脱氮型UASB在反硝化处理中的设计和应用

图1 总工艺流程

Fig. 1 Technological process

2.1 池体设计

该脱氮型UASB的TN容积负荷L_V 取1 kg/（m³·d），进水TN约400 mg/L，不是很高，故取下限。污泥质量浓度为20 g/L（中试实验值，一般≥20 g/L）。总容积按式（2）计算。

V = \frac{(ρ_{i} - ρ_{o}) \times Q}{1 000 \times L_{V}}

（2）

式中：V——脱氮UASB有效容积，m³；

Q——进水量，m³/d；

ρ_i——进水总氮，mg/L；

ρ_o——出水总氮，mg/L。

按ρ_i=400 mg/L、ρ_o=70 mg/L、Q=6 000 m³/d、 $L_{V}$ =1 kg/（m³·d）计算该项目的脱氮UASB容积，为1 980 m³。

通过试算确定高径比，为得到较匀称美观的圆柱体，取H_有效/D=1.2，则 $V_{单池} = \frac{D^{2}}{4} \times π \times H_{有效}$ 。单池体积为1 980/2即990 m³，则D=10.5 m，反应区有效高度H_有效为12.2 m。由此可知污泥区高度H_污泥=H_有效×0.3=3.7 m，悬浮区高度H_悬浮= H_有效×0.7=8.5 m。取缓冲区高度为2 m。自循环回流从位于悬浮区和三相分离区的缓冲区取水。

验算罐内流速。由直径可知单池底面积A为 $\frac{D^{2}}{4} \times π$ =86.55 m²。自循环泵为变频泵，故自循环回流比可以选稍大些，本项目中取80%。则此时罐内的上升流速为 $υ_{上} = \frac{\frac{Q}{2} \times (1 + 80 %)}{A} = \frac{\frac{250}{2} \times (1 + 80 %)}{A} = 2.77 m / h$ 。其中Q为小时进水量，符合 $υ_{上}$ 在1~3 m/h的经验数值，说明该UASB反应罐设计合理。同时得出单套UASB反应器的自循环水泵流量Q_自循=125×80%=100 m³/h，为变频泵，一用一备，扬程需满足最终液位高度和水力损失。

停留时间校核。HRT= $\frac{V_{单池}}{Q / 2} = \frac{990}{250 / 2} = 7.92 h$ 。

2.2 三相分离器设计

三相分离器的典型设计参数见表1^〔10〕。

表1 三相分离器设计主要参数

Table 1 Main design parameters of three-phase separator

序号	设计参数	数值	取值范围
1	沉淀区表面负荷/（m³·m^-2·h^-1）	1.5	<1.5
2	沉淀区斜面角度/（°）	60	55~60
3	沉淀区斜面高度/m	1.0	0.5~1.0
4	沉淀区停留时间/h	1.5	1.5~2.0
5	回流缝上升流速/（m·h^-1）	2.5	<2.5

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三相分离器在反应罐内的布置和上下层三相分离器平面布置见图2~图3。由于项目选用圆形UASB反应罐，每个三相分离器的长度不一致，故先按典型参数画图布置，随后代入验算，若符合设计要求则采用该设计，若不符合设计要求则从图中改正再次计算。

图2

图2 三相分离器在反应罐内的布置

Fig. 2 Arrangement of the three-phase separator in the reactor

图3

图3 上下层三相分离器平面布置

Fig. 3 Layout of upper and lower three-phase separator

2.2.1 沉淀区设计

沉淀区面积为 $A_{沉淀} = Q / (2 q) = 250 / (2 \times 1.5)$ = $83.33 m^{2}$ $<$ $86.55 m^{2}$ ， $q$ 为沉淀区表面负荷，符合前面底面积的计算。沉淀区有效高度为1.851 m。

2.2.2 回流缝设计

根据设计参数，单个三相分离器尺寸如图4所示。

图4

图4 单个三相分离器尺寸

Fig. 4 Dimension of single three-phase separator

根据图2~图4，下三相分离器的回流缝总面积S₁从图中量得为52.8 m²，则上升流速 $v_{1} = Q / (2 S_{1}) = 250 / (2 \times 52.8) = 2.37 m / h < 2.5 m / h$ 。

同样，上三相分离器的回流缝总面积S₂从图中量得为57.8 m²，则上升流速 $v_{2} = Q / (2 S_{2}) = 250 / (2 \times 57.8) = 2.16 m / h < v_{1} < 2.5 m / h$ 。

可见回流缝的宽度设置合理，由于项目采用圆形罐体，从占地角度来讲是经济的，同时必然会增加布置三相分离器的难度，故回流缝的流速略微取大，即2.5 m/h。

总高计算。根据图4可知， $H_{总} = H_{有效} + H_{缓冲} + H_{三相} + H_{集气} = 12.2 + 2 + (0.6 + 1.2 + 1) + 1 = 18 m$ 。

2.2.3 气体分离效果校核

有研究表明气泡的垂直上升流速 $υ_{a}$ 可通过斯托克斯公式得出，见式（3）。

υ_{a} = \frac{β g}{18 μ} (ρ_{废水} - ρ_{气泡}) d^{2}

（3）

式中：β——碰撞系数，一般取0.95；

g——重力加速度，9.81 m/s²；

ρ_废水——废水密度，取1.01 g/cm³；

ρ_气泡——氮气密度，1.25×10^-3g/cm³；

d——氮气气泡直径，0.011 cm；

μ——废水动力黏滞系数，可由废水的运动黏滞系数 $ν$ 求得，20 ℃ $ν$ 取0.010 1 cm²/s， $μ = ν \times ρ_{废水} = 0.010 1 \times 1.01 = 0.010 2 g / (c m ∙ s)$ 。

此时 $υ_{a} = \frac{β g}{18 μ} (ρ_{废水} - ρ_{气泡}) d^{2} = \frac{0.95 \times 981}{18 \times 0.010 2}$ （ $1.01 - 1.25 \times 10^{- 3}$ ） $\times {(0.011)}^{2}$ =0.620 cm/s=22.3 m/h。进而， $\frac{υ_{a}}{υ_{2}} = \frac{22.3}{2.16} = 10.33 > \frac{B C}{A B} = \frac{0.821}{0.091} = 9$ ，符合 $\frac{υ_{a}}{υ_{2}} > \frac{B C}{A B}$ 的要求^〔10〕。可知该三相分离器可以脱除0.011 cm的氮气气泡（d一般取0.005~0.01 cm）^〔11〕。当气泡直径≥0.011 cm时，三相分离器尺寸及构造可以达到较好的三相分离效果。

3 运行情况

3.1 调试数据

将一段时间内调试数据绘成曲线，见图5。

图5

图5 运行数据

Fig. 5 Operation data

从图5可见，硝态氮的去除率比较稳定，大部分时段去除率为77%。进水的硝态氮达到设计值（350 mg/L左右）时，去除率稳定在80%，基本可以实现污染物去除的设计目标。

3.2 主要经济指标分析

本项目总占地为2 520 m²，其中从调节池至一级脱氮反应器部分的占地面积为853 m²。调试期间，调节池至一级脱氮单元的吨水运行成本为10.17元，其中药剂费为9.72元/t，电费0.445元/t〔按0.75元/（kW·h）计〕。项目的总设备投资在6万元/t左右。

若项目采用传统AO法设计，由于水质相同，药剂费用方面与脱氮型UASB一致。重点在于脱氮型UASB节省了土建费用。一级反硝化的反应池容积约在6 600 m³，取有效高度为7 m，则A池的占地约为942.8 m²。相比之下脱氮型UASB反应器仅占172 m²左右，第一级脱氮部分节省的土建投资约147万（按1 900元/m²计）。电费约在0.42元/t。

4 结论与探讨

某些特定行业的高含氮废水中，硝态氮的浓度远大于氨氮，针对此种情况，在考虑生化脱氮工艺的时候，可以选用UASB反应器作为形成缺氧条件的主反硝化罐。此时UASB反硝化罐设计参数的选取可参考：1.875≤碳氮比≤3.75（乙酸钠），容积负荷取1~2.5 kg/（m³·d），增加自循环，回流比为50%~100%，回流点在三相分离器以下悬浮区以上，反应罐内上升流速为1~3 m/h，高径比1~5（大水量取下限）。

当UASB选用圆形反应器时，三相分离器的设计需要结合草图进行计算。沉淀区的负荷和回流缝流速可略大，取1.5 m³/（m²·h）和2.5 m/h（矩形池两参数的数值为1.0、2.0）。

用于脱氮目的的UASB工艺目前还未得到广泛应用。除前述提到的参数外，仍有一些问题需要进一步实验和探讨。例如，剩余污泥量的计算尚没有合适的污泥产率系数的参考，从实验看来，污泥产率远低于除碳时的污泥产率。脱氮UASB单独应用对总氮的去除率最高达90%。至于水中的氨氮，脱氮UASB反应器内因有少量的厌氧氨氧化或短程反硝化作用可去除部分氨氮，但主要的反应仍在好氧池完成。此时硝化液可能需要部分回流至脱氮UASB，回流比和TN去除率的关系是否继续沿用AO法的公式，仍需进一步研究。

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