IC反应器的设计.docx
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IC反应器的设计
IC反应器设计参考loser
1.设计说明
IC反应器，即内循环厌氧反应器，相似由2层UASB反应器串联而成。
其由上下两个反应室组成。
在处理高浓度有机废水时，其进水负荷可提高至35～50kgCOD/（m3·d）。
与UASB反应器相比，在获得相同处理速率的条件下，IC反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率，IC反应器的平均升流速度可达处理同类废水UASB反应器的20倍左右。
设计参数
（1）参数选取
设计参数选取如下：
第一反应室的容积负荷NV1＝35kgCOD/（m3·d），：
第二反应室的容积负荷NV2＝12kgCOD/（m3·d）；污泥产率0.03kgMLSS/kgCOD；产气率0.35m3/kgCOD
（2）设计水质
设计参数
CODcr
BOD5
SS
进水水质/（mg/L）
12000
6000
890
去除率/%
85
80
30
出水水质/（mg/L）
1800
1000
623
（3）设计水量
Q＝3000m3/d＝125m3/h=0.035m3/s
2.反应器所需容积及主要尺寸的确定（见附图6-4）
（1）有效容积本设计采用进水负荷率法，按中温消化（35～37℃）、污泥为颗粒污泥等情况进行计算。
V＝
式中V－反应器有效容积，m3；
Q－废水的设计流量，m3/d；本设计流量日变化系数取Kd=1.2,Q=3600m3/d
Nv－容积负荷率，kgCOD/（m3·d）；
C0－进水COD浓度，kg/m3；mg/L=10-3kg/m3，设计取24.074kg/m3
Ce－出水COD浓度，kg/m3。
设计取3.611kg/m3
本设计采用IC反应器处理高浓度废水，而IC反应器内部第一反应室和第二反应室由于内部流态及处理效率的不同，这里涉及一，二反应室的容积。
据相关资料介绍，IC反应器的第一反应室（相当于EGSB）去除总COD的80％左右，第二反应室去除总COD的20％左右。
第一反应室的有效容积
V1＝
＝
＝700m3
第二反应室的有效容积
V1＝
＝
＝510m3
IC反应器的总有效容积为V＝700＋510＝1210m3，这里取1250m3
（2）IC反应器几何尺寸小型IC反应器的高径比（H/D）一般为4～8，高度在15～20m,而大型IC反应器高度在20～25m,因此高径比相对较小，本设计的IC反应器的高径比为2.5.H=2.5/D
V＝A×H＝
＝
则D＝
=
＝8.2m，取9m，已知体积V利用高径比推直径D，再由D反推IC高度。
（这部可以直接求得底面积）
H＝2.5×9＝22.5m，取23m。
每个IC反应器总容积负荷率：
NV＝
＝
＝24.5[kgCOD/（m3·d）]
IC反应器的底面积A＝
＝
＝63.6m2，则
第二反应室高H2＝
＝
＝8m.
第一反应室的高度H1＝H－H2＝23－8＝15m
（3）IC反应器的循环量
进水在反应器中的总停留时间为tHRT＝
＝
＝10h
设第二反应室内液体升流速度为4m/h（IC反应器里第二反应室的上升流速一般为2～10m/h），则需要循环泵的循环量为256m3/h。
（可能为V×A=254.4m3/h）
第一反应室内液体升流速度一般为10～20m/h，主要由厌氧反应产生的气流推动的液流循环所带动。
第一反应室产生的沼气量为
Q沼气＝Q（C0－Ce）×0.8×0.35
式中废水量Q=3000m3/d,C0和Ce分别为进出水COD浓度，0.8为第一反应室的效率，0.35为每千克去除的COD转化为0.35m3的沼气。
则第一反应室沼气量为：
3000×（12－1.8）×0.8×0.35＝8568m3/d
每立方米沼气上升时携带1～2m3左右的废水上升至反应器顶部，顶部气水分离后，废水从中心管回流至反应器底部，与进水混合后。
由于产气量为8568m3/d，则回流废水量为8568～17136m3/d，即357～714m3/h，加上IC反应器废水循环泵循环量256m3/h，则在第一反应室中总的上升水量达到了613～970m3/h，（V流速=Q/A）上流速度可达9.68～15.25m/h，IC反应器第一反应室上升流速一般为10～20m/h）,可见IC反应器设计符合要求。
（4）IC反应器第一反应室的气液固分离不同于UASB反应器顶部的三项分离系统，IC第一反应室的顶部功能主要为气体收集和固液两相分离。
较高的上升流速的废水流至第一反应室顶部，大部分液体和颗粒污泥随气体流入气室上升IC反应器顶部的气液固分离器，部分液体和固体流入三相分离器,颗粒污泥在分离器上部静态区沉淀，废水从上部隔板流入第二反应室。
图6-4为第一反应室顶部气液固分离器流态示意。
IC反应器第一反应室的气液固分离设计第一反应室三相分离器的气液固三相分离是IC最重要组成部分，是IC反应器最有特点的装置，它对该种反应器的高效率起了十分重要的作用。
其设计直接影响气液固三项分离及内部循环效果。
高效的三项分离器应具备以下几个功能：
气液固混合液中气体不得进入沉淀区，即流体（污泥与水混合物）进入沉淀区之前，气体必须进行有效地分离去除，避免气体在沉淀区干扰固，液的分离；沉淀区液流稳定，使其具备良好的固液分离效果；沉淀分离的部分固体（污泥）能迅速通过斜板返回到反应器内，以维持反应器内很高的污泥浓度和较长的泥龄；防止上浮污泥洗出，提高出水净化效果。
为了达到上述要求，进行了许多研究开发。
IC反应器有上.下两个三相分离器，第一反应室三相分离器严格意义上讲是不分离三相物质，不分离气体，仅分离液固体。
IC反应器的第二反应器流态与UASB极为相似。
一反应室的气液固分离器结构设计。
第一反应室气液固三相分离器通过挡板将气液固收集，气体和颗粒污泥受挡板的导流通过集气罩进入上升导流管，其中颗粒污泥受强大水流的作用（在上升管中流速大于0.5m/s）和气液一起流入反应器顶部的气液（固）分离器。
部分液体（含少量颗粒污泥）通过上下导流板进入分离器上部的沉淀区，在该区域所受水流影响较小，颗粒沉降从回流缝回到反应区域，废水则进入第二反应室处理。
图6-5为第一反应室三相分离器设计示意图。
图6-6为第一反应室三相分离器俯视图。
（6）IC反应器第一反应室的气液固分离几何尺寸
沉淀区设计三相分离器沉淀区固液分离是靠重力沉淀达到的，其设计的方法与普通二沉池设计相似，主要考虑沉淀面积和水深两相因素。
一般情况下沉淀区的沉淀面积即为反应器的水平面积；沉淀区的表面负荷率的大小与需要去除的污泥颗粒重力沉降速度vs数值相等，但方向相反。
据报道，颗粒污泥沉降速度一般在100m/h以上，沉降速度<20m/h的颗粒污泥认为沉降性能较差，沉降速度>50m/h的颗粒污泥被认为沉降性能良好。
颗粒在水中的沉降速度常用Stokes公式计算。
颗粒污泥沉降性能的好坏主要取决于颗粒的有效直径和密度。
处于自由沉降状态的污泥的自由沉降速度可用公式（6-2）计算。
根据Stokes：
vs＝
＝
式中
－－颗粒污泥沉降速度，cm/s或36m/h
－－颗粒污泥密度，g/cm3
－－清水密度，g/cm3
－－颗粒直径。
cm
－－重力加速度，981cm/s2
－－水的粘滞系数，g/（cm.s）
－－水的运动粘滞系数，cm2/s
－－水温，℃
上式可求出不同粒径颗粒污泥在清水中的自由沉降速度，并以它近似地代表颗粒污泥的实际自由沉降速度。
设温度为35℃，则水的运动粘滞系数为：
=
=0.0071（cm2/s）
IC反应器由于升流速度较大，细小颗粒容易被冲刷而使反应器内细小颗粒的比例减小，因此颗粒污泥的粒径较粗。
平均直径在1.0～2.0mm,最大颗粒直径为3.14～3.57mm；颗粒密度为1.04～1.06g/cm3。
清水密度近似取1g/cm3,则
=0.0071g/（cm·s）；颗粒污泥密度取1.05g/cm3，一般IC反应器中颗粒直径大于0.1cm,算得沉降速度vs:
vs＝
=
三相分离器单元结构结构示意图见图6-7。
三相分离器中物质流态示意图见图6-8，图中v1为上升液流流速，vs为气泡上升速度。
计算B-B‘间的负荷可以确定相邻两上挡板间的距离。
三相分离器平面上共有10个气固液分离单元，中部被集气罩分隔（如图6-5，图6-6所示）。
B-B‘间水流上升速度一般小于20m/h（1.0mm直径的颗粒污泥沉降速度在100m/h以上），则B-B‘间总面积S为：
S＝
＝
＝12.7m2
式中Q为IC反应器循环泵的流量。
S=
则
=0.45m,即相邻两上挡板间的间距为450mm。
两相邻下挡板间的间距b2＝200mm；上下挡板间回流缝b3＝150mm，板间缝隙液流速度为30m/h；气封与下挡板间的距离b4＝100mm；两下挡板间距离（C－C‘）b5＝400mm，板间液流速度大于25m/h。
沉淀区斜壁角度与分离器高度设计三相分离器沉淀区斜壁倾斜角度选50o（一般45o～60o之间），上挡板三角顶与集气罩相距300mm。
设计IC反应器
=0.85m,
=0.7m。
气液分离的设计欲达到较好的气液分离效果，气罩需与下挡板有一定的重叠。
重叠的水平距离（C的投影）越大，气体分离效果越好，去除气泡的直径越小，对沉淀区固液分离的效果影响越小。
所以重叠量的大小是决定气液分离效果好坏的关键所在，重叠量一般为10～20cm。
根据以上计算，上下三角形集气罩在反应器内的位置已经确定。
对已确定的三相分离器的构造进行气，液分离条件的校核。
如图6-8所示，当混合液上升至A点后，气泡随液体以速度v1沿斜面上升，同时，气泡受浮力的作用有垂直上升的速度vg,所以气泡将沿着v1和vg合成速度v合的方向运动。
要使气泡不随回流缝液体流向沉淀区，vg+v1的合成速度（v合）必须大于回流缝中液体流速v回流（30m/h）。
图6-9是气泡在下挡板边缘流态示意图。
气泡上升流速v1的大小与其直径.大小.水温液体和气体的密度.液体的粘滞系数等因素有关。
当气泡直径很小（d<0.1mm）时围绕气泡的水流呈层流状态，Re<1,这时气泡上升速度用Stokes公式计算：
式中
－－气泡直径，cm取0.01cm；
－－液体密度，g/cm3，取1.02g/cm3；
－－沼气密度，g/cm3，取1.2×10-3g/cm3
－－废水动力粘滞系数，g/（cm·s）[废水的
一般比净水大，这里取2×10-2g/（cm·s）]
－－碰撞系数，取0.95
－－重力加速度，cm/s2（取981cm/s2）
所以，
那么合速度的计算量为：
可见合速度大于回流缝的回流速度，保证气相不进入沉淀区。
反应器顶部气液分离器的设计IC顶部气液分离器的目的是分离气和固液由于采用切线流状态，上部分离器中气和固液分离较容易，这里设计直径为3m的气液分离器，筒体高2m，下锥底角度65°，上顶高500mm。
IC反应器进水配水系统的设计
设计说明布水区位于反应器的下端，其基本功能：
一是将待处理的废水均匀地分布在反应区的横断面上，因为生产装置的横断面往往很大，均匀布水的难度高，需设置复杂的进水分布系统；二是水力搅拌，因为进入水流的动能会使进水孔口周围产生纵向环流，有助于废水中污染物与颗粒污泥的接触，从而提高反应速率，同时也有利于颗粒污泥上粘附的微小气泡脱离，防止其上浮。
为实现这两个功能，设计时应满足下列原则。
1.确保各单位面积的进水量基本相同，以防短路或表面符合不均匀等现象的发生。
实践证明，只有当负荷过低或配水系统不合理时会发生沟流。
2.尽可能满足水力搅拌需要，促使水中污染物与污泥迅速混合。
3.易于观察到进水管的堵塞，一旦发生堵塞，便于疏通。
4.IC反应器进水管上设置调节阀和流量计，以均衡流量。
布水方式采用切线进水的布水方式，布水器具有开闭功能，即泵循环时开口出水，停止运行时自动封闭。
本工程拟每2～5m2设置一布水点，出口水流速度2～5m/s。
拟设24个布水点，每个负荷面积为Si＝
＝2.65m2。
配水系统形式本工程采用无堵塞式进水分配系统（见附图6-10）。
为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向着池底，出水口池底约20cm，位于服务面积的中心点。
管口对准池底反射锥体，使射流向四周均匀散布于池底，出水口支管直径约20mm，每个出水口的服务面积为2～4m2。
此种配水系统的特点是比较简单，只要施工安装正确，配水可基本达到均匀分布的要求。
单点配水面积Si＝2.65m2时，配水半径r＝0.92m。
取进水总管中流速为1.6m/s，则进水总管管径为：
D＝
＝2×
＝0.166m＝166mm
配水口8个，配水口出水流速选为2.5m/s，则配水管管径
d＝
＝
＝47mm
出水系统设计
出水系统的设计在IC反应器的设计中占有重要地位，因为出水是否均匀也将影响沉淀效果和出水水质。
为保持出水均匀，沉淀区的出水系统通常采用出水渠。
一般每个单元三相分离器沉淀区设一条出水渠，而出水渠每个一定距离设三角出水堰。
一般出水渠前设挡板以防止漂浮物随出水带出，如果沉淀区水面漂浮物很少，有时也可不设挡板。
出水渠宽取0.3m，工程设计4条出水渠。
设出水渠渠口附近流速为0.2m/s，则出水渠水深＝
＝
＝0.145m
设计出水渠渠高位0.2m,这样基本可保持出水均匀，出水渠出水直接进入A/O反应池进一步处理。
排泥系统设计
设计说明由于厌氧消化过程微生物的不断增长和反应器内悬浮固体的积累，反应器内的污泥量会不断增加。
为维持IC反应器内的污泥量近于恒定，运行中产生的剩余污泥必须定期排出反应器。
一般认为UASB反应器排出剩余污泥的位置上反应器的1/2高度处，但大部分设计者推荐把排泥设备安装在反应器底部，也有人在三相反应器下0.5m处设排泥管以排出污泥床上面部分的剩余絮体污泥，而不会把颗粒污泥带走。
IC反应器排泥系统必须同时考虑上.中.下不同位置设置排泥设备，具体布置还应考虑生产运行的具体情况。
因为大型IC反应器一般不设污泥斗，而池底面积较大，考虑排泥均匀的需要必须进行多点排泥。
据相关资料介绍建议每10m2设一排泥点。
为简化设计，在离两级三相分离器下三角以下0.5m处设一排泥口，在反应器设防空管，口径均为100mm。
此外，在池壁全高上设置若干（4～6）个取样管，取反应器内的污泥样，以随时掌握污泥在高度方向的浓度分布情况。
并可据此计算出反应器的储泥总量以确定是否需要排泥。
IC反应器产泥量的计算根据经验数据，一般情况下每去除1kgCOD,可产生0.05～0.1kgVSS。
这里取X=0.05KgVSS/KgCOD进行计算。
设计流量3000m3/d,进水COD12000mg/L,出水为1800mg/L,则每天去除的COD量为：
3000×（12000-1800）×10-3=30600（kg）,那么IC反应器的产泥量为30600×0.05=1530（KgVSS/d）,根据VSS/SS=0.8，则SS的产量为1530/0.8=1912.5（kg/d）。
IC反应器中第一反应室膨胀床污泥浓度较高，可达50～100gSS/L甚至更高，第二反应室污泥为20gSS/L,则IC反应器中污泥总量为：
G＝100V1＋20V2＝100×700＋20×510＝80200（kgSS）
因此，IC反应器的污泥龄为80200/1912.5＝42d
沼气的收集.储存和利用
产气量计算本工程根据去除的COD量计算实际产气量。
式中V－－每降解1KgCOD产生的甲烷产量，取0.4m3CH4/KgCOD
Q－－废水流量，m3/d
C0,Ce－－进出水COD浓度，mg/L。
则本工程中的CH4产量为：
=9172.8（m3/d）
由于沼气中除含CH4外，还有CO2.H2S等其他微量气体。
这里取沼气中的CH4含量p=70%,那么沼气产量V=9172.8/0.7=13104m3/d
水封的设计水封是IC装置内外环境的屏障，一般设于反应器和沼气柜之间，起调整和稳定压力作用。
水封设计的关键参数是其高度，计算公式为；
H=H1-H2=（h1-h2）-H2
式中H－－水封有效高度，m；
H1－－水封后面的阻力，m；
h1－－气室顶部到出水水面的高度，m；
h2－－气室高度，m。
气室高度（h2）的选择应保证气室出气管在反应器运行中不被淹没，能通常的将沼气排出池体，防止浮渣堵塞。
气室水面常有浮渣层，在选择h2时应留有浮渣层的高度，此外气室还需设浮渣排放口，以便及时清理浮渣。
综上所述，h2取1.00m,h1=0.50m,H2=0.40m。
所以，H=1.00+0.50-0.40=1.10m。
水封罐的高度取为1.5m，直径为1.0m,进气管DN200一根，出气管DN200一根，进水管DN50一根，并设液位计。
储气柜的设计沼气的产量和用量都不是恒定的，沼气柜常采用前者。
它是一种单级或多级湿式贮气柜。
贮气柜直径与高之比一般为1.5：
1，浮动罩下的水室在有冰冻的地区应考虑防冻措施。
本设计采用单击湿式贮气柜。
贮气柜的设计计算
贮气柜的容积V=13104÷24×3=1638（m3/d）。
取D/H=1.5：
1。
而
式中D－－贮气柜钟罩直径，m
H－－贮气柜高度，m
V－－贮气柜体积,m3
所以H=10，D=15m。
贮气柜中的压力为600mmH2O，由于沼气中含有少量H2S，对设备有腐蚀作用，贮气柜内涂以一层防腐材料。
另外，为了减少太阳照射气体受热引起的容积增加，贮气柜外侧涂反射性色彩，如银灰色涂料。
气柜其他部件的设计
a,考虑到刚开始近气时，使气柜不压到管底，在水池底部安装6个钢筋混凝土支撑，长600mm,宽400mm.
b.为了使气柜能上下沉浮，设计中安装6个导轮。
c.为维持气柜内恒定压力及安全起见，在钟罩的封头上安装一根放空管。
d.进出气管比自动放空管高400mm
e.钟罩内外设置人梯，钟罩上开一人孔。
（4）加热与保温
厌氧生物处理与温度密切相关，因此应常将厌氧反应器加热和保温。
废水加热时所需的热量
式中QH－－加热废水至操作温度时的热量，kJ/h；
－－废水相对密度，按1计；
－－废水比热容，kJ/（kg·K）；
－－反应器内的温度，℃；
－－废水加热前的温度，℃；
－－废水的流量，m3/h；
－－热效率，可取
=0.85。
本工程设计中，柠檬酸废水的温度（约36℃）与反应器内的温度（35～37℃）相当，所以可不设加热装置以节省费用。
反应器保温所需热量计算
式中QD－－反应器保温所需热量,kJ/h
A－－反应器外表面积，m2
K－－总传热系数，W/（m2·K）
ta－－反应器周围环境温度，℃
K值可按下式计算：
式中
－－反应器内壁的对流传热系数，W/（m2·K）
－－反应器外壁的对流传热系数，W/（m2·K）
，
－－反应器壁和保温层的厚度，m
，
－－反应器壁与保温材料的热导率见表6-7，W/（m·K）。
≈0.85，
≈2000～4000W/（m2·K），
=20W/（m2·K）。
加热和保温所需的总热量：
Q=QH+QD
本工程设计中，Q=QD。
反应器壁为钢结构，保温层采用软木；反应器壁厚200mm,保温层厚150mm,则
K=0.30
反应器外表面积A=
DH=3.14×9×23=649.98m2。
反应器内温度取36℃，反应器周围温度按15℃计时，反应器保温所需的热量
沼气发电每立方米沼气发电2kW·h,沼气用于发电，电量为：
W=9172.8m3/d×2kW·h/m3=18345.6（kW·h/d）
选用两台1000kW发电机，一备一用。
产生的电可以满足废水处理设施用电和部分厂区其他部门用电，每年有一百多万元盈余，变废为宝。
IC反应器其他设计考虑
在处理蛋白质或脂肪含量较高的工业废水时，这些化合物会使沉淀区和集气罩的液面形成一层很厚的浮渣层。
当浮渣层厚度太大时会阻碍沼气的顺利释放，或堵塞集气室的排气管，导致部分沼气从沉淀区逸出，严重干扰了固液分离的效果。
为了清除沉淀区液面和气室液面形成的浮渣层，必须设置专门的清除设备或预防措施。
在沉淀区液面形成的浮渣层可采用撇渣机或刮泥机清除，而在气室形成的浮渣清除较为困难，可用定期进行循环水或沼气反冲洗等方法减少或去除浮渣，必须设置冲洗管和循环水泵（或气泵）。
IC反应器各部分应采取相应的防腐措施，尤其是采用钢板制造三相分离器时，必须严加防腐。
由于H2S在空气中氧化成H2SO4。
溶解性CO2都会产生腐蚀，所以应对反应器上部的混凝土和钢结构采取防腐措施。
本工程处理的柠檬酸废水由于硫酸盐含量很高，更应加强防腐
IC厌氧反应技术《后记》
1?
引言
?
?
?
废水厌氧生物技术由于其巨大的处理能力和潜在的应用前景，一直是水处理技术研究的热点。
从传统的厌氧接触工艺发展到现今广泛流行的UASB工艺，废水厌氧处理技术已日趋成熟。
随着生产发展与资源、能耗、占地等因素间矛盾的进一步突出，现有的厌氧工艺又面临着严峻的挑战，尤其是如何处理生产发展带来的大量高浓度有机废水，使得研发技术经济更优化的厌氧工艺非常必要[1]。
内循环厌氧处理技术（以下简称IC厌氧技术）就是在这一背景下产生的高效处理技术，它是20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司研发成功，并推入国际废水处理工程市场，目前已成功应用于土豆加工、啤酒、食品和柠檬酸等废水处理中。
实践证明，该技术去除有机物的能力远远超过普通厌氧处理技术（如UASB），而且IC反应器容积小、投资少、占地省、运行稳定，是一种值得推广的高效厌氧处理技术。
2?
现有厌氧处理技术的局限性
?
?
?
厌氧处理是废水生物处理技术的一种方法，要提高厌氧处理速率和效率，除了要提供给微生物一个良好的生长环境外，保持反应器内高的污泥浓度和良好的传质效果也是2个关键性举措。
?
?
?
以厌氧接触工艺为代表的第1代厌氧反应器，污泥停留时间（SRT）和水力停留时间（HRT）大体相同，反应器内污泥浓度较低，处理效果差。
为了达到较好的处理效果，废水在反应器内通常要停留几天到几十天之久。
?
?
?
以UASB工艺为代表的第2代厌氧反应器，依靠颗粒污泥的形成和三相分离器的作用，使污泥在反应器中滞留，实现了SRT>HRT，从而提高了反应器内污泥浓度，但是反应器的传质过程并不理想。
要改善传质效果，最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。
然而高负荷产生的剧烈搅动又会使反应器内污泥处于完全膨胀状态，使原本SRT>HRT向SRT=HRT方向转变，污泥过量流失，处理效果变差。
3?
IC反应器工作原理及技术优点
3.1IC反应器工作原理
?
?
?
IC反应器基本构造如图1所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。
按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：
混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。
?
?
?
混合区：
反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。
?
?
?
第1厌氧区：
混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。
混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。
随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。
?
?
?
气液分离区：
被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端
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