Różnice między procesami beztlenowymi IC i UASB

1.1 Reaktor UASB

1.1.1 Wprowadzenie do UASB

Reaktor beztlenowy z przepływem górnym (UASB) to beztlenowa biologiczna metoda oczyszczania ścieków, znana również jako beztlenowy reaktor z płaszczem osadowym z przepływem górnym, wynaleziona przez profesora Lettingę z Holandii w 1977 roku.

Przez UASB ścieki przepływają z dołu do góry. Na dnie reaktora znajduje się-bardzo aktywne złoże osadu o wysokim stężeniu, w którym większość substancji organicznych znajdujących się w ściekach ulega fermentacji beztlenowej i rozkładowi do metanu i dwutlenku węgla. W wyniku mieszania przepływu wody i pęcherzyków powietrza nad złożem osadu tworzy się warstwa zawiesiny osadu. Na górze reaktora instalowany jest separator trój-fazowy, który oddziela gaz fermentacyjny, ciecz fermentacyjną i cząstki osadu. Gaz fermentacyjny jest odprowadzany ze szczytu reaktora; cząsteczki osadu automatycznie zsuwają się i osadzają na dnie reaktora; ciecz fermentacyjna jest odprowadzana ze strefy klarowania.

UASB ma dużą nośność i nadaje się do oczyszczania ścieków organicznych o-wysokim stężeniu. Dobrze-działający UASB (ultra-anaerobowy bunkier osadu) charakteryzuje się dużą szybkością usuwania zanieczyszczeń organicznych, nie wymaga mieszania i może przystosować się do znacznych wstrząsów obciążenia, zmian temperatury i pH.

1.1.2 Struktura UASB

UASB charakteryzuje się zintegrowanym systemem reakcji biologicznej i sedymentacji, co czyni go kompaktowym reaktorem beztlenowym. Reaktor składa się głównie z systemu dystrybucji dopływu, strefy reakcyjnej,-separatora trójfazowego, komory gazowej i systemu odprowadzania oczyszczonej wody.

1.1.3 Zasada działania UASB

Proces reakcji beztlenowej w reaktorze UASB jest podobny do innych procesów beztlenowego oczyszczania biologicznego, obejmujących hydrolizę, zakwaszanie, wytwarzanie kwasu octowego i metanogenezę. W procesie transformacji substratu biorą udział różne mikroorganizmy, przekształcając substrat w produkty końcowe-biogaz, wodę i inne substancje nieorganiczne.

UASB składa się z trzech części: strefy reakcji osadu, trójfazowego separatora gazu-cieczy-stałego (w tym strefy sedymentacji) i komory gazowej. W dolnej strefie reakcyjnej pozostaje duża ilość osadu beztlenowego, a osad o dobrych właściwościach sedymentacyjnych i flokulacyjnych tworzy na dnie warstwę osadu. Oczyszczone ścieki spływają na dno beztlenowego złoża osadu i mieszają się z osadem w warstwie osadu. Mikroorganizmy znajdujące się w osadzie rozkładają materię organiczną znajdującą się w ściekach, przekształcając ją w biogaz. Biogaz jest stale uwalniany w postaci drobnych pęcherzyków. Gdy te bąbelki unoszą się, łączą się, stopniowo tworząc większe bąbelki. Na szczycie złoża osadu biogaz miesza osad, tworząc stosunkowo rozcieńczoną mieszaninę-wody i osadu, która unosi się wraz z wodą do separatora trójfazowego-. Kiedy biogaz napotka płytę reflektorową na dnie separatora, zostaje odchylony wokół tej płyty, a następnie przechodzi przez warstwę wody do komory gazowej, gdzie jest zagęszczany. Następnie biogaz jest odprowadzany przewodem. Stała-mieszanina cieczy po odbiciu trafia do strefy sedymentacji separatora trójfazowego. Osad w ściekach ulega flokulacji, cząsteczki stopniowo powiększają się i osiadają pod wpływem grawitacji. Osad osadzający się na pochyłej ścianie ześlizguje się z powrotem do strefy reakcji beztlenowej, powodując duże nagromadzenie osadu w strefie reakcji. Oczyszczone ścieki oddzielone od osadu przelewają się ze szczytu jazu przelewowego strefy sedymentacyjnej i są następnie odprowadzane ze złoża osadu.

1.2 Reaktor układowy

1.2.1 Wprowadzenie do układów scalonych

W obliczu rosnących sprzeczności między rozwojem produkcji a takimi czynnikami, jak kapitał, zużycie energii i użytkowanie gruntów, pracownicy zajmujący się uzdatnianiem wody muszą dążyć do znalezienia bardziej zoptymalizowanych pod względem technicznym i ekonomicznym procesów beztlenowych, szczególnie w przypadku nowych-ścieków organicznych o wysokim stężeniu wytwarzanych w wyniku rozwoju produkcji. Reaktor beztlenowy z obiegiem wewnętrznym (IC) to nowy typ reaktora, który pojawił się w tym kontekście. Jest to produkt połączenia teorii beztlenowego oczyszczania ścieków i praktyki inżynierskiej, odzwierciedlający wymagania rozwojowe samych procesów beztlenowych. W 1985 r. holenderska firma PAQUES uruchomiła pierwszy pilotażowy reaktor IC-na skalę przemysłową, a w 1988 r. uruchomiono pierwszy reaktor IC na skalę produkcyjną. Obecnie reaktory IC są z powodzeniem stosowane do oczyszczania ścieków przemysłowych w takich gałęziach przemysłu jak produkcja piwa i przetwórstwo spożywcze. Ze względu na wysoką wydajność oczyszczania, niskie koszty inwestycyjne, niewielkie rozmiary i stabilną pracę, przyciągnął uwagę personelu zajmującego się uzdatnianiem wody na całym świecie, a niektórzy uważają go za jedną z reprezentatywnych technologii beztlenowych reaktorów biologicznych trzeciej generacji. Dalsze badania i rozwój reaktorów IC oraz promocja ich zastosowania stały się jednym z gorących tematów w beztlenowym oczyszczaniu ścieków.

1.2.2 Struktura układu scalonego

Reaktor IC składa się z dwóch reaktorów UASB ułożonych pionowo szeregowo, osiągających wysokość 16–25 m przy stosunku wysokości- do-średnicy zwykle od 4 do 8. Składa się z pięciu podstawowych części: strefy mieszania, strefy ekspandowanego złoża granulowanego osadu, strefy wykańczania, wewnętrznego systemu cyrkulacji i strefy ścieków. Wewnętrzny system cyrkulacji to podstawowa struktura procesu IC, składająca się z głównego separatora trój-fazowego, rury pionowej biogazu, separatora gazu-cieczy i rury opadowej osadu.

1.2.3 Zasada działania układu scalonego

Ścieki produkcyjne po dostosowaniu pH i temperatury trafiają najpierw do strefy mieszania na dnie reaktora. Tam jest on dokładnie mieszany z wewnętrznie krążącą mieszaniną-wody i osadu z rury opadowej przed wejściem do złoża ekspandowanego granulowanego osadu w celu biochemicznej degradacji ChZT. Objętościowe obciążenie ChZT jest tutaj bardzo wysokie, a większość wpływającego ChZT ulega rozkładowi, w wyniku czego powstaje duża ilość biogazu. Biogaz jest zbierany przez główny separator trój-fazowy. Praca polegająca na rozprężaniu cieczy podczas tworzenia się pęcherzyków biogazu powoduje efekt unoszenia gazu, powodując unoszenie się mieszaniny biogazu, osadu i wody wzdłuż rury tłoczącej biogaz do separatora cieczy-gazu na górze reaktora. Tutaj biogaz oddziela się od osadu i wody i jest odprowadzany z systemu oczyszczania. Mieszanina osadu-i wody wchodzi następnie do strefy mieszania na dnie reaktora wzdłuż przewodu dolnego osadu, gdzie dokładnie miesza się z dopływem przed wejściem do strefy ekspandowanego złoża osadu, tworząc-tzw. cyrkulację wewnętrzną. W zależności od obciążenia ChZT na dopływie i konstrukcji reaktora, natężenie przepływu w cyrkulacji wewnętrznej może osiągnąć od 0,5 do 5-krotności natężenia przepływu na dopływie. Po oczyszczeniu złożem ekspandowanym część ścieków uczestniczy w obiegu wewnętrznym; pozostałe ścieki przepływają przez główny separator trój-fazowy i trafiają do strefy złoża granulowanego osadu w obszarze oczyszczania dokładnego w celu degradacji resztkowego ChZT i produkcji biogazu, poprawiając i zapewniając jakość ścieków. Ponieważ większość ChZT uległa rozkładowi, ładunek ChZT w obszarze oczyszczania drobnego jest niski, a produkcja biogazu również niewielka. Wytwarzany tutaj biogaz jest zbierany przez dodatkowy separator trój-fazowy, wchodzi do separatora gaz-cieczowego rurą zbierającą gaz i jest odprowadzany z systemu oczyszczania. Po oczyszczeniu w strefie oczyszczania dokładnego ścieki przechodzą przez dwu-separator trójfazowy. Supernatant jest odprowadzany przez strefę ścieków, podczas gdy granulowany osad jest zawracany do złoża osadu w strefie oczyszczania drobnego.

W porównaniu z reaktorami beztlenowymi drugiej-generacji, takimi jak UASB, reaktory IC mają następujące zalety:<1>Wysoka szybkość ładowania organicznego i krótki czas retencji hydraulicznej;<2>Duży stosunek wysokości-do-średnicy, niewielka powierzchnia i mniejsze inwestycje w infrastrukturę;<3>Stabilny odpływ i duża odporność na obciążenia udarowe. Coraz więcej producentów w Chinach korzysta obecnie z reaktorów IC, a wartość odzysku i wykorzystania ich biogazu jest również znacząca. Największą cechą reaktorów IC jest to, że posiadają one dwie beztlenowe komory reakcyjne, umożliwiające cyrkulację mieszaniny osadu i wody w reaktorze. Rozwiązuje to negatywny wpływ niewystarczającego-kontaktu osadu z wodą w reaktorach UASB, który osłabia zdolność biochemicznego oczyszczania osadu ziarnistego.

Reaktory IC stanowią zatem przełom w nowoczesnych reaktorach beztlenowych i mają szerokie perspektywy rozwoju w oczyszczaniu ścieków przemysłowych z zanieczyszczeń organicznych. Będą one w coraz większym stopniu zastępować reaktory UASB i zasługują na dalsze badania, rozwój i promocję.