厌氧折流板反应器的技术探讨.TextMark

第33卷第1期　　　　　　　　　　　　　　　　　有色金属设计　　　　　　　　　　　　　　　　　Vol.33No.1　　2006　　　　　　　　　　　　　　　NONFERROUS　METALS　DESIGN　　　　　　　　　　　　　　　2006　　

厌氧折流板反应器的技术探讨

周　明,施永生,吕其军

(昆明理工大学　建筑工程学院,云南　昆明　650224)

Ξ

　　摘　要:厌氧折流板反应器是一种新型、高效的厌氧反应器,具有工艺技术简单资费用低、运行管理方便、固液分离效果好、出水水质好、运行稳定可靠强等优点,艺特性、污泥特性、动力学模型,并指出了该工艺今后的研究、发展方向。

关键词:生物处理;;中图分类号:1:B:1004-2660(2006)01-0059-06

StudyonAnaerobicBaffledReactor(ABR)

ZHOUMing,SHIYong-sheng,LUQi-jun

(FacultyofArchitecturalEngineering,KunmingUniversityofScience&Technology,Kunming650224,China)

Abstract:AnaerobicBaffledReactor(ABR)isanovelanaerobicdigesterandanewwastewatertreatmentprocesswithbrightdevelopmentprospect.Ithasnotableadvantagessuchassimpleprocess,lowinvestment,easyoperation,goodeffectontheseparationsludgeandliquid,qualifiedeffluentandstableoperation,strongadaptationtotoxicmaterials,etc..Thepaperstatesandanalyzesitshydraulic,technicalandsludgecharacteristics,thekineticmodel,currentapplicationandstudyconditions,aswellasitsdisadvantagesexisted.FinallythedevelopmentdirectionofABRhasbeenpointedout.

Keywords:Biologicaltreatment;anaerobicbaffledreactor;wastewater;sludgeparticle

厌氧生物处理技术,是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化,是处理有机污染和废水的有效手段。但由于人们对参与这一过程的微生物的研究和认识不足,致使该技术在过去的100a里发展缓慢。随着世界能源的日益短缺和废水污染负荷的提高,及废水中污染物种类的日趋复杂化,废水厌氧生物处理技术以其投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点,而再次受到环

Ξ收稿日期:2005-12-06作者简介:周　明(1965-),男,云南人,讲师,主要从事给水排水方面的教学工作.

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保界人士的重视。同时,随着对厌氧消化机

理及厌氧处理工艺研究的不断深入,厌氧生物处理技术的应用前景十分光明。荷兰Wa2geningen农业大学的Lettinga教授认为,厌

三相分离器和较昂贵的布水系统,具有工艺技术简单、建设投资费用低、固液分离效果好、运行管理方便、对有毒物质适应性强等优点,是一种极具开发应用前景的废水生物处理新技术。

ABR反应器独特的分隔室结构及推流式流态,使得每个反应室中可以驯化培养出与流至该反应室中的污水水质、环境条件相适应的微生物群落,从而导致厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到分离,ABR反应统,,有利于充分发,提高系统的处理效果和运行的稳定性。该反应器因具有结构简单、污泥截流能力强、稳定性高等多种优点,而一经出现即引起了广大研究者的注意,20多年来对它的研究一直没有间断过,近年来更是成为厌氧反应器领域内的研究热点之一。

氧处理技术是资源与环境保护技术的一项核心技术。在展望新型高效厌氧反应器时,Lettinga教授特别提到了一个全新的厌氧工艺概念———分阶段多相厌氧工艺(stagedmulti-phaseanaerobicreactorsystem,简称SMPA)。SMPA工艺的概念主要包括以下几

点内容:

(1)依靠各级处理单元内,基质组成及环境因子(pH、H2分压、)的不同,在各级处理单元中,(2互混合;

(3)放;

(4)使流态更接近于推流式,提高处理

效率。

SMPA系统适用于各种温度条件,从低

)到高温(>55℃)均可行,并温(

且可用于各种难降解废水的处理。尤其对于

悬浮物浓度高的废水,SMPA工艺可以先将悬浮物去除掉,再行处理。

2　ABR反应器的水力特性

ABR反应器内的流体动力学特性和混

1　厌氧折流板反应器的提出

厌氧折流板反应器(anaerobicbaffledre2

actor)简称ABR,是美国Stanford大学的McCarty教授,于1981年提出的一种新型高

合程度,强烈地影响着基质和微生物的接触程度,控制着物质传输,因而水力特性是反应器性能的一个重要方面,它影响着该工艺处理效果的好坏。有关对ABR反应器水力流态的研究表明,在不同污泥浓度和不同水力停留时间(HRT)且稳定运行的条件下,ABR反应器中的死区容积分数(Vd/V)与HRT无明显的相关性,即清洁反应器中的水力停留时间分布(RTD)状况,与接触污

效厌氧反应器。该反应器通过内置的竖向折流板,将反应器分割成几个串联的反应室,每个反应室都是一个相对独立的UASB系统。运行时,废水在折流板的作用下,逐个通过反应室内的污泥床层,并通过水流和产气的搅拌作用,使得进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。ABR与目前广泛应用的UASB反应器相比,不需要复杂的

泥的反应器中的RTD是基本一致的,污泥浓度对反应器的RTD没有太多的影响。研究还表明,ABR反应器中的死区容积分数,要比其它类型的厌氧反应器低得多,说明ABR反应器的容积利用率很高。ABR反应器的死区容积分数值与其它类型厌氧反应器

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工艺的死区容积分数值的比较数据。见表1。

表1　ABR反应器与其它类型反应器的Vd/V比较

Tab.1　Vd/VComparisonofABRwithOtherTypesofReactors

反应器类型

死区容积分数/(Vd・V-1)

厌氧滤池(AF)

50～93

传统消化池

82

ABR反应器

7～20

国内外的研究表明,影响ABR反应器水力特性的主要因素有ABR反应器的结构、水力停留时间HRT、固体浓度及回流。

(1)ABR反应器结构的影响。废水流经ABR反应器需经过多次的上下折流,一个转角处,,否合理,(2)HRT和污泥的影响。Grobicki等通过跟踪试验,用4个尺寸略有不同、并且隔室数目不同(具有4～8隔室)的ABR反应器,分有污泥和无污泥2种情况,在不同的HRT下,进行了一系列的停留时间分布的研究,发现:

①清水试验时,ABR反应器水力死区较小,且其值较为稳定,广义上随HRT的减少和反应器内有更多的隔室数而增多;

②较低的HRT下,污泥的出现并没有明显增加反应器的死区容积,在较高的HRT时,水力死区是生物死区的主要贡献者,但它的影响随着HRT缩短而减小。

②水力条件好,有效容积大;③过程分离,;;⑥。(2)活性污泥①污泥颗粒不是ABR良好运行的必要条件;

②活性污泥截流能力强,且不需要固体介质或污泥沉降室,具有较高的SRT,污泥产量低;

③各隔室的微生物随流程逐级递变,递变规律与基质的降解过程协调一致,确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。

(3)运行①水力停留时间(HRT)短,容积负荷高;

②对温度的适应能力强;③可间歇运行;④推流式水力特性确保系统在水力和有机冲击负荷时,仍具有很高的稳定性;

⑤对有毒物质和抑制性化合物具有更强的缓冲适应能力;

⑥出水水质好。

3　ABR反应器的工艺特性

实验室、中试和生产性规模的研究都表

明,ABR反应器在一个较大的负荷范围内,能够处理各种不同浓度的废水,它具有UASB反应器所不具有的优点。

(1)结构优点①结构简单,没有移动部分,不需要搅拌设备,相同容积的废水流程延长;

4　ABR反应器的污泥特性

对ABR处理工艺而言,虽然活性污泥的形成并不是其处理效能的主要决定因素,但该反应器中存在颗粒污泥的形成过程,而且其生长速度较快。重要的是,在ABR反

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应器中,不同隔室内的厌氧微生物的种类分

布,呈现出良好的种群配合,不同隔室中存在适应流入该隔室的废水水质的优质微生物种群。例如,在位于反应器前端的隔室中,主要以水解及产酸菌为主,而在较后面的反应器隔室中,则以甲烷菌为主。就甲烷菌而言,随隔室的推移,其种群由八叠球菌属为主逐渐向甲烷丝菌属、异养甲烷菌和脱硫弧菌属等转变,这样逐室的变化,使优势微生物种群得以良好地生长繁殖,废水中的污染物分别在不同的隔室中得到降解,因而具有良好的处理效能和稳定的处理效果。

由于ABR群落可以在不同的隔室内发展,内的微生态系统,,样,叠球菌,。这是因为在高乙酸浓度下,甲烷八叠球菌增长速度比甲烷丝状菌的高(甲烷八叠球菌μmax=013/d,而甲烷丝状菌μmax=011/d),而占优势,然而在低乙酸浓度下,甲烷丝状菌由于其对乙酸的亲和力比甲烷八叠球菌强(甲烷丝状菌半饱和常数Ks=230mg/L,甲烷八叠球菌Ks=400mg/L),而占优势。污泥颗粒化不仅可有效地改善污泥的沉降性能,利于反应器对生物体的截留,改善微生物的生理环境,加强它们对外界环境(如水质、pH、温度等)的抵抗和适应能力,利于系统的稳定性和高效运行。尽管对ABR反应器来说,颗粒化对于最佳性能并不是必须的,但许多研究都表明,在ABR反应器内,颗粒污泥的出现,其颗粒污泥的外观及粒径大小随废水水质、浓度及处理目的(酸化和甲烷化)的不同,而不同。

氧反应器的数学模型进行了很多的研究,对于多阶段反应器的数学描述也有一些成果,两相厌氧反应器出现后,也有一些关于它的数学模型,这些模型分别描述了产酸相和产甲烷相的动力学行为。尽管这些模型对ABR反应器的数学模型的建立有借鉴意义,但目前关于ABR反应器的数学模型的研究还极少,Bachmann在他的研究中,对ABR反应器的数学模型进行了一些探讨,他为固定膜反应器和ABR型,起,但,。在其总结中提到,Nachaiyasit

用Monod动力学结合分子向活性污泥絮体内的扩散,导出了球形模型,该模型预测的COD去除率高于试验值,对高负荷率(8～15gCOD/L在20h)的预测值比短的停留时间(1015h的HRT,浓度4gCOD/L)的精确,但在一些模拟分析中,前2个隔室的偏差较大。Nachaiyasit对基于相同的假设和相同的试验数据,用不同的模型得到的结果进行了比较,发现球形模型最适合。虽然球形模型的预测能力并不总是很好,但它作为理解不同的系统参数间的相同作用的工具,是有用的,因此,可以作为更好的预测模型发展的基础。

6　ABR工艺的应用研究现状

目前,国外将ABR反应器应用于处理各种中、高浓度的有机废水的研究日趋增多。这些中、高浓度的有机废水主要是屠宰废水、制糖废水、酿酒废水、酒糟废液及木釜馏废水等。此外,对ABR反应器的工艺设计等,也在深入研究之中。有关研究表明,ABR反应器的容积负荷可达10～30kgCOD/(m3・d)甚至更高,其COD去除率可达70%～90%。

国内有关在实际工程中应用ABR来处

5　动力学模型

厌氧消化过程的动力学描述,通常采用Monod模式和Eckenfelder模式。多年来对厌

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理印染废水和制药废水的报道,ABR达到了其在整个工艺系统中所应起的作用,处理效果良好。在低浓度污水的研究中,一些学者采用ABR反应器作了研究,并取得了较好的效果,见表2。

表2　ABR反应器处理低浓度污水部分实例

Tab.2　ExamplesofTreatingLow-concentrationWasteWaterbyABR

污水生活污水生活污水生活污水1蔗糖废水2蔗糖废水2蔗糖废水2屠宰场废水屠宰场废水水力停留时间

HRT/h[***********]进水COD

/(mg・L-1)

[***********]510

去除率

/%[1**********]5

负荷

/〔kg・(m3・d)

[***********][1**********]73

-1

产气率

〕

/〔m3・(m3・d)

[***********][***********]

-1

〕

　　注:1-25℃;2-温度小于16℃,其余为中温。

7　ABR反应器研究存在的不足

28kgCOD/m3・d)处理不同浓度(0145～

1000g/L)的各种废水,都能有满意的结

之处

实验室、中试和生产规模的研究表明,ABR在一个较大的负荷范围(014～

果。尽管目前ABR还没有大规模出现,但它具有几个其它发展良好的系统所不具备的优点,见表3。

表3　ABR的优点表

Tab.3　AdvantagesofABR

结　构

1.结构简单,无移动部分,不需

活性污泥

1.颗粒污泥不是ABR良好

运　行

1.低的水力停留时间HRT;

2.可以长时间运行,而无剩余污

要搅拌设备。在容积不变的条件下增大了废水的流程;

2.反应器水力条件好,容积利用

运行的必要条件;

2.活性污泥截流能力强,

泥;

3.可以在较广的温度和浓度范围内

且不需要固定媒体或污泥沉降室,具有高SRT,污泥产量低;

3.各隔室内的微生物随流

率高;

3.沿反应器的纵向,将产酸过程

运行;

4.推流式特性确保系统在水力和有

和产甲烷过程分离,反应器以两相系统方式运行;

4.减少堵塞和污泥床膨胀;5.无特殊的气固分离系统;6.低的投资和运行费用。

机冲击负荷下,仍具有很高的稳定性;

5.对有毒物质和抑制性化合物,具

程逐级递变,递变规律与基质的降解过程协调一致,确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。

有更好的缓冲适应能力;

6.系统拥有更优的出水水质。

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当然,ABR反应器的推流式特点有其

不利的一面,在同等的总负荷条件下,与单级的厌氧反应器相比,ABR反应器的第一隔室要承受的负荷远大于平均负荷,造成局部负荷过载,对反应器的运行产生不利的影响;对中试和生产规模的ABR的不利之处在于,需修建浅的反应器才可以保持适宜的水流和气体上升流速;另一个问题是保持入流分布均匀。另外,ABR反应器也有厌氧反应器的共同弱点,即出水COD浓度较高,较难达到排放标准,还需要后续处理设施。

尽管已经对ABR反应器进行了如前面所述的研究和实践,并且已取得了许多研究成果,但在理论、实验研究、面,的研究工作:

(1)反应器所做的研,还没有研究者在其研究中对ABR反应器作系统全面地研究分析,因而不能得出准确全面的评价,不利于在实际中的应用和推广;

(2)目前,对常温条件下厌氧消化的研究日渐关注,这是一个新的、非常有实用意义的研究点,ABR反应器在这方面的研究,目前还几乎没有;

(3)模拟可溶性微生物产物的SMPs、固体、中间产物、COD的去除率的演变;营养物的需求;有毒废水的处理(例如,多氯脂肪族化合物,含氮有机物,表面活性剂等)等方面的研究,还需要进行或者加强;

(4)ABR反应器中颗粒污泥的形成条件、反应器内污泥持有量的合适范围、控制厌氧微生物生态的因素;(上接第42页)

(5)ABR反应器是一种多隔室结构,不

同的水质和运行条件下,各隔室内的降解行为并不相同,影响数学描述的因素很多,如反应器的结构、沟流现象、不同水质的限速阶段不同等。目前,有关ABR反应器内有机物降解和微生物生长动力学方面的研究,进行得很少,大部分实验研究结果,未上升到理论高度进行系统分析,未能得出可以应用于生产规模的工艺参数,不足以指导ABR反应器的实际运行,。因此,关于,:

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设计方案产生较大的影响外,还感到各阶段

设计应包含的内容和深度及项目管理上,与国内项目差别较大。一方面,要求我们尽快拓宽业务知识范围,另一方面,要求我们尽

快适应不同的管理体制,这对进行国际化并轨和让我国更多的产业技术和设备进入世界,尤为重要。