1. UASB- en IC-reactorprocesprincipes
1.1 UASB-reactor
1.1.1 Inleiding tot UASB
De opwaartse anaerobe slibdekenreactor (UASB) is een anaerobe biologische methode voor de behandeling van afvalwater, ook wel bekend als een opwaartse anaerobe slibdekenreactor, uitgevonden door professor Lettinga uit Nederland in 1977.
Afvalwater stroomt van onder naar boven door de UASB. Op de bodem van de reactor bevindt zich een hooggeconcentreerd, zeer actief slibbed waar de meeste organische verontreinigende stoffen in het afvalwater anaerobe fermentatie ondergaan en worden afgebroken tot methaan en kooldioxide. Door het roeren van de waterstroom en luchtbellen ontstaat er een slibsuspensielaag boven het slibbed. Bovenaan de reactor is een drie-fasescheider geïnstalleerd om vergistingsgas, vergistingsvloeistof en slibdeeltjes te scheiden. Vergistergas wordt via de bovenkant van de reactor afgevoerd; slibdeeltjes glijden automatisch naar beneden en bezinken in het slibbed onderin de reactor; vergistingsvloeistof wordt uit de klaringszone geloosd.
UASB heeft een hoog laadvermogen en is geschikt voor de behandeling van hoog-geconcentreerd organisch afvalwater. Een goed-functionerende UASB (Ultra-Anaërobe Sludge Bunker) vertoont een hoge verwijderingssnelheid van organische verontreinigende stoffen, vereist geen roeren en kan zich aanpassen aan aanzienlijke belastingsschokken, temperatuur- en pH-veranderingen.
1.1.2 UASB-structuur
De UASB wordt gekenmerkt door zijn geïntegreerde biologische reactie- en sedimentatiesysteem, waardoor het een compacte anaerobe reactor is. De reactor bestaat voornamelijk uit een distributiesysteem voor influent, een reactiezone, een drie-fasescheider, een gaskamer en een afvoersysteem voor behandeld water.
1.1.3 UASB-werkprincipe
Het anaërobe reactieproces in de UASB-reactor is vergelijkbaar met andere anaërobe biologische behandelingsprocessen, waaronder hydrolyse, verzuring, azijnzuurproductie en methanogenese. Verschillende micro-organismen nemen deel aan het substraattransformatieproces, waarbij het substraat wordt omgezet in de eindproducten-biogas, water en andere anorganische stoffen.
De UASB bestaat uit drie delen: een slibreactiezone, een gas-vloeistof-vaste drie-fasescheider (inclusief een sedimentatiezone) en een gaskamer. In de onderste reactiezone blijft een grote hoeveelheid anaëroob slib achter, en het slib met goede sedimentatie- en uitvlokkingseigenschappen vormt een sliblaag op de bodem. Het te zuiveren afvalwater stroomt naar de bodem van het anaërobe slibbed en vermengt zich met het slib in de sliblaag. Micro-organismen in het slib breken de organische stof in het afvalwater af en zetten dit om in biogas. Het biogas komt continu vrij in de vorm van kleine belletjes. Terwijl deze bellen opstijgen, smelten ze samen en vormen ze geleidelijk grotere bellen. Bovenaan het slibbed roert het biogas het slib, waardoor een relatief verdund slib-watermengsel ontstaat dat samen met het water in de drie-fasenscheider stijgt. Wanneer het biogas de reflectorplaat aan de onderkant van de afscheider tegenkomt, wordt het rond de plaat afgebogen en vervolgens door de waterlaag naar de gaskamer geleid, waar het wordt geconcentreerd. Vervolgens wordt het biogas via een leiding afgevoerd. Het vaste-vloeistofmengsel komt na reflectie de sedimentatiezone van de drie-fasenscheider binnen. Het slib in het afvalwater vlokt uit, de deeltjes worden geleidelijk groter en bezinken onder invloed van de zwaartekracht. Het slib dat zich op de schuine wand afzet, glijdt terug in de anaërobe reactiezone, waardoor een grote ophoping van slib in de reactiezone ontstaat. Het behandelde effluent, gescheiden van het slib, stroomt over de bovenzijde van de overloopstuw van de bezinkingszone en wordt vervolgens uit het slibbed geloosd.
1.2 IC-reactor
1.2.1 Inleiding tot IC
Met de toenemende tegenstellingen tussen productieontwikkeling en factoren als kapitaal, energieverbruik en landgebruik moeten waterzuiveringswerkers ernaar streven om technisch en economisch geoptimaliseerde anaërobe processen te vinden, vooral als het gaat om de omgang met het nieuwe hoog-geconcentreerde organische afvalwater dat wordt gegenereerd door de productieontwikkeling. De anaerobe reactor met interne circulatie (IC) is een nieuw type reactor dat onder deze achtergrond is ontstaan. Het is een product van de combinatie van de anaerobe afvalwaterzuiveringstheorie en de technische praktijk, en weerspiegelt de ontwikkelingsvereisten van anaerobe processen zelf. In 1985 richtte het Nederlandse bedrijf PAQUES de eerste IC-reactor op pilot-schaal op, en in 1988 werd de eerste IC-reactor op productie-schaal in gebruik genomen. Momenteel zijn IC-reactoren met succes toegepast voor de behandeling van industrieel afvalwater in industrieën zoals de bierproductie en de voedselverwerking. Vanwege zijn hoge behandelingscapaciteit, lage investeringen, kleine voetafdruk en stabiele werking heeft het de aandacht getrokken van waterzuiveringspersoneel over de hele wereld, en sommigen beschouwen het als een van de representatieve technologieën van de derde generatie anaerobe biologische reactoren. Verder onderzoek en ontwikkeling van IC-reactoren en de bevordering van de toepassing ervan zijn een van de hot topics in de anaerobe afvalwaterbehandeling geworden.
1.2.2 IC-structuur
De IC-reactor bestaat uit twee UASB-reactoren die verticaal in serie zijn gestapeld en een hoogte bereiken van 16-25 m met een hoogte{2}}tot-diameterverhouding die doorgaans tussen 4 en 8 ligt. De reactor bestaat uit vijf basisonderdelen: een mengzone, een zone met geëxpandeerd korrelslib, een afwerkingszone, een intern circulatiesysteem en een effluentzone. Het interne circulatiesysteem is de kernstructuur van het IC-proces en bestaat uit een primaire drie-fasenscheider, een biogasstijgbuis, een gas-vloeistofscheider en een slibdaling.
1.2.3 IC-werkprincipe
Het productieafvalwater komt, na pH- en temperatuuraanpassingen, eerst de mengzone onder in de reactor binnen. Daar wordt het grondig gemengd met het intern circulerende slib-watermengsel uit de valpijp voordat het het geëxpandeerde korrelslibbed binnengaat voor biochemische CZV-afbraak. De volumetrische CZV-belasting is hier erg hoog, waarbij het grootste deel van het influent CZV wordt afgebroken, waardoor een grote hoeveelheid biogas ontstaat. Het biogas wordt opgevangen door de primaire drie-fasescheider. De expansiewerkzaamheden aan de vloeistof tijdens de vorming van biogasbellen zorgen voor een gaslifteffect, waardoor het mengsel van biogas, slib en water langs de biogasliftpijp naar de gas-vloeistofscheider bovenaan de reactor stijgt. Hier scheidt het biogas zich af van het slib en water en wordt uit het zuiveringssysteem geloosd. Het slib-watermengsel komt vervolgens de mengzone op de bodem van de reactor binnen langs de slibafvoerpijp, waar het zich grondig vermengt met het influent voordat het de slib-geëxpandeerde bedzone binnengaat, waardoor de zogenaamde-interne circulatie wordt gevormd. Afhankelijk van de influent CZV-belasting en de structuur van de reactor kan het interne circulatiedebiet 0,5 tot 5 maal het influentdebiet bereiken. Na behandeling door het geëxpandeerde bed neemt een deel van het afvalwater deel aan de interne circulatie; het resterende afvalwater passeert een primaire drie-fasenscheider en komt terecht in de korrelslibbedzone van de fijne behandelingsruimte voor resterende CZV-afbraak en biogasproductie, waardoor de kwaliteit van het afvalwater wordt verbeterd en gewaarborgd. Omdat het grootste deel van het CZV is afgebroken, is de CZV-belasting in de fijnzuiveringsruimte laag en is ook de biogasproductie klein. Het hier geproduceerde biogas wordt opgevangen door een secundaire drie-fasenscheider, komt de gas-vloeistofscheider binnen via een gasverzamelleiding en wordt uit het behandelingssysteem afgevoerd. Na behandeling in de fijnbehandelingszone passeert het afvalwater een twee-traps drie-fasenscheider. Het supernatant wordt afgevoerd via de effluentzone, terwijl het korrelslib wordt teruggevoerd naar het slibbed in de fijnbehandelingszone.
2. Samenvatting en vooruitzichten
Vergeleken met anaërobe reactoren van de tweede- generatie, zoals UASB, hebben IC-reactoren de volgende voordelen:<1>Hoge organische laadsnelheid en korte hydraulische verblijftijd;<2>Grote hoogte-tot-diameterverhouding, kleine voetafdruk en lagere infrastructuurinvesteringen;<3>Stabiel effluent en sterke weerstand tegen schokbelastingen. Steeds meer fabrikanten in China gebruiken nu IC-reactoren, en de terugwinning en gebruikswaarde van biogas is ook aanzienlijk. Het grootste kenmerk van IC-reactoren is dat ze twee anaerobe reactiekamers hebben, waardoor het slib-watermengsel in de reactor kan circuleren. Dit lost de negatieve impact op van onvoldoende slib-contact met water in UASB-reactoren, waardoor de biochemische behandelingscapaciteit van korrelslib verzwakt.
Daarom vertegenwoordigen IC-reactoren een doorbraak in moderne anaerobe reactoren en hebben ze brede ontwikkelingsperspectieven op het gebied van de industriële afvalwaterbehandeling van organische verontreinigende stoffen. Ze zullen in toenemende mate de UASB-reactoren vervangen en verdienen verder onderzoek, ontwikkeling en promotie.