UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)及其在煤化工廢水處理中的應(yīng)用

羅瑞春，于永勝，李凱軍

（1.博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，西安 710065；2.中國新時(shí)代國際工程公司，西安 710018）

技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)

UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)及其在煤化工廢水處理中的應(yīng)用

羅瑞春1，于永勝2，李凱軍2

（1.博天環(huán)境集團(tuán)股份有限公司，西安 710065；2.中國新時(shí)代國際工程公司，西安 710018）

介紹了UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、工藝原理、技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)及在實(shí)際工程中的應(yīng)用。UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)有效地解決了上升流速和沉淀區(qū)沉淀效果的矛盾問題，既保證了合理的上升流速，使廢水與污泥能夠充分接觸，又保證了出水不跑泥，維持反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度。將該獨(dú)特的UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)應(yīng)用于工程實(shí)踐，在進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度約為8 000 mg/L，總循環(huán)倍數(shù)為400%，其中內(nèi)循環(huán)300%，外循環(huán)100%，上升流速控制在0.8 m/s，沉淀區(qū)表面負(fù)荷為0.37 m3/（m2·h）的運(yùn)行條件下，UASB運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出水CODCr的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在1 300 mg/L左右，去除率大于80%，大大降低了后續(xù)好氧生化處理的壓力。

UASB；雙循環(huán)；煤化工廢水；工程應(yīng)用

煤化工企業(yè)排放廢水以高濃度煤氣洗滌廢水為主，不僅有機(jī)污染物濃度很高，而且還含有大量酚、氰化物、油、氨氮等有毒、有害物質(zhì)。目前，常采用厭氧和好氧相結(jié)合的組合工藝處理該類廢水，厭氧工藝一般作為好氧工藝的預(yù)處理［1］。高效的厭氧反應(yīng)器不僅能減少后續(xù)好氧工藝的處理規(guī)模，同時(shí)還能產(chǎn)生新能源——沼氣，降低運(yùn)行費(fèi)用。

UASB是煤化工高濃度廢水中的常用預(yù)處理工藝。UASB是荷蘭教授Let-tinga等［2］于1978年開發(fā)研制的一項(xiàng)廢水厭氧生物處理技術(shù)。作為第二代厭氧反應(yīng)器的代表，UASB是目前應(yīng)用最廣泛的厭氧反應(yīng)器，但UASB在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)短流、死角和堵塞等問題［3］。特別是在處理煤化工廢水或類似的難降解高濃度有機(jī)廢水時(shí)，普遍存在CODCr去除率不高，經(jīng)常發(fā)生布水短流、出水跑泥等現(xiàn)象；對水質(zhì)和負(fù)荷變化也較敏感，耐沖擊負(fù)荷能力較差，運(yùn)行不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。即使部分反應(yīng)器通過改進(jìn)，有機(jī)物去除率、堵塞和短流等現(xiàn)象有了很大改善，但是仍然存在厭氧活性污泥流失嚴(yán)重，反應(yīng)器內(nèi)厭氧活性污泥濃度維持困難的現(xiàn)象。

針對目前UASB在實(shí)際運(yùn)行中所存在的問題，根據(jù)大量的工程實(shí)踐，在UASB理論基礎(chǔ)上通過改進(jìn)引入雙循環(huán)模式，有效解決了傳統(tǒng)UASB的弊端。該反應(yīng)器應(yīng)用在某煤化工項(xiàng)目中，經(jīng)過長期運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)測表明，UASB雙循環(huán)反應(yīng)器具有CODCr去除率高、產(chǎn)氣率高、布水均勻，運(yùn)行安全穩(wěn)定的特點(diǎn)。

1 理論依據(jù)及解決辦法

1.1 厭氧反應(yīng)器雙循環(huán)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

（1）高速率厭氧處理系統(tǒng)必須滿足以下原則［4］：①能夠保持大量的厭氧活性污泥和足夠長的污泥齡；②保持廢水和污泥之間的充分接觸。UASB為了滿足高效厭氧處理系統(tǒng)的條件，設(shè)計(jì)中一般考慮通過減少出水跑泥來保持反應(yīng)器中的污泥濃度和污泥齡，通過增加反應(yīng)器內(nèi)的上升流速來提高廢水和污泥之間的充分接觸與混合。

（2）影響UASB內(nèi)顆粒污泥形成和降解能力的因素。UASB內(nèi)顆粒污泥的形成和對CODCr降解效果主要由污泥粒子的水力和氣力分級作用決定的，如何控制分級作用處于合適的范圍，是保持反應(yīng)器具有顆粒污泥和高處理效能的必要條件［5-6］。分級作用特別低時(shí)，反應(yīng)器區(qū)內(nèi)會(huì)保持大量的分散態(tài)細(xì)菌，由于其傳質(zhì)阻力小，能優(yōu)先捕獲營養(yǎng)物質(zhì)而大量繁殖，并抑制了傳質(zhì)阻力大的顆粒污泥的形成，使反應(yīng)器處于低水平處理能力的狀態(tài)；當(dāng)分級作用很大時(shí)，不僅分散態(tài)的細(xì)菌隨出水大量流失，而且一些能改善出水水質(zhì)的較小顆粒污泥也頻頻流失，造成反應(yīng)器內(nèi)有效污泥濃度的降低，從而導(dǎo)致反應(yīng)器處理效率降低［5］。污泥粒子的水力和氣力分級主要由反應(yīng)器內(nèi)的上升流速和由表面產(chǎn)氣率促成的上竄氣泡對反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥粒子產(chǎn)生的負(fù)載作用決定的，后者主要由UASB的反應(yīng)效果決定的，控制起來比較麻煩，前者可以通過人為增加循環(huán)的辦法加以控制，且UASB的水力循環(huán)設(shè)計(jì)的優(yōu)越性已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模得到了驗(yàn)證［7-8］，故解決思路主要集中在UASB水力循環(huán)的設(shè)計(jì)上。

1.2 傳統(tǒng)UASB在煤化工廢水處理中存在的問題

煤化工高濃度廢水CODCr質(zhì)量濃度高達(dá)12000～20 000 mg/L，同時(shí)由于水中的有毒有害物質(zhì)的影響，UASB的設(shè)計(jì)負(fù)荷一般比較低，且來水CODCr濃度波動(dòng)較大，為了增加系統(tǒng)的抗沖擊能力，同時(shí)滿足對池深、上升流速的要求，通常會(huì)對傳統(tǒng)的UASB進(jìn)行改進(jìn)，常用做法是增加循環(huán)，一方面能通過循環(huán)水稀釋進(jìn)水濃度來減少來水的負(fù)荷沖擊，另一方面可以提高反應(yīng)器內(nèi)上升流速。常用做法是：①將反應(yīng)器出水回流至進(jìn)水端；②將三相分離器下端的污水回流至進(jìn)水端［5］。采用第①種回流方式將導(dǎo)致沉淀區(qū)的負(fù)荷增加，從而導(dǎo)致沉淀效果降低，跑泥現(xiàn)象嚴(yán)重，反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度難以維持；采用第②種回流方式，由于回流水懸浮物濃度很高，容易堵塞布水器。

1.3 解決思路

基于以上理論及實(shí)際工程實(shí)踐總結(jié)，為了解決沉淀區(qū)沉淀負(fù)荷和上升流速的矛盾，本設(shè)計(jì)采用雙循環(huán)設(shè)計(jì)，將循環(huán)分為內(nèi)、外循環(huán)，內(nèi)循環(huán)主要將三相分離器下端的廢水回流至進(jìn)水端，外循環(huán)主要將出水回流至進(jìn)水端?？偟难h(huán)量按照反應(yīng)器需求的上升流速確定，外循環(huán)的循環(huán)倍數(shù)根據(jù)沉淀區(qū)的沉淀負(fù)荷確定，內(nèi)循環(huán)的循環(huán)量為總的循環(huán)量減去外循環(huán)量。

Q總=Q內(nèi)+Q外（1）

Q總=v·A－Q進(jìn)（2）

Q外=q·A－Q進(jìn)（3）

式中：v——反應(yīng)器上升流速，m/h；

A——反應(yīng)器的截面積，m2；

q——反應(yīng)器沉淀區(qū)的沉淀負(fù)荷，m3/（m2· h）；

Q進(jìn)——反應(yīng)器的進(jìn)水量，m3/h；

Q內(nèi)——反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)量，m3/h；

Q外——反應(yīng)器的外循環(huán)量，m3/h；

Q總——反應(yīng)器的總循環(huán)量，m3/h。

UASB雙循環(huán)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 工程實(shí)例

將UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)應(yīng)用于某煤化工企業(yè)煤制油項(xiàng)目中的費(fèi)托合成廢水處理，取得了良好的運(yùn)行效果。

2.1 進(jìn)水水質(zhì)和水量

圖1 UASB雙循環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of UASB double circulation reactor

該UASB反應(yīng)器主要用于處理費(fèi)托合成廢水的預(yù)處理，預(yù)處理后出水排至好氧段進(jìn)一步處理。設(shè)計(jì)水量為174 m3/h，主要設(shè)計(jì)進(jìn)、出水質(zhì)及其去除率如表1所示。

表1 UASB雙循環(huán)反應(yīng)器的主要設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Tab.1 Main design influent and effluent water quality of UASB double circulation reactor

2.2 工藝路線

由于進(jìn)水中含有約100 mg/L的石油類污染物，因此，在進(jìn)入U(xiǎn)ASB雙循環(huán)反應(yīng)器前設(shè)置溶氣氣浮除油，將石油類的質(zhì)量濃度降至30 mg/L以下再進(jìn)入U(xiǎn)ASB雙循環(huán)反應(yīng)器。工藝流程如圖2所示。

圖2 處理工藝流程Fig.2 Wastewater treatment flow

2.3 工程設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目UASB設(shè)計(jì)成4組，每組3格。每組單獨(dú)采用雙循環(huán)設(shè)計(jì)，總循環(huán)倍數(shù)設(shè)計(jì)為400%，其中內(nèi)循環(huán)300%，外循環(huán)100%，上升流速控制在0.8 m/s，沉淀區(qū)表面負(fù)荷為0.37 m3/（m2·h），設(shè)計(jì)CODCr負(fù)荷為7.3 kg/（m3·d）。

2.4 運(yùn)行分析

由于主裝置在調(diào)試，至2016年3月15日生產(chǎn)負(fù)荷達(dá)到80%并穩(wěn)定運(yùn)行。2016年3月15日至2016年4月25日連續(xù)監(jiān)測，進(jìn)水在調(diào)節(jié)池取樣，出水在UASB雙循環(huán)反應(yīng)器出水總渠取樣，監(jiān)測結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 UASB雙循環(huán)反應(yīng)器進(jìn)、出水CODCr濃度Fig.3 CODCrconcentrations in influent and effluent water of UASB double circulation reactor

圖4 CODCr去除率和CODCr容積負(fù)荷變化情況Fig.4 Removal rate and volume loading of CODCr

圖5 出水VFA值及CODCr去除率變化情況Fig.5 Variation of VFA value and CODCrremoval rate of effluent water

圖6 出水m（VFA）/m（ALK）值變化情況Fig.6 Variation of m（VFA）/m（ALK）value of effluent water

從圖3和圖4可知，在第1天至第26天進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度穩(wěn)定在7 500～8 500 mg/L，雖然在第26～42天期間，進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度先緩慢升高再回落，最后趨于穩(wěn)定，在9 800 mg/L和6 400 mg/L之間產(chǎn)生巨大波動(dòng)，但是出水CODCr的質(zhì)量濃度一直維持在1 300 mg/L左右，CODCr去除率基本維持在83%左右。第34天CODCr去除率降至71%，主要是由于在第29～33天進(jìn)水CODCr的質(zhì)量濃度突然升高至9 300 mg/L以上，負(fù)荷沖擊引起，2 d后去除率恢復(fù)至85%以上。說明該反應(yīng)器不僅CODCr去除率高，同時(shí)有很強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊的能力。

從圖5和圖6可知，由于CODCr負(fù)荷的沖擊，反應(yīng)器內(nèi)的VFA值有一定的波動(dòng)，但是m（VFA）/ m（ALK）值一直小于0.5，大部分情況都在0.3以下，說明產(chǎn)甲烷菌活性較好，VFA沒有在反應(yīng)器內(nèi)累積。

該項(xiàng)目中設(shè)A、B、C、D 4組UASB，每組反應(yīng)器設(shè)上下2個(gè)取樣口，上取樣口設(shè)置在三相分離器下0.5 m處，下取樣口設(shè)置在距池底1.0 m處。2個(gè)取樣口污泥質(zhì)量濃度每10 d監(jiān)測1次，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 各組UASB污泥濃度Tab.2 Sludge concentration of each UASB group

從表2可知，每組UASB反應(yīng)器上取樣口的污泥質(zhì)量濃度維持在11 g/L左右，下取樣口的污泥質(zhì)量濃度維持在20 g/L左右，濃度成梯度分布，污泥的分級明顯，同時(shí)污泥濃度沒有出現(xiàn)減少的情況，而且通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況來看，出水沒有跑泥現(xiàn)象。

3 結(jié)語

（1）UASB采用雙循環(huán)設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的單循環(huán)改為內(nèi)外相結(jié)合的雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，解決了上升流速與沉淀區(qū)表面負(fù)荷高的矛盾問題，不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)耐負(fù)荷沖擊的能力，而且使沉淀區(qū)的表面負(fù)荷在可控范圍，維持了反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度。

（2）從UASB雙循環(huán)設(shè)計(jì)在實(shí)際煤化工項(xiàng)目中的應(yīng)用來看，雖然沒有達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷，但是系統(tǒng)CODCr去除率大于80%，運(yùn)行穩(wěn)定，在煤化工高濃度廢水的厭氧處理工藝的設(shè)計(jì)中可以借鑒。

［1］張存陽.UASB-A/O工藝處理化工園區(qū)廢水的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)用水與廢水，2013，44（5）：28-30.

［2］賀延齡.廢水的厭氧生物處理［M］.北京：中國輕工業(yè)出版社，1998：9-15.

［3］ARCAND Y，GNIOD S R，DESROCHRS M，et al.Inpact of the Reactor hydrodynamics and organics on the size and activity of anaerobic granules［J］.Chemical Eng Jour，1994，56（1）：23-35.

［4］北京水環(huán)境技術(shù)與設(shè)備研究中心，北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院，國家城市環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心.三廢處理工程技術(shù)手冊：廢水卷［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：622-623.

［5］方戰(zhàn)強(qiáng)，陳中豪，胡勇有，等.外循環(huán)式UASB的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法［J］.工業(yè)水處理，2003，23（4）：72-75.

［6］ALPHENAAR A.Anaerobic Granular sludge：Characterization and Factors Affecting its Functioning［D］.The Netherlands：WAU，1994.

［7］管錫珺，鄭西來.從厭氧反應(yīng)器的發(fā)展談UASB反應(yīng)器的改良［J］.青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，34（2）：261-269.

［8］管錫珺，鄭西來.現(xiàn)行的UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)問題及改良的可行性［J］.環(huán)境工程，2004，22（2）：17-19.

UASB double circulation design and its application for coal-chemical wastewater treatment

LUO Rui-chun1，YU Yong-sheng2，LI Kai-jun2
（1.Poten Environment Group Co.，Ltd.，Xi′an 710065，China；2.China New Era International Engieering Corporation，Xi′an 710018，China）

The structure，technological principle，technical innovation points and engineering application of UASB double circulation were introduced.The UASB double circulation design could effectively solve the contradiction between the ascending velocity and the precipitation area sedimentation，which not only ensure rational ascending velocity，full contact between wastewater and sludge，but also guarantee the sludge is not lost，maintain the sludge concentration of the reactor at the same time.The unique UASB double circulation reactor was applied to the engineering practice，when the mass concentration of CODCrin the influent water was about 8 000 mg/L，the total circulation ratio was 400%（300%internal circulaiton，100%external circulation），the ascending velocity was controled at 0.8 m/s，the surface load of the precipitation area was 0.37 m3/（m2·h），the UASB ran steadily，and had strong anti shock loading capability，the mass concentration of CODCrin the effluent water was stable at about 1 300 mg/L，the removal rate was above 80%，which greatly reduced the pressure of subsequent aerobic biochemical treatment unit.

UASB；double circulation；coal-chemical wastewater；engineering application

X703.1

A

%1009-2455（2016）05-0036-04

羅瑞春（1983-），男，湖北天門人，工程師，本科，主要從事煤化工廢水、市政及工業(yè)園區(qū)污水處理技術(shù)研究及工程設(shè)計(jì)，（電子信箱）358865230@qq.com。

2016-07-08（修回稿）