Projektowanie technologii UASB

Przegląd

Ten Beztlenowy koc osadowy z przepływem w górę (UASB)reaktor jest powszechnie stosowanym reaktorem beztlenowym Oczyszczanie ścieków Proces zaprojektowany w celu efektywnego rozkładu zanieczyszczeń organicznych w warunkach beztlenowych. W tym systemie ścieki przepływają w górę przez gęste złoże osadu ziarnistego, gdzie mikroorganizmy metabolizują materię organiczną, wytwarzając biogaz (głównie metan i dwutlenek węgla) jako produkt uboczny. Kluczową cechą UASB jest jegoseparator trójfazowyna górze, co pozwala na efektywne rozdzielanie wytwarzanego biogazu, oczyszczonej wody i osadu, co pozwala na ciągłą pracę bez konieczności mieszania mechanicznego.

 

Jedną z głównych zalet technologii UASB jest jej wysoka skuteczność leczenia, zazwyczaj osiągając 70–90% usunięcia CODdo ścieków organicznych o wysokiej zawartości zanieczyszczeń. W przeciwieństwie do systemów tlenowych, nie wymaga napowietrzania, znacząco zmniejszając zużycie energii. Ponadto proces generuje biogaz, którą można wykorzystać jako energię odnawialną. Inną korzyścią jest jej niska produkcja osadu, minimalizując koszty utylizacji. Reaktory UASB są szczególnie odpowiednie dla branż takich jak przetwórstwo spożywcze, browary i celulozownie/papiernie, gdzie często występuje wysokie obciążenie substancjami organicznymi. Przy prawidłowej eksploatacji systemy UASB oferują opłacalne i zrównoważonerozwiązanie do oczyszczania ścieków przemysłowych.

---

Stosowalność

Proces UASB (ang. Upflow Anaerobic Sludge Blanket) został zaprojektowany specjalnie do oczyszczania ścieków organicznych o wysokiej zawartości zanieczyszczeń organicznych, które zazwyczaj wymagają stężenia ChZTcr na wlocie przekraczającego 1000 mg/l dla optymalnej wydajności. System charakteryzuje się ograniczoną tolerancją na zawiesinę stałą (SS), a stężenie SS na wlocie powinno być utrzymywane poniżej 500 mg/l, aby zapewnić prawidłowe działanie. Podczas oczyszczania ścieków o wyższej zawartości zawiesiny, konieczne jest wstępne oczyszczanie poprzez koagulację-sedymentację lub flotację rozpuszczonym powietrzem, aby zapobiec zatykaniu reaktora i utrzymać wydajność oczyszczania. Ponadto, w przypadku ścieków o nadmiernie wysokiej zawartości zawiesiny stałej lub niskiej biodegradowalności, zdecydowanie zaleca się instalację zbiornika hydrolizy do wstępnego zakwaszania w celu zwiększenia ogólnej wydajności oczyszczania.

 

Technologia ta jest szczególnie odpowiednia dla przemysłowych strumieni ścieków o wysokim ładunku substancji organicznych, gdzie jej unikalne połączenie wysokiej wydajności oczyszczania i produkcji biogazu przynosi korzyści zarówno środowiskowe, jak i ekonomiczne. Zdolność systemu UASB do przetwarzania skoncentrowanych strumieni odpadów przy jednoczesnym wytwarzaniu energii odnawialnej czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem dla różnych gałęzi przemysłu, w tym przetwórstwa spożywczego, browarnictwa i przemysłu rolno-spożywczego. Jednakże, dokładne uwzględnienie charakterystyki ścieków dopływowych i odpowiednich środków wstępnego oczyszczania jest niezbędne dla zapewnienia stabilnej i długotrwałej pracy systemu UASB.

 

---

Wymagania dotyczące wstępnego przetwarzania

Proces wstępnego oczyszczania stanowi kluczowy element projektu systemu UASB, bezpośrednio wpływając na stabilność operacyjną i niezawodność procesu. Kompleksowy system wstępnego oczyszczania obejmuje kilka niezbędnych modułów: urządzenia przesiewające, zbiorniki wyrównawcze oraz precyzyjne systemy kontroli składników odżywczych, pH i temperatury.

 

1. System przesiewowy

Przed systemem oczyszczania UASB należy zainstalować sita drobne, sita grube lub sita hydrostatyczne. Ostateczna jednostka przesiewająca powinna mieć otwór o średnicy 1-3 mm, Filtr obrotowylub inny sprzęt do wysokowydajnej separacji ciał stałych od cieczy zalecany jako zamiennik konwencjonalnych sit.

 

2. Zbiornik wyrównawczy

(1) Przed dopłynięciem ścieków do reaktora UASB należy zainstalować zbiornik wyrównawczy.

(2) Efektywny czas retencji w zbiorniku wyrównawczym powinien wynosić 6–12 godzin.

(3) Zbiornik musi spełniać wiele funkcji, w tym wyrównywać przepływ, regulować ilość, regulować pH i zapobiegać osadzaniu się substancji nierozpuszczalnych.

(4) Mieszanie mechaniczne jest preferowane do homogenizacji przy gęstości mocy 4–8 W/m³. W przypadku małych oczyszczalni ścieków mieszanie napowietrzające można stosować przy zachowaniu stosunku powietrza do wody w zakresie od 7:1 do 10:1.

(5) W zbiorniku wyrównawczym należy zainstalować urządzenia do uzupełniania alkaliczności i dozowania składników odżywczych.

(6) Na końcu odpływu ścieków należy zainstalować urządzenie do usuwania pływającego osadu.

(7) Dno zbiornika powinno być zaprojektowane w sposób umożliwiający łatwe usuwanie osadu.

 

3. Kontrola pH

(1) Odczyn pH wlotu do reaktora UASB musi być utrzymywany w granicach 6,5–7,8.

(2) Dozowanie kwasów/zasad powinno odbywać się za pomocą pomp dozujących ze sterowaniem automatycznym, a ścieki ze zbiornika neutralizacyjnego powinny być wyposażone w system monitorowania pH połączony z pompami dozującymi.

 

4. Regulacja temperatury

(1) Temperaturę procesu beztlenowego mezofilowego należy utrzymywać na poziomie 35 ± 2°C. Jeżeli nie można tego osiągnąć w sposób naturalny, należy zainstalować urządzenia grzewcze.

(2) Źródłami ciepła mogą być para kotłowa lub ciepło odpadowe z wytwarzania energii z biogazu. System rurociągów powinien być wyposażony w zawory silnikowe i termometry do automatycznej kontroli temperatury za pomocą układów sprzężenia zwrotnego.

 

---

Obliczenia projektowe dla reaktorów UASB

1. Obliczanie efektywnej objętości reaktora UASB

Parametrami projektowymi reaktorów UASB są objętościowy współczynnik obciążenia lub hydrauliczny czas retencji (HRT). Parametrów tych nie da się wyprowadzić teoretycznie i zazwyczaj uzyskuje się je w drodze badań eksperymentalnych, przy różnych obciążeniach projektowych dla reaktorów z osadem granulowanym i kłaczkowatym. Po określeniu wymaganego objętościowego współczynnika obciążenia (HRT), efektywną objętość reaktora można obliczyć za pomocą następujących wzorów:

 

(1) Metoda objętościowego ładowania organicznego

 

V = Q×S₀/Nᵥ

 

Gdzie:

W= Efektywna objętość reaktora (m³)

Q= Przepływ ścieków (m³/d)

Nᵥ= Objętościowy współczynnik obciążenia (kg CODcr/(m³·d))

S₀= Stężenie substancji organicznych w dopływie (kg ChZTcr/m³)

 

(2)Metoda hydraulicznego czasu retencji

 

V = K×Q×HRT

 

Gdzie:

HTZ= Czas retencji hydraulicznej (d)

K= Stała (współczynnik bezpieczeństwa)

 

2. Struktura zbiornika reaktora

Zbiorniki reaktorów UASB zazwyczaj mają kształt okrągły lub prostokątny i są wykonane z materiałów takich jak: żelbet, stal nierdzewna, stal węglowa z powłokami antykorozyjnymi, zbiorniki emaliowane, zbiorniki Lippa lub plastik wzmocniony włóknem szklanym.

 

3. Wymiary geometryczne reaktora

(1) Zasady projektowania wysokości reaktora

Projekt wysokości reaktora powinien uwzględniać zarówno czynniki operacyjne, jak i ekonomiczne. Zagadnienia operacyjne obejmują:

 

① Zwiększona prędkość przepływu w górę zwiększa turbulencję układu, poprawiając kontakt osadu z materią organiczną;

② Nadmiernie wysokie prędkości przepływu w górę mogą powodować wypłukiwanie osadu, co wymaga ograniczeń prędkości, które w konsekwencji ograniczają wysokość reaktora;

③ W przypadku konwencjonalnych systemów UASB średnia prędkość przepływu w górę nie powinna na ogół przekraczać 0,5 m/h;

④ Najbardziej ekonomiczna głębokość wody wynosi zazwyczaj od 4 do 6 m;

⑤ Różnica wysokości pomiędzy górną częścią separatora trójfazowego a powierzchnią wody nie powinna być mniejsza niż 0,6-1,0 m;

⑥ Należy zaprojektować wiele reaktorów (co najmniej 2) w oparciu o przepływ dopływowy, przy czym objętość pojedynczego reaktora nie powinna przekraczać 2000 m³.

 

(2) Powierzchnia reaktora i stosunek długości do szerokości

W przypadku zbiorników prostokątnych, po ustaleniu objętości i wysokości, należy określić stosunek długości do szerokości. W przypadku zbiorników pojedynczych, biorąc pod uwagę równomierne rozprowadzenie wody i oszczędność:

 

• Optymalny stosunek długości do szerokości powinien wynosić mniej niż 2:1;
• Stosunek 4:1 znacznie zwiększa koszty;
• W przypadku zbiorników prostokątnych o wspólnych ścianach (lub wielokomorowych) stosunek długości do szerokości ma istotny wpływ na koszty budowy, a także na inne czynniki, co wymaga optymalizacji;
• Doświadczenie praktyczne wskazuje, że szerokość pojedynczego zbiornika nie powinna przekraczać 20 m;
• Długość zbiornika nie jest ograniczona w przypadku stosowania kanałów lub systemów dystrybucji rur.

 

(3) Kompartmentalizacja reaktora

Kompartmentalizowane reaktory beztlenowe zapewniają korzyści operacyjne i konserwacyjne:

 

• Mniejsze rozmiary jednostek zapobiegają problemom z równomiernością dystrybucji występującym w przypadku dużych, pojedynczych zbiorników;
• Zastosowanie większej liczby zbiorników ułatwia konserwację, umożliwiając wyłączanie poszczególnych jednostek bez zakłócania pracy całego zakładu.

 

4. Parametry procesu

• W przypadku określonych rodzajów ścieków parametry procesowe reaktora powinny być zasadniczo określane na podstawie badań eksperymentalnych. Można jednak wykorzystać dane referencyjne z podobnych projektów oczyszczania ścieków (patrz tabela poniżej).

 

 

 

W warunkach wysokiej temperatury szybkość ładowania osadu do reaktora można odpowiednio zwiększyć, przekraczając wartości podane w tabeli.

 

(2) Tempo produkcji biogazu w reaktorach UASB zwykle mieści się w zakresie od 35–0,45 m³/kg ChZTkrWydajność biogazu można obliczyć korzystając z następującego wzoru:

 

Q_Q= Q × (S_ten- S_I) × ten

 

Gdzie:

Q_Q= Produkcja biogazu (m³/d)

Q= Przepływ ścieków (m³/d)

Lub= Współczynnik wydajności biogazu (m³/kg ChZTcr)

S_ten= Stężenie substancji organicznych w dopływie (kg ChZTcr/m³)

S_I= Stężenie związków organicznych w ściekach (kg ChZTcr/m³)

 

(3) Wydajność osadu zwykle mieści się w zakresie od 05–0,10 kg MLSS/kg ChZT.

 

(4)Temperaturę reaktora należy na ogół utrzymywać na poziomie 35 ± 2°C (mezofilowe)Lub 55 ± 2°C (termofilowy). W celu uzyskania optymalnej wydajności nie zaleca się pracy w temperaturze otoczenia.

---

Projekt systemu reaktora UASB

1. Projekt separatora trójfazowego

Dostępne są dwie typowe konfiguracje:

Kluczowe specyfikacje projektu:

(1) Powierzchnia szczeliny komory zbierającej gaz powinna zajmować 15–20% całkowitej powierzchni reaktora.

(2) Wysokość komory zbierającej gaz powinna wynosić 1,5–2,0 m.

(3) Kąt nachylenia płyt rozdzielających powinien wynosić 45°-60°.

(4) Powierzchnia międzyfazowa gazu i cieczy w komorze zbiorczej powinna zapewniać uwalnianie gazu, zapobiegając jednocześnie tworzeniu się warstwy kożucha. Powierzchnię międzyfazową cieczy poniżej separatora należy obliczyć na podstawie szybkości uwalniania gazu wynoszącej 1–3 m³/(m²·h).

(5) Nakładanie się płyt odblaskowych i odstępy między nimi powinny wynosić 100–200 mm, aby zapobiec przedostawaniu się gazu do komory osadczej.

(6) Rury gazowe powinny mieć odpowiednią średnicę umożliwiającą pozyskiwanie biogazu.

(7) Duże komory zbiorcze wymagają zastosowania w górnych częściach dysz rozbijających pianę.

 

2. Projekt systemu dystrybucji wody

(1)UASB wymaga dystrybucji wielopunktowej, przy czym zalecane obszary obsługi na wlot różnią się w zależności od właściwości osadu (patrz tabela poniżej).

(2)Opcje dystrybucji obejmują:

① System rur rozgałęzionych:

• Wyloty umieszczone 200 mm nad dnem zbiornika w środku obszaru serwisowego (zwykle o średnicy 15–25 mm)
• Do rozproszenia dolnego wymagane są płyty deflektorowe 45°

 

② System rur wielootworowych z jedną rurą:

• Prędkość otworu ≥2m/s
• Średnica rury ≥50cm
• Możliwe karmienie pulsacyjne przerywane

 

③ Dystrybucja jednootworowa:

• Preferuje korzystanie ze specjalistycznych dystrybutorów
• Zminimalizuj łokcie między dystrybutorem a wylotami
• Prędkość pionowa rury (górna część) powinna wynosić 0,2-0,3 m/s
• Średnica górnej rury powinna być większa niż średnica dolnej części

 

Uwaga: Wszystkie projekty powinny zapewniać równomierne obciążenie hydrauliczne, zapobiegając jednocześnie zaburzeniom złoża osadu. Wybór zależy od skali reaktora, przy czym preferowane są systemy odgałęzień dla jednostek >500 m³, a systemy z kryzą dla mniejszych instalacji.

 

3. Projekt systemu zbierania ścieków

(1) Przepust odpływowy reaktora UASB powinien wykorzystywać trójkątne wycięcia zainstalowane na kanale zbiorczym. Obciążenie hydrauliczne powinno odpowiadać standardom osadnika wtórnego, przy czym wysokość przelewu powinna wynosić ≥25 mm, a poziom wody powinien znajdować się w połowie trójkątnego wycięcia.

(2) Urządzenia do zbierania ścieków muszą być zainstalowane na górze reaktora, aby zapewnić równomierne odprowadzanie oczyszczonych ścieków.

(3) Reaktory prostokątne powinny wykorzystywać wiele równoległych przelewów z wielokanałowym zbiorem.

(4) Reaktory kołowe wykorzystują w najlepszym przypadku promieniowy układ kanałów wielokanałowych lub wielokątnych.

 

4. Projekt systemu odprowadzania osadów

(1) W reaktorach UASB zwykle stosuje się grawitacyjne odprowadzanie osadu.

(2) Punkty odbioru osadu powinny być zlokalizowane:

• Podstawa reaktora (punkt główny)
• Strefa osadu górno-środkowego (punkt wtórny 0,5-1,5 m poniżej granicy osadnika)

(3) W przypadku prostokątnych zbiorników wymagany jest wielopunktowy rozładunek wzdłużny. czołgi.

(4) Rury doprowadzające wielootworowe mogą pełnić podwójną funkcję: odprowadzania osadu i drenażu.

 

5. System ogrzewania i izolacji

(1)Temperaturę reaktora UASB należy utrzymywać na poziomie 35±2°C (mezofilowe)Lub 55±2°C (termofilowy). Jeżeli temperatura ścieków dopływowych jest niewystarczająca, przed systemem UASB należy zainstalować system ogrzewania.

 

(2)Metody ogrzewania reaktorów UASB obejmują:

• Systemy wymienników ciepła
• Bezpośredni wtrysk pary
• Ogrzewanie można stosować do:
• Ogrzewanie bezpośrednie
• Pętle grzewcze recyrkulacyjne
• Ogrzewanie wewnętrzne reaktora

 

(3)Flub systemy wymienników ciepła:

• Wybór zależy od charakterystyki ścieków, temperatury medium i temperatury docelowej
• Wymaganą powierzchnię wymiany ciepła należy obliczyć za pomocą bilansu cieplnego 10-20% marży projektowej

 

(4)Obliczenia obciążenia cieplnego

Zapotrzebowanie na ogrzewanie do 35°C (Qₕ)

 

Qₕ = Q × ja_F× C_F× (35 - T) / 3,6

 

Gdzie:

Qₕ= Zapotrzebowanie na ciepło (W)

Q = Przepływ (m³/h)

ja_F = Gęstość (t/m³, 1 dla wody)

T = Temperatura dopływu (°C)

C_F = Ciepło właściwe (kJ/(kg·°C), 4,187 dla wody

 

Utrzymanie strat ciepła (Q₀)

 

Q₀ = A × K × (35 - T₀) / 3,6

Gdzie:

A= Powierzchnia reaktora (m²)

K= Całkowity współczynnik przenikania ciepła (kJ/(m²·h·°C))

T₀= Temperatura otoczenia (°C)

 

• obliczenie wartości:

 

K = 1/(α₁ + d₁/λ₁ + d₂/λ₂ + α₀)

 

Gdzie:

α₁, α₀= Współczynniki przenikania ciepła odpowiednio dla powierzchni wewnętrznej (ciecz-ściana) i zewnętrznej (ściana-powietrze)

d₁, d₂= Grubość pierwszej i drugiej warstwy izolacji (m)

λ₁, λ₂= Przewodności cieplne pierwszej i drugiej warstwy izolacyjnej (kJ/(m·h·°C))

a₁(interfejs ciecz-ściana) = 8380-16760 kJ/(m·h·°C)

a₀(interfejs ściana-powietrze) = 84 kJ/(m·h·°C)

 

Całkowite zapotrzebowanie na ciepło: Qₜ = Qₕ + Q₀

 

• W przypadku wystąpienia nadmiernej utraty ciepła spowodowanej czynnikami konstrukcyjnymi:
• Zastosuj piankę poliuretanową, płyty styropianowe lub panele z włókna szklanego
• Grubość izolacji powinna być optymalizowana na podstawie wymagań dotyczących współczynnika K

 

Uwaga: Źródła pary mogą wykorzystywać parę kotłową lub ciepło odpadowe z kogeneracji biogazu, z automatyczną kontrolą temperatury za pomocą zaworów silnikowych i regulatorów PID.