IC新型廢水厭氧處理工藝_內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器

1、第22卷第2期2006年3月水資源保護(hù)新型廢水厭氧處理工藝內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器甘樹福,徐文彬,王國勝,劉玲(廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510006摘要:介紹內(nèi)循環(huán)(IC 厭氧反應(yīng)器的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理。分析該反應(yīng)器的工藝過程,指出該工藝具有處理效率高、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。針對IC 反應(yīng)器存在的缺陷,人們對該反應(yīng)器進(jìn)行技術(shù)改進(jìn):通過提高它的內(nèi)循環(huán)的氣量進(jìn)行處理低濃度有機(jī)廢水;增加外循環(huán)裝置縮短IC 反應(yīng)器的啟動(dòng)周期。關(guān)鍵詞:內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器;厭氧生物處理;水力模型中圖分類號(hào):X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10046933(200602004804A ne w anaerobi

2、c w aste w ater treatment technique :I nternal circulation anaerobic reactorGAN Shu 2fu ,XU Wen 2bin ,WANG G uo 2sheng ,LIU Ling(College o f Environmental Science and Engineering ,Guangdong Univer sity o f Technology ,Guangzhou 510006,China Abstract :The development ,fundamental structure and w orki

3、ng mechanisms of the internal circulation (IC anaerobic reactor were introduced.The IC reactor has many characteristics such as highly wastewater treatment efficiency and strongly resistance to shock loading.T o eliminate the defects of IC reactor ,studies on its im proved technique have been made.T

4、he im proved IC reactor can treat wastewater of low organic concentration as the am ount of internal circulation has been increased.Its startup period has been shortened by an externally added circulating device.K ey w ords :internal circulation anaerobic reactor ;anaerobic biological treatment ;hyd

5、raulic m odel內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation Anaerobic Reactor ,以下簡稱IC 反應(yīng)器是荷蘭PAQUEC 公司于20世紀(jì)80年代中期在UAS B 反應(yīng)器的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的第三代高效厭氧反應(yīng)器1,反應(yīng)器內(nèi)高濃度的污泥和良好的泥水傳質(zhì)效果,使其在處理效率方面比UAS B 反應(yīng)器更具優(yōu)越性。PAQUES 公司在1985年初建造了第一個(gè)IC 中試反應(yīng)器,1988年建立了第一個(gè)生產(chǎn)性規(guī)模的IC 反應(yīng)器2。我國于1996年開始引進(jìn)IC 反應(yīng)器技術(shù)3,該反應(yīng)器以其啟動(dòng)周期短、處理量大,投資少,占地面積省,運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而深受矚目,并已成功地應(yīng)用于啤酒

6、生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。目前,進(jìn)一步研究開發(fā)IC 反應(yīng)器、推廣其應(yīng)用范圍已成為廢水厭氧生物處理的熱點(diǎn)之一。1IC 反應(yīng)器構(gòu)造及工藝原理IC 反應(yīng)器可以看作是由兩個(gè)UAS B 反應(yīng)器串聯(lián)而成的,具有很大的高徑比,一般為48,其高度可達(dá)1625m 。IC 反應(yīng)器由5個(gè)基本部分組成:混合區(qū)、污泥膨脹床區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),精處理區(qū)和沉淀區(qū)。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC 反應(yīng)器工藝的核心構(gòu)造,它由一級(jí)三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管組成(見圖1。經(jīng)過調(diào)節(jié)pH 值和溫度后的廢水進(jìn)入反應(yīng)器底部混合區(qū),與從反應(yīng)器上部返回的厭氧污泥顆粒和廢水均勻混合,由此對進(jìn)水進(jìn)行了稀釋和均質(zhì)作用,從而大

7、大減輕了沖擊負(fù)荷及有害物質(zhì)的不利影響。廢水和顆粒污泥混合物在進(jìn)水與循環(huán)水的共同推動(dòng)下,進(jìn)入污泥膨脹床區(qū),由于回流的影響,此部中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg 圖1IC 反應(yīng)器構(gòu)造示意圖分產(chǎn)生較大的上升流速,最大可達(dá)1020m/h 4,廢水中的大部分有機(jī)物在這里被轉(zhuǎn)化成沼氣,沼氣被一級(jí)三相分離器收集,沿著提升管并攜帶著混合液提升至氣液分離器,分離出的沼氣從氣液分離器的頂部沼氣排出管排出。分離出的泥水混合液將沿著泥水下降管返回到反應(yīng)器底部的混合區(qū),并與底部的顆粒污泥和進(jìn)水充分混合,實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)循環(huán)。實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)的氣提動(dòng)力來自于上升的和返回

8、的泥水混合物中氣體含量的差別,因此,泥水混合物的內(nèi)循環(huán)不需要外加動(dòng)力。反應(yīng)器內(nèi)液體內(nèi)循環(huán)促進(jìn)了基質(zhì)和顆粒污泥的接觸,而且有很大的升流速度,故提高了傳質(zhì)效果,促進(jìn)了產(chǎn)甲烷細(xì)菌的繁殖和增長,并使污泥膨脹床區(qū)去除有機(jī)物的能力增強(qiáng)。經(jīng)污泥膨脹床區(qū)處理后的廢水除一部分參與內(nèi)循環(huán)外,其余污水通過一級(jí)三相分離器進(jìn)入精處理區(qū)繼續(xù)進(jìn)行處理,可去除廢水中的剩余有機(jī)物,使廢水得到進(jìn)一步的凈化,提高了出水水質(zhì)。由于大部分有機(jī)物已被降解,所以精處理區(qū)的C OD 負(fù)荷較低,產(chǎn)氣量也較小。精處理區(qū)產(chǎn)生的沼氣由二級(jí)三相分離器收集,通過集氣管進(jìn)入氣液分離器并通過沼氣排出管排出。經(jīng)凈化的水從沉淀區(qū)沉淀后由出水管排走,顆粒污泥則返

9、回精處理區(qū)污泥床。2IC 反應(yīng)器的水力模型IC 反應(yīng)器內(nèi)部能夠形成循環(huán)回流,而且水力劇烈混合,這一點(diǎn)與空氣提升式反應(yīng)器(Air Lift Reactor 的液體循環(huán)很相似。Pereboom 等5于1994年在空氣提升式反應(yīng)器水力模型的基礎(chǔ)上提出了IC 反應(yīng)器的水力模型,其形式如下:gr =u Lr1.35+0.24(u Lr +u gr 0.93(1u Lr =2gh D (gr -gd -HK T (1-gr 2+A rA d2K B (1-gd 2015(2式中:gr 為沼氣提升管中的持氣率,%;u Lr 為沼氣提升管中的表觀液相上升速度,m/s ;u gr 為沼氣提升管中的表觀氣相上升速

10、度,m/s ;h D 為氣液擴(kuò)散高度,m ;gd 為泥水下降管中的持氣率,%;H 為沼氣提升管與泥水下降管間的液位差,m ;K T 為頂部阻力損失系數(shù);K B 為底部阻力損失系數(shù);A r 為沼氣提升管面積,m 2;A d 為泥水下降管面積,m 2。其中,式(1是關(guān)于空氣提升式反應(yīng)器的著名經(jīng)驗(yàn)公式,于1976年由Hills 得到。然而該水力模型還存在著簡化、不盡合理、計(jì)算參數(shù)難確定、計(jì)算復(fù)雜等問題,其合理性和實(shí)用性還有待進(jìn)一步研究。式(2的原型式(3是基于空氣提升式反應(yīng)器的能量守恒提出的理論方程,這一方程也得到了廣泛認(rèn)可。u Lr =2gh D (gr -gd K T (1-gr 2+A r A

11、 d 2K B (1-gd 2015(33工藝優(yōu)缺點(diǎn)IC 反應(yīng)器與作為第二代厭氧反應(yīng)器的優(yōu)秀代表UAS B 反應(yīng)器相比,具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn):有機(jī)負(fù)荷高,水力停留時(shí)間短。內(nèi)循環(huán)提高了污泥膨脹床區(qū)的液相上升流速,因而水力停留時(shí)間短,而且強(qiáng)化了廢水中有機(jī)物和顆粒污泥間的傳質(zhì),使IC 反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通UAS B 反應(yīng)器。IC 反應(yīng)器具有很高的容積負(fù)荷,在處理(C OD 為1000015000mg/L 的土豆加工廢水時(shí)的負(fù)荷可達(dá)3040kg/(m 3d ,在處理如(C OD 為20003000mg/L 的啤酒廢水時(shí)負(fù)荷可達(dá)2025kg/(m 3d 6;抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),運(yùn)行穩(wěn)定性好。內(nèi)循環(huán)的形

12、成使得IC 反應(yīng)器污泥膨脹床區(qū)的實(shí)際水量遠(yuǎn)大于進(jìn)水水量,循環(huán)回流水稀釋了進(jìn)水,且可利用內(nèi)循環(huán)回流的堿液,這大大提高了反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷能力和緩沖pH 值變化能力。此外,廢水還要經(jīng)過精處理區(qū)繼續(xù)處理,故反應(yīng)器運(yùn)行通常很穩(wěn)定;占地面積省,基建投資省。在處理同量的廢水時(shí),IC 反應(yīng)器的進(jìn)水容積負(fù)荷率是普通UAS B 反應(yīng)器的4倍左右,污泥負(fù)荷率為UAS B 反應(yīng)器的34倍7,故其所需的容積僅為UAS B 反應(yīng)器的1/41/3,節(jié)省了基建投資;加上IC 厭氧反應(yīng)器一般采用高徑比為48的高瘦型塔式外形,故其占地面積少,因而比較適合于用地緊張的企業(yè)采用。節(jié)能。IC 厭氧反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)是在沼氣的提升作用下實(shí)

13、現(xiàn)的,利用沼氣膨脹做功,在無須外加能源的條件下實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)廢水回流。因而可不需外加動(dòng)力,節(jié)省能耗;啟動(dòng)期短。IC 反應(yīng)器的啟動(dòng)期比UAS B中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg 反應(yīng)器要短,UAS B 反應(yīng)器的啟動(dòng)周期長達(dá)46個(gè)月,而IC 反應(yīng)器啟動(dòng)期一般僅為12個(gè)月8。然而,作為新一代的高效厭氧反應(yīng)器的IC 反應(yīng)器仍然存在著以下缺點(diǎn)及值得重視的地方:污泥分析表明9,IC 反應(yīng)器比UAS B 反應(yīng)器內(nèi)含有較高濃度的細(xì)微顆粒污泥,加上水力停留時(shí)間相對短和較大的高徑比,所以與UAS B 反應(yīng)器相比,IC 反應(yīng)器出水中含有更多的細(xì)微固體顆粒,這不

14、僅使后續(xù)沉淀處理設(shè)備成為必要,還加重了后續(xù)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器出水的SS 濃度與表面水力負(fù)荷以及產(chǎn)氣率呈正相關(guān)性,在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),受產(chǎn)氣率的影響尤其大10,故要控制好表面水力負(fù)荷及產(chǎn)氣率,以提高出水水質(zhì)。由于采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)和分級(jí)處理,IC 反應(yīng)器高度一般較高,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對UAS B 反應(yīng)器要復(fù)雜,這增加了施工安裝和日常維護(hù)的困難,高徑比大就意味著進(jìn)水泵的能量消耗大,運(yùn)行費(fèi)用高,所以反應(yīng)器的選擇必須從建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)等各方面進(jìn)行綜合考慮。因反應(yīng)器內(nèi)水流是上向流,并通過三相分離器,故三相分離器的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其實(shí)際過流斷面,避免局部水流速度過大,既要達(dá)到良好的分離效果,又要防止水流狀態(tài)不均

15、的現(xiàn)象。研究表明11,泥水混合物的循環(huán)量不僅與沼氣的產(chǎn)量有關(guān),而且與循環(huán)管的長度和直徑等有關(guān)。為了加大泥水混合物的循環(huán)量,提高處理負(fù)荷,必須優(yōu)化循環(huán)管的長度和直徑的設(shè)計(jì)。對于IC 反應(yīng)器,較高的混合液上升流速(21654135m/h 有利于反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行;在容積負(fù)荷為3510kg/(m 3d 和進(jìn)水pH 值為815時(shí),反應(yīng)器具有最大的C OD 去除率;故在設(shè)計(jì)IC 反應(yīng)器時(shí)要充分考慮反應(yīng)器進(jìn)水濃度、上升流速和反應(yīng)器高度間的關(guān)系12。4工程應(yīng)用及改進(jìn)自1988年第一座生產(chǎn)性規(guī)模的IC 反應(yīng)器投入運(yùn)行以來,全球已建成的IC 反應(yīng)器大部分用于處理啤酒廢水,目前中國已有三家啤酒廠引進(jìn)了此工藝13。以沈

16、陽華潤雪花啤酒有限公司采用的IC 反應(yīng)器為例8:IC 反應(yīng)器高16m ,有效容積70m 3。每天處理C OD 平均質(zhì)量濃度為4300mg/L 的啤酒廢水400m 3,在滿負(fù)荷運(yùn)行下容積負(fù)荷穩(wěn)定在2530kg/(m 3d ,C OD 去除率穩(wěn)定在80%。公司在解決處理生產(chǎn)廢水問題的同時(shí),在經(jīng)濟(jì)上也獲得較大收益。每年節(jié)省排污費(fèi)75萬元,沼氣回收利用價(jià)值45萬元,IC 反應(yīng)器年運(yùn)行費(fèi)用僅為62萬元?？梢?IC 反應(yīng)器處理工藝達(dá)到了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化。IC 反應(yīng)器工藝也成功地應(yīng)用于制漿廢水處理。在2000年,福建省南紙股份有限公司成功地引進(jìn)了荷蘭PAQUEC 公司的IC 厭氧反應(yīng)塔處理T MP 和DIP

17、 制漿廢水14,目前整個(gè)廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,處理效果好,運(yùn)行成本低,包括折舊處理成本僅為0155元/t 。IC 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)獨(dú)特,適合處理T MP 和DIP 制漿高濃度混合廢水,能夠應(yīng)對廢水的高負(fù)荷沖擊和高懸浮物15。IC 反應(yīng)器工藝在國外,尤其在歐洲的應(yīng)用較為普遍,運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也比國內(nèi)成熟許多,不但已在啤酒生產(chǎn)、檸檬酸生產(chǎn)、土豆加工、造紙等生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的廢水處理上取得很大的成功,而且正日益擴(kuò)展應(yīng)用范圍,其規(guī)模也越來越大。荷蘭SE NS US 公司建造了容積為1100m 3的IC 反應(yīng)器處理菊粉(inuline 生產(chǎn)廢水4。1995年該反應(yīng)器初期運(yùn)行時(shí),日處理C OD 質(zhì)量濃度約為7200mg/L

18、的廢水,水力負(fù)荷達(dá)30kg/(m 3d ,C OD 去除率穩(wěn)定在70%80%。而據(jù)其估算,如果采用UAS B 反應(yīng)器處理同樣的廢水,反應(yīng)器容積將達(dá)2200m 3,建設(shè)投資及占地面積也將大大增加。Driessen 和Y speert 的研究表明16:IC 反應(yīng)器應(yīng)用于低濃度奶制品廢水、中濃度食品加工廢水、高濃度釀酒廢水等工業(yè)廢水處理,可處理工業(yè)廢水C OD 的質(zhì)量濃度在100023000mg/L ,容積負(fù)荷可達(dá)35kg/(m 3d ,低濃度廢水水力停留時(shí)間低達(dá)216h ,C OD 去除率與容積負(fù)荷和水力停留時(shí)間無關(guān),這一點(diǎn)在工程應(yīng)用上值得借鑒。IC 反應(yīng)器通常應(yīng)用于處理高濃度有機(jī)廢水。針對內(nèi)循環(huán)

19、厭氧反應(yīng)器對低濃度、有毒有害有機(jī)廢水的處理因內(nèi)循環(huán)氣量不足而不能正常運(yùn)行的缺點(diǎn),陳廣元17對IC 反應(yīng)器進(jìn)行了改進(jìn),對處理低濃度有機(jī)廢水進(jìn)行試驗(yàn)研究,反應(yīng)器同時(shí)采用了脈沖進(jìn)液與附加供氣系統(tǒng),額外增加了內(nèi)循環(huán)的氣量。吳根義等人18設(shè)計(jì)與制作了一種實(shí)驗(yàn)用附加氣IC 反應(yīng)器,采用強(qiáng)制性附加氣提高循環(huán)氣量,進(jìn)而加大內(nèi)循環(huán)量使其在處理兩類廢水時(shí)達(dá)到更高處理效率,通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該反應(yīng)器較普通內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間縮短38d ,最大容積負(fù)荷提高20%,進(jìn)水濃度為500mg/L 時(shí)仍能正常運(yùn)行。為了縮短IC 反應(yīng)器啟動(dòng)周期,改善啟動(dòng)初期的傳質(zhì)作用,丁建南等人19對IC 反應(yīng)器進(jìn)行了改造,增加了外循環(huán)裝置,并

20、在相同條件下與未附加外循環(huán)裝置的IC 反應(yīng)器進(jìn)行了對比試驗(yàn)。結(jié)果表明,附加外循環(huán)裝置可有效提高啟動(dòng)初期IC 反應(yīng)器內(nèi)的泥水混合程度,強(qiáng)化傳質(zhì)過程,大大縮短啟動(dòng)周期,保證IC 反應(yīng)器快速、平穩(wěn)啟動(dòng)。5結(jié)語與展望綜上所述,IC 反應(yīng)器具有超高的容積負(fù)荷率,中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg運(yùn)行穩(wěn)定,去除率均較高等特點(diǎn),現(xiàn)已在土豆加工、啤酒、造紙、檸檬酸等生產(chǎn)廢水處理中成功應(yīng)用,取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。IC 反應(yīng)器作為一種高技術(shù)的新型超高效厭氧反應(yīng)器的開發(fā),有著重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,具有很大的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力,值得大力推廣應(yīng)用20

21、。目前,一些學(xué)者對附加氣IC 反應(yīng)器和附加外循環(huán)IC 反應(yīng)器等改進(jìn)型IC 反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)研究,并取得了可喜的成果,這勢必將大大推動(dòng)IC 反應(yīng)器的發(fā)展。然而,IC 反應(yīng)器作為新一代的厭氧反應(yīng)器,仍有一些值得研究的地方,比如反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待優(yōu)化以提高整個(gè)反應(yīng)器的效率,水力模型的合理性和實(shí)用性有待研究,厭氧反應(yīng)器顆粒污泥的研究將會(huì)成為熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn):1LETTI NG A G,FIE LD J ,VAN LIER J ,et al.Advancedanaerobic wastewater treatment in the near futureJ .Wat Sci T ech ,1997,35(

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