升流式厌氧污泥床反应器结构优化模型及其应用

� � 文章编号: 0258�2724( 2000) 01�0014�04 升流式厌氧污泥床反应器 结构优化模型及其应用 陈春光, � 郑爽英 (西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031) 摘� 要: 根据升流式厌氧污泥床( UASB)反应器的简化流型,建立了其结构优化模型, 通过求解并分析, 得到如下 结论: ( 1) 在反应器结构 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中, 为了提高容积效率,应着力于反应器布水装置和三相分离器的技术开发; ( 2) 由 于常规UASB反应器在提高水力负荷上难有突破,故应开发 UASB 反应器与其它工艺结构的组合形式。 关键词: 废水处理; 污泥;数学模型; 升流式厌氧污泥床反应器 中图分类号: X703� � 文献标识码: A An Optimization Model for the Structure of Up�Flow Anaerobic Sludge Blanket Reactor and Its Use CHEN Chun�guang, � ZHENG Shuang�ying ( School of Civil Eng . , Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China) Abstract: According to the simplified flow pattern of an up�flow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, a structural opt imizat ion model is constructed. Through solving the optimization model and analyzing the corresponding results, it can be concluded that ( 1) the structure design of the UASB reactor must be focused on the technical development in both the water distribut ion system and the three�phase separator to increase volumetric efficiency; and that ( 2) the combination forms of the UASB reactor with other processing structures should be developed due to the difficulty of increasing the hydraulic load in a common UASB reactor. Key words: waste water treatment; sludge; mathemat ical model; up�flow anaerobic sludge blanket reactor 自70年代以来,升流式厌氧污泥床(简称UASB)反应器, 经历了小试、中试和生产性应用 3个阶段。 由于其操作简单,能耗低而得到广泛应用,特别在高浓度有机废水处理方面发挥着重要作用。但是, 目前 在实际工程中多凭经验进行反应器设计,对反应器设计中的主要结构形式及参数研究甚少。为此,文中将 通过分析升流式厌氧污泥床反应器特性,建立其优化模型,在实例计算的基础上, 提出反应器设计中应注 意的几个问题, 同时,阐明升流式厌氧污泥床反应器结构的发展方向。 1 � UASB反应器数学模型 � � 在一个运行良好的UASB反应器中, 主要有 3部分,即污泥床区、污泥悬浮层区和沉淀室,这些不同的 区域各自担负着不同的作用。在污泥床区,以高浓度的颗粒化污泥的存在, 包含了大量的活性厌氧菌, 与 污水充分接触, 起着生物代谢的主要作用,经过酸化与甲烷化两个过程,分解污水中的有机物,并且产生甲 烷气,以气泡的形式,由污泥床区上升, 并带动周围混合液, 具有一定的搅拌作用,经过气体搅拌,污泥床区 收稿日期: 1998�12�01 作者简介:陈春光( 1959- ) ,男,副教授,硕士. 第 35 卷 � 第 1期 2000年 2 月 � � � � � � 西 � 南 � 交 � 通 � 大 � 学 � 学 � 报 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY � � � � � � Vol. 35 � No. 1 Feb. 2000 的松散污泥带入悬浮层区,与悬浮污泥碰撞接触, 一部分比重加大, 沉入污泥床区。悬浮层混合液的污泥 松散, 颗粒比重小,以较低的污泥浓度而存在。粘附在气泡上的污泥在三相分离器斜板的作用下分离, 再 次回到悬浮层。进入沉淀室的混合液, 没有了气泡,液体的运动趋于层流形态。根据以上几个方面的分析 和实验观察,可将UASB反应器的流型抽象为如图 1所示。即污泥床区和悬浮层区被认为是完全混合型, 而沉淀室被认为是推流型。 图 1 � UASB 反应器流型示意图 为了分析物料平衡关系, 根据上面提出的流型 分布模型,将基质浓度和污泥浓度引入,见图 1所示 的模型。对于污泥床区, 有物料恒算关系 Vb dSb dt = q0S0+ qdbSd - qbdSb - VbrbX b (1) 其中: S 为基质浓度, mg/ l; X 为污泥浓度, mg/ l; Vb 为污泥床区容积; rb 为污泥床区基质降解率。基质 降解率服从Monod公式 r b = rmax Sb K + Sb (2) � � 对于悬浮层,同理有关系式 Vd dSd dt = qlS 0+ qbdSb - qdbSd - VdrdXd (3) 式中: Vd 为悬浮层区容积; rd 为悬浮层区基质降解率。 悬浮层的污泥浓度与产气量、污泥床浓度、流体速度和污泥沉降速度有关, Van Der Meer提出[ 1] X d = �gbK tbXb�gbK td + v s- vl �gb = �g 10q0 q(10 + hd + hs t ) �g = Ksg f me vl ( S0 - Sb) (4) 式中: Xd 和X b分别为悬浮层与污泥床区的污泥浓度; �g 为反应器产气量; �gb为污泥床区产气量; K tb和K td 分别为悬浮层与污泥床区的搅拌系数; K sg为转化率( CH4/TOC) , m3/ kg; v s 为污泥颗粒沉降速度; vl 为反应 器表面水力负荷; hd 和 hst分别为悬浮层与沉淀室的高度; f me为系数。 由于污泥床产生沼气 �g, 把一部分混合液从污泥床区提升到悬浮层, 其流量 qbf等于产气量 �g。 P. M. Heertjes的实验结果指出,污泥床区的短流与污泥床厚度有关[ 2] ,并提出关系式 ql = (0. 13+ 0. 17hb) q (5) 式中, hb 为污泥床区高度。 2 � 数学模型简化 � � 以上根据UASB反应器的工作原理, 详细分析了 UASB反应器的流动状态,以反应器各区的物料恒算 关系,得到了描述UASB反应器的数学模型式( 1) ~ 式( 5)。但是,就现在而言, 由于对UASB反应器内部参 数测定难度大, 而且模型也显得复杂不易利用。另外, 作为一个污水处理设备, 一般关心的是主要操作条 件,如在设备设计时, 考虑的要素是水力负荷、污泥浓度、污泥负荷、进水浓度和出水浓度以及产气量等。 在此背景下,对上述模型进行合理的简化是必要的。 首先, 设污泥床区和悬浮层区的有机物浓度相等, 又设两区有机物降解速率相等, 则式( 1)和式( 3)简 化为 Vb dSb dt = q 0( S0 - Se) - VbrX b (6) 15第 1期 � � � � � � � 陈春光等:升流式厌氧污泥床反应器结构优化模型及其应用 � � � � � � � � Vd dSd dt = ql ( S0- Se ) - VdrXd (7) 式中, S0 和 Se 分别为反应器进口与出口浓度。 讨论式(6)和式(7)对应的稳态方程,并设反应器横截面面积为 A ,则可得到反应器两个区的高度分别 为 hb = q 0( S0- Se ) rXbA (8) hd = ql ( S0- Se ) rXdA (9) 3 � UASB反应器结构优化模型 � � UASB反应器主体部分是污泥床区和悬浮层区,设计中一般根据污泥负荷和水力负荷, 可以确定反应 器的容积,而反应器的截面积和高度如何取值是设计中必须考虑的问题。本文从上述数学模型提出UASB 结构优化模型, 并以实例计算讨论反应器的优化结构。 3. 1 � 目标函数 � � 作为一个污水处理设备, 一般是考虑在水力停留时间一定的情况下追求污水处理的效率,在厌氧处理 中,若用 COD容积去除率作为处理效率,显然有 �= Q( S 0- Se ) VR (10) 因为 VR= A ( hb+ hd+ hs t ) , Q= Av l ,所以上式写为 �= vl ( S 0- Se) hb + hd + h st (11) 在UASB反应器设计中, S 0和 Se 都由设计要求预先给定, hs t因为是沉淀室高度,需要从三相分离器的要求 来决定。由式(10)和式(11)以及式(4)和式(5)可知,容积效率 �实际只是 vl 的函数, hb 和hd 是以隐函式 给出,所以上式可表示为 �= �[ hb( v l ) , hd( v l ) , vl ] (12) � � 根据前人的研究[ 1]和实际工程报道,可提出约束条件, 由此得到UASB结构优化问题为 max � �[ hb( vl ) , hd ( v l ) , vl ] (13) s. t . � 1. 0 m/ h � vl � 2. 0 m/ h 1 m � hb � 2. 5 m hd 1. 7 m ( 14) 3. 2 � 优化问题求解 � � 对非线性问题式( 13)和式( 14) ,可用线性逼近法求解, 由于 hb 和hd 均为隐函式, 在每次线性逼近求 导时,需要用迭代法求 hb 和hd。 例 � 设某污水处理工艺采用厌氧 ! 好氧串联工艺,厌氧单元拟选用 UASB反应器,进水浓度( COD)为 4 500 mg/ l,出水浓度( COD)为 500 mg/ l,其他数据见表 1[ 1]。 表 1� 参数及常系数值 h st= 1. 0 m ktd= 38. 4 v s= 11. 6∀ 10- 3 m/ s ksg= 1. 12 m3CH4/ kgTOC r= 1. 4 kgCOD/ kgVSS/ day f me= 0. 83 ktb= 12. 8 Xb= 80 kgSS/ m 3 � � 计算结果: v*l = 2 m/ h, h*b = 1. 24 m, h*d = 2. 25 m。则反应器总高 hR= 1. 24+ 2. 25+ 1. 0= 4. 49 m。 实际工程设计中要求得反应器最优结构尺寸,须得到具体基质厌氧反应的参数或参照相近相似条件 的设计参数,但是就目前来说大多数情况不具备这些条件, 还有待于今后的研究积累。不过本文在此讨 16� � � � � � � � � � � 西 � 南 � 交 � 通 � 大 � 学 � 学 � 报 � � � � � � � � � � � 第 35卷 论,主要想阐明升流式厌氧污泥床反应器结构优化尺寸受哪些因素控制。 4 � 分析与结论 � � 引用文献[ 1]的数据求出目标函数值,其结果为图 2(图中 �0 为最大效率值)。从图可知, 本例中目标 函数 �是水力负荷 v l (在优化区间内)的单调增函数, 这说明:在优化区间内, 水力负荷越大, UASB反应器 的效率越高。通过提高水力负荷, 可以提高反应器处理效率。 但从图3中可知,随着 v l的增大,反应器高度H = hb+ hd+ h st也增大。限制UASB反应器水力负荷增 大主要是来自上部三相分离器,特别是沉淀室的要求。因为水力负荷增大, 沉淀室流体上升流速增大, 不 利于污泥的沉淀分离和污泥的截留, 长时期运行后, 反应器内污泥浓度减小, 处理效率降低。因此, 提高 UASB反应器的容积效率,必须从三相分离器性能上着手。 � � 图 2� 容积效率 ��水力负荷 v l 图 3 � H�v l � � � � 图 4� 容积效率与短流率 � � 另一方面, 上述数学模型是在理想化下建立的,即把污 泥床层和悬浮层区均看成是完全混合式,事实上, 大多数工 程上的UASB反应器污泥床的短流率和死区占相当大的份 量[ 3, 4]。以水力负荷 l 为参数( 0. 5~ 2. 0 m/ h) , 计算出容 积效率 �与污泥床短流率 ql 的关系(见图 4) , 由图看出污 泥床短流率 ql 对容积效率 �有很大的影响。因此, 提高 UASB反应器的容积效率,也必须从改善反应器布水均匀性 上下功夫。 以上分析可知, UASB反应器容积效率与水力负荷及短 流率有关,由于常规 UASB 反应器对水力负荷很难有显著 提高, 在不显著增加操作难度及运行费用的前提下, 采用UASB反应器与其它工艺进行结合, 以提高反应 器水力负荷,消除死区与短流,这是 UASB反应器今后的发展方向。 参考文献: [ 1] � Van Der Meer R R, Heertjes P M. Mathematical description of anaerobic treatment of wastewater in upflow reactors[ J] . Biotechnology and Bioengineering, 1983; 25: 2 531~ 2 556. [ 2] � Heertjes P M. Fluid flow pattern in upflow reactors for anaerobic treatment of beet sugar factory wastewater [ J] . Biotechnology and Bioengineering, 1982; 24: 443~ 459. [ 3] � 申立贤.高浓度有机废水厌氧处理技术[ M] .北京 :中国环境科学出版社, 1991: 68~ 118. [ 4] � 陈春光.UASB 反应器的脉冲进液系统及其试验研究[ J] . 中国给水排水, 1994; ( 3) : 25~ 28. 17第 1期 � � � � � � � 陈春光等:升流式厌氧污泥床反应器结构优化模型及其应用 � � � � � � � �