1. Принципи на процеса на UASB и IC реактор
1.1 UASB реактор
1.1.1 Въведение в UASB
Реакторът с анаеробна утайка с възходящ поток (UASB) е анаеробен биологичен метод за пречистване на отпадъчни води, известен също като реактор с анаеробна утайка с възходящ поток, изобретен от професор Летинга от Холандия през 1977 г.
Отпадъчните води текат отдолу нагоре през UASB. В долната част на реактора има високо{1}}концентриран, силно активен пласт от утайка, където повечето органични замърсители в отпадъчните води претърпяват анаеробна ферментация и разграждане до метан и въглероден диоксид. Поради разбъркването на водния поток и въздушните мехурчета се образува суспензионен слой от утайка над слоя утайка. Три-фазен сепаратор е монтиран в горната част на реактора за отделяне на газ от биореактора, течност от биореактора и частици от утайка. Дигестерният газ се изпуска от горната част на реактора; частиците на утайката автоматично се плъзгат надолу и се утаяват в леглото на утайката на дъното на реактора; течността от биореактора се изхвърля от зоната за избистряне.
UASB има висок капацитет на натоварване и е подходящ за пречистване на органични отпадъчни води с висока{0}}концентрация. Добре-функциониращ UASB (ултра-анаеробен бункер за утайки) показва висока степен на отстраняване на органични замърсители, не изисква разбъркване и може да се адаптира към значителни удари на натоварване, температура и промени в рН.
1.1.2 Структура на UASB
UASB се характеризира със своята интегрирана биологична реакция и система за утаяване, което го прави компактен анаеробен реактор. Реакторът се състои главно от входяща разпределителна система, реакционна зона, три-фазов сепаратор, газова камера и система за изпускане на пречистена вода.
1.1.3 Принцип на работа на UASB
Процесът на анаеробна реакция в реактора UASB е подобен на други процеси на анаеробно биологично третиране, включително хидролиза, подкисляване, производство на оцетна киселина и метаногенеза. Различни микроорганизми участват в процеса на трансформация на субстрата, превръщайки субстрата в крайни продукти-биогаз, вода и други неорганични вещества.
UASB се състои от три части: зона за реакция на утайки, трифазен сепаратор за газ-течност-твърдо- (включително зона за утаяване) и газова камера. Голямо количество анаеробна утайка остава в долната реакционна зона, а утайката с добри свойства на утаяване и флокулация образува слой утайка на дъното. Отпадъчните води, които трябва да бъдат пречистени, се вливат в дъното на анаеробния слой утайки и се смесват с утайките в слоя утайки. Микроорганизмите в утайките разлагат органичните вещества в отпадъчните води, превръщайки ги в биогаз. Биогазът се отделя непрекъснато под формата на малки мехурчета. Докато тези мехурчета се издигат, те се сливат, образувайки постепенно по-големи мехурчета. В горната част на утайката биогазът разбърква утайката, създавайки относително разредена утайка-водна смес, която се издига заедно с водата в три-фазния сепаратор. Когато биогазът срещне рефлекторната плоча в долната част на сепаратора, той се отклонява около плочата и след това преминава през водния слой в газовата камера, където се концентрира. След това биогазът се изпуска през тръбопровод. Твърдата-течна смес, след отражение, навлиза в зоната на утаяване на три-фазния сепаратор. Утайките в отпадъчните води флокулират, частиците постепенно увеличават размера си и се утаяват под действието на гравитацията. Утайката, която се утаява върху наклонената стена, се плъзга обратно в анаеробната реакционна зона, причинявайки голямо натрупване на утайка в реакционната зона. Обработеният отпадъчен поток, отделен от утайката, прелива от горната част на преливника на зоната на утаяване и след това се изхвърля от леглото на утайката.
1.2 IC реактор
1.2.1 Въведение в IC
С нарастващите противоречия между развитието на производството и фактори като капитал, потребление на енергия и земеползване, работниците по пречистване на водата трябва да се стремят да намерят по-технически и икономически оптимизирани анаеробни процеси, особено при справянето с новите органични отпадъчни води с висока-концентрация, генерирани от развитието на производството. Анаеробният реактор с вътрешна циркулация (IC) е нов тип реактор, който се появява на този фон. Това е продукт на комбинацията от теория за анаеробно пречистване на отпадъчни води и инженерна практика, отразявайки изискванията за развитие на самите анаеробни процеси. През 1985 г. холандската компания PAQUES създаде първия пилотен-мащабен IC реактор, а през 1988 г. беше пуснат в експлоатация първият производствен-мащабен IC реактор. Понастоящем IC реакторите се прилагат успешно за третиране на промишлени отпадъчни води в индустрии като производство на бира и преработка на храни. Поради високия си капацитет за пречистване, ниската инвестиция, малкия отпечатък и стабилната работа, той привлече вниманието на персонала за пречистване на вода по целия свят и някои го смятат за една от представителните технологии на третото поколение анаеробни биологични реактори. По-нататъшните изследвания и разработки на IC реактори и насърчаването на тяхното приложение се превърнаха в една от горещите теми в анаеробното пречистване на отпадъчни води.
1.2.2 Структура на IC
IC реакторът се състои от два UASB реактора, подредени вертикално последователно, достигащи височина от 16–25 m със съотношение на височина-към-диаметър обикновено между 4 и 8. Състои се от пет основни части: зона за смесване, зона с разширен слой на гранулирана утайка, зона за довършване, вътрешна циркулационна система и зона за изтичане. Вътрешната циркулационна система е основната структура на IC процеса, състояща се от първичен три-фазен сепаратор, възходяща тръба за биогаз, сепаратор за газ{-течност и спускаща тръба за утайки.
1.2.3 Принцип на работа на IC
Производствените отпадъчни води, след регулиране на рН и температурата, първо навлизат в зоната на смесване на дъното на реактора. Там тя се смесва напълно с вътрешно циркулиращата утайка-водна смес от спускащия канал, преди да влезе в разширения слой на гранулираната утайка за биохимично разграждане на COD. Обемното натоварване на COD е много високо тук, като по-голямата част от влиятелния COD се разгражда, произвеждайки голямо количество биогаз. Биогазът се събира от първичния три-фазен сепаратор. Работата по разширението, извършена върху течността по време на образуването на мехурчета от биогаз, създава ефект на повдигане на газ, карайки сместа от биогаз, утайка и вода да се издигне по тръбата за подем на биогаз до сепаратора за газ-течност в горната част на реактора. Тук биогазът се отделя от утайките и водата и се изхвърля от пречиствателната система. След това сместа от утайка-вода навлиза в зоната на смесване в долната част на реактора по протежение на долната част на утайката, където се смесва напълно с притока, преди да навлезе в зоната с разширено легло на утайката, образувайки така-наречената вътрешна циркулация. В зависимост от влиятелния COD товар и структурата на реактора, скоростта на вътрешния циркулационен поток може да достигне 0,5 до 5 пъти скоростта на входящия поток. След пречистване от разширеното легло, част от отпадъчните води участват във вътрешната циркулация; останалата отпадъчна вода преминава през първичен три-фазен сепаратор и навлиза в зоната на гранулираната утайка на зоната за фино третиране за остатъчно разграждане на ХПК и производство на биогаз, подобрявайки и гарантирайки качеството на отпадъчните води. Тъй като по-голямата част от COD е разградена, натоварването с COD в зоната за фина обработка е ниско и производството на биогаз също е малко. Произведеният тук биогаз се събира от вторичен три-фазен сепаратор, навлиза в сепаратора за газ-течност през тръба за събиране на газ и се изпуска от системата за пречистване. След пречистване в зоната за фино пречистване, отпадъчните води преминават през дву-степенен три-фазен сепаратор. Супернатантът се изхвърля през зоната на отпадъчния поток, докато гранулираната утайка се връща в слоя на утайката в зоната за фино третиране.
2. Резюме и перспектива
В сравнение с анаеробни реактори от второ-поколение като UASB, IC реакторите имат следните предимства:<1>Висока степен на органично натоварване и кратко време на хидравлично задържане;<2>Голямо съотношение-към-диаметър, малък отпечатък и по-ниска инфраструктурна инвестиция;<3>Стабилен отпадъчен поток и силна устойчивост на ударни натоварвания. Все повече и повече производители в Китай сега използват IC реактори и тяхната стойност за възстановяване и използване на биогаз също е значителна. Най-голямата характеристика на IC реакторите е, че те имат две анаеробни реакционни камери, позволяващи циркулацията на сместа от утайка-вода в реактора. Това разрешава отрицателното въздействие на недостатъчния контакт с утайката-вода в UASB реакторите, което отслабва капацитета за биохимично третиране на гранулираната утайка.
Следователно IC реакторите представляват пробив в съвременните анаеробни реактори и имат широки перспективи за развитие в пречистването на промишлени отпадъчни води от органични замърсители. Те все повече ще заменят UASB реакторите и заслужават по-нататъшни изследвания, разработки и популяризиране.