Διαφορές μεταξύ αναερόβιων διεργασιών IC και UASB

1.1 Αντιδραστήρας UASB

1.1.1 Εισαγωγή στο UASB

Ο αντιδραστήρας κουβέρτας αναερόβιας λάσπης ανόδου (UASB) είναι μια αναερόβια βιολογική μέθοδος για την επεξεργασία λυμάτων, γνωστή και ως αναερόβιος αντιδραστήρας κουβέρτας ιλύος ανόδου, που εφευρέθηκε από τον καθηγητή Lettinga της Ολλανδίας το 1977.

Τα λύματα ρέουν από κάτω προς τα πάνω μέσω του UASB. Στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα υπάρχει μια υψηλής συγκέντρωσης, υψηλής συγκέντρωσης, υψηλής ενεργητικής κλίνης λάσπης όπου οι περισσότεροι οργανικοί ρύποι στα λύματα υφίστανται αναερόβια ζύμωση και αποικοδόμηση σε μεθάνιο και διοξείδιο του άνθρακα. Λόγω της ανάδευσης της ροής του νερού και των φυσαλίδων αέρα, σχηματίζεται ένα στρώμα αιώρησης λάσπης πάνω από την κλίνη λάσπης. Ένας διαχωριστής τριών φάσεων είναι εγκατεστημένος στο πάνω μέρος του αντιδραστήρα για τον διαχωρισμό των αερίων του χωνευτήρα, του υγρού του χωνευτήρα και των σωματιδίων λάσπης. Το αέριο του χωνευτήρα εκκενώνεται από την κορυφή του αντιδραστήρα. τα σωματίδια λάσπης γλιστρούν αυτόματα προς τα κάτω και κατακάθονται στην κλίνη λάσπης στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Το υγρό του χωνευτήρα αποβάλλεται από τη ζώνη διαύγασης.

Το UASB έχει υψηλή ικανότητα φόρτωσης και είναι κατάλληλο για επεξεργασία οργανικών λυμάτων υψηλής συγκέντρωσης. Μια καλή-λειτουργία UASB (Ultra-Αναερόβια αποθήκη λάσπης) παρουσιάζει υψηλό ρυθμό αφαίρεσης οργανικών ρύπων, δεν απαιτεί ανάδευση και μπορεί να προσαρμοστεί σε σημαντικές κρούσεις φορτίου, θερμοκρασία και αλλαγές pH.

1.1.2 Δομή UASB

Το UASB χαρακτηρίζεται από το ολοκληρωμένο σύστημα βιολογικής αντίδρασης και καθίζησης, καθιστώντας το έναν συμπαγή αναερόβιο αντιδραστήρα. Ο αντιδραστήρας αποτελείται κυρίως από ένα σύστημα διανομής εισροής, μια ζώνη αντίδρασης, έναν διαχωριστή τριών φάσεων, έναν θάλαμο αερίων και ένα σύστημα εκκένωσης επεξεργασμένου νερού.

1.1.3 Αρχή εργασίας UASB

Η διαδικασία αναερόβιας αντίδρασης στον αντιδραστήρα UASB είναι παρόμοια με άλλες διαδικασίες αναερόβιας βιολογικής επεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένης της υδρόλυσης, της οξίνισης, της παραγωγής οξικού οξέος και της μεθανογένεσης. Διαφορετικοί μικροοργανισμοί συμμετέχουν στη διαδικασία μετασχηματισμού του υποστρώματος, μετατρέποντας το υπόστρωμα στα τελικά προϊόντα-βιοαέριο, νερό και άλλες ανόργανες ουσίες.

Το UASB αποτελείται από τρία μέρη: μια ζώνη αντίδρασης λάσπης, έναν αέριο{0}}υγρό-διαχωριστή τριών-στερεών φάσεων (συμπεριλαμβανομένης μιας ζώνης καθίζησης) και έναν θάλαμο αερίου. Μια μεγάλη ποσότητα αναερόβιας λάσπης παραμένει στη ζώνη αντίδρασης πυθμένα και η ιλύς με καλές ιδιότητες καθίζησης και κροκίδωσης σχηματίζει ένα στρώμα λάσπης στον πυθμένα. Τα λύματα προς επεξεργασία ρέουν στον πυθμένα της αναερόβιας κλίνης λάσπης και αναμιγνύονται με τη λάσπη στο στρώμα ιλύος. Οι μικροοργανισμοί στη λάσπη αποσυνθέτουν την οργανική ύλη στα λύματα, μετατρέποντάς την σε βιοαέριο. Το βιοαέριο απελευθερώνεται συνεχώς με τη μορφή μικροσκοπικών φυσαλίδων. Καθώς αυτές οι φυσαλίδες ανεβαίνουν, συγχωνεύονται, σχηματίζοντας σταδιακά μεγαλύτερες φυσαλίδες. Στην κορυφή της κλίνης λάσπης, το βιοαέριο αναδεύει τη λάσπη, δημιουργώντας ένα σχετικά αραιό μίγμα λάσπης-το οποίο ανεβαίνει μαζί με το νερό στον διαχωριστή τριών φάσεων. Όταν το βιοαέριο συναντά την πλάκα ανακλαστήρα στο κάτω μέρος του διαχωριστή, εκτρέπεται γύρω από την πλάκα και στη συνέχεια περνά μέσα από το στρώμα νερού στον θάλαμο αερίων, όπου συγκεντρώνεται. Στη συνέχεια, το βιοαέριο εκκενώνεται μέσω ενός αγωγού. Το στερεό-υγρό μίγμα, μετά την ανάκλαση, εισέρχεται στη ζώνη καθίζησης του διαχωριστή τριών- φάσεων. Η λάσπη στα λύματα κροκιδώνεται, τα σωματίδια σταδιακά αυξάνονται σε μέγεθος και καθιζάνουν υπό τη βαρύτητα. Η λάσπη που κατακάθεται στο κεκλιμένο τοίχωμα ολισθαίνει πίσω στη ζώνη αναερόβιας αντίδρασης, προκαλώντας μεγάλη συσσώρευση λάσπης στη ζώνη αντίδρασης. Τα επεξεργασμένα λύματα, που διαχωρίζονται από τη λάσπη, υπερχειλίζουν από την κορυφή του φράγματος υπερχείλισης της ζώνης καθίζησης και στη συνέχεια απορρίπτονται από την κλίνη λάσπης.

1.2 IC Reactor

1.2.1 Εισαγωγή στο IC

Με τις αυξανόμενες αντιφάσεις μεταξύ της ανάπτυξης της παραγωγής και παραγόντων όπως το κεφάλαιο, η κατανάλωση ενέργειας και η χρήση γης, οι εργαζόμενοι στην επεξεργασία νερού πρέπει να προσπαθήσουν να βρουν πιο τεχνικά και οικονομικά βελτιστοποιημένες αναερόβιες διεργασίες, ειδικά όσον αφορά την αντιμετώπιση των νέων οργανικών λυμάτων υψηλής συγκέντρωσης που παράγονται από την ανάπτυξη της παραγωγής. Ο αναερόβιος αντιδραστήρας εσωτερικής κυκλοφορίας (IC) είναι ένας νέος τύπος αντιδραστήρα που προέκυψε κάτω από αυτό το υπόβαθρο. Είναι προϊόν του συνδυασμού της αναερόβιας θεωρίας επεξεργασίας λυμάτων και της μηχανικής πρακτικής, που αντικατοπτρίζει τις απαιτήσεις ανάπτυξης των ίδιων των αναερόβιων διεργασιών. Το 1985, η ολλανδική εταιρεία PAQUES δημιούργησε τον πρώτο πιλοτικό-αντιδραστήρα IC και το 1988 τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος αντιδραστήρας IC παραγωγής-. Επί του παρόντος, οι αντιδραστήρες IC έχουν εφαρμοστεί με επιτυχία στην επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων σε βιομηχανίες όπως η παραγωγή μπύρας και η επεξεργασία τροφίμων. Λόγω της υψηλής ικανότητας επεξεργασίας, των χαμηλών επενδύσεων, του μικρού αποτυπώματος και της σταθερής λειτουργίας του, έχει προσελκύσει την προσοχή του προσωπικού επεξεργασίας νερού παγκοσμίως και ορισμένοι το θεωρούν μία από τις αντιπροσωπευτικές τεχνολογίες της τρίτης γενιάς αναερόβιων βιολογικών αντιδραστήρων. Η περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη αντιδραστήρων IC και η προώθηση της εφαρμογής τους έχουν γίνει ένα από τα καυτά θέματα στην αναερόβια επεξεργασία λυμάτων.

1.2.2 Δομή IC

Ο αντιδραστήρας IC αποτελείται από δύο αντιδραστήρες UASB στοιβαγμένους κατακόρυφα σε σειρά, φτάνοντας σε ύψος 16–25 m με αναλογία ύψους-προς{3}}διαμέτρου συνήθως μεταξύ 4 και 8. Περιλαμβάνει πέντε βασικά μέρη: μια ζώνη ανάμειξης, μια κοκκώδη διογκωμένη κλίνη λάσπης, μια ζώνη εσωτερικής ροής λάσπης, μια ζώνη φινιρίσματος και μια ζώνη εσωτερικής ροής. Το σύστημα εσωτερικής κυκλοφορίας είναι η δομή του πυρήνα της διεργασίας IC, που αποτελείται από έναν κύριο-διαχωριστή τριών φάσεων, έναν ανυψωτήρα βιοαερίου, έναν διαχωριστή υγρού αερίου- και έναν κατεβαζόμενο λάσπη.

1.2.3 Αρχή εργασίας IC

Τα λύματα παραγωγής, μετά από ρυθμίσεις pH και θερμοκρασίας, εισέρχονται πρώτα στη ζώνη ανάμειξης στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα. Εκεί, αναμιγνύεται επιμελώς με το εσωτερικά κυκλοφορούμενο μίγμα λάσπης-του νερού από το κατερχόμενο στρώμα προτού εισέλθει στη διογκωμένη κλίνη κοκκώδους λάσπης για βιοχημική αποικοδόμηση COD. Η ογκομετρική φόρτιση COD είναι πολύ υψηλή εδώ, με το μεγαλύτερο μέρος του εισερχόμενου COD να υποβαθμίζεται, παράγοντας μεγάλη ποσότητα βιοαερίου. Το βιοαέριο συλλέγεται από τον κύριο διαχωριστή τριών φάσεων. Η εργασία διαστολής που γίνεται στο υγρό κατά τον σχηματισμό φυσαλίδων βιοαερίου δημιουργεί ένα φαινόμενο ανύψωσης αερίου, προκαλώντας το μείγμα βιοαερίου, λάσπης και νερού να ανυψωθεί κατά μήκος του σωλήνα ανύψωσης βιοαερίου προς τον διαχωριστή υγρών αερίου- στην κορυφή του αντιδραστήρα. Εδώ, το βιοαέριο διαχωρίζεται από τη λάσπη και το νερό και αποβάλλεται από το σύστημα επεξεργασίας. Το μίγμα λάσπης-του νερού εισέρχεται στη συνέχεια στη ζώνη ανάμειξης στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα κατά μήκος του κατεβάσματος της λάσπης, όπου αναμιγνύεται πλήρως με την εισροή προτού εισέλθει στη ζώνη διευρυμένης κλίνης λάσπης, σχηματίζοντας τη λεγόμενη{10}}εσωτερική κυκλοφορία. Ανάλογα με το εισερχόμενο φορτίο COD και τη δομή του αντιδραστήρα, ο ρυθμός ροής εσωτερικής κυκλοφορίας μπορεί να φτάσει 0,5 έως 5 φορές τον ρυθμό ροής εισροής. Μετά την επεξεργασία από τη διευρυμένη κλίνη, ένα μέρος των λυμάτων συμμετέχει στην εσωτερική κυκλοφορία. τα εναπομείναντα λύματα διέρχονται από έναν κύριο διαχωριστή τριών φάσεων και εισέρχονται στη ζώνη κοκκώδους κλίνης λάσπης της περιοχής λεπτής επεξεργασίας για υπολειμματική αποικοδόμηση COD και παραγωγή βιοαερίου, βελτιώνοντας και διασφαλίζοντας την ποιότητα των λυμάτων. Επειδή το μεγαλύτερο μέρος του COD έχει υποβαθμιστεί, το φορτίο COD στην περιοχή λεπτής επεξεργασίας είναι χαμηλό και η παραγωγή βιοαερίου είναι επίσης μικρή. Το βιοαέριο που παράγεται εδώ συλλέγεται από έναν δευτερεύοντα διαχωριστή τριών φάσεων, εισέρχεται στον διαχωριστή αερίου-υγρού μέσω ενός σωλήνα συλλογής αερίου και αποβάλλεται από το σύστημα επεξεργασίας. Μετά την επεξεργασία στη ζώνη λεπτής επεξεργασίας, τα λύματα διέρχονται από έναν διαχωριστή δύο-3 σταδίων-φάσεων. Το υπερκείμενο εκκενώνεται μέσω της ζώνης εκροής, ενώ η κοκκώδης ιλύς επιστρέφει στην κλίνη λάσπης στη ζώνη λεπτής επεξεργασίας.

Σε σύγκριση με αναερόβιους αντιδραστήρες δεύτερης- γενιάς όπως το UASB, οι αντιδραστήρες IC έχουν τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:<1>Υψηλός ρυθμός οργανικής φόρτωσης και σύντομος χρόνος υδραυλικής συγκράτησης.<2>Μεγάλη αναλογία ύψους-προς-διαμέτρου, μικρό αποτύπωμα και χαμηλότερη επένδυση σε υποδομή.<3>Σταθερά λύματα και ισχυρή αντοχή σε κρουστικά φορτία. Όλο και περισσότεροι κατασκευαστές στην Κίνα χρησιμοποιούν πλέον αντιδραστήρες IC και η αξία ανάκτησης και χρήσης βιοαερίου είναι επίσης σημαντική. Το μεγαλύτερο χαρακτηριστικό των αντιδραστήρων IC είναι ότι έχουν δύο θαλάμους αναερόβιας αντίδρασης, που επιτρέπουν την κυκλοφορία του μίγματος λάσπης-του νερού μέσα στον αντιδραστήρα. Αυτό επιλύει τον αρνητικό αντίκτυπο της ανεπαρκούς επαφής λάσπης-του νερού στους αντιδραστήρες UASB, γεγονός που αποδυναμώνει την ικανότητα βιοχημικής επεξεργασίας της κοκκώδους ιλύος.

Ως εκ τούτου, οι αντιδραστήρες IC αντιπροσωπεύουν μια σημαντική ανακάλυψη στους σύγχρονους αναερόβιους αντιδραστήρες και έχουν ευρείες προοπτικές ανάπτυξης στην επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων οργανικών ρύπων. Θα αντικαταστήσουν όλο και περισσότερο τους αντιδραστήρες UASB και αξίζουν περαιτέρω έρευνα, ανάπτυξη και προώθηση.