Рис. 9.8. UASB-реактор. В верхней ча сти реактора имеется специальное устрой ство, разделяющее газ, воду и ил. Такие реакторы пригодны для обработки стоков с высоким содержанием уксусной кисло ты, например, ферментированных стоков сахарных производств.
органического вещества биомасса может образовывать сферические гранулы. Эти гранулы существуют в реакторе постоянно, тогда как флокулы то разрушаются, то создаются вновь. Сферические гранулы характеризуются высокой концентрацией биомассы и высокой плотностью. В связи с этим можно не только достигнуть
высоких скоростей |
обработки |
стоков, но |
и сохранить |
гранулы |
в активной части |
реактора, |
так как |
скорость их |
осаждения |
выше скорости восходящего потока воды. Концентрация ила в таких реакторах обычно в два раза выше, чем в контактных реакторах, т. е. составляет 5 -1 5 к г Б В Б /м 3 (7-20 кг Х П К /м 3). В реакторах со слоем ила могут возникать гидравлические проблемы из-за распределения исходного стока и разделения воды и газа в верхней части реактора. Этот тип реактора на сегодняшний день является наиболее широко распространенным среди анаэробных конструкций. Пример подобной установки показан на рис. 9.9.
9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
Устройство фильтров для анаэробной очистки такое же, как и фильтров, предназначенных для других биологических процессов. Для работы станций рассматриваемого типа важно, чтобы в стоке было невысокое содержание взвешенных веществ, иначе возможна кольматация фильтров. Низкий уровень концентрации взвешенных веществ в подаваемом стоке в сочетании с низким приростом ила приводят к тому, что в обработанном стоке концентрация взвешен ных веществ также очень низкая. Поэтому на многих сооружениях с анаэробными фильтрами вторичные отстойники не используются. Еще одна причина отсутствия отстойников заключается в том, что анаэробная очистка осуществляется с целью предварительной обработки стока.
Во всех анаэробных процессах, происходящих на фильтре, некоторая часть биомассы находится во взвешенном состоянии. Это особенно характерно для фильтров с неподвижной загрузкой,
Фильтр с псевдоожиженным слоем
Фильтр с расширенным слоем
Реактор с вращающимися дисками
Рис. 9.11. Различные анаэробные процессы, происходящие на филь трах. Обычно после этой стадии отстойник не используется. Высота псевдоожиженного слоя регулируется путем удаления части загрузки (на рисунке не показано), которая после обработки затем возвращается в реактор. Отработанный ил может поступать на обработку отдельно или может смешиваться с потоком обработанной воды.
может осложняться гидравлическими проблемами, тем более, что образующийся в анаэробном процессе газ способен затруднять разделение воды и гранул в верхней части фильтра. Кроме того, образующиеся на поверхности раздела между твердой подложкой
ибиопленкой пузырьки газа приводят к сбросу биопленки.
Вфильтрах с псевдоожиженным слоем загрузка очищается от биомассы механически, тогда как в фильтрах с расширенным слоем очищение загрузки происходит спонтанно вследствие постоянного трения частиц друг об др уга . В реакторе с вращающимися дисками сброс биомассы контролируется скоростью вращения диска.
9.4. П роектирование си стем анаэробной очи стки
Проектирование анаэробных систем налажено еще не очень хоро шо1. Обычно проектирование ведется, исходя из условия макси мального удаления органических разлагаемых веществ. Остановить такой процесс, например, на стадии 50%-ной очистки не представ ляется возможным. Причиной тому является медленный рост метаногенов, неизменно обусловливающий необходимость настолько большого времени гидравлического удерживания, что большинство органических веществ успевают подвергнуться гидролизу и превра титься в короткоцепочечные жирные кислоты. Далее практически все жирные кислоты превращаются в метан, это и объясняет невозможность частичной обработки2.
Целью проектирования, таким образом, является создание усло вий, обеспечивающих выживание метаногенных микроорганизмов (см. рис. 9.3 и пример 9.1).
Важное значение имеет температура процесса. Обычно пред полагается, что станция будет функционировать при температуре 35 °С (мезофильные условия). Термофильные процессы (5 0 -6 0 °С) осуществляются редко, тогда как более низкие температуры (15 - 25 °С) иногда используются.
9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
Обычно основой для проектирования таких систем служит объем ная нагрузка по ХП К , нагрузка на ил по Х П К или возраст ила.
Проектирование на основе объемной нагрузки
Объемная нагрузка Ву.хпк определяется следующим образом:
Ву.ХПК = Q lC xnK ,l/V 2 |
(9.7) |
Отсюда необходимый объем реактора 2V:
V 2 = QiCxriK.i /В у.хпк |
(9.8) |
1 Это не совсем так. На мировом рынке функционируют десятки ком паний, специализирующихся в проектировании анаэробных реакторов. К настоящему времени ими построено свыше тысячи только полномасштабных UASB-реакторов. — Прим . рев.
2 Путем снижения времени удерживания стока в реакторе или температуры такое регулирование возможно. — Прим . ред.
Таблица 9.2. Объемная нагрузка (по ХПК биологически разлагаемых веществ) на анаэробные реакторы при различных температурах. Эффек тивность обработки 80-90%
Объемная нагрузка, кг ХПК/(м3 •сут)
Тип станции |
15-25°С |
30-35°С |
50-60°С |
|
|||
Контактный реактор |
0,5-2 |
2-6 |
3-9 |
UASB-реактор |
1-3 |
3-10 |
5-15 |
Фильтр с неподвижной загрузкой |
1-3 |
3-10 |
5-15 |
Реактор с вращающимися дисками |
1-3 |
3-10 |
5-15 |
Фильтр с псевдоожиженным слоем |
1-4 |
4-12 |
6-18 |
Фильтр с расширенным слоем |
1-4 |
4-12 |
6-18 |
Заметим, что здесь под Схпкд подразумевается Х П К биологи чески разлагаемых веществ.
Объемная нагрузка различается для различных типов реакто ров (табл. 9.3). Геометрические параметры реакторов и технические детали приводятся в табл. 9.4.
Пример 9.2. Спроектируйте UASB-реактор на основе объемной на грузки.
Необходимо обрабатывать сток объемом 1200 м3. Органическое вещество, содержащееся в стоке, подразделяется на следующие фракции ( см. выражение (2.4)):
Si = 0,1 кг ХПК/м3,
Ss = 2,5 кг ХПК/м3,
Xi = 0,2 кг ХПК/м3,
Xs = 0,2 кг ХПК/м3,
Схпк = 3,0 кг ХПК/м3
Рабочая температура составляет 35°С. Из табл. 9.3 находим объемную нагрузку Ву.хпк = 3-10 кг ХПК/(м3 сут). Выберем значение 6 кг ХПК/(м3 •сут).
Из выражения (9.8) можно определить объем анаэробного реак тора:
V 2 = Q iC xnK .i/B y.xnK |
(9.8) |
Концентрация ХПК разлагаемого вещества равна 2,7 кг ХПК/м3, поскольку необходимо вычесть ХПК инертных растворенных и взвешенных веществ (Si и Xi).
В результате подстановки получаем:
У2 = (1200 м3/сут) •(2,7 кг ХПК/м3)/(6 кг ХПК(м3 •сут)) = 540 м3
Концентрация ила |
кг ВВ/м3 |
10-30 |
10-40 |
5-15 |
5-15 |
3-10 |
5-20 |
в реакторе |
кг БВБ/м3 |
8-25 |
8-30 |
4-12 |
4-12 |
2-8 |
3-16 |
|
кг ХПК/м3 |
10-30 |
10-40 |
5-15 |
5-15 |
3-10 |
5-20 |
Ил, прикрепленный |
% общего |
95-100 |
70-90 |
50-80 |
20-80а, |
0 |
0 |
к загрузке фильтра |
|
|
|
|
80-906 |
|
|
Взвешенный ил |
% общего |
0-5 |
10-30 |
20-50 |
20-80а, |
100 |
100 |
|
|
|
|
|
10—20б |
|
20-100 |
Концентрация ила |
г ВВ/м3 |
20-100 |
20-100 |
20-300 |
20-300 |
20-100 |
|
в обработанном стоке |
|
|
|
- |
|
- |
5-20 |
Поток газа |
норм.м3/(м 2 •сут) |
5-40 |
5-40 |
5-20 |
|||
максимальный |
норм.м3/(м 2 •сут) |
30-40 |
30-40 |
- |
10-20 |
- |
10-20 |
Расход энергии на подачу |
|
|
|
- |
- |
- |
- |
воды |
Вт •ч/м3 |
15-30 |
10-20 |
||||
сточной воды |
Вт •ч/м3 |
75-3000 |
20-1000 |
5-10 |
20-40 |
10-30 |
15-30 |
Энергия на вращение |
Вт •ч/(м3 реактора) |
- |
- |
20-80 |
- |
- |
- |
Энергия на перемешивание |
Вт •ч/(м3 реактора) |
- |
- |
- |
- |
5-15 |
- |
а Восходящий поток. 6 Нисходящий поток.
Проектирование на основе нагрузки на ил
Нагрузка на ил Вх.хпк определяется как
Вх.хпк = Q iC xn K ,i/M x
Масса ила М х — это та масса ила, которая находится в биоло гически активных частях реактора.
Для системы, изображенной на рис. 9.2, имеем:
Мх = У2 *х2,
отсюда можно выразить объем реактора и в результате подстановки получить:
V2 |
= |
Qi •C x n K ,i/(X2 |
•Вх,хпк) |
(9.9) |
Для различных |
типов реакторов |
нагрузка на ил |
одинакова, |
|
см. табл.9 .5 . Однако |
концентрация |
ила в анаэробном |
реакторе |
|
Х 2 различается в зависимости от типа реактора и операционных
параметров.
Проектирование на основе возраста ила
Цель такого типа проектирования состоит в обеспечении условий для выживания метаногенных организмов. Возраст ила 0х,м определяется следующим выражением:
0х,м = M x/Fsp,
где массу ила М х следует рассматривать как ту часть ила в реакторе, которая непосредственно осуществляет анаэробную
Таблица 9.4. Нагрузка на ил при анаэробной очистке воды не зависит от типа реактора. Эффективность удаления ХПК 80-90%
Доминирующее |
|
Нагрузка на ил, |
|
|
кг ХПК/(кг БВБ •сут) |
||||
в сточной воде |
||||
органическое вещество |
15-25° С |
30-35°С |
50-60° С |
|
|
||||
Уксусная кислота |
1,5-3 |
5-10 |
7-15 |
|
Растворенные легко |
0,7-1,5 |
3-5 |
4-7 |
|
разлагаемые вещества |
||||
Взвешенные медленно |
|
|
|
|
разлагаемые вещества |
0,1-0,3 |
0,5-1,0 |
1-2 |
|
Таблица 9.5. Типичные значения параметров процесса отделения ила [5, 6]. Расчет основан на среднечасовой скорости потока Q4,cp
|
Гидравлическая |
Нагрузка ВВ |
Метод отделения ила |
нагрузка на единицу |
на единицу |
поверхности, |
поверхности, |
|
|
м3водыДм2реактора-ч) кгВВДм2реактора-ч) |
|
Традиционное осаждение |
0,5-1,0 |
2-4 |
Осаждение в полочном от |
1,0-2,0 |
З-б |
стойнике |
|
|
Разделение ила и газа в |
0,5-1,0 |
|
UASB-реакторе |
|
|
Реактор с псевдоожижен |
0,5-1,0 |
2-4 |
ным слоем, верхняя часть |
|
|
реактора |
|
_ |
Фильтрация |
0,005-0,04а |
|
а м3воды/(м2 мембраны•ч)
очистку. Для большинства станций под М х понимают массу ила, находящегося в анаэробном реакторе.
Для нахождения необходимого объема реактора воспользуемся выражением (9.4):
|
|
|
|
V 2 = 0х,м •F S P / X B ,M ,2 |
( 9 .4 ) |
|
|||
|
Возраст ила |
0х,м |
определяем |
из рис. 9.3. Концентрация ила |
|||||
Х в,м ,2 ) |
которую |
можно оценить, пользуясь табл. 9.4, находится |
в |
||||||
интервале |
5 -1 5 к г Б В Б /м 3 |
(7-20 кг Х П К /м 3), а вот |
прирост |
ила |
|||||
F SP необходимо рассчитать, и мы сейчас это сделаем. |
|
|
|||||||
|
Прирост ила можно определить, исходя из следующего выра |
||||||||
жения: |
= |
Взвешенное инертное органическое вещество |
в сточной |
||||||
|
Fsp |
||||||||
воде + |
Прирост ила в биологическом процессе |
|
|
||||||
|
Используя обозначения из рис. 9.2, получаем: |
|
|
||||||
|
|
|
F SP = |
Q iX u |
-I- Q i(Ci — Ss,3)Ym ^i |
(9.10) |
|||
где |
Ss,3 — растворенное биологически разлагаемое органическое |
||||||||
вещество |
в обработанном |
стоке, |
C i — биологически |
разлагаемое |
|||||
органическое вещество в исходном стоке. |
|
|
|||||||
ле |
Общий коэффициент прироста илаУ набл изменяется в интерва |
|
|||||||
0,05-0,10 кг Х П К /к г ХП К , см. разд. 3.7.2, гл. 3. |
|
|
|||||||
Проектирование стадии отделения ила
Проектирование стадии отделения ила проводится на основе удель
ной гидравлической |
нагрузки и удельной нагрузки по ВВ. В |
табл. 9 .6 перечислены |
нагрузки, применяемые при отделении ила |
в анаэробных реакторах, осуществляемом различными способами.
Пример 9.3. Спроектируйте анаэробный контактный реактор, исходя из возраста ила.
В реакторе указанного типа необходимо провести очистку во ды, параметры которой приведены в примере 9.2. Концентрацию ХПК растворенного вещества в обработанном стоке примем равной 0,3 кг/м3.
Требуемый объем реактора определим по уравнению (9.4):
V2 = 0х,м •FSP/X B,M,2 |
(9.4) |
Основываясь на рис. 9.3, оценим возраст ила #х,м |
как равный |
20 сут. Концентрацию ила примем равной 8 кг ХПК/м3 |
(табл. 9.4). |
Из выражения (9.10) определяем прирост ила: |
|
FSP = QiXi,i 4- Qi(Ci - Ss,3) * Унабл |
(9.10) |
Здесь Qi = 1200м3/сут, Хщ =0,2 кг ХПК/м3, Ci =2,7 кг ХПК/м3. Концентрацию биологически разлагаемого органического веще
ства в обработанном стоке Ss,3 найдем из выражения:
S06i4,3 = Ss,3 + Sl,3
Следовательно, Ss,3 = |
Бобщ.з - |
Si,3 = 0,3 - 0,1 = |
0,2 кг ХПК/м3, |
||
поскольку предполагается, что Si,3 ~ Sit3. |
|
|
|||
Коэффициент прироста |
ила |
У„абл лежит |
в |
интервале |
|
0,05-0,10 кг ХПК/кг ХПК. |
В |
качестве оценки выберем |
величину |
||
0,08 кг ХПК/кг ХПК. |
|
|
|
|
|
Подставляя выбранные значения в выражение (9.10), определим прирост ила:
Fsp = 1200 м3/сут •0,2 кг ХПК/м3+
+1200 м3/сут(2,7кг ХПК/м3 - 0,2 кг ХПК/м3) •0,08 кг ХПК/кг ХПК = = 480 кг ХПК/сут
Значения 0х,м, FSP и Хв,м,2 подставляем в (9.4) и определяем необходимый объем реактора:
V2 = (20 сут •480 кг ХПК/сут)/(8 кг ХПК/м3) = 1200 м3; это означает, что время гидравлического удерживания 9 = 1 сут.