IC厌氧反应器多层旋流布水与重渣排放系统研究

王建光， 陈再良

(苏州大学 机电工程学院， 江苏 苏州 215021)

IC厌氧反应器多层旋流布水与重渣排放系统研究

王建光， 陈再良

(苏州大学 机电工程学院， 江苏 苏州 215021)

针对IC厌氧反应器现有结构形式的布水系统存在的主要问题及反应器钙化的困扰，文章拟在对比分析UASB与IC典型布置的基础上，对布水及重渣排放进行结构优化。提出一套由多层布水管道和倒锥形导流板组成的多层旋流布水与重渣排放系统。通过对该系统进行水力计算及重渣和生物污泥运动状态分析标明，该改进系统提高了布水均匀性并有效避免布水死区，使重渣与活性颗粒污泥经此完成筛选与分离，增强了废水中有机物与生物污泥的混合度，有效强化了传质和反应过程。最后文章结合对IC反应器进行改造的工程应用实例对该系统进行了实证分析。改造后反应器运行数据及红外热像检测表明改进方案取得了预计效果，这为IC厌氧反应器布水及重渣引起的反应器钙化等问题的研究提供了新的方法。

IC厌氧反应器； 旋流布水； 倒锥导流板； 重渣排放

IC厌氧反应器是在升流式厌氧污泥床UASB基础上发展而来的一种高效厌氧生物反应器，被认为是第三代厌氧反应器代表性工艺之一。自荷兰帕克公司于20世纪80年代建立第一个生产规模的IC反应器以来，在不同行业高浓度有机废水领域得到了广泛应用，表现出极大的应用潜力[1]。与USAB反应器相比，它具有有机负荷高、抗冲击负荷能力强、占地面积小、出水稳定等优点[2]。且其处理产物沼气可以实现资源化利用，如可以用于锅炉房及发电等，备受行业关注。IC反应器核心构造主要包括布水系统、下层高负荷区、上层低负荷精处理区、内循环系统、气液分离器。在框架构造上相当于上下两个UASB反应器叠加而成[3]。

IC反应器布水系统是构成下层高负荷区污泥床结构的核心部件。其决定了反应器的进水方式，布水均匀性及布水区的传质效果，直接影响反应器处理效果，因此布水器系统设计至关重要[4]。同时，市场上已经投入使用的厌氧反应器并未充分考虑重渣的收集与排放问题。近几年投入使用的厌氧反应器已有少量的配置了重渣排放管，其通常做法仅是在反应器污泥床底部布置数根简易排放口。基于此，一种兼顾排渣的旋流布水及重渣排放系统有着较大的应用需求。

1 布水与重渣排放研究现状

以下以第二代厌氧反应器UASB和第三代厌氧反应器IC[5]的布水与渣排放结构布置为典型作概括介绍。

UASB反应器布水系统如图1所示。废水首先进入反应器污泥床底部区域外部的一段等直径多管出流主管，之后各布水支管伸入反应器污泥床底部区域[6]，各布水支管出水口在平面上呈均匀分布。此种结构曾随着UASB得到市场推广得到广泛应用。然而由于UASB反应器内部只有1层三相分离装置，因此上升流速较低，通过升流引起的搅拌程度亦较低。混合搅拌较大程度上要依赖于所反应过程产生的沼气，泥水混合效率受沼气产量波动影响较大。反应器在运行中出现的短流、死角和堵塞等一些问题，厌氧微生物与废水的混合与接触效果一般，负荷及处理效率有待进一步提高[7]。

图1 UASB典型布水系统

帕克开发的IC反应器布水系统是旋流布水器的1种，其在厌氧净化装置[8]中提及的布水系统结构如图2所示。为旋流而设计的导流锥体结构上由多块扇片拼成，相邻扇片重叠，里外交错布置形成布水缝。导流锥体与布水管道一起构成独特的旋流布水系统。旋流促进了泥水的扩散并提高了布水的均匀性[9]。然而，由于反应器下降管设计时直接从锥体顶部深入到其底部，来自反应器顶部气液分离器的回流污泥会逐渐积聚在锥体内部，再加上进水中重质的沉降使得导流装置比较容易发生堵塞。这一方面会使得布水时局部阻力损失增大，获得相同水头压力需要较高的能耗；另一方面由于导流装置布水缝局部堵塞所引起各布水缝水量的改变，影响了理想旋流的形成，最终仍存在短流和偏流现象，实际运行中存在死区，布水不均。布水均匀性与理论设计有较大差异，由堵塞所引起的维护所引起的停机与重新启动，增加了运营成本。

图2 IC旋流布水器

同时作为反应器重渣主要来源的进水悬浮物沉淀、钙化或老化的生物污泥及废水中有机物与生物污泥反应产物，目前广泛应用于市场的IC反应器结构上并未对其进行充分考虑。反应器投入使用后，随着重渣的积聚，直接导致厌氧反应器的有效容积逐渐变小,污泥床流化状态变差。同时未及时排放的重渣亦会使活性污泥大量钙化而失去活性会，这将加剧反应器管壁及循环管道的钙化并进一步导致反应器容积变小。反应器的钙化使内循环效率降低，严重时甚至会出现循环管道堵死现象使内循环中断。

2 新型旋流布水与重渣排放系统研究目标

对于高效IC反应器，衡量布水及重渣排放系统设计优劣的主要从以下几个方面进行考量：

(1)布水系统流量是否满足负荷所需流量要求，进水均匀地分布在反应器的横断面上，保证反应器底部单位面积上的进液量相同[10]，进水沿程阻力损失能否尽可能减少，使得单位流量进水所需能耗较低。

(2)新系统可以有效强化传质，反应器内部生物污泥与废水充分混合，流化状态较好，防止局部酸化和死区的产生。反应区传热较好，温度场分布均匀，使生物污泥发挥最大效率，从而保证反应器达到较高的有机负荷。

(3)能使反应器内部的重渣与活性污泥进行有效的筛选与分离，重渣可以定期得到排放。

(4)结构设计简单、经济，操作与维修安全方便。

3 多层旋流布水与重渣排放理论

笔者在总结过往经验的基础上，以旋流布水与重渣排放系统的研究目标为出发点，提出一套多层旋流布水并可以实现重渣持续排放的新型系统结构。

3.1 多层旋流布水与重渣排放系统结构设计

新型多层旋流布水与重渣排放系统如图3所示，结构上由梯度多层布水管道与倒锥形导流板构成。

图3 多层旋流布水与重渣排放系统

多层布水管道结构上采用沿程均匀泄流形式进行布水，布局上对称布置，出水孔口大小亦相同。由于其流量沿程逐渐减小，可采用变径法设计[11]。这种设计可以使管道内流体速度保持相对稳定，在不考虑水头损失的情况下，理论上可以达到均匀配水的目的。

倒锥形导流板配合多层布水管道使用，常见的倒锥底结构有两类，一类是真圆纯锥底结构，另一种为扇形瓣状结构。在对这两类结构进行有限元建模分析应力分布结果可知扇形瓣状结构相比真圆纯锥底结构能节省50%以上的材料[12]。在实际工程应用中，帕克公司IC反应器使用的正锥形导流板在结构设计上便是采用扇形瓣状结构，本文亦采用扇形瓣状结构。

3.2 旋流布水下水力分布与重渣分离原理

反应器布水主管采用变径对称布置，沿途各布水支管周向分层均布，由于布水口位于各服务面积的形心处，这就使得废水可以如图4所示均匀地进入反应器。布水支管沿切向进行布水，进水在导流板的作用下转化为环状旋流。从而使反应器污泥床底部处于旋流状态。

图4 多层旋流布水理想水力分布

根据流体力学理论，当废水以一定的初始速度通过布水口切向进入反应器后，经锥形导流壁作用，使流体由原来的直线运动转变成圆周运动，线动量转变成角动量[13]。其原理类似水力旋流分离器，可以将一定密度差的液-固-气等多相混合物在离心力的作用下进行分离[14]。重渣及废水中的沉积物随着倒锥形导流区域的旋流向位于锥底底部的集渣槽聚集。使得重渣及沉积物不会聚集并结垢在反应器内壁上。

3.3 旋流布水的水力计算及重渣分离特性分析

IC反应器的进水体积负荷：

(1)

式中：D为反应器罐体内径，m；Vu为液面上升流速，m·h-1。

由流体管道管径计算一般公式可知进水主管进水口内径理论公式：

(2)

当设置N根布水支管时，单根布水服务面积：

(3)

单根支管布水服务半径r 为：

(4)

由公式(2)可进一步得出布水支管内径计算公式：

(5)

式中：Q为反应器体积进水负荷，m3·h-1；Vd为布水支管设计流速 m·s-1。

各管段在到达该段布水支管前的流量Qi，考虑到并联分流，Q1至Qi-1段布水支管数量为m，则有：

(6)

由公式(2)和公式(6)可以得出各分段管段管径di:

(7)

对于此种倒锥形结构设计，如图5所示自上向下流体的回转半径逐渐减小，切向速度逐渐增大。由于上下层旋流速度的差异及连续进水作用，自上向下形成低压与高压区。流体在靠近倒锥形导流板侧形成比较明显的向下旋转运动，而在靠近锥形中心轴线区域则形成压差逆流。多层旋流速度的差异及压差逆流的存在可以促进形成良好的剪切搅拌混合，废水中有机物与活性污泥充分接触，颗粒污泥与沼气加速分离。

图5 多层旋流与压差逆流

另一方面，自轴线沿半径方向离心力逐渐增大。重渣与活性颗粒污泥在流体运动中受力包括自身重力、离心力、流体曳力等。在考察水平方向的运动时，假定其在切向和轴向不受任何反作用力，此时重渣与活性颗粒在切向和轴向上的分速度等于相应的流体速度。重渣与活性颗粒能否完成筛选分离主要取决于作用于其上的离心力和流体曳力。如果离心力大于流体曳力，则向锥壁运动；反之，则向中心运动。如图6所示，密度较大重渣颗粒受到较大的离心力作用被甩向锥形壁，并沿着锥壁向下做圆锥螺旋线运动直至底部集渣口流出。活性污泥颗粒因密度较小而向中心运动，随着压差逆流及进水上升流速向上运动。

图6 旋流状态下重渣及活性污泥运动路径

4 工程应用

无锡某纸厂废水处理工程中原有一台荷兰帕克公司提供的IC反应器(Ф12.5 m ×24 m)，位于反应器外部的配水母管如图7所示以多孔出流形式向各布水支管布水。14根布水支管并行进入反应器内部，如图8枝状散开后在梯度方向2，4，8分布格局竖直穿过多个扇片组成的正锥形导流锥体，相邻的扇片里外交错，重叠布置形成布水缝，各布水支管于锥底底面高度50 cm处呈均布分布，废水首先经配水支管进入导流锥体下部区域，然后通过锥体布水缝形成旋流布水，理论上该布水系统可以保证布水均匀。

图7 原IC反应器布水主管

图8 原IC反应器内部布水管线

反应器实际运行中，一方面因反应器直径较大且此种布水结构会产生较大的局部水头损失，从而形成理想旋流需加大布水支管的出水流速，使得能耗很高。同时增大进水流速易形成较大的剪切力，使得污泥剪切破碎并因此降低活性污泥量及沉降性能。

另一方面，该反应器设计并未充分考虑重渣排放问题。为形成旋流而设计的导流锥体，由于锥体内部空间相对封闭，进水中重质沉降，特别是反应器下降管回流污泥会逐渐积聚在锥体内部无法排出，容易诱发堵塞。虽然配置了重渣排放管口，但仅在反应器污泥床底部布置了数根简易排放口。此种排放结构的设计为重渣被动排放形式，排放主要基于重渣在反应器三相混合液中的密度最大，相应地会逐渐沉积在反应器的底部。由于是被动排渣设计，这种结构在污泥床底部并不能有效的分离重渣与反应用颗粒污泥，实际应用中排渣效果很不理想，存在较大缺陷。

反应器投入运行一定时间后，锥体底部积聚了大量重渣，厌氧颗粒污泥出现大量沉积死区。反应器内部出现比较严重的钙化及结垢，处理能力逐渐下降并最终达不到原设计要求。

工程采用多层旋流布水与重渣排放系统进行改造。由于此系统已经成功应用于平湖独山港某环保公司同型号IC反应器的改造，笔者采取与之相同的方案进行，反应器计算与之相同。设计参数见表1。

表1 IC反应器设计参数

由公式(7)可以得出布水主管各管段的计算值，考虑到市场上管径规格筛选出几种标准管径作为选用值。

表2 各主管段计算及选用值

布水支管设计参数如表3所示。

由公式(5)可知布水支管的计算与实际选用值。

表3 布水支管设计值

表4 布水支管计算及选用值

反应器改造完成并稳定运行后，进水COD浓度≤3000 mg·L-1时,出水COD浓度≤900 mg·L-1，稳定运行后COD去除率在70%以上。这不仅相对于改造前COD去除率下降到30%左右有了大幅提高，而且优于原IC反应器65%去除率的设计值，厌氧出水水质较好同时出水污泥含量很低。沼气产率稳定在0.35～0.42 kgCOD去除量之间，沼气产量达到了较高水平并进入工厂配套的环保热电系统进行发电，不但降低了处理单位废水的能耗，而且取得了良好的经济效益。

通过新增的排渣管对IC反应器进行定期排渣并进行分析，其中重渣灰分含量86%，表明碳酸钙含量极高，排出重渣后的反应器不再受到钙化问题的困扰。

反应器传质影响温度场分布，传质效果的好坏可以通过反应器温度场直观体现来。良好的传质表现为搅拌混合性好，热量传递速率快，温度分布均匀，具有良好的等温性能[15]。IC反应器改造之前红外温度场影像如图9所示，底部为重渣聚集，死区范围内，由于流动速度很慢基本上不参与主体的流动、传热及传质过程[16]，形成的低温区使其等温较差，印证了上述对IC反应器存在问题的分析。图10为采用多层旋流布水与重渣系统反应器红外检测温度场影像，检测表明采用多层旋流布水与重渣系统的反应器具有良好的等温性能。反应器整体不存在冷区，在反应器的污泥床反应区，反应室温度场等温极好，表明此区域传质很好。

5 结论

上述工程案例通过多层旋流布水与重渣系统进行改造，反应器布水均匀性得到改善，解决了原先存在的重渣无法排放问题，传质较好，获得了均匀的温度场分布。原IC反应器废水处理能力不但恢复到了较高水平而且优于原设计值。实践表明对IC反应器进行改造的效果是明显的，改造达到了预计效果。本文亦是继对平湖独山港某环保公司IC反应器成功进行内循环厌氧反应器梯度多层旋流布水系统结构改造后的再次实践与进一步理论完善，这为同类型IC反应器的改造形成了可以推广的经验。多层旋流布水与重渣系统的典型特征综述如下：

图9 原IC反应器热成像

图10 采用新型布水及重渣系统反应器热成像

(1)与附加机械搅拌的反应器相比，可以充分利用切线方向进水时的流体动能产生旋转式液流，即能将进水流体的能量转换为水力搅拌的动能。不但结构简单，而且有效降低了能耗。

(2)与非旋流式布水系统相比，传质过程更好，传质的改善使颗粒污泥的活性最大化。布水管道走向简单，克服了内部堵塞的风险。

(3)布水支管分散布局，便于堵塞后疏通维护。工程应用中可以通过对每根布水支管单独加装调节阀，均衡各布水支管流量。

(4)倒锥形导流板结构促成的多层旋流速度的差异及压差逆流的共同作用可以形成良好的剪切搅拌混合。颗粒污泥表面基质/气体的交换效率高而稳定，从而使污泥沉降及沼气上升分离更为容易。

(5)旋流会使生物污泥自下而上依照颗粒大小形成分级分布。这种层级分布与废水中有机物厌氧消化去除速率自下而上逐渐递减规律相符。

(6)重渣经此系统可以有效地得到筛选分离。在运行状态下即可将重渣自动排出。反应器的有效容积不会随着运行的时间变化而发生显著变化，有效降低了反应器钙化风险，使反应器能常态化处于良好的运行状态。

[1] 吴 静，陆正禹，胡纪萃，等. 新型高效内循环(IC)厌氧反应器[J]. 中国给水排水，2001，17(1)：26-29.

[2] 赵莉丽，沐贤闻.IC反应器的研究进展及应用 [J].广东化工，2014, 41(20):75-76.

[3] W Driessen，P Yspeert. Anaerobic treatment of low, medium and high strength effluent in the agro-industry[J]. Water Science and Technology,1999,40(8): 221-228.

[4] 叶群峰，杨玲霞. 环状管网布水器的水力设计 [J].郑州大学学报(工学版)，2002, 23(2):92-95.

[5] 戴若彬，陈小光，Awad Abdelgad，等. 厌氧内循环反应器的结构、应用与优化 [J].化工进展，2014, 33(9):2244-2250.

[6] G Lettinga，L W Hulshoff Pol. UASB-process design for various types of wastewaters [J].Water Science and Technology,1991，24(8): 87-107.

[7] 管锡珺，郑西来. 从厌氧反应器的发展谈反应器的改良[J].中国海洋大学学报，2004, 34(2):261-268.

[8] 韦林加，德布尔，霍尔纳，等. 厌氧净化装置[P]．中国专利：CN101193826A，2006-06-04.

[9] 韩洪军，高 飞. 外循环厌氧反应器的技术改进及处理效果的试验研究 [J].中山大学学报，2007, 46(z1):225-226.

[10] 贾伯林，曹春秋，朱忠华，等. 改进UASB厌氧反应器布水器的创新实践 [J].中国给水排水，2012, 28(18):73-75.

[11] 白 丹，魏小抗，刘立明. 多孔变径管沿程水头损失计算 [J].地下水，1995, 17(3):109-110.

[12] 楚文江. 有限元法对大型锥底槽进行优化设计 [J].科技资讯，2011，22:2-3.

[13] 郭广东，张福伦，王大魏，等. 固-液-液三相水力旋流器内部固相颗粒受力分析研究 [J].广东化工，2010, 37(2):35-36.

[14] 鄂广杏，张 明，程文学，等. 混相旋流分离技术应用研究 [J].当代化工，2015, 44(3):580-582.

[15] 王 煜，许 克，李冰峰，等. 热管生物反应器温度场的研究 [J].现代化工，2003, 23(1):24-28.

[16] 徐 斌，苏红军，张 庆，等. 黄原胶在热管生物反应器中传热数值模拟[J].烟台大学学报，2013, 26(2):136-141.

Multilayered Cyclone Water Distribution and Heavy Sludge Discharge System for IC Anaerobic Reactor /

WANG Jian-guang， CHEN Zai-liang /

(School of Mechanical and Electric Engineering, Suzhou University, Suzhou 215021,China)

In view of the main structure problems existing in IC anaerobic reactor’s water distribution system and the trouble of reactor calcification, this article focused on optimization design for the structure of water distribution system on the basis of comparison and analysis of UASB and IC typical layout. A multilayered cyclone water distribution and heavy sludge discharge system was proposed, which was composed of multi-layer water distribution pipe and inverted cone flow guide plate. Through hydraulic calculation of the system and motion analysis of biological sludge and heavy sludge, it was found that the uniformity of water distribution was improved, avoided water distribution dead zone, achieved the separation of heavy sludge from biological sludge, and enhanced the mixing degree of waste water organics with granular sludge. This effectively strengthened the mass transfer and reaction process. Finally，this article provided an empirical analysis based on a modified IC reactor project. The operation data and infrared thermography detection showed that the modified scheme achieved expected effect. Hence this provided a new method for solving the calcification problems caused by water distribution and heavy sludge discharge for IC anaerobic reactor.

IC anaerobic reactor; cyclone water distribution; inverted cone flow guide plate; heavy sludge discharge system

2016-05-06

2016-08-13

项目来源： 国家自然科学基金资助项目(51475315)； 江苏省科技计划项目(2014-Z-Y09； 2014-GX-219)

王建光(1987-)，男，河南省太康县人，硕士，研究方向为工业水处理技术与装备，E-mail：peterjgwang@163.com 通信作者： 陈再良，E-mail:chenzailiang@suda.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)03-0056-06