IC反应器的设计.docx

1、IC反应器的设计IC反应器设计参考loser1.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 3550kgCOD/(rh 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UAS皈应器的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 N/1 = 35kgCOD/(m d)，:第二反 应室的容积负荷 血=12kgCOD/(md);污泥产率0.03 kgMLSS/kgCO；产气

2、 率 0.35m3/kgCOD(2)设计水质设计参数CODBODSS进水水质/ (mg/L)120006000890去除率/ %858030出水水质/ (mg/L)18001000623(3)设计水量Q= 3000riVd = 125riVh=0.035m3/s2.反应器所需容积及主要尺寸的确定(见附图 6-4)(1)3537C)、污有效容积 本设计采用进水负荷率法，按中温消化( 泥为颗粒污泥等情况进行计算。Q(Co Ce)式中v反应器有效容积，m ；Q废水的设计流量，nVd ;本设计流量日变化系数取 Kd=1.2,Q=3600 ml/dN容积负荷率,kgCOD/( m - d);G进水 CO

3、DS度，kg/m3； mg/L =10-3kg/m3，设计取 24.074 kg/m 3Ce出水 CODS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勺80% 左右，第二反应室去除总 COD勺20%左右。第一反应室的有效容积V = Q（c。Ce） 80%3000m3 /d (12 1.8)kg/m335kgCOD/m3 d第二反应室的有效容积3000m3/d (12 1.8)kg/m3 20%

4、 = 51亦12kgCOD/m3 dIC反应器的总有效容积为 V= 700+ 510= 1210用，这里取1250用（2） IC反应器几何尺寸 小型IC反应器的高径比（H/D） 般为48,高度在1520m,而大型IC反应器高度在2025m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/D3则（也）1/3=（4 1250m）1/3 = 8.2m，取9m,已知体积V利用高径比2.5 2.5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 X 9 = 22.5m,取 23m每个IC反应器总容积负荷率：第二反应室咼 H2= V = 510 = 8m.A 63

5、.6第一反应室的高度 H 1 = 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t HRT= = 1250 = 10hQ 125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210m/h),则需要循环泵的循环量为 256nVh。(可能为VXA=254.4m/h)第一反应室内液体升流速度一般为 1020m/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)x 0.8 X 0.35式中废水量Q=3000ri/d, C。和Ce分别为进出水CO浓度，0.8为第一反 应室的效率，0.

6、35为每千克去除的COD专化为0.35m3的沼气。则第一反应 室沼气量为：3000X( 12 1.8 )X 0.8 X 0.35 = 8568nT/d每立方米沼气上升时携带12m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 8568m/d，则回流废水量为856817136卅/d，即357714 m3/h，加上IC反应器废 水循环泵循环量 256 m3/h，则在第一反应室中总的上升水量达到了 613970nVh，(V流速=Q/A)上流速度可达9.6815.25m/h，IC反应器第一反应室上升流 速一般为1020m/h),可见IC反应器设计

7、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。fitIC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

8、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

9、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

10、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1_ 0.0175 2(1 0.0337T 0.00022T )式中vs -颗粒污泥沉降速度，cm/s或36m/hs颗粒污泥

11、密度，g/cm3s 清水密度，g/cmd p 颗粒直径。cmg 重力加速度，981cm/s 水的粘滞系数，g/(cm.s)水的运动粘滞系数，cni/sT 水温，C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35C，则水的运动粘滞系数为：0.0175v 厂(1 0.0337T 0.00022T )= 0.0175 (1 0.0337 35 0.00022 352)=0.0071(cm 2/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 1.02.0mm,最大颗粒直径为

12、3.143.57mm 颗粒密度为1.041.06g/cm3。1.05g/cm3, 般IC反应器中颗粒直径大于0.1cm,算得沉降速度Vs：(s i)gd： (1.05 1) 981 0.12Vs= = 3.83(cm/s) 138.2(m/h)18 18 0.0071三相分离器单兀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

13、度在100m/h以上)，贝U B-B 间总面积S为:式中Q为IC反应器循环泵的流量。S= (b1 3 bi 4) 4 ,则d=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 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45o60o之间),上挡板三角顶与集气罩相距 300mm设计IC 反应器 hi =0.85m, h2=0.7m。气液分离的设计 欲达到较好的气

14、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 1020cm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vi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Vi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+Vi的合成速度(v合)必须大于回流缝中液体流速v回流(30m

15、/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(d0.1mm时围绕气泡的水流呈层流 状态，Re1,这时气泡上升速度用Stokes公式计算：(s 1回218式中d 气泡直径，cm取0.01cm；1液体密度，g/cm3，取1.02g/cm3;g 沼气密度，g/cm3, 取 1.2 x 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 2x 10-2 g/(cm s)碰撞系数，取0.95g 重力加速度，cm/s2(取981 cm/s2)那么合速度的计算量为:2 2v合

16、 v1 vg 2wVgcos(180 40)9.52 252 2 9.5 25 cos140 1079.1v 合 32.85m/h v 回流 30( m/h)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500mmIC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

17、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

18、动封闭。本工程拟每 25mi设置一布水点，出口水流速度25m/s。6 10讲水加水系统拟设24个布水点，每个负荷面积为 S = 63.6 = 2.65m?。24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24吊。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S = 2.65m2时，配水半径r = 0.92m。取进水总管中流速为1.

19、6m/s，则进水总管管径为：配水口 8个，配水口出水流速选为2.5m/s，则配水管管径1253600 = 47mm8 3.14 2.5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=流量 二 3000/24/3600 二0.145m 流

20、速渠宽 4 0.3 0.2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

21、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10吊设一排泥点。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（46）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0.05O.lkgVSS。这里取X=0.05KgVSS/KgCO进行计算。设计流量3000nVd,进水COD1

22、2000mg/L出水为1800mg/L,则每天去除的 CODt为：3000X (12000-1800) x 10-3=30600(kg),那么 IC 反应器的产泥量 为 30600 X 0.05=1530 ( KgVSS/d),根据 VSS/SS=0.8, J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 50100gSS/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= 100V + 20V2= 100X 700+ 20X 510= 80200 ( kgSS因此，IC反应器的污泥龄为 802

23、00/1912.5 = 42d 沼气的收集 . 储存和利用产气量计算 本工程根据去除的CODt计算实际产气量。式中 V 每降解1KgCO产生的甲烷产量，取0.4m3CH/KgCODQ 废水流量， m/dC 0,Ce 进出水COD浓度，mg/L。则本工程中的CH产量为：VCH 0.43000(12000-1800) 1.42 3000 1800 10 3=9172.8(m 3/d)由于沼气中除含CH外，还有CQH2S等其他微量气体。这里取沼气中的 CH3含量 p=70%那么沼气产量 V=9172.8/0.7=13104m/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

24、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；H 1水封后面的阻力，mh 1气室顶部到出水水面的咼度，mh 2 气室咼度，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h2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 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-根，出气管

25、DN200根，进水管DN50-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=13104十 24 X 3=1638(m3/d)。取 D/H=1.5: 1。而1638(m3)4式中 D 贮气柜钟罩直径,H 贮气柜高度，mV 贮气柜体积,m3所以 H=10, D=15m贮气柜中的压力为600mmH),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

26、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400mme.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fCf (tr t)q式中 Q H-加热废水至操作温度时的热量，kJ/h ；F 废水相对密度，按1计；Cf 废水比热容，kJ/(

27、kg K);tr反应器内的温度，c； t 废水加热前的温度，C； q废水的流量，mVh ;热效率，可取 =0.85。本工程设计中，柠檬酸废水的温度(约 36C)与反应器内的温度(3537C) 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QdAK(tr ta)式中 Q D反应器保温所需热量，kJ/hA 反应器外表面积，miK 总传热系数，W/ (mb K)t a 反应器周围环境温度，CK值可按下式计算：丄丄di di丄K a1 1 2 2式中 i反应器内壁的对流传热系数， W/(m K)2反应器外壁的对流传热系数， W/(mi K)di，d2 反应器壁和保温层的厚度，mi， 2 反

28、应器壁与保温材料的热导率见表 6-7，W/(mK) 0.85，2 2120004000 W/(m K)， 2=20 W/(m K)。加热和保温所需的总热量:Q=Q+Q本工程设计中，Q=Q。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则丄 0.2 0.15 1K 3000 45.357 0.047 20K=0.30 駅分豺料的滸号事静卑丰WUm * KiJ7.454a 69445.357tk乍0. 04?U Ml乩U40. 062反应器外表面积 A= DH=3.14X 9X 23=649.98ni反应器内温度取36C，反应器周围温度按15C计时，反应器保温所需的热

29、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=9172.8ri/d X 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

30、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H2SQ溶解性CO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PAQUE公司研发成功，并推入国际废 水处理