（市政工程专业论文）环境温度下厌氧折流板反应器运行特性的研究.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文 第l 页 摘要 厌氧消化技术因为具有能耗小、成本低、剩余污泥量少、能处理好氧方 法无法处理的难降解有机物并能够产生能源等优点而在污水处理领域内得到 日益广泛的应用。( 厌氧折流板反应器a b r 作为一种新型高效厌氧反应器在 近年来得到了高度的重视与研究，虽然在实际工程中也 实例，但对该反应器系统性的理论研究还存在较多的不 已有研究成果的基础上通过室内模拟试验对厌氧折流板 用a b r 的 试图在总结 环境温度下 的运行性能进行较全面系统的研究，以期为实际应用提供指导和帮助。 本文设计制作了两个a b r 室内模型，格室数分别为7 个和8 个，在环 境温度和进水c o d 浓度保持不变的条件下通过调节流量来改变运行工况。 系统她测量了出水中c o d 、v f a 、p h 、碱度及甲烷产量、温度等指标，计算 了c o d 去除率、容积负荷、水力负荷等运行参数，研究了a b r 反应器及各 个格室的运行规律，并首次讨论和分析了a b r 内产酸相与产甲烷相分离现 象和a b r 提高负荷的方式；研究了反应器酸化及恢复措施；通过示踪试验 分析a b r 的水力特性；通过观测a b r 污泥床内沟流现象、颗粒污泥的形成、 污泥颗粒化程度探讨了a b r 内污泥量与反应器运行及污泥颗粒化的关系； 对运行参数的分析表明污泥负荷能够全面的反映影响反应器运行的因素，首 次以污泥负荷替代m o n o d 模式中的基质浓度，建立了a b r 的生物降解动力 学模型，用取得的试验数据计算了动力学参数并比较实测值与预测值。 ， f 本文的研究结果表明：( 1 ) 当环境温度在1 8 以上，进水c o d 保持在 4 5 0 0 m i g l ，水力停留时间在8 4 2 4 h 的范围内，两个反应器在稳定状态下的 处理效率均保持在9 0 以上，最高时可以达到9 8 ，8 格a b r 的处理效率高 于7 格a b r ；当环境温度降低至5 6 时，反应器运行状况严重恶化；( 2 ) 沿 着流程方向格室出水c o d 浓度、格室容积负荷呈逐格降低的规律性变化； 当提高格室容积负荷并重新达到稳定运行时能够保持处理效率不低于提高负 荷前；( 3 ) 格室的出水c o d 、v f a 和碱度等指标表明在a b r 内存在着产酸相 和产甲烷相分离现象，在8 格a b r 前面两个格室内主要进行酸化反应，经 过3 、4 格室的过渡后。后面4 个格室进行产甲烷反应；( 4 ) a b r 提高容积负 荷的方式，以每次提高负荷的幅度在5 0 6 0 为宣，这是一种快速有效的方 应文在蕾l 万 辱器一厂应有足，反 西南交通大学博士研究生学位论文第| i 页 法；( 5 ) 本文的试验结果和已有的研究成果表明a b r 的容积利用率高，死区 只有7 2 0 ，a b r 在不增加反应器容积的条件下大大延长了流程，增大了 污泥与废水之间的混合接触，有效地加强了传质过程；反应器内的流态更接 近局部完全混合、整体推流的理想流态；( 6 ) 在a b r 内保持大量的厌氧污泥 是反应器获得高处理效率的基本保证，但污泥量过大会在污泥床内形成严重 的沟流现象，影响颗粒污泥的形成和反应器的处理效率，因此反应器内的污 泥床高度以不超过有效水深的三分之二为宜；本试验中采用在格室之间设置 筛网的办法来保持格室及反应器内的污泥量，在工程中采用该办法能够节省 大量成本；( 7 ) 模型预测值和实测值的比较结果证明了本文建立的动力学模型 能够较好地预测a b r 内格室的出水c o d 浓度。卢，。 关键词：厌氧折流板反应器；格室；处理效率；颗粒污泥：动力学模型 西南交通大学博士研究生学位论文 第l l f 页 a b s t r a c t a n a e r o b i cd i g e s t i o nr e c e i v e si n c r e a s i n g l ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni ns e w a g e d i s p o s a lf i e l df o rt h em e r i to fl i t t l ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，f e we x c e s s a c t i v a l e ds l u d g e ，t h ea b i l i t yo fd e a l i n gw i t hh a r dd i g e s t i o no r g a n i cc o m p o u n d m o r e o v e rp r o d u c e se n e r g ys o u r c e s a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o rg a i n e da l t i t u d i n a l r e c o g n i t i o n a n dr e s e a r c hi nr e c e n t y e a r s a s an e wt y p e a n a e r o b i c r e a c t o r , a l t h o u g ht h e r ea r es e v e r a la b r i n s t a n c ei np r a c t i c a lp r o j e c t ，b u tt h e r ea r em o r e s h o r t a g e a b o u ts y s t e m i ct h e o r y s t u d y t h i sp a p e rt r i e s t o s t u d ys y s t e m l yt h e r u n n i n gp e r f o r m a n c eo f a b ra ta m b i e n tt e m p e r a t u r eo nt h eb a s eo fs u m m i n g - u p f o r m e r p r o d u c t i o n s i no r d e rt oo f f e rg u i d a n c ea n d h e l pf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t w oa b rm o d e la r ed e v i s e dw i t hs e v e nc h a m b e r sa n de i g h tc h a m b e r s ，o n c o n d i t i o no fa m b i e n tt e m p e r a t u r ea n du n c h a n g e a b l ei n f l o wc o da n dc h a n g e s r u n n i n gc o n d i t i o nb ya d j u s t i n gf l u x s y s t e m l ym e a s u r e sc o d a n dv f aa n dp h a n da l k a l i n i t yo fo u t f l o wa n dm e t h a n ey i e l da n dt e m p e r a t u r e ，c a l c u l a t e sc o d r e m o v a lr a t ea n dc u b a g el o a d i n ga n dh y d r a u l i cl o a d i n g ，s t u d i e st h er u n n i n gr u l e o fa b ra n di t s c h a m b e r s ，f o r t h ef i r s tt i m ed i s c u s s e sa n d a n a l y s e t h e p h e n o m e n o n o fa c i d i f i c a t i o np h a s es e p a r a t i n gw i t hm e t h a n ep h a s ea n dt h em o d e o fi n c r e a s el o a d i n g r e a c t o ra c i d i f i c a t i o na n dc o m e b a c ka r es t u d i e d h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c si s a n a l y s e db yt r a c i n ge x p e r i m e n t t h er e l a t i o n s h i p o fs l u d g e q u a n t i t yi na b r w i t hr u n n i n ga n ds l u d g eg r a n u l a t i o ni sd i s c u s s e db yo b s e r v a t i o n c h a n n e l p h e n o m e n o na n ds l u d g eg r a n u l a t i o n a n a l y s i s o fr u n n i n gp a r a m e t e r i n d i c a t e st h a ts l u d g el o a d i n gc a ni m a g eg e n e r a l l yt h ef a c t o ri n f l u e n c i n gr e a c t o r r u n n i n g ，a n df o rt h ef i r s tt i m ee d g e o u ts u b s t a n c ec o n c e n t r a t i o nb ys l u d g el o a d i n g i nm o n o d m o d e l ，a n df o u n dab i o l o g yd i g e s t i o nk e n e t i cm o d e l ，a tl a s tc a l c u l a t e k e n e t i c p a r a m e t e r su s i n ge x p e r i m e n t a l d a t ea n dm a k ec o m p a r a t i o nb e t w e e n m e a s u r ed a t ea n df o r ec a s td a t e t h e s t u d yr e s u l t so f t h i sp a p e ri n d i c a t e ：( 1 ) w h e na m b i e n tt e m p e r a t u r ea b o v e 18 c ，a n di n f l o wc o dk e e p i n g4 5 0 0 m e d l ，h r tb e t w e e n8 4 2 4 h o u r s ，t w o r e a c t o rr e t a i n 9 0 r e m o v a lr a t eu n d e rs t e a d yr u n n i n g a n dt h eb i g g e s tr e m o v a l r a t ei s9 8 ，t h er e m o v a lr a t ei nt h er e a c t o rw i t hgc h a m b e r si sf i n e rt h a nt h eo t h e r 西南交通大学博士研究生学位论文第1 v 页 w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ed e p r e s st o5 - 6 c ，t h er u n n i n gi ss e v e r s l yl a b e - f a c t i o n ( 2 ) o u t f l o w c o da n dc u b a g e l o a d i n g o fe v e r yc h a m b e r d e p r e s s e d g r a d u a l l ya l o n gf l o wa n dk e e ps t e a d i n e s sa f t e ri n c r e a s i n gl o a d i n g ；( 3 ) c h a m b e r o u t f l o wc o da n dv f aa n d a l k a l i n i t y i n d i c a t et h et h e r ei sa s s e p a r a t i n g p h e n o m e n o nb e t w e e na c i d i f i c a t i o np h a s ea n dm e t h a n ep h a s e ，i na b r w i t h8 c h a m b e r sa c i d i f i c a t i o nt a k e p l a c e i nt h ef i r s tt w oc h a m b e r sa n dp r o d u c i n g m e t h a n ei nt h el a s tf o u rc h a m b e r s ；( 4 ) t h er a n g eo fm o d eo f i n c r e a s i n gl o a d i n gi s s u i t a b l eb e t w e e n5 0 - 6 0 ，a n di ti sf a s ta n de f f e c t i v e ；( 5 ) t h er e s u l t so ft h i sp a p e r a n do t h e r si n d i c a t et h a tt h ec u b a g eu s i n gr a t eo fa b ri s h i g ha n dd e a d s p a c e b e t w e e n7 - 2 0 a b rp r o l o n g st h ef l o w , e n h a n c em i x i n ga n dm e e t i n gb e t w e e n s l u d g ea n ds u b s t a n c e ，s t r e n g t h e ne f f e c t i v e l yt h em a t t e rt r a n s f e rw i t h o u ti n c r e a s e v o l u m eo fa b r t h ef l o wi na b ri ss i m i l a rt ot h ei d e a lf l o ww h i c hc o m p l e t e f i x i n gp a r t i a l a n d p l u g f l o ww h o l e ；( 6 ) i ti s n e c e s s a r yt h a tk e e p i n gp l e n t i f u l s l u d g ei na b r w i t hg o o dr u n n i n g ，b u tc h a n n e lf l o ww i l lf o r mw h e n s l u d g ei st o o m u c h ，w h i c hw i l le f f e c tt h ef o r m i n go fg r a n u l e rs l u d g ea n de f f i c e n c yo fr e a c t o r ， s oi ti ss u i t a b l et h a tt h eh e i g h to f s l u d g eb e dl o w e rt h a nt w o t h i r d so fe f f e c t i v e d e p t h s e v e na r es e t u pb e t w e e nc h a m b e ri no r d e rt op r e s e r v es l u d g ei nr e a c t o r a n dc h a m b e r s ，a n dl a r g en u m b e ro fc o a s tc a nb ep i n c li ft h i sm e a n si sa d o p t e di n p r o j e c t s ；( 7 ) t h ec o m p a r a t i o nr e s u l t sb e t w e e nm e a s u r ed a t aa n df o r e c a s td a t a p r o v et h a t t h ek e n e t i em o d e li s g o o dw h e nf o r e c a s t c o do fo u t f l o wf r o m c h a m b e r s k e yw o r d s ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ；c h a m b e r ；d i s p o s a lr a t e ；g r a n u l e rs l u d g e ； k e n e t i cm o d e l 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 研究思路： 研究背景和意义一确定研究范围为废水的厌氧处理一总结厌氧反应器的 发展过程一确定a b r 反应器为研究对象一文献阅读系统总结国内外相关研究 以把握目前的研究动态及存在的不足一确定本文的研究内容 1 1 研究背景和意义 当今世界，随着社会经济的不断发展和人口的快速增长，对用水的需求 量越来越大，同时污水的排放量亦与日俱增，从而使人类面临着越来越严重 的水质型和水量型水资源不足的问题，2 1 世纪水资源将是人类争夺的最宝贵 的资源。全球性水污染问题已经对人类生存和社会经济的发展构成越来越严 重的威胁，1 9 9 2 年在巴西里约热内卢召开的“联合国环境与发展大会”上达 成了全球性共识一必须走可持续发展道路。废水生物处理是实现水污染防治 和水资源可持续利用的重要工程技术手段之一。现代水污染治理工程的基本 原则是有效、经济、节能，相对于依靠消耗大量能量来改善水质的好氧生物 处理工艺来说，厌氧生物处理技术具有可以节约能耗并能够产生能源( 沼气) 以及剩余生物污泥量少、可以处理高浓度废水和好氧条件下生物难降解有机 物等特点，可以说厌氧生物技术提供了一个经济的替代技术，并可以提供一 个替代能源。因此，废水的厌氧生物处理技术的发展因为对水污染这一环境 问题有着巨大的有益影响而始终是各国环境工程界关注研究的热点。我国从 2 0 世纪7 0 年代末开始介绍和引进国外的研究与应用成果，并开始了我国对 厌氧生物技术的广泛研究。目前，除理论研究外，我国在工业废水厌氧生物 处理技术的应用上也积累了相当的工程经验。我国水污染的严峻形势和可持 续发展的战略要求都需要把国内关于厌氧生物技术的理论研究和工程应用提 高到一个新水平。 在废水处理系统的设计和运行中发现，随着废水排放量的急剧增加以及 对废水处理要求的日益严格，传统厌氧工艺在处理的多功能性、高效稳定性 和经济合理性方面难以满足不断提高的要求。开发、研究和应用新型废水厌 西南交通大学博士研究生学位论文 第2 页 氧生物处理工艺和技术已经成为世界各国水污染控制工程领域研究的重要课 题。2 0 世纪7 0 年代以来，废水厌氧生物处理新工艺新技术的研究开发和应 用已经在全世界范围内得到了长足的进步，开发出了许多新型高效的厌氧反 应器。以高效、稳定、节能、并具有对污染物去除的多功能性为共同特点的 这些厌氧生物处理新工艺有的已经在国内外实际工程中得到了良好的应用， 有的已经显示出了良好的应用发展前景，得到广大研究者和工程技术人员的 关注并正在得到不断深入的研究。 1 2 废水厌氧生物处理技术的研究与进展 1 2 1 厌氧反应器的发展过程 厌氧反应器是将去除废水中的有机物和沼气能源的回收利用相结合的一 种有效、经济的废水处理技术。从1 9 世纪中叶以后人们已经开始有目的地将 厌氧消化技术用于处理有机废水和污泥，至今已近1 5 0 年，近3 0 年来，随着 人们对厌氧技术原理认识的深入和生物科学技术的发展，厌氧生物反应器技 术得以飞速发展，为高浓度工业有机废水和生活污水的工业化处理提供了重 要手段。厌氧反应器的发展经历了以下几个阶段： 1 传统厌氧反应器 1 8 6 0 年法国工程师m o u r a s 采用厌氧方法处理经沉淀的固体物质：1 8 9 6 年，英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池；1 9 0 4 年德国的 i n h o f f 开发了双层沉淀池( 腐化池) ：1 9 1 0 年至】9 5 0 年高效的、可加温和搅 拌的消化池得到了发展；2 0 世纪4 0 年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧 消化池，机械搅拌不仅可以去除厌氧消化池表面的浮渣，而且增加了厌氧污 泥与废水的混合，提高了处理效率。在这种完全混合的厌氧反应器内，由于 厌氧污泥与废水完全混合在一起，因此污泥停留时间( s l u d g er e t e n t i o n t i m e ，简称s r t ) 与废水水力停留时间( h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ，简称 h r t ) 是相同的，废水在反应器里停留的时间很长，一般在中温( 3 0 3 5 ) 的停留时间为2 0 3 0 天，因而反应器的体积很大，同时反应器内的污泥浓度 低，处理效果差，此时的厌氧消化技术还不能经济地用于工业废水处理。1 9 5 5 年，s c h r o e p h e r 等提出了厌氧接触消化工艺( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e e s e ， 简称a c p ) ，a c p 是在连续搅拌消化池的基础上，于出水沉淀池中增设了污泥 回流装置，使部分厌氧污泥又返回消化池中，增大了消化池中的污泥浓度， 提高了消化池的容积负荷，大大缩短了h r t ，第一次实现了水力停留时间和 污泥停留时间的分离，使得s r t 大于h r t ，这是厌氧处理技术的一个重要发 西南交通大学博士研究生学位论文 第3 页 展，标志着现代废水厌氧处理技术的诞生。这些反应器称之为传统厌氧反应 器或第一代厌氧反应器。 2 第二代厌氧反应器 生物工程中固定化技术的发展使人们认识到提高反应器内污泥浓度的重 要性，于是基于微生物固定化原理的第二代厌氧反应器即高效厌氧反应器得 以发展，这一时期的厌氧反应器以厌氧生物滤池和上流式厌氧污泥床反应器 为代表。1 9 6 9 年j c y o n g 和p l m c c a r t y 开发研究除了用于生产的厌氧生物 滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) ，首次开发了厌氧生物膜法，增大了污泥龄， 提高了处理效率，这是现代厌氧生物处理技术发展的一个里程碑，开创了在 常温下对中等浓度有机废水的厌氧生物处理，大大拓展了厌氧生物处理技术 在工业废水处理和城市污水处理的应用范围。l e t t i n g a 等人在2 0 世纪7 0 年 代末开发了上流式厌氧污泥床反应器( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb 1 a n k e t ， 简称u a s b ) ，生物固体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，从而大大提 高了厌氧生物反应器的有机负荷，极大地推动了厌氧生物处理技术的工业应 用。a f 和u a s b 都能够保持大量的厌氧污泥并且将h r t 和s r t 分离，s r t 可延 长至几十天甚至上百天，同时使厌氧处理高浓度废水的h r t 从过去的几十天 或几天缩短至几天甚至几小时。这一时期还开发出了一些其它类型的厌氧反 应器，2 0 世纪7 0 年代中期，p r e t o e r i o u s 和m c c a r t y 开发出了厌氧生物转盘： 之后m c c a r t y i l 】又在此基础上于1 9 8 1 年改进开发出了厌氧折流板反应器 ( a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，简称a b r ) ，由于种种原因，这些厌氧反应 器在实际工程中的应用不如a f 和u a s b 反应器那样广泛，尤其是a b r 反应器， 到目前为止很少有关于生产性的研究报导。 3 第三代厌氧反应器 为满足厌氧反应器的高效运行就必须使进水和反应器内的污泥之间保持 良好接触。为此，首先应该保证反应器布水的均匀性，这样可以最大限度地 避免短流。由于新型高厌氧反应器内不用机械搅拌，反应器内的混合作用由 进水混合和产气扰动来完成。当进水无法采用高的水力和有机负荷时，比如 低温下只能采用低负荷，使得水流和产气的搅动作用减小、污泥床内的混合 强度低、短流效应加剧，正是对这一问题的研究才开发出了第三代厌氧反应 器1 2 1 。 第三代厌氧反应器以膨胀颗粒污泥床e g s b ( e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g e b e d ，简称e g s b ) 、厌氧升流式流化床( a n a e r o b i cu b fb i o b e d ) 和厌氧内循 环反应器( i n t e r n a lc i r c u l a t i o na n a e r o b i cr e a c t o r ，简称i c ) 为代表， 西南交通大学博士研究生学位论文 第4 页 他们都是在u a s b 的基础上开发出来的。e g s b 反应器仅仅是在运行方式上与 u a s b 不同，它是在高的上升流速( 一般可达2 5 - 6 m h ，有时更高达1 0 m h ) 下使颗粒污泥处于悬浮状态而保持了进水与颗粒污泥的充分接触：i c 反应器 则是由2 个u a s b 反应器单元重叠而成，底部单元处于极端高负荷，上部单元 处于低负荷，在反应器内部能够形成流体循环，使得有机物与颗粒污泥之间 的传质过程加强；厌氧升流式流化床反应器介于流化床和u a s b 之间，可以在 极高的水和气体的上升流速( 5 7 m h ) 下产生和保持颗粒污泥，使得进水和 污泥之间良好混合。 从厌氧反应器发展过程中可以反映出在不同的阶段改进的重点有所不 同。在第一阶段主要是为了分离污泥停留时间s r t 和水力停留时间h r t ，减 小水力停留时间h r t 就能够减小反应器的容积；第二阶段主要是使反应器内 能够持有大量的活性污泥以提高负荷增强处理效果；第三阶段主要是为了加 强污泥和废水之间的混合接触以提高传质效率，最终目的仍然是为了提高处 理效率。总之，厌氧反应器的发展过程中始终围绕着提高反应器的污泥浓度 和负荷、将s r t 与h r t 分离并尽可能延长s r t 、逐渐用水流与产气的搅拌作 用取代机械搅拌。作者总结这过程，如图卜l 所示。 污泥浓度低 有机负荷低 目国 污泥浓度高 有机负荷高 图i - i厌氧反应器发展中的实质性变化 1 2 2 对厌氧消化的不断深入理解 1 两相厌氧消化反应器 随着厌氧处理技术在现代废水处理工程中的应用范围的扩大和厌氧反应 器的发展，人们对厌氧消化的理解也不断地进步。微生物学的研究表明，产 酸菌和产甲烷菌的生理生化特性差异较大，见表卜l 。由于产酸发酵细菌和 产甲烷菌对环境条件的要求差异大，在一个反应器内维持它们的协调和平衡 是不易的。1 9 7 1 年，s g r o s h 和f g p h o l a n d 3 l 根据厌氧微生物分解有机物 机理和微生物类群的理论首先提出了两相厌氧消化的概念：将产酸菌和产甲 西南交通大学博士研究生学位论文 第5 页 烷菌分别置于两个串联的反应器内并提供各自所需的最佳条件，使这两类细 菌群都能够发挥最大的活性，提高反应器的处理能力和稳定性这是从改善 厌氧微生物的生理生态环境的角度对厌氧消化机理的理解所做的一个新的探 索。通过相分离的办法可以在不加入生物催化剂的前提下，或者说不增加处 理成本的条件下为微生物提供更适宜的基质而增加其活性。从而提高反应器 的处理效率。 表i - i产酸菌和产甲烷菌的特性 人们根据处理废水的特征结合各类反应器的特点将它们组合成两相厌氧 消化工艺以发挥它们各自的优势，取得了理想的效果。如王凯军等【4 】研究发 现水解反应器h u s b 在短h r t 和高水力负荷下获得高s s 去除率并可改善原 污水的可生化性和溶解性，c o d ( 特别是溶解性c o d ) 的去除率低，而e g s b 对s s 的去除很差，但可有效地去除溶解性c o d ，这两种反应器的优缺点互 补，因而用h u s b + e g s b 处理城市废水。伦世仪等 1 利用a b r 具有的高s s 去除率的特性和u a s b 能达到很高的有机负荷的效能，采用a b r + u a s b 串 联的两相厌氧工艺处理酒糟废水也取得了很好的效果。此外，还有很多的研 究p 1 6 l 都证实了两相厌氧消化的优越性。 2 阶段化多相厌氧反应器s m p a 对不同种类化合物的厌氧消化过程和反应器技术的新的理解将会发展 出有前景的新一代反应器。在展望不久的将来先进的厌氧处理技术时， l e t t i n g a 1 。7 】提出了阶段化多相厌氧( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i c ，简称 s m p a ) 反应器，它不仅能在更高的负荷率下提供更好的处理效率，而且适应 于极端的环境条件和抑制性化合物。 s m a p 的中心思想在于： 在每一个单独的单元内依赖所能获得的基质和单元内特定的环境条 件( 如p h 、氧化还原电位、h 2 分压、代谢中间产物等) 培养出合适的厌氧细 菌群落； 防止各单元内独立发展形成的污泥互相混合； 西南交通大学博士研究生学位论文 第6 页 各个单元内产生的气体单独排放，互不混合； 使流程更接近于推流式，从而获得更好的处理效率。 实际上s m p a 不特指某个反应器，它强调的是一种思想，是对厌氧消化的 一种新的、深入的理解，组成s m p a 各单元的可以是a f 、u a s b 和e g s b 等。在 众多的新型高效厌氧反应器中，只有a b r 能够近乎完美地单独实现s m p a 的构 想。a b r 反应器的结构及蕴涵的思想与对厌氧消化理论的不断深入理解和厌 氧反应器的发展趋势是相符合的，近年来对a b r 的研究不断增多，为a b r 最终能够大规模应用于实践当中创造了条件。 1 3a b r 反应器的国内外研究现状 2 0 世纪8 0 年代初，美国s t a n f o r d 大学的m c c a r t y 川及其合作者在厌氧生 物转盘反应器的基础上改进开发出了厌氧折流板反应器a b r ( a n a e r o b i c b a f f l e dr e a c t o r ，简称a b r ) 。该反应器因具有结构简单、污泥截留能力强、 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，2 0 多年来对它 的研究直没有间断过，近年来更是成为厌氧反应器领域内的研究热点之， 目前检索到的直接针对a b r 的研究文献的时间分布及所占比例说明了这点， 见表1 2 。 表卜2 已有a b r 研究文献的时间分布及比例 在对a b r 进行研究的过程中也不断地进行了总结【l 乳2 0 l 。目前，国内外 对a b r 反应器进行的研究主要包含了以下一些领域：反应器的结构形式 1 2 1 2 , 1 、所处理废水的类型2 5 35 1 、反应器的水力特性 3 6 3 8 】、反应器的启动m 4 们、厌氧颗粒污泥与微生物及其代谢产物【4 1 。4 2 1 、反应器的稳定性【4 3 4 6 1 、与 u a s b 反应器的比较”7 1 、温度及微量元素的影响【4 8 4 9 1 、动力学模型等，近 年来也有一些关于实际工程应用的研究1 5 仉5 l 】。本节将对这些研究状况进行系 统她整理与介绍。 1 3 1a b r 结构的发展 自从a b r 反应器问世以来，国内外的众多研究者对它进行了系列的研 究，由于对a b r 不同结构的作用的新理解、针对所处理废水的水质特点、 西南交通大学博士研究生学位论文 第7 页 为了提高反应器性能和考虑到节省工程投资等诸多因素，研究者对a b r 反 应器的结构作了多种改进。其最终目的是为了：加强厌氧污泥的停留：针对 不同废水水质，特别是难处理废水；使进水分布均匀，泥水混合良好。这些 改进使a b r 反应器性能稳定，处理效果好。图1 2 是几种典型的a b r 反应器 的结构示意图。 a b r 反应器最初的设计示于图1 2 ( a ) ，该反应器中的上向流室和下向流 室是等宽的，折流板的加入增强了污泥的停留，提高了处理效率；多格室结 构使反应器成为推流式，给产甲烷菌提供更易接受的物质。b a c h m a n n 等人 对a b r 做了如图1 2 ( b ) 所示的改进，下向流室变窄上向流室加宽有利于 厌氧污泥停留在上向流室内，使反应器成为上流式污泥床( u p f l o ws l u d g e b l a n k e t ，简称u s b ) 系统，因为u s b 系统的优点是水流方向与产气上升方向 一致，一方面减少了堵塞的机会，另一方面加强了对污泥床层的搅拌作用， 有利于微生物与进水基质的充分接触，也有助于形成颗粒污测”】：折板边缘 折起将进水引向流室中心促进混合，有助于实现布水的均匀性。由于a b r 反应器前面格室中氢气的浓度较高，因而图1 2 ( c ) 所示的各格室气体单独 收集有利于通过保护共生菌而加强反应器的稳定性。b o o p a t h y 和t i c h l e l 2 7 “2 j 又改进出了如图1 2 ( f ) 所示的复合反应器h a b r 。图1 2 ( g ) 【2 l j 是我国较 早研究的一种折流式反应器，它兼有厌氧接触反应器、厌氧滤器和u a s b 三 种反应器的特点。图1 2 ( h ) 2 2 1 所示的周期性折流式厌氧反应器是最新型的 折流式反应器，该反应器的最大优点是操作灵活，可以根据进水水质、浓度 和流量等的变化来选择不同的运行周期，使反应器在最佳状态下运行，以获 得最佳的处理效果。另外还有一些应用了a b r 思想的其它形式的折板反应 器【2 4 3 2 5 3 l ，如图1 2 ( d 、e ) 所示。 尽管研究者对a b r 反应器的结构做了如上所述的研究，但还存在一些没 有解决的问题。 1 上下向流室的宽度比 通常来说，a b r 全部的上向流室是等宽的，全部的下向流室也是等宽的， 许多文献中上下向流室的宽度比一般在1 ：1 4 ：1 范围内【1 2 5 + 3 0 3 7 ：4 0 4 3 5 4 5 5 1 ，目前的文献中并没有提出这个宽度比的最佳值是多少，作者认为这一比 值应该是根据具体的水质和各格室的作用而有所不同。从使污泥停留在上向 格室的角度讲，上下向格室的宽度比越大越好，但是这个宽度比不能无限增 西南交通大学博士研究生学位论文第8 页 大，因为上向流室加宽在加强污泥停留的同时也给反应器进水布水的均匀性 带来不利的影响，上向流室越宽布水越不容易均匀，也就越容易造成沟流， 另一方面也造成了反应器内更大的死区。此外，宽度比还与反应器内的污泥、 废水水质有关。所以，这个宽度比应该有个最佳范围。但目前对此所做的研 究还很少，已有的文献中也没有说明确定该比值的依据是什么。 2 关于导流板 导流板的大小、折起角度、起折点的高度、导流板下缘距底板的高度等 直接影响着布水的均匀性、反应器死区的大小。目前还没有文献报道关于导 流板的研究。 l2 n 一1 1 1 ( d ) 1 2 f l - in ( b ) ( e ) 豳1 2 各种结构形式的a b r 反应嚣 w 。w a s t ew a x c r b b i o - g a s e = c f f i u c n t s - s l u d g c n旷 一0 b z n旷 时 b z ru，篆 产一川法。奈掀箍。膀一麓 西南交通大学博士研究生学位论文 第9 页 这些参数需要通过大型试验才能确定，只有确定这些参数的最佳值( 最佳 范围) 才能设计制作出结构状态最佳的反应器。 1 3 2a b r 的水力特性 研究表吲5 6 西2 】：反应器内的流体动力学特性和混合程度强烈地影响着基 质和微生物的接触程度，控制着物质传输和颗粒污泥的形成，因而水力特性 是反应器性能的一个重要方面，早期对a f i 6 3 6 4 l 和u a s b 甑6 6 】的研究也证实 了这一点。可进行示踪试验，通过示踪剂停留时间分布曲线可以分析反应器 的死区容积分数( v d v ) 和离散数( u l d ) ，从而描述反应器的水力特性。 国内外的研究结果表明，影响a b r 反应器水力特性的主要因素有：a b r 反 应器的结构、水力停留时间h r t 、污泥浓度及出水回流等。 1 a b r 反应器结构的影响 a b r 反应器的结构对它的水力特性有重要影响。废水流经a b r 反应器 需经过多次的上下折流，在每一个转角处必然存在一定程度的死区，与反应 器内的折流板数目有关；导流板的作用是将水流引向格室的中心使布水均匀， 导流板参数( 导流板大小、折起角度、起折点高度、导流板底缘距底面的高 度等) 是否合理直接影响着水力死区，对生物死区也有一定的影响。目前国 内外关于a b r 结构对其水力特性及运行性能的影响的研究报导还很少。 2 h r t 和污泥的影响 1 9 9 2 年o r o b i e k i 和s t u e k e y 3 6 l 通过跟踪惰性示踪剂l i + ，用四个尺寸略有 不同并且格室数目不同( 具有4 8 格室) 的a b r 反应器分有污泥和无污泥两 种情况，在不同的h r t 下，进行了一系列的停留时间分布r t d ( r e t e n t i o n t i m e d i s t r i b u t i o n ，简称r t d ) 的研究：反应器内无污泥( 清水试验) ，h r t 从1 2 h 减少到1 h 时死区始终小于8 ：尽管加入污泥的浓度不同，h r t 也在8 0 h 和 5 h 之间变化，但死区最高值没有超过反应器容积的2 2 ，所有工况的死区平 均值是9 8 ；郭静【7 】的研究结果是a b r 的死区百分率为4 6 2 1 5 4 5 ；可 见a b r 反应器的死区程度远小于其它的厌氧反应器结构( a f5 0 9 3 ， c s t r 8 0 ) ，容积利用率高。水力死区较小但其值较稳定，水力死区是流 量和折板数的函数，在水力死区和水力停留时间h r t 之间没有直接的线性相 关关系，广义上说随h r t 的减小和反应器内有更多的格室而增加。较低的 h r t 下，污泥的出现并没有明显增加反应器的死区的容积，比如当采用的最 西南交通大学博士研究生学位论文 第1 0 页 _ - _ _ _ - - - _ _ - _ - _ - - _ 一i - _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ - _ _ - _ _ l - _ _ _ - - _ - - - - _ - - - 。_ _ _ _ _ - 。一 高污泥浓度是8 5 e , l ，污泥密度为1 0 2 4 9 m l 时污泥仅占反应器内工作容积 的0 8 3 。在另一方面，生物死区是污泥浓度、产气量和流量的函数在 较高的h r t 时生物死区是死区的主要贡献者，但它的影响随着h r t 减小而 减少，主要是因为在较低的h r t 引起的高负荷时气体产量和增加的流量同样 都使污泥床部分流化导致沟流的破坏。 3 回流的影响 尽管回流可以减少入流中有毒物质对基质的抑制、可能实现更高的负荷 率和更好的基质与污泥接触，但囵流对反应器的流体动力学特性有不利影响， 它会引起混合作用加强( 这会导致固体流失，破坏共生关系的微生物结构) 增加了死区量。混合作用使反应器回到单相消化去，由产酸相和产甲烷相分 离所带来的好处已经部分损失掉了。b a c h m a n n 等【i j 的研究表明出水回流使反 应器接近一个完全混合系统而引起去除效率的下降，因为回流时尽管负荷率 只有少量增加，但基质去除的传质动力却降低了。 1 3 3a b r 的启动 启动的目标是为需处理的污水培养最适宜的微生物，一旦活性污泥形成， 不管是颗粒或絮体，反应器的运行都很稳定。因此，一个厌氧反应器能否成 功地快速启动是决定反应器运行成败的先决条件1 6 ”。影响反应器启动的因素 很多，表i - 3 是国内外研究中a b r 反应器启动时的操作条件。 对a b r 的研究表吲醯】，启动时的最初负荷率应该低些，以确保生长缓 慢的微生物不会处于过负荷状态，气体和液体的上流速度应该低，才会促进 絮状、粒状污泥的生长。初始负荷率过高将由于中间产物挥发酸v f a 的积累 引起反应器的酸化而最终彻底失败。( 由表l 一3 可见a b r 反应器启动时所要 求的初始负荷率一般约为1 2 k g c o d m ”d 。) 为避免过负荷条件下反应器启 动失败，可以在提高负荷率之前加入产甲烷菌能直接利用的物质( 乙酸或乙 酸甲酸的混合物) 以刺激产甲烷生物的生长，这对减少由有机负荷突然增加 引起的冲击是有效的，调整