1. UASB- og IC-reaktorprocesprincipper
1.1 UASB-reaktor
1.1.1 Introduktion til UASB
Den upflow anaerob slam tæppe reactor (UASB) er en anaerob biologisk metode til behandling af spildevand, også kendt som en upflow anaerob slam tæppe reaktor, opfundet af professor Lettinga i Holland i 1977.
Spildevand strømmer fra bund til top gennem UASB. I bunden af reaktoren er en høj-koncentreret, højaktiv slamleje, hvor de fleste organiske forurenende stoffer i spildevandet gennemgår anaerob gæring og nedbrydes til metan og kuldioxid. På grund af omrøring af vandstrømning og luftbobler dannes et slamsuspensionslag over slambedet. En trefaseseparator er installeret i toppen af reaktoren for at adskille rådnegas, rådnetanksvæske og slampartikler. Rådnegas udledes fra toppen af reaktoren; slampartikler glider automatisk ned og sætter sig til slambedet i bunden af reaktoren; rådnetanksvæske udledes fra klaringszonen.
UASB har en høj lastekapacitet og er velegnet til behandling af høj-koncentration af organisk spildevand. En velfungerende UASB (Ultra-Anaerob Sludge Bunker) udviser en høj hastighed for fjernelse af organiske forurenende stoffer, kræver ingen omrøring og kan tilpasse sig betydelige belastningschok, temperatur- og pH-ændringer.
1.1.2 UASB-struktur
UASB er karakteriseret ved dets integrerede biologiske reaktions- og sedimentationssystem, hvilket gør det til en kompakt anaerob reaktor. Reaktoren består hovedsageligt af et indløbssystem, en reaktionszone, en trefaseseparator, et gaskammer og et udledningssystem for behandlet vand.
1.1.3 UASB arbejdsprincip
Den anaerobe reaktionsproces i UASB-reaktoren ligner andre anaerobe biologiske behandlingsprocesser, herunder hydrolyse, forsuring, eddikesyreproduktion og methanogenese. Forskellige mikroorganismer deltager i substrattransformationsprocessen og omdanner substratet til slutprodukterne-biogas, vand og andre uorganiske stoffer.
UASB består af tre dele: en slamreaktionszone, en gas-væske-fast tre-faseseparator (inklusive en sedimentationszone) og et gaskammer. En stor mængde anaerobt slam forbliver i bundens reaktionszone, og slammet med gode sedimenterings- og flokkuleringsegenskaber danner et slamlag i bunden. Spildevand, der skal behandles, løber ned i bunden af det anaerobe slambed og blandes med slammet i slamlaget. Mikroorganismer i slammet nedbryder det organiske stof i spildevandet og omdanner det til biogas. Biogassen frigives løbende i form af bittesmå bobler. Når disse bobler stiger, smelter de sammen og danner gradvist større bobler. I toppen af slambedet omrører biogassen slammet og skaber en relativt fortyndet slam-vandblanding, der stiger sammen med vandet op i trefaseseparatoren. Når biogassen støder på reflektorpladen i bunden af separatoren, afbøjes den rundt om pladen og passerer derefter gennem vandlaget ind i gaskammeret, hvor den koncentreres. Biogassen udledes derefter gennem en ledning. Den faste-flydende blanding går efter refleksion ind i sedimentationszonen i trefaseseparatoren. Slammet i spildevandet flokkulerer, partiklerne øges gradvist i størrelse og bundfældes under tyngdekraften. Slammet, der sætter sig på den skrå væg, glider tilbage i den anaerobe reaktionszone, hvilket forårsager en stor ophobning af slam i reaktionszonen. Det behandlede spildevand, adskilt fra slammet, løber over fra toppen af sedimentationszonens overløbsdæmning og udledes derefter fra slambedet.
1.2 IC-reaktor
1.2.1 Introduktion til IC
Med de stigende modsætninger mellem produktionsudvikling og faktorer som kapital, energiforbrug og arealanvendelse, skal vandbehandlingsarbejdere stræbe efter at finde mere teknisk og økonomisk optimerede anaerobe processer, især i forbindelse med håndteringen af det nye højkoncentrerede organiske spildevand, der genereres af produktionsudvikling. Den interne cirkulations anaerobe reaktor (IC) er en ny type reaktor, der opstod under denne baggrund. Det er et produkt af kombinationen af teori om anaerob spildevandsbehandling og ingeniørpraksis, der afspejler udviklingskravene til selve anaerobe processer. I 1985 etablerede det hollandske firma PAQUES den første IC-pilotreaktor-, og i 1988 blev den første produktions-skala IC-reaktor sat i drift. I øjeblikket er IC-reaktorer med succes blevet anvendt til behandling af industrielt spildevand i industrier som ølproduktion og fødevareforarbejdning. På grund af dets høje behandlingskapacitet, lave investeringer, lille fodaftryk og stabile drift, har det tiltrukket sig opmærksomhed fra vandbehandlingspersonale verden over, og nogle betragter det som en af de repræsentative teknologier i tredje generation af anaerobe biologiske reaktorer. Yderligere forskning og udvikling af IC-reaktorer og fremme af deres anvendelse er blevet et af de varme emner inden for anaerob spildevandsrensning.
1.2.2 IC-struktur
IC-reaktoren består af to UASB-reaktorer stablet lodret i serie og når en højde på 16-25 m med et højde-til-diameterforhold typisk mellem 4 og 8. Den består af fem grundlæggende dele: en blandingszone, en granulær slam-expand-bed-zone, en efterbehandlingszone, en intern cirkulationszone, en intern cirkulationszone. Det interne cirkulationssystem er kernestrukturen i IC-processen, der består af en primær tre-faseseparator, en biogasstigeledning, en gas-væskeudskiller og et slamfaldsrør.
1.2.3 IC-arbejdsprincip
Produktionsspildevandet kommer efter pH- og temperaturjusteringer først ind i blandezonen i bunden af reaktoren. Der blandes det grundigt med den internt cirkulerede slam-vandblanding fra faldrøret, før det går ind i det granulerede slam-ekspanderede leje til COD biokemisk nedbrydning. Den volumetriske COD-belastning er meget høj her, hvor det meste af den indgående COD bliver nedbrudt, hvilket producerer en stor mængde biogas. Biogassen opsamles af den primære 3-faseseparator. Ekspansionsarbejdet på væsken under dannelsen af biogasbobler skaber en gasløftende effekt, hvilket får blandingen af biogas, slam og vand til at stige langs biogasløfterøret til gas-væskeudskilleren i toppen af reaktoren. Her udskilles biogassen fra slammet og vandet og udledes fra rensesystemet. Slammet-vandblandingen kommer derefter ind i blandezonen i bunden af reaktoren langs slamfaldsrøret, hvor det blandes grundigt med indløbet, før det kommer ind i den udvidede slamzone, og danner den så-indre cirkulation. Afhængig af den indgående COD-belastning og reaktorens struktur kan den interne cirkulationsstrømningshastighed nå op på 0,5 til 5 gange den indgående strømningshastighed. Efter behandling ved det udvidede leje deltager en del af spildevandet i den indre cirkulation; det resterende spildevand passerer gennem en primær trefaseseparator og kommer ind i den granulære slambedzone i det fine behandlingsområde for resterende COD-nedbrydning og biogasproduktion, hvilket forbedrer og sikrer spildevandskvaliteten. Fordi det meste af COD er blevet nedbrudt, er COD-belastningen i finbehandlingsområdet lav, og biogasproduktionen er ligeledes lille. Den her producerede biogas opsamles af en sekundær trefaseseparator, kommer ind i gas-væskeudskilleren gennem et gasopsamlingsrør og udledes fra behandlingssystemet. Efter behandling i finbehandlingszonen passerer spildevandet gennem en to-tre-trinsudskiller. Supernatanten udledes gennem spildevandszonen, mens det granulære slam returneres til slambedet i finbehandlingszonen.
2. Resumé og Outlook
Sammenlignet med anden-generations anaerobe reaktorer, såsom UASB, har IC-reaktorer følgende fordele:<1>Høj organisk belastningshastighed og kort hydraulisk retentionstid;<2>Stort forhold mellem højde-til-diameter, lille fodaftryk og lavere infrastrukturinvesteringer;<3>Stabil spildevand og stærk modstandsdygtighed over for stødbelastninger. Flere og flere producenter i Kina bruger nu IC-reaktorer, og deres biogasindvinding og udnyttelsesværdi er også betydelig. Det største træk ved IC-reaktorer er, at de har to anaerobe reaktionskamre, der muliggør cirkulation af slam-vandblandingen i reaktoren. Dette løser den negative virkning af utilstrækkelig slam-vandkontakt i UASB-reaktorer, hvilket svækker den biokemiske behandlingskapacitet af granuleret slam.
Derfor repræsenterer IC-reaktorer et gennembrud i moderne anaerobe reaktorer og har brede udviklingsmuligheder inden for industriel spildevandsrensning af organiske forurenende stoffer. De vil i stigende grad erstatte UASB-reaktorer og fortjener yderligere forskning, udvikling og forfremmelse.
