IC厭氧反應器多層旋流布水與重渣排放系統研究

王建光， 陳再良

(蘇州大學 機電工程學院， 江蘇 蘇州 215021)

IC厭氧反應器多層旋流布水與重渣排放系統研究

王建光， 陳再良

(蘇州大學 機電工程學院， 江蘇 蘇州 215021)

針對IC厭氧反應器現有結構形式的布水系統存在的主要問題及反應器鈣化的困擾，文章擬在對比分析UASB與IC典型布置的基礎上，對布水及重渣排放進行結構優化。提出一套由多層布水管道和倒錐形導流板組成的多層旋流布水與重渣排放系統。通過對該系統進行水力計算及重渣和生物污泥運動狀態分析標明，該改進系統提高了布水均勻性并有效避免布水死區，使重渣與活性顆粒污泥經此完成篩選與分離，增強了廢水中有機物與生物污泥的混合度，有效強化了傳質和反應過程。最后文章結合對IC反應器進行改造的工程應用實例對該系統進行了實證分析。改造后反應器運行數據及紅外熱像檢測表明改進方案取得了預計效果，這為IC厭氧反應器布水及重渣引起的反應器鈣化等問題的研究提供了新的方法。

IC厭氧反應器； 旋流布水； 倒錐導流板； 重渣排放

IC厭氧反應器是在升流式厭氧污泥床UASB基礎上發展而來的一種高效厭氧生物反應器，被認為是第三代厭氧反應器代表性工藝之一。自荷蘭帕克公司于20世紀80年代建立第一個生產規模的IC反應器以來，在不同行業高濃度有機廢水領域得到了廣泛應用，表現出極大的應用潛力[1]。與USAB反應器相比，它具有有機負荷高、抗沖擊負荷能力強、占地面積小、出水穩定等優點[2]。且其處理產物沼氣可以實現資源化利用，如可以用于鍋爐房及發電等，備受行業關注。IC反應器核心構造主要包括布水系統、下層高負荷區、上層低負荷精處理區、內循環系統、氣液分離器。在框架構造上相當于上下兩個UASB反應器疊加而成[3]。

IC反應器布水系統是構成下層高負荷區污泥床結構的核心部件。其決定了反應器的進水方式，布水均勻性及布水區的傳質效果，直接影響反應器處理效果，因此布水器系統設計至關重要[4]。同時，市場上已經投入使用的厭氧反應器并未充分考慮重渣的收集與排放問題。近幾年投入使用的厭氧反應器已有少量的配置了重渣排放管，其通常做法僅是在反應器污泥床底部布置數根簡易排放口。基于此，一種兼顧排渣的旋流布水及重渣排放系統有著較大的應用需求。

1 布水與重渣排放研究現狀

以下以第二代厭氧反應器UASB和第三代厭氧反應器IC[5]的布水與渣排放結構布置為典型作概括介紹。

UASB反應器布水系統如圖1所示。廢水首先進入反應器污泥床底部區域外部的一段等直徑多管出流主管，之后各布水支管伸入反應器污泥床底部區域[6]，各布水支管出水口在平面上呈均勻分布。此種結構曾隨著UASB得到市場推廣得到廣泛應用。然而由于UASB反應器內部只有1層三相分離裝置，因此上升流速較低，通過升流引起的攪拌程度亦較低。混合攪拌較大程度上要依賴于所反應過程產生的沼氣，泥水混合效率受沼氣產量波動影響較大。反應器在運行中出現的短流、死角和堵塞等一些問題，厭氧微生物與廢水的混合與接觸效果一般，負荷及處理效率有待進一步提高[7]。

圖1 UASB典型布水系統

帕克開發的IC反應器布水系統是旋流布水器的1種，其在厭氧凈化裝置[8]中提及的布水系統結構如圖2所示。為旋流而設計的導流錐體結構上由多塊扇片拼成，相鄰扇片重疊，里外交錯布置形成布水縫。導流錐體與布水管道一起構成獨特的旋流布水系統。旋流促進了泥水的擴散并提高了布水的均勻性[9]。然而，由于反應器下降管設計時直接從錐體頂部深入到其底部，來自反應器頂部氣液分離器的回流污泥會逐漸積聚在錐體內部，再加上進水中重質的沉降使得導流裝置比較容易發生堵塞。這一方面會使得布水時局部阻力損失增大，獲得相同水頭壓力需要較高的能耗；另一方面由于導流裝置布水縫局部堵塞所引起各布水縫水量的改變，影響了理想旋流的形成，最終仍存在短流和偏流現象，實際運行中存在死區，布水不均。布水均勻性與理論設計有較大差異，由堵塞所引起的維護所引起的停機與重新啟動，增加了運營成本。

圖2 IC旋流布水器

同時作為反應器重渣主要來源的進水懸浮物沉淀、鈣化或老化的生物污泥及廢水中有機物與生物污泥反應產物，目前廣泛應用于市場的IC反應器結構上并未對其進行充分考慮。反應器投入使用后，隨著重渣的積聚，直接導致厭氧反應器的有效容積逐漸變小,污泥床流化狀態變差。同時未及時排放的重渣亦會使活性污泥大量鈣化而失去活性會，這將加劇反應器管壁及循環管道的鈣化并進一步導致反應器容積變小。反應器的鈣化使內循環效率降低，嚴重時甚至會出現循環管道堵死現象使內循環中斷。

2 新型旋流布水與重渣排放系統研究目標

對于高效IC反應器，衡量布水及重渣排放系統設計優劣的主要從以下幾個方面進行考量：

(1)布水系統流量是否滿足負荷所需流量要求，進水均勻地分布在反應器的橫斷面上，保證反應器底部單位面積上的進液量相同[10]，進水沿程阻力損失能否盡可能減少，使得單位流量進水所需能耗較低。

(2)新系統可以有效強化傳質，反應器內部生物污泥與廢水充分混合，流化狀態較好，防止局部酸化和死區的產生。反應區傳熱較好，溫度場分布均勻，使生物污泥發揮最大效率，從而保證反應器達到較高的有機負荷。

(3)能使反應器內部的重渣與活性污泥進行有效的篩選與分離，重渣可以定期得到排放。

(4)結構設計簡單、經濟，操作與維修安全方便。

3 多層旋流布水與重渣排放理論

筆者在總結過往經驗的基礎上，以旋流布水與重渣排放系統的研究目標為出發點，提出一套多層旋流布水并可以實現重渣持續排放的新型系統結構。

3.1 多層旋流布水與重渣排放系統結構設計

新型多層旋流布水與重渣排放系統如圖3所示，結構上由梯度多層布水管道與倒錐形導流板構成。

圖3 多層旋流布水與重渣排放系統

多層布水管道結構上采用沿程均勻泄流形式進行布水，布局上對稱布置，出水孔口大小亦相同。由于其流量沿程逐漸減小，可采用變徑法設計[11]。這種設計可以使管道內流體速度保持相對穩定，在不考慮水頭損失的情況下，理論上可以達到均勻配水的目的。

倒錐形導流板配合多層布水管道使用，常見的倒錐底結構有兩類，一類是真圓純錐底結構，另一種為扇形瓣狀結構。在對這兩類結構進行有限元建模分析應力分布結果可知扇形瓣狀結構相比真圓純錐底結構能節省50%以上的材料[12]。在實際工程應用中，帕克公司IC反應器使用的正錐形導流板在結構設計上便是采用扇形瓣狀結構，本文亦采用扇形瓣狀結構。

3.2 旋流布水下水力分布與重渣分離原理

反應器布水主管采用變徑對稱布置，沿途各布水支管周向分層均布，由于布水口位于各服務面積的形心處，這就使得廢水可以如圖4所示均勻地進入反應器。布水支管沿切向進行布水，進水在導流板的作用下轉化為環狀旋流。從而使反應器污泥床底部處于旋流狀態。

圖4 多層旋流布水理想水力分布

根據流體力學理論，當廢水以一定的初始速度通過布水口切向進入反應器后，經錐形導流壁作用，使流體由原來的直線運動轉變成圓周運動，線動量轉變成角動量[13]。其原理類似水力旋流分離器，可以將一定密度差的液-固-氣等多相混合物在離心力的作用下進行分離[14]。重渣及廢水中的沉積物隨著倒錐形導流區域的旋流向位于錐底底部的集渣槽聚集。使得重渣及沉積物不會聚集并結垢在反應器內壁上。

3.3 旋流布水的水力計算及重渣分離特性分析

IC反應器的進水體積負荷：

(1)

式中：D為反應器罐體內徑，m；Vu為液面上升流速，m·h-1。

由流體管道管徑計算一般公式可知進水主管進水口內徑理論公式：

(2)

當設置N根布水支管時，單根布水服務面積：

(3)

單根支管布水服務半徑r 為：

(4)

由公式(2)可進一步得出布水支管內徑計算公式：

(5)

式中：Q為反應器體積進水負荷，m3·h-1；Vd為布水支管設計流速 m·s-1。

各管段在到達該段布水支管前的流量Qi，考慮到并聯分流，Q1至Qi-1段布水支管數量為m，則有：

(6)

由公式(2)和公式(6)可以得出各分段管段管徑di:

(7)

對于此種倒錐形結構設計，如圖5所示自上向下流體的回轉半徑逐漸減小，切向速度逐漸增大。由于上下層旋流速度的差異及連續進水作用，自上向下形成低壓與高壓區。流體在靠近倒錐形導流板側形成比較明顯的向下旋轉運動，而在靠近錐形中心軸線區域則形成壓差逆流。多層旋流速度的差異及壓差逆流的存在可以促進形成良好的剪切攪拌混合，廢水中有機物與活性污泥充分接觸，顆粒污泥與沼氣加速分離。

圖5 多層旋流與壓差逆流

另一方面，自軸線沿半徑方向離心力逐漸增大。重渣與活性顆粒污泥在流體運動中受力包括自身重力、離心力、流體曳力等。在考察水平方向的運動時，假定其在切向和軸向不受任何反作用力，此時重渣與活性顆粒在切向和軸向上的分速度等于相應的流體速度。重渣與活性顆粒能否完成篩選分離主要取決于作用于其上的離心力和流體曳力。如果離心力大于流體曳力，則向錐壁運動；反之，則向中心運動。如圖6所示，密度較大重渣顆粒受到較大的離心力作用被甩向錐形壁，并沿著錐壁向下做圓錐螺旋線運動直至底部集渣口流出。活性污泥顆粒因密度較小而向中心運動，隨著壓差逆流及進水上升流速向上運動。

圖6 旋流狀態下重渣及活性污泥運動路徑

4 工程應用

無錫某紙廠廢水處理工程中原有一臺荷蘭帕克公司提供的IC反應器(Ф12.5 m ×24 m)，位于反應器外部的配水母管如圖7所示以多孔出流形式向各布水支管布水。14根布水支管并行進入反應器內部，如圖8枝狀散開后在梯度方向2，4，8分布格局豎直穿過多個扇片組成的正錐形導流錐體，相鄰的扇片里外交錯，重疊布置形成布水縫，各布水支管于錐底底面高度50 cm處呈均布分布，廢水首先經配水支管進入導流錐體下部區域，然后通過錐體布水縫形成旋流布水，理論上該布水系統可以保證布水均勻。

圖7 原IC反應器布水主管

圖8 原IC反應器內部布水管線

反應器實際運行中，一方面因反應器直徑較大且此種布水結構會產生較大的局部水頭損失，從而形成理想旋流需加大布水支管的出水流速，使得能耗很高。同時增大進水流速易形成較大的剪切力，使得污泥剪切破碎并因此降低活性污泥量及沉降性能。

另一方面，該反應器設計并未充分考慮重渣排放問題。為形成旋流而設計的導流錐體，由于錐體內部空間相對封閉，進水中重質沉降，特別是反應器下降管回流污泥會逐漸積聚在錐體內部無法排出，容易誘發堵塞。雖然配置了重渣排放管口，但僅在反應器污泥床底部布置了數根簡易排放口。此種排放結構的設計為重渣被動排放形式，排放主要基于重渣在反應器三相混合液中的密度最大，相應地會逐漸沉積在反應器的底部。由于是被動排渣設計，這種結構在污泥床底部并不能有效的分離重渣與反應用顆粒污泥，實際應用中排渣效果很不理想，存在較大缺陷。

反應器投入運行一定時間后，錐體底部積聚了大量重渣，厭氧顆粒污泥出現大量沉積死區。反應器內部出現比較嚴重的鈣化及結垢，處理能力逐漸下降并最終達不到原設計要求。

工程采用多層旋流布水與重渣排放系統進行改造。由于此系統已經成功應用于平湖獨山港某環保公司同型號IC反應器的改造，筆者采取與之相同的方案進行，反應器計算與之相同。設計參數見表1。

表1 IC反應器設計參數

由公式(7)可以得出布水主管各管段的計算值，考慮到市場上管徑規格篩選出幾種標準管徑作為選用值。

表2 各主管段計算及選用值

布水支管設計參數如表3所示。

由公式(5)可知布水支管的計算與實際選用值。

表3 布水支管設計值

表4 布水支管計算及選用值

反應器改造完成并穩定運行后，進水COD濃度≤3000 mg·L-1時,出水COD濃度≤900 mg·L-1，穩定運行后COD去除率在70%以上。這不僅相對于改造前COD去除率下降到30%左右有了大幅提高，而且優于原IC反應器65%去除率的設計值，厭氧出水水質較好同時出水污泥含量很低。沼氣產率穩定在0.35～0.42 kgCOD去除量之間，沼氣產量達到了較高水平并進入工廠配套的環保熱電系統進行發電，不但降低了處理單位廢水的能耗，而且取得了良好的經濟效益。

通過新增的排渣管對IC反應器進行定期排渣并進行分析，其中重渣灰分含量86%，表明碳酸鈣含量極高，排出重渣后的反應器不再受到鈣化問題的困擾。

反應器傳質影響溫度場分布，傳質效果的好壞可以通過反應器溫度場直觀體現來。良好的傳質表現為攪拌混合性好，熱量傳遞速率快，溫度分布均勻，具有良好的等溫性能[15]。IC反應器改造之前紅外溫度場影像如圖9所示，底部為重渣聚集，死區范圍內，由于流動速度很慢基本上不參與主體的流動、傳熱及傳質過程[16]，形成的低溫區使其等溫較差，印證了上述對IC反應器存在問題的分析。圖10為采用多層旋流布水與重渣系統反應器紅外檢測溫度場影像，檢測表明采用多層旋流布水與重渣系統的反應器具有良好的等溫性能。反應器整體不存在冷區，在反應器的污泥床反應區，反應室溫度場等溫極好，表明此區域傳質很好。

5 結論

上述工程案例通過多層旋流布水與重渣系統進行改造，反應器布水均勻性得到改善，解決了原先存在的重渣無法排放問題，傳質較好，獲得了均勻的溫度場分布。原IC反應器廢水處理能力不但恢復到了較高水平而且優于原設計值。實踐表明對IC反應器進行改造的效果是明顯的，改造達到了預計效果。本文亦是繼對平湖獨山港某環保公司IC反應器成功進行內循環厭氧反應器梯度多層旋流布水系統結構改造后的再次實踐與進一步理論完善，這為同類型IC反應器的改造形成了可以推廣的經驗。多層旋流布水與重渣系統的典型特征綜述如下：

圖9 原IC反應器熱成像

圖10 采用新型布水及重渣系統反應器熱成像

(1)與附加機械攪拌的反應器相比，可以充分利用切線方向進水時的流體動能產生旋轉式液流，即能將進水流體的能量轉換為水力攪拌的動能。不但結構簡單，而且有效降低了能耗。

(2)與非旋流式布水系統相比，傳質過程更好，傳質的改善使顆粒污泥的活性最大化。布水管道走向簡單，克服了內部堵塞的風險。

(3)布水支管分散布局，便于堵塞后疏通維護。工程應用中可以通過對每根布水支管單獨加裝調節閥，均衡各布水支管流量。

(4)倒錐形導流板結構促成的多層旋流速度的差異及壓差逆流的共同作用可以形成良好的剪切攪拌混合。顆粒污泥表面基質/氣體的交換效率高而穩定，從而使污泥沉降及沼氣上升分離更為容易。

(5)旋流會使生物污泥自下而上依照顆粒大小形成分級分布。這種層級分布與廢水中有機物厭氧消化去除速率自下而上逐漸遞減規律相符。

(6)重渣經此系統可以有效地得到篩選分離。在運行狀態下即可將重渣自動排出。反應器的有效容積不會隨著運行的時間變化而發生顯著變化，有效降低了反應器鈣化風險，使反應器能常態化處于良好的運行狀態。

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Multilayered Cyclone Water Distribution and Heavy Sludge Discharge System for IC Anaerobic Reactor /

WANG Jian-guang， CHEN Zai-liang /

(School of Mechanical and Electric Engineering, Suzhou University, Suzhou 215021,China)

In view of the main structure problems existing in IC anaerobic reactor’s water distribution system and the trouble of reactor calcification, this article focused on optimization design for the structure of water distribution system on the basis of comparison and analysis of UASB and IC typical layout. A multilayered cyclone water distribution and heavy sludge discharge system was proposed, which was composed of multi-layer water distribution pipe and inverted cone flow guide plate. Through hydraulic calculation of the system and motion analysis of biological sludge and heavy sludge, it was found that the uniformity of water distribution was improved, avoided water distribution dead zone, achieved the separation of heavy sludge from biological sludge, and enhanced the mixing degree of waste water organics with granular sludge. This effectively strengthened the mass transfer and reaction process. Finally，this article provided an empirical analysis based on a modified IC reactor project. The operation data and infrared thermography detection showed that the modified scheme achieved expected effect. Hence this provided a new method for solving the calcification problems caused by water distribution and heavy sludge discharge for IC anaerobic reactor.

IC anaerobic reactor; cyclone water distribution; inverted cone flow guide plate; heavy sludge discharge system

2016-05-06

2016-08-13

項目來源： 國家自然科學基金資助項目(51475315)； 江蘇省科技計劃項目(2014-Z-Y09； 2014-GX-219)

王建光(1987-)，男，河南省太康縣人，碩士，研究方向為工業水處理技術與裝備，E-mail：peterjgwang@163.com 通信作者： 陳再良，E-mail:chenzailiang@suda.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0056-06