污水厭氧生物處理的新工藝―IC 厭氧反應器

1、第20卷第1期哈爾濱商業(yè)大學學報(自然科學版 V ol. 20N o. 12004年2月Feb. 2004Journal of H arbin U niversity of Commerce N atural Sciences Edition污水厭氧生物處理的新工藝IC 厭氧反應器李鵬, 王愛杰, 丁杰, 劉敏(哈爾濱工業(yè)大學市政環(huán)境工程學院, 黑龍江哈爾濱150090摘要:對IC 反應器的結構、原理進行了簡要介紹, 并結合其工藝思想及應用實例指出IC 反應器是對現代高效厭氧反應器的一種突破, 具有處理效率高, 抗沖擊能力強等特點, 有著重大的理論意義和實用價值.關鍵詞:IC 反應器; 污水;

2、 厭氧生物處理中圖分類號:X703文獻標識碼:A文章編號:1672-0946(2004 01Study on novel process of w aste w ater LI Peng , W , (School of Municipal and , Institute of T echnology , Harbin 150090, China :structure and the w orking principle of the IC reactor brief 2ly. of the high effective anaerobic reactors from the view of

3、the technical idea The IC reactor has many characteristics such as highly wastewater treatment efficiency and strongly resisting for shock loading. It is im portant for the new technique s devel 2opment and utilization of anaerobic wastewater treatment. K ey w ords :IC reactor ; wastewater ; anaerob

4、ic biological treatment20世紀70年代以來, 厭氧技術以其節(jié)省能源并可進行能源回收、處理成本低以及更適于處理高濃度有機廢水等突出優(yōu)點受到了廣大水處理工作者的認可與重視, 其發(fā)展出現了第2個高潮. 到了20世紀80年代中期, 結合了現有廢水處理工藝與內循環(huán)技術的內循環(huán)(IC 厭氧反應器應運而生, 它是由荷蘭Paques 公司在UAS B 基礎上推出的第3代高效厭氧反應器, 以其處理容量高, 投資少, 占地省, 運行穩(wěn)定等優(yōu)點而深受矚目, 并已成功地應用于啤酒生產、造紙及食品加工等行業(yè)的生產污水處理中. IC 反應器是對現代高效反應器的一種突破, 有著重大的理論意義和實用價

5、值.IC 反應器可以看作由2個UAS B 反應器串聯(lián)構成, 具有很大的高徑比, 一般為48, 高度可達1625m , 由5個基本部分組成:混合區(qū)、第一反應室、內循環(huán)系統(tǒng), 第二反應室和出水區(qū), 其中內循環(huán)系統(tǒng)是IC 工藝的核心構造, 由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管組成(見圖11 .112IC 反應器的工作原理IC 反應器的5個基本部分有其各自的特點, 以下對各部分作簡要介紹 .1 混合區(qū)(進液和混合 廢水通過布水系統(tǒng)進入反應器內, 在混合區(qū)與從IC 反應器上部返回的泥水混合液, 反應器底部的污泥充分混合, 由此產生對進液的稀釋和均質作用, 從而大大減輕了沖擊負荷及有害物質

6、的不利影響.1IC 反應器的構造、工作原理及工藝思想分析111IC 反應器的構造收稿日期:2003-07-25.基金項目:黑龍江省重大科技攻關項目(G A01C201-01 ; 哈爾濱工業(yè)大學?？茖W研究基金資助項目(HIT. 2001. 51 1作者簡介:李鵬(1976- , 男, 碩士, 研究方向:高濃度有機廢水的處理. 第1期李鵬, 等:污水厭氧生物處理的新工藝IC 厭氧反應器87循環(huán)外, 其余污水通過一級三相分離器進入第二反應室的污泥床進行剩余C OD 的降解過程, 這部分相當于一個有效的后處理過程, 提高和保證了出水水質. 產生的氣體被二級三相分離器收集并導出反應器. 在第二反應室內的

7、污泥負荷較低, 水力停留時間相對較長, 水力流態(tài)接近于推流狀態(tài), 因此廢水在此得到有效處理并避免了污泥的流失. 廢水中的可生物降解有機物幾乎得到完全的去除. 由于大量的C OD 已在第一反應室中去除, 第二反應室的產氣量很小, 不足以產生很大的流體湍動, 加之, 內循環(huán)流動不通過第二反應室, 因此混合液的上升流圖1IC 反應器構造原理圖Figure 1Construction of IC reactor 1進水;2一級三相分離器;3沼氣提升; 4氣液分離器;5沼氣排出管;6回流管;9沉淀區(qū);10出水管;11氣封度很小. 應器內., . 經IC 反應器處理后OD 去除率一般在80%以上. 113

8、IC 反應器的工藝分析IC 反應器是在UAS B 基礎上發(fā)展起來的, 它很好地解決了UAS B 的一些弊病. UAS B 反應器雖然利用了顆粒污泥實現了水力停留時間(HRT 與污泥停留時間(SRT 的分離, 延長了污泥齡, 保持了較高的污泥濃度, 但在如何保持泥水的良好接觸 , 強化傳質過程, 進一步加快生化反應速率方面卻存在不足,IC 反應器則利用自身的特點較好的彌補了以上問題, 減少了由于高的水力負荷產生的污泥流失問題. IC 反應器采用了以下的工藝思想.1 IC 反應器利用較大的高徑比, 采用了同一反應器內分段處理的工藝IC 反應器通過第一反應室去除大部分進水中的C OD , 通過第二反

9、應室降解剩余C OD 及一些難降解物質, 提高出水水質. 更重要的是, 雖然由于污泥內循環(huán), 在第一反應室產生很大的上升流速, 形成了污泥的膨脹流化狀態(tài), 而在第二反應室內由于大量的C OD 已在第一反應室中去除, 產氣量很小, 不足以產生很大的流體湍動, 創(chuàng)造了顆粒污泥沉降的良好環(huán)境, 較好地解決了在高的容積負荷下污泥流失的問題. 另外, 由于第二反應室的污泥濃度通常較低, 有相當大的空間允許第一反應室的污泥膨脹進入其中, 這也防止了高負荷時易發(fā)生的污泥流失問題, 保證運行穩(wěn)定, 即使反應器負荷數倍于UAS B 時也是如此.2 采用內循環(huán)技術IC 反應器是在高的C OD 容積負荷的條件下,4

10、2 第一反應室(污泥膨脹床區(qū)同推動下, , 此部21020m h , , 廢水和污泥之間產生強烈而有效的接觸, 優(yōu)化了傳質, 大大地提高了生化反應速率. 有機物質在此也盡可能多的被分解, 同時產生大量的沼氣, 這些氣體被一級三相分離器收集并導入沼氣提升管, 通過這個提升裝置部分泥水混合物被傳送到反應器頂部的氣液分離器, 氣體在這里被分離后導出系統(tǒng).3 內循環(huán)系統(tǒng)第一反應室產生的氣體被一級三相分離器收集進入沼氣提升管中, 產生氣提作用, 氣體攜帶著泥水混合物快速上升, 在反應器頂部的氣液分離器分離之后排出, 剩余的泥水混合物則經泥水下降管向下流入反應器底部的混合區(qū), 由此在反應器內形成內循環(huán).

11、氣提動力來自于上升的和返回的泥水混合物中氣體含量的巨大差別, 因此, 這個泥水混合物的內循環(huán)不需要任何外加動力. 值得一提的是, 這個循環(huán)流的流量隨著進液中C OD 量的增大而自然增大, 因此反應器具有自我調節(jié)的作用, 原因是在高負荷條件下, 產生更多的氣體, 從而也產生更多的循環(huán)水量, 稀釋作用隨之增大. 根據不同的進水C OD 負荷和反應器的不同構造, 內循環(huán)量可達進水流量的0155倍. 這對于反應器的穩(wěn)定運行意義重大.4 第二反應室(精處理區(qū)經第一反應室處理后的廢水除一部分參與內3依據氣體提升原理, 利用沼氣膨脹作用在無需外加能源的條件下實現了內循環(huán)污泥回流, 進一步加大生物量, 大大提

12、高了C OD 容積負荷, 實現了泥水之間的良好接觸. 由于采用了高的有機負荷, 所以沼氣產量高, 加之內循環(huán)液的作用, 使污泥處于膨脹流化狀態(tài), 強化了傳質效果, 達到了泥水充分接觸的目的. 據有關研究報道, 處理高質量濃度有機廢水(50009000mg L , 相應C OD 容積負荷達到(m 33550kgC OD d , 膨脹區(qū)水流上升速度可達1020m h2,4荷達到了3550kgC OD (m d , 停留時間為46h , 而處理同類廢水的UAS B 反應器容積負荷為31015kgC OD (m d , 停留時間為十幾至幾十小時. 212處理啤酒廢水啤酒廢水主要來自糖化和發(fā)酵車間,C

13、OD 質量濃度在20004000mg L 左右, 可生化性強. 國內沈陽、上海率先采用了IC 反應器處理啤酒廢水, 近期哈爾濱啤酒廠也引進了IC 反應器處理生產廢水. 以沈陽華潤雪花啤酒有限公司采用的IC 反應783器為例, 反應器高16m , 70m , 每天3處理C OD 平均濃度4300L 400m , 在C OD 325kg d , 63. 可見內循環(huán)技術不但增加了生物量, 也改善了傳質, 盡力挖掘了生化處理能力, 抓住了厭氧處理技術的關鍵, 體現了從根本上提高生化反應速率這一原則, 實現了大幅度提供處理容量的5目的.2IC 反應器的應用自1985年荷蘭PAQUES 公司建立了第一個中

14、試反應器;1988IC 器投入運行以來. 目前,IC 啤酒生產、中. IC , 運行經, 不但已在啤酒生產、造紙、土豆加工等生產領域的廢水上有成功應用, 而且正在擴展其應用范圍, 規(guī)模也日益加大, 目前業(yè)已成功3放大到1100m . 211處理土豆加工廢水土豆加工廢水是典型的高濃度有機廢水, 生產時主要有高、低濃度2種, 其中高濃度廢水含有氨基酸、蛋白質、糖類、酰胺類、鉀鹽和纖維素等多種化合物; 低濃度水主要是洗滌水. 土豆加工廢水具有C OD 濃度高可生化性強的特點. 第一個中試IC3厭氧反應器以及其后建成的100m IC 厭氧反應器都是用于處理這種廢水, IC 厭氧反應器的容積負:每年節(jié)省

15、排45萬元, 相比之62萬元, 可見, IC 工藝達到了技術經濟的優(yōu)化. 213處理造紙廢水在1996年以來的處理造紙廢水的工程項目中,IC 反應器工程比例大大超過了UAS B 反應器, 造紙工業(yè)也已成為IC 反應器應用最多的領域之一. 例如德國某工廠年產30萬t 瓦楞紙和箱紙板, 使用二次纖維為原料. 直到1998年該廠還使用UAS B 反應器作為其厭氧-好氧工藝的關鍵設備, UAS B 之后是活性污泥工藝. 由于生產能力增加, 工廠需要新增12500kgC OD d 處理能力. 最終工廠在465m 的IC 反應器和1000m 的UAS B 反應器的33方案中采用了前者. IC 反應器高24

16、m , 直徑5m , 設(m 3計最大容積負荷27kgC OD d , 實際運行容積3負荷為924kgC OD (m d , 進水C OD 質量濃度9,1012503515mg L , 處理效率61%86%.表1UASB 和IC 反應器的運行參數及顆粒污泥特性比較1,11T able 1The ch aracters of granular sludge and operation p arameters of UASB and IC reactor 反應器IC UAS B容積m 31400502×1700100HRT h 61021330410進水COD/(kgCOD m -311

17、71161268COD 去除污泥活性平均直徑mm0160018401510187率%/(gCOD gVSS -1d -1801008595851110114011081183相對強度0183013201710 153啤酒廢水土豆加工廢水IC UAS B(下轉92頁纖維素的XRD (圖5 可以看出:經氨處理后纖維素X -射線衍射峰強度增強, 說明樣品的纖維素含量提高, 結晶成分降低, 這說明氨處理不僅對樣品的纖維物料的組成及形態(tài)有影響, 還使纖維素的結晶區(qū)受到一定程度的影響 .物理結構發(fā)生部分改變, 纖維素含量提高, 結晶成分降低, 有利于大豆秸稈的酶解產糖.2 粉碎結合氨處理對大豆秸稈酶解產糖

18、影響較大, 較適宜的預處理條件是大豆秸稈粉碎至140目, 室溫下用質量分數為10%氨水處理24h , 酶解產糖量較高. 參考文獻:1胡代澤. 我國農作物秸稈資源的利用現狀與前景J.資源開發(fā)與市場, 2000,16(1 :19-20.2T ae Hyun K im , Jun Seok K im , Changshin Sunw oo. Pretreatment ofcorn stover by aqueows amm oniaJ.Biores T echnology ,2003, 90:39-47.3V LASE NK O hydrolysis ofrice ., , 59:109-DHE V

19、AK , SIRIW ATT ANA. E ffect of urea and ureaon cellulose degradation of thai rice straw and stalkJ.Radiation physics and chemistry , 2002, 64:417-4225寧正祥. 食品成分分析手冊S.北京:中國輕工業(yè)出版社,2001.圖5預處理前后大豆秸稈XR D 圖(1-未處理;2,3,4,5 預處理6h ,12h ,18h ,24h;6Figure 5XR D of the 3結論1 (上接88頁M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.2PERE BOOMJ H

20、 , VEREI J KE N TL. M ethanogenic granule develop 2ment in full scale internal circulation reactorsJ.W at. Sci T ech. , 1994, 30(8 :9-21.3胡紀萃. 試論內循環(huán)厭氧反應器J.中國沼氣,1999,17(2 :3-6. 4PERE BOOM J H. S ize distribution m odel for methanogenic granulesfrom full scale UAS B and IC reactorsJ.W at. Sci. T ech ,1994,30(12 :211-221.5張忠波. IC 反應器技術的發(fā)展J.環(huán)境污染與防治,200