層三相分離器的同時(shí)，通過CFD模擬計(jì)算，還對三相分離器的折流板的水平間距、豎直間距及張角等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其對氣、水、污泥的分離效果。

圖3 IOC反應(yīng)器三相分離器三維圖

1.1.4 內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)

IOC反應(yīng)器在反應(yīng)器頂部增設(shè)了氣水分離裝置，利用沼氣提升過程中帶出的大量水分回流至反應(yīng)器底部，在不消耗能源的條件下提高了第一反應(yīng)室的上升流速，既滿足反應(yīng)器上升流速高的要求，又最大限度地節(jié)約了能源。

外循環(huán)系統(tǒng)由外循環(huán)集水裝置、外循環(huán)管路、外循環(huán)泵及外循環(huán)布水系統(tǒng)等組成。在第二反應(yīng)室距離第二層三相分離器底部2 m左右的位置設(shè)置外循環(huán)集水裝置，為使外循環(huán)取水均勻，沿圓周方向均布設(shè)置4個(gè)集水管，集水管的水匯至集水筒，由外循環(huán)管路送至外循環(huán)泵的吸入口，通過泵進(jìn)入反應(yīng)器的底部的布水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)外循環(huán)。

圖4 IOC反應(yīng)器內(nèi)外循環(huán)系統(tǒng)三維圖

1.1.5 排泥系統(tǒng)

由于厭氧消化過程中微生物的不斷增長，以及進(jìn)水中不可降解懸浮固體的累積，必須在污泥床區(qū)定期排除剩余污泥，所以厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)必須考慮剩余污泥的排除設(shè)施。筆者單位已運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器大多采用單點(diǎn)排泥的方式，容易在反應(yīng)器內(nèi)形成污泥無法排出的死角，此次研發(fā)在反應(yīng)器底部設(shè)置了污泥斗及污泥多點(diǎn)收集裝置，可以確保底部的污泥能均勻排出。

圖5 IOC反應(yīng)器排泥系統(tǒng)三維圖

1.1.6 沼氣水封系統(tǒng)

在沼氣輸送管路上設(shè)置沼氣水封裝置，目的是減少沼氣壓力波動，穩(wěn)定沼氣壓力，同時(shí)可將沼氣中的水分進(jìn)行吸收。沼氣水封裝置內(nèi)的液位可通過液位控制閥門組來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，多余的水分可自動排出，防止沼氣憋壓。

圖6 IOC反應(yīng)器沼氣水封三維圖

1.2 IOC反應(yīng)器的工作原理介紹

污水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的底部進(jìn)行均勻布水，與反應(yīng)器底部污泥充分接觸進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，降解有機(jī)污染物；反應(yīng)后生成的沼氣隨進(jìn)水、污泥一起沿反應(yīng)器上升，經(jīng)過第一層三相分離器時(shí)，大量沼氣被收集，部分有機(jī)污泥也被攔下，重新返回到第一反應(yīng)室；污水則繼續(xù)上升進(jìn)入第二反應(yīng)室進(jìn)行精處理，精處理后經(jīng)第二層三相分離器分離后，同理，氣、固、液被第二層三相分離器分離，出水進(jìn)入下一個(gè)處理系統(tǒng)。被第一層三相分離器和第二層三相分離器分離的污泥分別返回到第一反應(yīng)室和第二反應(yīng)室；被第一層三相分離器分離和第二層三相分離器的沼氣夾帶著水汽沿著上升管進(jìn)入氣水分離器，經(jīng)過氣水分離后，沼氣被引出反應(yīng)器進(jìn)行綜合利用，被沼氣帶上的水汽則回流到反應(yīng)器底部形成內(nèi)循環(huán)以提高第一反應(yīng)室的上升流速。反應(yīng)過程中收集的沼氣可以實(shí)現(xiàn)資源化利用，產(chǎn)生的剩余污泥則通過排泥系統(tǒng)排入污泥儲池待處理。

2 IOC反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 工藝設(shè)計(jì)的原則

工藝設(shè)計(jì)原則遵循5點(diǎn)： 1)占地面積少； 2)動力能耗低； 3)容積負(fù)荷高； 4)沼氣產(chǎn)氣率高； 5)資源綜合利用。

2.2 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 符號說明

工藝設(shè)計(jì)中符號V為反應(yīng)器有效容積m3；Q為廢水的設(shè)計(jì)流量，m3·d-1；Nv為容積負(fù)荷率，kgCOD·m-3d-1；C0為進(jìn)水COD濃度，kg·m-3；Ce為出水的COD濃度，kg·m-3；A為反應(yīng)器的底面積，m3；H為反應(yīng)器的高度，m；HRT為反應(yīng)器的水力停留時(shí)間。

2.2.2 設(shè)計(jì)說明

IOC反應(yīng)器，由上下兩個(gè)反應(yīng)室組成。在處理高濃度有機(jī)廢水，尤其是滲濾液處理過程中，其進(jìn)水負(fù)荷可提高至5～10 kgCOD·m-3d-1。

設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2.1 參數(shù)選取

設(shè)計(jì)參數(shù)選取如下：第一反應(yīng)室的容積負(fù)荷NV1=6.8 kgCOD·m-3d-1，第二反應(yīng)室的容積負(fù)荷NV2=2.4 kgCOD·m-3d-1；總?cè)莘e負(fù)荷Nv=5 kgCOD·m-3d-1；污泥產(chǎn)率0.05 kgMLSS·kg-1COD；產(chǎn)氣率0.40N m3·kg-1COD。

2.2.2.2 設(shè)計(jì)水質(zhì)(以滲濾液水質(zhì)為例)

設(shè)計(jì)水質(zhì)詳情見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)(以滲濾液水質(zhì)為例)

2.2.2.3 設(shè)計(jì)水量

設(shè)計(jì)水量公式如下：

Q=200 m3·d-1=8.3 m3·h-1

2.2.3 反應(yīng)器所需容積及主要尺寸的確定

2.2.3.1 有效容積本設(shè)計(jì)采用進(jìn)水負(fù)荷率法，按中溫消化(35℃～37℃)、污泥為顆粒污泥等情況進(jìn)行計(jì)算

式中：V為反應(yīng)器有效容積，m3；Q為廢水的設(shè)計(jì)流量，m3·d-1；Nv為容積負(fù)荷率，kgCOD·m-3d-1；C0為進(jìn)水COD濃度，kg·m-3；Ce為出水COD濃度，kg·m-3。

IOC反應(yīng)器的第一反應(yīng)室去除總COD的80%左右，第二反應(yīng)室去除總COD的20%。

第一反應(yīng)室的有效容積：

第二反應(yīng)室的有效容積：

所以：IOC反應(yīng)器的總有效容積為V=1140+810=1950m3。

2.2.3.2IOC反應(yīng)器幾何尺寸

IOC反應(yīng)器幾何尺寸，設(shè)計(jì)的IOC反應(yīng)器的高徑比為1.9:

每個(gè)IOC反應(yīng)器總?cè)莘e負(fù)荷：

IOC反應(yīng)器的底面積:

第二反應(yīng)室高 ：

第一反應(yīng)室的高度 ：

H1=H-H2=22-8.5=12.0m

2.2.3.3IOC反應(yīng)器的循環(huán)量及反應(yīng)室內(nèi)各部分上流速度

進(jìn)水在反應(yīng)器中的總停留時(shí)間為：

設(shè)第二反應(yīng)室內(nèi)液體升流速度為2 m·h-1，則需要循環(huán)泵的循環(huán)量為200 m3·h-1。

第一反應(yīng)室內(nèi)液體升流速度一般為3～5 m·h-1，主要由厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的氣流推動的液流循環(huán)所帶動。

第一反應(yīng)室產(chǎn)生的沼氣量為：

Q沼氣1=Q(C0-Ce)×0.8×0.40=200×(54.0-5.40)×0.8×0.40=3110 m3·d-1

第二反應(yīng)室產(chǎn)生的沼氣量為：

Q沼氣2=Q(C0-Ce)×0.2×0.40=200×(54.0-5.40)×0.2×0.40=778 m3·d-1

每立方米沼氣上升時(shí)攜帶1～2 m3左右的廢水上升至反應(yīng)器頂部，則第一反應(yīng)室回流廢水量為3888～7776 m3·d-1，即324～648 m3·h-1，加上IOC反應(yīng)器循環(huán)泵循環(huán)量200 m3·h-1，以及IOC進(jìn)水量8.3 m3·h-1，則在第一反應(yīng)室中總的上升水量達(dá)到了532.3～856.3 m3·h-1，上流速度可達(dá)5.6～9.0 m·h-1。

第二反應(yīng)室分為外循環(huán)收集管以下區(qū)域及外循環(huán)收集管以上區(qū)域：外循環(huán)收集管以下區(qū)域回流廢水量為778～1556 m3·d-1，即32.4～64.8 m3·h-1，加上IOC進(jìn)水量8.3 m3·h-1及循環(huán)泵循環(huán)量200 m3·h-1，則該區(qū)域上升水量達(dá)到240.7～273.1 m3·h-1，上流速度可達(dá)2.5～2.9 m·h-1。外循環(huán)收集管以上區(qū)域回流廢水量32.4～64.8 m3·h-1，加上IOC進(jìn)水量8.3 m3·h-1，則該區(qū)域上升水量達(dá)到40.7～73.1 m3·h-1，上流速度可達(dá)0.4～0.8 m·h-1。

2.2.3.4 IOC反應(yīng)器氣液固分離設(shè)計(jì)

2.2.3.4.1 三相分離器設(shè)計(jì)

(1)沉淀區(qū)的設(shè)計(jì)

沉淀器(集氣罩)斜壁傾角θ=50°；沉淀區(qū)面積A=3.14×D2/4=95 m2；表面水力負(fù)荷q=Q/A=10/95=0.1 m3·m-2h-1<0.6 m3·m-2h-1符合要求。

(2)回流縫的設(shè)計(jì)

取h=0.25m,根據(jù)幾何關(guān)系，則:

b1=h/tanθ

圖7 三相分離器設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖

b1=0.25/tan50=0.21m

b2=b-2b1=0.8-2×0.21=0.38 m

式中：b1為下三角集氣罩底水平寬度；b2為下三角集氣罩之間水平回流縫寬；b為下三角集氣罩兩頂點(diǎn)之間距離；θ為下三角集氣罩斜面的水平夾角；h為下三角集氣罩的垂直高度；m。

第一層三相分離器水平回流縫流速V1，可用下式計(jì)算：

V1=Q1/S1

式中：Q1為反應(yīng)器中廢水流量，m3·h-1；S1為下三角形集氣罩水平回流縫面積，m2。

圖8 三相分離器回流縫表面積示意圖

第一反應(yīng)室水量取最大值856.3 m3·h-1，其中過三相分離器的水量為(856.3-648×0.8)=337.9 m3·h-1,如圖S1=(10.4×2+10+9+8+5.5)×0.38×2-0.6×0.38×12=37.8 m2

第一層三相分離器水平回流縫流速：

第一層三相分離器斜面回流縫流速v2的計(jì)算：

V2=Q1/S2

式中：S2為上三角形集氣罩回流縫面積，m2；b4為上三角形集氣罩回流縫的寬度。AB>0.2 m 取AB=0.25 m，則b4=AB/sinθ=0.33 m

S2=(10.4×2+10+9+8+5.5)×0.33×2×2-0.6×0.38×12=67.7 m2

第一層三相分離器斜面回流縫流速：

同理，第二層三相分離器水平回流縫流速：

第二層三相分離器斜面回流縫流速：

(3)上下集氣罩相對位置的設(shè)計(jì)

圖9為IOC三相分離器的尺寸圖。兩分離單元水平間距400mm，兩分離單元豎直間距400mm。

圖9 三相分離器尺寸設(shè)計(jì)圖

2.2.3.4.2 反應(yīng)器頂部氣液分離器的設(shè)計(jì)

IOC頂部氣液分離器的目的是分離氣體和固、液體，由于采用切線流狀態(tài)，上部分離器中氣和固液分離較容易，這里設(shè)計(jì)直徑為2.5 m的氣液分離器，筒體高2 m，下底高600 mm，上頂高600 mm。

2.2.4 IOC反應(yīng)器進(jìn)水配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

布水方式采用環(huán)形布水管網(wǎng)，管道開孔并安裝帶傾角的噴嘴，通過切線進(jìn)水的布水方式，布水器具有開閉功能，即泵循環(huán)時(shí)開口出水，停止運(yùn)行時(shí)自動封閉。設(shè)計(jì)擬每2～3 m2(適宜于絮狀污泥進(jìn)水口負(fù)荷設(shè)計(jì))設(shè)置一布水點(diǎn)，出口水流速度3.7 m·s-1。擬設(shè)48個(gè)布水點(diǎn)，每個(gè)負(fù)荷面積為：

設(shè)計(jì)采用無堵塞式一管多孔進(jìn)水分配系統(tǒng)，一管采用環(huán)形布管，在主管上均勻?qū)ΨQ開孔，布置支管噴嘴，各支管向圓心及沿圓弧方向分別傾斜45°，形成旋流效果，管口對準(zhǔn)池底反射錐體，使射流向四周均勻散布于池底，出水口支管直徑約20 mm，每個(gè)出水口的服務(wù)面積為2～3 m2。

單點(diǎn)配水面積Si=2.0 m2時(shí)，配水半徑r=0.80 m。

取進(jìn)水總管中流速為1.7 m·s-1，則進(jìn)水總管管徑為：

配水口48個(gè)，配水口出水流速選為3.7m·s-1，則配水管管徑：

2.2.5 出水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出水堰寬取0.3 m。設(shè)出水堰堰口附近流速為0.6 m·s-1，則：

2.2.6 排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)(污泥量計(jì)算)

取X’=0.05 kgVSS·kg-1COD，根據(jù)VSS/SS=0.8，則X=0.05/0.8=0.06 kgSS·kg-1COD產(chǎn)泥量為：

△X=XQSr =54000×0.90×0.06×200×10-3=583.2 kgMLSS·d-1

每日產(chǎn)泥量583.2 kgMLSS·d-1，污泥含水率P為98%，因含水率>95%，取ρs=1000 kg·m-3，則每個(gè)11米直徑規(guī)模的IOC反應(yīng)器日產(chǎn)泥量為：

在布水管以下設(shè)置污泥斗及在布水管以下約0.8m處設(shè)一多點(diǎn)污泥收集裝置，收集支管為100mm，收集主管為150mm。

2.2.7 產(chǎn)氣量計(jì)算

產(chǎn)氣量計(jì)算如下：

每日產(chǎn)氣量：

54000×0.90×0.40×200×10-3=3888m3·d-1

每立方米沼氣發(fā)電2kW·h，沼氣用于發(fā)電，電量為：

W=3888×2=7776kWh·d-1

沼氣建議綜合利用，但同時(shí)需設(shè)置火炬燃燒系統(tǒng)，火炬需設(shè)置穩(wěn)壓罐和阻火裝置。火炬設(shè)置溫度傳感器，信號可就地和遠(yuǎn)程PLC顯示。

3 應(yīng)用案例簡述

該IOC反應(yīng)器已成功應(yīng)用于筆者單位多個(gè)垃圾焚燒發(fā)電項(xiàng)目的滲濾液處理工程中。以筆者單位常州一期改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，項(xiàng)目規(guī)模為400m3·d-1，設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為5.0kgCOD·m-3d-1，采用兩個(gè)φ×H=11.0×22m的IOC反應(yīng)器，自投運(yùn)以來，一直維持全量達(dá)標(biāo)處理，COD去除率高達(dá)90%，三相分離效果良好，產(chǎn)沼量接近理論值。

4 結(jié)論

(1)IOC反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上除了沿襲了IC反應(yīng)器較高的高徑比、雙層反應(yīng)室、雙層三相分離器等特點(diǎn)以外，其三相分離器、布水系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)自己的特色，其中，內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)合更便于反應(yīng)器調(diào)試、運(yùn)行中的上升流速需求變化的靈活應(yīng)用，IOC尤其適用于高濃度有機(jī)廢水的處理。

(2)文章通過實(shí)例分別討論IOC反應(yīng)器的幾何尺寸，上流速度，進(jìn)水、出水、排泥系統(tǒng)，三相分離器及產(chǎn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，以作為IOC及相關(guān)類似反應(yīng)器使用的設(shè)計(jì)計(jì)算的參考。

[1] 胡紀(jì)萃. 內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算方法的探討[J]. 中國沼氣，2011,29(1)：3-6.

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Discussion on Structure and Design Calculation of IOC Anaerobic Reactor /

LU Hong1,2， GAO Yong-gui1,2， GAO Xing-zhai1,2， REN Yan-shuang1,2， LI Cheng-hai1,2， XIAO Cheng-bin1,2， ZONG Hai-feng1,2， XU Huang1,2, ZHANG Lin1,2, YE Ming-qi1,2, CHEN Jie1,2/

(1. Everbright Environmental Protection Technological Development (Shenzhen) Limited, Shenzhen 518000，China； 2. Everbright Environmental Protection Equipment Manufacturing (Changzhou) Limited, Changzhou 213011，China)

The structure and working principle of Inner & Outer Circulation (IOC) anaerobic reactor was introduced in this paper, and design calculation of IOC was discussed as well with a living example.

IOC anaerobic reactor; structure; design calculation

2015-06-13

陸 紅(1986- )，女，安徽人，碩士，主要從事滲濾液處理工程設(shè)計(jì)工作,E-mail:luhong@ebchinaintl.com.cn

S216.4

B

1000-1166(2016)04-0045-06