预排气UASB反应器的优化设计_郝晓刚

预排气UASB反应器的优化设计郝晓刚李春(太原理工大学,太原市030024)(四川联合大学,成都市610065)摘要建立了一种改进结构的UASB反应器有机质转化率与反应器结构尺寸之间的稳态关系,求解得到了反应器的最佳结构尺寸及相关工艺操作条件,为反应器在高负荷下稳定运行提供了依据。关键词UASB反应器预排气优化设计1前言上流式厌氧污泥床(UASB)反应器具有结构简单、消化效率高等优点,已广泛用于多种工业有机废水的处理[1、2]。UASB反应器高负荷运行的效果取决于反应器中是否可形成沉降性能好、活性高的颗粒污泥。对于生化制药、造纸及发酵工业废水,采用UASB工艺处理不易形成颗粒污泥,因而污泥流失严重,致使反应器不能在高负荷下稳定运行。研究表明[3、4],反应器结构对厌氧消化过程有很大影响,一种改进结构UASB反应器通过预先排除床部产生的大量气体可有效地控制污泥的上浮流失[5]。本文将对这种反应器的结构设计和优化进行探讨。2消化过程的数学描述图1是预排气UASB反应器示意图。在UASB反应器中,有机质的去除大部分是在床部完成的。由于反应器中料液的纵向流速一般都比较低(小于1～2m/h),引起污泥上浮的主要原因是产气量,当有机负荷提高时,产气量增加极易引起污泥上浮流失。考虑到废水降解的特点,在悬浮层下部增设一集气罩,预先排除由床部产生的大部分气体,与气泡分离的污泥下落返回污泥床,废水中有机质集中在床部消化,人为地将大量活性高的污泥控制在床部,可使反应器在较高负荷下稳定运行[5]。图1预排气UASB反应器示意图有机质的厌氧消化集中在具有固定床性质的污泥床以及具有流化床性质的悬浮层两部分完成,沉淀器具有气、液、固三相分离的作用,但不参与有机质的消化过程。因此影响有机质转化率的结构尺寸主要是污泥床高度(hb)、污泥层高度(hd)以及预排气罩的断面尺寸u(排气罩断面面积与反应器横截面面积之比),这样反应器本体结构优化就是寻求最佳的hb、hd和u。污泥床和污泥悬浮层之间的物料流动关系可借用文献[4]提出的流动模型来表示,并根据有关实验对其中的流体模型、污泥模型及动力学参数作适当修正。整个消化过程的质量平衡关系可用两个全混合反应器的质量平衡和消化模式来描述。在稳态条件下对质量平衡微分方程作简化处理可得8预排气UASB反应器的优化设计DOI:10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.1998.02.003图2上流式反应器流动模式hb=F0(Cso-Cfa)qCmbAZ(1)hd=Fk(Cso-Cfa)qCmdAZ(2)反应器有机质转化率为φs=VL(Cso-Cse)hb+hd+hstkgCOD/m3·h(3)床部污泥浓度Cmb可取为常数,而悬浮层污泥浓度Cmd与污泥床顶部产气量、污泥平均沉降速度和料液纵向流速有关:Cmd=φg’bktbCmbφg′bktd+VS-VL(4)其中φg’b=φgbu(5)φgb=φg10F0F(10+hd+hst)(6)φg=ksgfmeVL(Cso-Cse)(7)F=F0+Fk(8)悬浮层污泥的沉降为拥挤沉降,污泥界面沉降速度可用下列经验公式表示[6]:VS=aC-nmd(9)旁路流量Fk与污泥床高度、污泥特性及进料分布情况有关,根据流态实验可用下式予以量化:Fk=[0.3(hb-1.7)2+0.25]F(10)由于厌氧甲烷菌的生长率缓慢,可忽略出水中的细菌性废物浓度,因而取Cfa=Cse,对应的变量约束条件则取为hb=1.2～2.2mhd≥1.7mVL=1～2m/h(11)另外,反应器总高度一般不超过6.5m。3优化模型及其求解反应器单位时间、单位体积内的底物转化率,即有机负荷体现了反应器的综合性能,因此我们以φs作为反应器结构优化的目标函数,建立有约束条件的优化模型。目标函数:φs=f[hb(VL),hd(VL,u),VL](12)求X=(hb,hd,VL,u)(13)使maxφs(14)约束条件1.2≤hb≤2.2(15)hd≥1.7(16)1≤VL≤2(17)0≤u≤1(18)只要找出目标函数φs最大值点的h*b、h*d、V*L和u*就可获得反应器的最佳结构尺寸。根据该模型还可求出下列参数:反应器容积:VR=(hb+hd+hst)Am3(19)所需污泥总量:XR=(hbCmb+hdCmd)AkgSS(20)水力停留时间:HRT=VR/Fh(21)4模型算法及其应用由于目标函数φs表达式复杂,自变量VL及u的取值范围不大,采用比较法寻求maxφs,其可靠性和准确性通过VL与u的离散密集程度来保证,并根据算法编制计算程序。为适应大范围工艺条件的要求,程序中设计了两种结构形式的反应器,流量较小时可采用圆形结构,流量较大时采用矩形结构,预排气罩及三相分离器可采用分单元组合的方式安置。在进行某厂废