污水厭氧生物處理的新工藝―IC厭氧反應(yīng)器

1、第20卷第1期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(yīng)器李鵬, 王愛杰, 丁杰, 劉敏(哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院, 黑龍江哈爾濱150090摘要:對(duì)IC 反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹, 并結(jié)合其工藝思想及應(yīng)用實(shí)例指出IC 反應(yīng)器是對(duì)現(xiàn)代高效厭氧反應(yīng)器的一種突破, 具有處理效率高, 抗沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn), 有著重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值.關(guān)鍵詞:IC 反應(yīng)器; 污水;

2、 厭氧生物處理中圖分類號(hào):X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-0946(2004 01-03-0086Study on novel process of w aste w ater treatment :IC anaerobic reactorLI Peng , W ANG Ai 2jie , DI NGJie , LI U Min(School of Municipal and Environmental Engineering , Harbin Institute of T echnology , Harbin 150090, China Abstract :Introduced t

3、he fundamental structure and the w orking principle of the IC reactor brief 2ly. It was a breakthrough of the high effective anaerobic reactors from the view of the technical idea and application. The IC reactor has many characteristics such as highly wastewater treatment efficiency and strongly res

4、isting 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 ; anaerobic biological treatment20世紀(jì)70年代以來(lái), 厭氧技術(shù)以其節(jié)省能源并可進(jìn)行能源回收、處理成本低以及更適于處理高濃度有機(jī)廢水等突出優(yōu)點(diǎn)受到了廣大水處理工作者的認(rèn)可與重視, 其發(fā)展出現(xiàn)了第2個(gè)高潮. 到了20世紀(jì)80年代中期

5、, 結(jié)合了現(xiàn)有廢水處理工藝與內(nèi)循環(huán)技術(shù)的內(nèi)循環(huán)(IC 厭氧反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生, 它是由荷蘭Paques 公司在UAS B 基礎(chǔ)上推出的第3代高效厭氧反應(yīng)器, 以其處理容量高, 投資少, 占地省, 運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而深受矚目, 并已成功地應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中. IC 反應(yīng)器是對(duì)現(xiàn)代高效反應(yīng)器的一種突破, 有著重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值.IC 反應(yīng)器可以看作由2個(gè)UAS B 反應(yīng)器串聯(lián)構(gòu)成, 具有很大的高徑比, 一般為48, 高度可達(dá)1625m , 由5個(gè)基本部分組成:混合區(qū)、第一反應(yīng)室、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng), 第二反應(yīng)室和出水區(qū), 其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC 工藝的核心構(gòu)造, 由一級(jí)三相

6、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(yīng)器的工作原理IC 反應(yīng)器的5個(gè)基本部分有其各自的特點(diǎn), 以下對(duì)各部分作簡(jiǎn)要介紹.1 混合區(qū)(進(jìn)液和混合 廢水通過(guò)布水系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi), 在混合區(qū)與從IC 反應(yīng)器上部返回的泥水混合液, 反應(yīng)器底部的污泥充分混合, 由此產(chǎn)生對(duì)進(jìn)液的稀釋和均質(zhì)作用, 從而大大減輕了沖擊負(fù)荷及有害物質(zhì)的不利影響.1IC 反應(yīng)器的構(gòu)造、工作原理及工藝思想分析111IC 反應(yīng)器的構(gòu)造收稿日期:2003-07-25.基金項(xiàng)目:黑龍江省重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(G A01C201-01 ; 哈爾濱工業(yè)大學(xué)?？茖W(xué)研究基金資助項(xiàng)目(HIT. 2001. 51 1

7、作者簡(jiǎn)介:李鵬(1976- , 男, 碩士, 研究方向:高濃度有機(jī)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(yīng)器87循環(huán)外, 其余污水通過(guò)一級(jí)三相分離器進(jìn)入第二反應(yīng)室的污泥床進(jìn)行剩余C OD 的降解過(guò)程, 這部分相當(dāng)于一個(gè)有效的后處理過(guò)程, 提高和保證了出水水質(zhì). 產(chǎn)生的氣體被二級(jí)三相分離器收集并導(dǎo)出反應(yīng)器. 在第二反應(yīng)室內(nèi)的污泥負(fù)荷較低, 水力停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng), 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(jī)物幾乎得到完全的去除. 由于大量的C OD 已在第一反應(yīng)室中去除, 第二反應(yīng)室的產(chǎn)氣量很小, 不足以產(chǎn)生很大的流

8、體湍動(dòng), 加之, 內(nèi)循環(huán)流動(dòng)不通過(guò)第二反應(yīng)室, 因此混合液的上升流圖1IC 反應(yīng)器構(gòu)造原理圖Figure 1Construction of IC reactor 1進(jìn)水;2一級(jí)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. 這兩個(gè)原因使生物污泥能很好地保留在反應(yīng)器內(nèi).5 出水區(qū)經(jīng)第一、二反應(yīng)室處理的污水經(jīng)溢流堰由出水管導(dǎo)出, 進(jìn)入后續(xù)的處理工藝. 經(jīng)IC 反應(yīng)器處理后的污水C OD 去除率一般在80%以上. 113IC 反應(yīng)器的工藝分析IC 反應(yīng)器是在UAS B 基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的, 它很好地解決了UAS B 的一些弊病. UAS B 反應(yīng)

9、器雖然利用了顆粒污泥實(shí)現(xiàn)了水力停留時(shí)間(HRT 與污泥停留時(shí)間(SRT 的分離, 延長(zhǎng)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(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程, 進(jìn)一步加快生化反應(yīng)速率方面卻存在不足,IC 反應(yīng)器則利用自身的特點(diǎn)較好的彌補(bǔ)了以上問題, 減少了由于高的水力負(fù)荷產(chǎn)生的污泥流失問題. IC 反應(yīng)器采用了以下的工藝思想.1 IC 反應(yīng)器利用較大的高徑比, 采用了同一反應(yīng)器內(nèi)分段處理的工藝IC 反應(yīng)器通過(guò)第一反應(yīng)室去除大部分進(jìn)水中的C OD , 通過(guò)第二反應(yīng)室降解剩余C OD 及一些難降解物質(zhì), 提高出水水質(zhì). 更重要的是, 雖然由于污泥內(nèi)循環(huán), 在第一反應(yīng)室產(chǎn)生很大的上升流速,

10、形成了污泥的膨脹流化狀態(tài), 而在第二反應(yīng)室內(nèi)由于大量的C OD 已在第一反應(yīng)室中去除, 產(chǎn)氣量很小, 不足以產(chǎn)生很大的流體湍動(dòng), 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(fù)荷下污泥流失的問題. 另外, 由于第二反應(yīng)室的污泥濃度通常較低, 有相當(dāng)大的空間允許第一反應(yīng)室的污泥膨脹進(jìn)入其中, 這也防止了高負(fù)荷時(shí)易發(fā)生的污泥流失問題, 保證運(yùn)行穩(wěn)定, 即使反應(yīng)器負(fù)荷數(shù)倍于UAS B 時(shí)也是如此.2 采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)IC 反應(yīng)器是在高的C OD 容積負(fù)荷的條件下,42 第一反應(yīng)室(污泥膨脹床區(qū)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)入第一反應(yīng)室, 由于回流的影響, 此部2分產(chǎn)生較

11、大的上升流速, 最大可達(dá)1020m h , 導(dǎo)致此部分污泥處于膨脹流化狀態(tài), 廢水和污泥之間產(chǎn)生強(qiáng)烈而有效的接觸, 優(yōu)化了傳質(zhì), 大大地提高了生化反應(yīng)速率. 有機(jī)物質(zhì)在此也盡可能多的被分解, 同時(shí)產(chǎn)生大量的沼氣, 這些氣體被一級(jí)三相分離器收集并導(dǎo)入沼氣提升管, 通過(guò)這個(gè)提升裝置部分泥水混合物被傳送到反應(yīng)器頂部的氣液分離器, 氣體在這里被分離后導(dǎo)出系統(tǒng).3 內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)第一反應(yīng)室產(chǎn)生的氣體被一級(jí)三相分離器收集進(jìn)入沼氣提升管中, 產(chǎn)生氣提作用, 氣體攜帶著泥水混合物快速上升, 在反應(yīng)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(jīng)泥水下降管向下流入反應(yīng)器底部的混合區(qū), 由此在反應(yīng)器內(nèi)形成內(nèi)循環(huán)

12、. 氣提動(dòng)力來(lái)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(gè)泥水混合物的內(nèi)循環(huán)不需要任何外加動(dòng)力. 值得一提的是, 這個(gè)循環(huán)流的流量隨著進(jìn)液中C OD 量的增大而自然增大, 因此反應(yīng)器具有自我調(diào)節(jié)的作用, 原因是在高負(fù)荷條件下, 產(chǎn)生更多的氣體, 從而也產(chǎn)生更多的循環(huán)水量, 稀釋作用隨之增大. 根據(jù)不同的進(jìn)水C OD 負(fù)荷和反應(yīng)器的不同構(gòu)造, 內(nèi)循環(huán)量可達(dá)進(jìn)水流量的0155倍. 這對(duì)于反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大.4 第二反應(yīng)室(精處理區(qū)經(jīng)第一反應(yīng)室處理后的廢水除一部分參與內(nèi)3依據(jù)氣體提升原理, 利用沼氣膨脹作用在無(wú)需外加能源的條件下實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)污泥回流, 進(jìn)一步加大生物量, 大

13、大提高了C OD 容積負(fù)荷, 實(shí)現(xiàn)了泥水之間的良好接觸. 由于采用了高的有機(jī)負(fù)荷, 所以沼氣產(chǎn)量高, 加之內(nèi)循環(huán)液的作用, 使污泥處于膨脹流化狀態(tài), 強(qiáng)化了傳質(zhì)效果, 達(dá)到了泥水充分接觸的目的. 據(jù)有關(guān)研究報(bào)道, 處理高質(zhì)量濃度有機(jī)廢水(50009000mg L , 相應(yīng)C OD 容積負(fù)荷達(dá)到(m 33550kgC OD d , 膨脹區(qū)水流上升速度可達(dá)1020m h2,4荷達(dá)到了3550kgC OD (m d , 停留時(shí)間為46h , 而處理同類廢水的UAS B 反應(yīng)器容積負(fù)荷為31015kgC OD (m d , 停留時(shí)間為十幾至幾十小時(shí). 212處理啤酒廢水啤酒廢水主要來(lái)自糖化和發(fā)酵車間,

14、C OD 質(zhì)量濃度在20004000mg L 左右, 可生化性強(qiáng). 國(guó)內(nèi)沈陽(yáng)、上海率先采用了IC 反應(yīng)器處理啤酒廢水, 近期哈爾濱啤酒廠也引進(jìn)了IC 反應(yīng)器處理生產(chǎn)廢水. 以沈陽(yáng)華潤(rùn)雪花啤酒有限公司采用的IC 反應(yīng)783器為例, 反應(yīng)器高16m , 有效容積70m , 每天3處理C OD 平均濃度4300mg L 廢水400m , 在C OD 去除率穩(wěn)定在80%以上時(shí), 容積負(fù)荷高達(dá)32530kg (m d , 公司在解決處理生產(chǎn)廢水問題63. 可見內(nèi)循環(huán)技術(shù)不但增加了生物量, 也改善了傳質(zhì), 盡力挖掘了生化處理能力, 抓住了厭氧處理技術(shù)的關(guān)鍵, 體現(xiàn)了從根本上提高生化反應(yīng)速率這一原則, 實(shí)現(xiàn)

15、了大幅度提供處理容量的5目的.2IC 反應(yīng)器的應(yīng)用自1985年荷蘭PAQUES 公司建立了第一個(gè)IC 中試反應(yīng)器;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(lái). 目前,IC 反應(yīng)器已成功地應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中. IC 工藝在國(guó)外的應(yīng)用以歐洲較為普遍, 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也較國(guó)內(nèi)成熟許多, 不但已在啤酒生產(chǎn)、造紙、土豆加工等生產(chǎn)領(lǐng)域的廢水上有成功應(yīng)用, 而且正在擴(kuò)展其應(yīng)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(jī)廢水, 生產(chǎn)時(shí)主要有高、低濃度2種, 其中高濃度廢水含有氨基酸、蛋白質(zhì)、糖類、酰胺類

16、、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(qiáng)的特點(diǎn). 第一個(gè)中試IC3厭氧反應(yīng)器以及其后建成的100m IC 厭氧反應(yīng)器都是用于處理這種廢水, IC 厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)的同時(shí), 經(jīng)濟(jì)上也獲得了較大的收益:每年節(jié)省排污費(fèi)75萬(wàn)元, 沼氣回收利用價(jià)值45萬(wàn)元, 相比之下,IC 反應(yīng)器每年的運(yùn)行費(fèi)用僅為62萬(wàn)元, 可見, IC 工藝達(dá)到了技術(shù)經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化. 213處理造紙廢水在1996年以來(lái)的處理造紙廢水的工程項(xiàng)目中,IC 反應(yīng)器工程比例大大超過(guò)了UAS B 反應(yīng)器, 造紙工業(yè)也已成為IC 反應(yīng)器應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一. 例如德國(guó)某工廠年產(chǎn)30萬(wàn)t 瓦楞

17、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(yīng)器作為其厭氧-好氧工藝的關(guān)鍵設(shè)備, UAS B 之后是活性污泥工藝. 由于生產(chǎn)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(yīng)器和1000m 的UAS B 反應(yīng)器的33方案中采用了前者. IC 反應(yīng)器高24m , 直徑5m , 設(shè)(m 3計(jì)最大容積負(fù)荷27kgC OD d , 實(shí)際運(yùn)行容積3負(fù)荷為924kgC OD (m d , 進(jìn)水C OD 質(zhì)量濃度9,1012503515mg L , 處理效率61%86%.表1UASB 和IC 反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)及顆粒污泥特性比較1,1

18、1T able 1The ch aracters of granular sludge and operation p arameters of UASB and IC reactor 反應(yīng)器IC UAS B容積m 31400502×1700100HRT h 61021330410進(jìn)水COD/(kgCOD m -31171161268COD 去除污泥活性平均直徑mm0160018401510187率%/(gCOD gVSS -1d -1801008595851110114011081183相對(duì)強(qiáng)度0183013201710153啤酒廢水土豆加工廢水IC UAS B(下轉(zhuǎn)92頁(yè)纖維素的

19、XRD (圖5 可以看出:經(jīng)氨處理后纖維素X -射線衍射峰強(qiáng)度增強(qiáng), 說(shuō)明樣品的纖維素含量提高, 結(jié)晶成分降低, 這說(shuō)明氨處理不僅對(duì)樣品的纖維物料的組成及形態(tài)有影響, 還使纖維素的結(jié)晶區(qū)受到一定程度的影響 .物理結(jié)構(gòu)發(fā)生部分改變, 纖維素含量提高, 結(jié)晶成分降低, 有利于大豆秸稈的酶解產(chǎn)糖.2 粉碎結(jié)合氨處理對(duì)大豆秸稈酶解產(chǎn)糖影響較大, 較適宜的預(yù)處理?xiàng)l件是大豆秸稈粉碎至140目, 室溫下用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%氨水處理24h , 酶解產(chǎn)糖量較高. 參考文獻(xiàn):1胡代澤. 我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源的利用現(xiàn)狀與前景J.資源開發(fā)與市場(chǎng), 2000,16(1 :19-20.2T ae Hyun K im , Ju

20、n Seok K im , Changshin Sunw oo. Pretreatment ofcorn stover by aqueows amm oniaJ.Biores ource T echnology ,2003, 90:39-47.3V LASE NK O E Y,Ding H ,LBAVITCH J M. Enzymatic hydrolysis ofpretreated rice strawJ.Biores ource T echnology , 1997, 59:109-119.4BANCH OM DHE VAK U L , SIRIW ATT ANA. E ffect of

21、 urea and urea-gamma treatments on cellulose degradation of thai rice straw and corn stalkJ.Radiation physics and chemistry , 2002, 64:417-4225寧正祥. 食品成分分析手冊(cè)S.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2001.圖5預(yù)處理前后大豆秸稈XR D 圖(1-未處理;2,3,4,5預(yù)處理6h ,12h ,18h ,24h;6纖維素Figure 5XR D of the soybean stra w ofpretreated and untreated3結(jié)論1 粉碎和

22、氨處理均使大豆秸稈的化學(xué)成分及(上接88頁(yè)M.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.2PERE BOOMJ H , 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(jì)萃. 試論內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器J.中國(guó)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