1. UASB- og IC-reaktorprosessprinsipper
1.1 UASB-reaktor
1.1.1 Introduksjon til UASB
Den oppstrøms anaerobe slamteppereaktoren (UASB) er en anaerob biologisk metode for behandling av avløpsvann, også kjent som en oppstrøms anaerob slamteppereaktor, oppfunnet av professor Lettinga i Nederland i 1977.
Avløpsvann strømmer fra bunn til topp gjennom UASB. På bunnen av reaktoren er et høy-, høyaktivt slamlag der de fleste organiske forurensningene i avløpsvannet gjennomgår anaerob gjæring og nedbrytes til metan og karbondioksid. På grunn av omrøring av vannstrøm og luftbobler, dannes et slamsuspensjonslag over slambedet. En trefaseseparator er installert på toppen av reaktoren for å separere kokegass, kokervæske og slampartikler. Kokegass slippes ut fra toppen av reaktoren; slampartikler glir automatisk ned og legger seg til slambedet i bunnen av reaktoren; kokervæske slippes ut fra klaringssonen.
UASB har høy lastekapasitet og er egnet for behandling av høy-konsentrasjon av organisk avløpsvann. En godt-fungerende UASB (Ultra-Anaerobic Sludge Bunker) har en høy fjerningshastighet for organiske forurensninger, krever ingen omrøring og kan tilpasse seg betydelige lastsjokk, temperatur- og pH-endringer.
1.1.2 UASB-struktur
UASB er preget av sitt integrerte biologiske reaksjons- og sedimentasjonssystem, noe som gjør den til en kompakt anaerob reaktor. Reaktoren består hovedsakelig av et innløpsfordelingssystem, en reaksjonssone, en trefaseseparator, et gasskammer og et utslippssystem for behandlet vann.
1.1.3 UASB arbeidsprinsipp
Den anaerobe reaksjonsprosessen i UASB-reaktoren ligner på andre anaerobe biologiske behandlingsprosesser, inkludert hydrolyse, forsuring, eddiksyreproduksjon og metanogenese. Ulike mikroorganismer deltar i substrattransformasjonsprosessen, og konverterer substratet til sluttproduktene-biogass, vann og andre uorganiske stoffer.
UASB består av tre deler: en slamreaksjonssone, en gass-væske-fast tre-faseseparator (inkludert en sedimentasjonssone) og et gasskammer. En stor mengde anaerobt slam forblir i bunnreaksjonssonen, og slammet med gode sedimentasjons- og flokkuleringsegenskaper danner et slamlag i bunnen. Avløpsvann som skal behandles renner inn i bunnen av det anaerobe slamlaget og blandes med slammet i slamlaget. Mikroorganismer i slammet bryter ned det organiske materialet i avløpsvannet og omdanner det til biogass. Biogassen frigjøres kontinuerlig i form av bittesmå bobler. Når disse boblene stiger, smelter de sammen, og danner gradvis større bobler. På toppen av slambedet agiterer biogassen slammet, og skaper en relativt fortynnet slam-vannblanding som stiger sammen med vannet inn i trefaseseparatoren. Når biogassen møter reflektorplaten i bunnen av separatoren, avbøyes den rundt platen og passerer deretter gjennom vannlaget inn i gasskammeret, hvor den konsentreres. Biogassen slippes deretter ut gjennom en ledning. Den faste-flytende blandingen, etter refleksjon, går inn i sedimentasjonssonen til trefaseseparatoren. Slammet i avløpsvannet flokkulerer, partiklene øker gradvis i størrelse, og legger seg under tyngdekraften. Slammet som legger seg på den skrånende veggen glir tilbake i den anaerobe reaksjonssonen, og forårsaker en stor opphopning av slam i reaksjonssonen. Det behandlede avløpet, separert fra slammet, renner over fra toppen av sedimentasjonssonens overløpsoverløp og slippes deretter ut fra slambedet.
1.2 IC-reaktor
1.2.1 Introduksjon til IC
Med de økende motsetningene mellom produksjonsutvikling og faktorer som kapital, energiforbruk og arealbruk, må vannbehandlingsarbeidere strebe etter å finne mer teknisk og økonomisk optimaliserte anaerobe prosesser, spesielt når det gjelder å håndtere det nye-høykonsentrerte organiske avløpsvannet som genereres av produksjonsutvikling. Den interne sirkulasjonsanaerobe reaktoren (IC) er en ny type reaktor som dukket opp under denne bakgrunnen. Det er et produkt av kombinasjonen av teori om anaerob avløpsvannbehandling og ingeniørpraksis, som gjenspeiler utviklingskravene til selve anaerobe prosesser. I 1985 etablerte det nederlandske selskapet PAQUES den første IC-pilotreaktoren-, og i 1988 ble den første produksjons-skala IC-reaktoren satt i drift. For tiden har IC-reaktorer blitt brukt med suksess for behandling av industrielt avløpsvann i bransjer som ølproduksjon og matforedling. På grunn av sin høye behandlingskapasitet, lave investeringer, små fotavtrykk og stabile drift, har den tiltrukket seg oppmerksomheten til vannbehandlingspersonell over hele verden, og noen anser det som en av de representative teknologiene til tredje generasjons anaerobe biologiske reaktorer. Videre forskning og utvikling av IC-reaktorer og promotering av deres anvendelse har blitt et av de hete temaene innen anaerob behandling av avløpsvann.
1.2.2 IC-struktur
IC-reaktoren består av to UASB-reaktorer stablet vertikalt i serie, og når en høyde på 16–25 m med et høyde-til-diameterforhold typisk mellom 4 og 8. Den består av fem grunnleggende deler: en blandesone, en sone med granulært slam med ekspandert sjikt, en etterbehandlingssone, en innvendig sirkulasjonssone. Det interne sirkulasjonssystemet er kjernestrukturen i IC-prosessen, som består av en primær trefaseseparator, et biogassstigerør, en gass-væskeseparator og et slamfall.
1.2.3 Arbeidsprinsipp for IC
Produksjonsavløpsvannet, etter pH- og temperaturjusteringer, kommer først inn i blandesonen i bunnen av reaktoren. Der blandes det grundig med den internt sirkulerte slammet-vannblandingen fra fallrøret før det går inn i det granulære slamekspanderte lag for COD biokjemisk nedbrytning. Den volumetriske COD-belastningen er veldig høy her, og det meste av den innflytende COD blir degradert, og produserer store mengder biogass. Biogassen samles opp av den primære trefaseseparatoren. Ekspansjonsarbeidet som gjøres på væsken under dannelse av biogassbobler skaper en gassløftende effekt, som får blandingen av biogass, slam og vann til å stige langs biogassløfterøret til gass-væskeseparatoren på toppen av reaktoren. Her skiller biogassen seg fra slammet og vannet og slippes ut fra rensesystemet. Slammet-vannblandingen går deretter inn i blandesonen i bunnen av reaktoren langs slamnedløpet, hvor det blandes grundig med innløpet før det går inn i sonen med utvidet slam, og danner den såkalte-interne sirkulasjonen. Avhengig av den innflytende COD-belastningen og reaktorens struktur, kan den interne sirkulasjonsstrømningshastigheten nå 0,5 til 5 ganger den innflytende strømningshastigheten. Etter behandling av den utvidede sengen deltar en del av avløpsvannet i den indre sirkulasjonen; det gjenværende avløpsvannet passerer gjennom en primær trefaseseparator og går inn i den granulære slambedsonen i finbehandlingsområdet for gjenværende COD-nedbrytning og biogassproduksjon, og forbedrer og sikrer avløpskvaliteten. Fordi det meste av COD er nedbrutt, er COD-belastningen i finbehandlingsområdet lav, og biogassproduksjonen er også liten. Biogassen som produseres her samles opp av en sekundær trefaseseparator, kommer inn i gass-væskeseparatoren gjennom et gassoppsamlingsrør og slippes ut av behandlingssystemet. Etter behandling i finbehandlingssonen går avløpsvannet gjennom en to-tre-trefaseseparator. Supernatanten slippes ut gjennom avløpssonen, mens det granulære slammet føres tilbake til slamlaget i finbehandlingssonen.
2. Sammendrag og Outlook
Sammenlignet med andre-generasjons anaerobe reaktorer som UASB, har IC-reaktorer følgende fordeler:<1>Høy organisk lastehastighet og kort hydraulisk retensjonstid;<2>Stort forhold mellom høyde-til-diameter, lite fotavtrykk og lavere infrastrukturinvesteringer;<3>Stabilt avløp og sterk motstand mot sjokkbelastninger. Flere og flere produsenter i Kina bruker nå IC-reaktorer, og deres biogassgjenvinnings- og utnyttelsesverdi er også betydelig. Den største egenskapen til IC-reaktorer er at de har to anaerobe reaksjonskamre, som muliggjør sirkulasjon av slammet-vannblandingen i reaktoren. Dette løser den negative effekten av utilstrekkelig slam-vannkontakt i UASB-reaktorer, noe som svekker den biokjemiske behandlingskapasiteten til granulært slam.
Derfor representerer IC-reaktorer et gjennombrudd i moderne anaerobe reaktorer og har brede utviklingsmuligheter innen industriell avløpsvannbehandling av organiske forurensninger. De vil i økende grad erstatte UASB-reaktorer og fortjener ytterligere forskning, utvikling og promotering.