工艺技术 研究：厌氧IC反应器布水系统

IC厌氧反应器是20世纪80年代由荷兰PAQUES公司在UASB反应器基础上研发的一种超高效厌氧反应器，在污水处理效率方面远超过UASB，被认为是第3代厌氧生化反应器的代表工艺之一。1988年，第一个生产性IC反应器建立，而我国于1996年才引进该技术。


近年来，国内外学者对IC厌氧反应器的颗粒污泥培养、污水处理效果及反应器启动等方面较多。本文根据已有研究手段，利用流体力学的研究方法通过数值分析及模型实验对现有布水器结构进行优化设计分析。

1、IC厌氧反应器工作原理

IC厌氧反应器主要由混合区、膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区5部分组成，其中内循环系统为其核心部件。经pH值及温度调节后的废水及部分回流水，通过布水器进入混合区与污泥颗粒充分混合后，进入颗粒污泥膨胀区进行生化降解，产生的气体经一级三相分离器后由提升管输送至反应器顶部的气液分离器，分离后的污水沿着回流管返回膨胀区，形成内循环。

与此同时，经膨胀区处理后的污水进入精处理区进行剩余降解，产生的气体被二级三相分离器收集后进行内循环过程，泥水经二级三相分离器后的上清液由出水区排走，剩余部分返回精处理区。反应器结构如图1所示。




2.2、现有布水器结构优化设计

2.21、优化设计的原则

针对现有布水器存在的不足之处，本文拟对其结构进行优化设计，将其改造为性能优良的新型布水结构。新型布水器结构优化设计的原则是在保证布水器使用功能的前提下，简化现有布水器的复杂结构，减弱或消除现有布水器所存在的污泥死角问题。

基于以上2个方面，本文对现有布水器结构形式进行改进，并通过数值分析及模型实验等手段，确定适宜的布水器结构尺寸，通过实体模型实验观测及理论数据分析等方法手段考核新型布水器的使用性能。

2.2.2、新型布水器结构设计

新型布水器由锥形结构改进为倒锥形一体式结构。由于布水器的布水均匀度随布孔数量及布孔层数的增多而加强，根据研究中反应器规格尺寸及上升流速的使用要求，为尽可能提高布水器的布水均匀性，本文采用18孔3层布置方式，底部设排泥孔及排泥开关，如图3所示。




3、新型布水器水力学性态的数值分析

3.1、几何模型及网格划分

对拟定尺寸的新型布水器结构进行分析，由于第1反应室运行情况是决定布水器是否有效工作的重要依据，现采用数值分析方法分析新型布水器使用性能。基于整体结构的复杂性，该部分对反应器结构进行简化，几何模型，如图4所示。




模型省略反应器的顶部结构，根据工程应用中产生的气体流量及回流管流量计算进入提升管内的混合流量，其中回流管流量考虑在进水流量中，二级提升管流量考虑在一级提升管流量内，省略二级提升管结构。该几何模型根据物理场特性进行标准化网格划分，网格单元数为300万个，网格质量满足计算要求，网格划分如图5所示。




3.2、数值分析




为简化计算，气液混合物用一种新型不可压缩流体代替，新型流体的密度根据废水和气体密度及百分含量确定，污泥颗粒由山东某玉米加工厂生产，以黑色椭球形、球形、土豆形为主，粒径0.5-2.5mm且以1.5mm左右居多，数值分析中污泥颗粒按同一粒径球形颗粒考虑，直径1.5mm。

假设反应器壁光滑反弹,，各进水口进水流速相同，出水口为速度出口，不考虑颗粒间及颗粒与反应器间的碰撞作用，忽略总进水口位置对布水均匀性的影响，污泥颗粒受重力、浮力及曳力作用。初始状态时污泥混合液占罐体体积的1/3其中颗粒总体积为混合液体积的1/10。数值分析参数根据思源公司实际工程测定值，具体参数如表1所示。



















为观察及测量反应器的正常运行状态，反应器正常运行20d后，对孔1、2（孔1位于第1反应器底部，孔2位于第2反应器底部）分别取样，分析反应器运行情况，取样结果如图14和图15所示。




反应器运行20d后，每隔10d对反应器进行一次排泥，分3次进行，排泥完成后在反应器底部设置的取样孔进行取样分析，3次取样发现仅有极少量的钙化污泥存在，说明新型布水器具有良好的排泥效果，且排泥方便。

5、结论

本文针对现有布水器结构复杂，成本高，存在排泥死角等缺陷，对现有布水器进行结构形式改造，变锥形为倒锥形结构形式，在锥面上设置数量不等的进水口、排泥口等。

通过数值分析及模型实验，证明该新型布水器满足使用要求，且实现了加工简单、成本较低、排泥方便等优点，具有较大的应用前景。与旧式布水器相比，新型布水器由于布水孔数量较少，位置相对集中，更容易对污泥颗粒产生冲击，并在第一反应室产生涡旋区，使污泥颗粒充分分散。经验证，新型布水器可有效减少消除排泥死角问题。

由分析流速分布特点可知，该新型布水器在布水孔位置、倾角及布水器坡度等方面还可以进一步调整改善，以使新型布水器布水更加均匀，反应器安装更加合理。