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厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 摘要 厌氧内循环反应器的技术核心是借助反应器内所产沼气的提升作 用实现内循环，达到强化过程传质、提高基质转化效率的作用。废水基 质浓度愈大、沼气产生量愈大、内循环作用愈强、传质过程愈强烈、基 质转化效率愈高，因此，测定反应器在运行中影响内循环量的工艺因素 并得到内循环典型二元参数间数学关系模型对提高反应器的效能和为 反应器的自动化控制就显得尤为重要。 本文研究的主要内容包括： 1 通过对反应器结构和原理的分析，结合本实验的研究重点一内循 环量，设计并加工制造出可简便精确测定内循环量大小的反应器( i 撑) ； 2 运行i 群反应器，得出厌氧内循环反应器启动的一般规律； 3 针对i 群反应器运行中出现的问题，对反应器的部分结构进行改进， 设计出更加合理的i i # 厌氧内循环反应器； 4 稳定运行i i # 反应器，验证反应器结构改进的效果，并通过对反应 器稳定运行数据的分析，研究内循环量r q 与产气率s 之间的典型二元 参数问数学模型关系。 厌氧内循环反应器的运行结果表明： 1 i 撑反应器在容积负荷达到1 2 9 c o d l d 时，可成功启动；容积负荷 达到1 8 9 c o d l d 时，c o d 去除率达到8 4 3 。 2 i 撑反应器容积负荷提高到2 0 9 c o d l d ，h r t 为7 2 h 时，反应器运 行状况恶化，污泥上浮，出水s s 浓度大幅增加；通过对i 群反应器内循 环系统和三相分离器进行的改进，提升了改进后的i i # 反应器污泥保留 能力以及降低了反应器内循环回流阻力； 3 i i # 反应器具有更高的污泥保留能力，在容积负荷达到 4 0 9 c o d l d 时，c o d 去除率依然可达到8 5 左右，说明反应器中高活性 颗粒污泥的保留是反应器高效能去除有机物的前提和关键；此时反应器 产气率达到0 8 3l ，l d ，内循环量是进液量9 倍左右，厌氧内循环反应器 具有良好的进液稀释功能。 4 运用灰色系统建模理论，通过对实验数据的分析，在进水c o d 浓 度7 1 3 5 9 9 8 0 m g l ，i i # 反应器有效容积负荷为2 1 4 - 4 0 9 c o d l d 条件下， 建立反应器内循环量r q 与产气率s 之间的典型二元参数间数学模型： 生掣+ 0 8 8 3 9 ( r q ) 。) = 1 0 2 3 9 s | ( i ) c l t 该模型可为反应器的自动控制打下基础。 关键词：厌氧内循环反应器，内循环量，数学模型 s t u d yo nc i r c u l a t i o na n dm a t h e m a t i c a l m o d e lo fa n a e r o b i ci n t e r n a l c i r c u l a t i o nr e a c t o r a b s t r a c t 。i 。h et e c h n i c a lc o r eo fa n a e r o b i ci n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o ri st od r a w s u p p o r t f r o mm e t h a n eg e n e r a t e di nt h er e a c t o rt or e a l i z et h ei n t e r n a l c i r c u l a t i o n ，w h i c hc a na c h i e v et h es t r e n g t h e n e dt r a n s f e r r i n gp r o c e s sa n d e n h a n c et h em a t e r i a lt r a n s f o r m a t i o ne f f i c i e n c y t h eb i g g e rc o n c e n t r a t i o n t h ew a s t e w a t e ri s ，t h em o r em e t h a n eg e n e r a t e di nt h er e a c t o r ，t h es t r o n g e r i n t e r n a lc i r c u l a t i o nh a s ，t h em o r ei n t e n s et r a n s f e rp r o c e s si s ，a n dt h eh i g h e r m a t e r i a lt r a n s f o r m a t i o n e f f i c i e n c yi s t h e r e f o r e ，t h a t i s e s p e c i a l l y i m p o r t a n tt od e t e r m i n et h ec r a f tf a c t o r sa f f e c t i n gt h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o n q u a n t i t ya n do b t a i nt h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nd u a lm a t h e m a t i c a lp a r a m e t e r r e l a t i o nm o d e lf o re n h a n c i n gt h er e a c t o rp o t e n c ya n dr e a l i z i n gt h e a u t o m a t i cr e a c t o rc o n t r 0 1 t h ec o n t e n to ft h er e s e a r c ho ft h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e df o u rs e c t i o n s a sf o l l o w i n g ： 1 1 1 1 ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rw h i c hc a nd e t e r m i n et h eq u a n t i t yo f i n t e r n a lc i r c u l a t i o n a c c u r a t e l y a n d s i m p l y h a sb e e n d e s i g n e d a n d m a n u f a c t u r e db a s e do nt h ec o n n e c t i o no ft h ea n a l y s i so fr e a c t o rs t r u c t u r e a n dp r o c e s s i n gp r i n c i p l e sa n dt h e e x p e r i m e n t a lk e yt h er e s e a r c h - - - t h e i n t e r n a lc i r c u l a t i o n 2 t h eg e n e r a lr u l e so fo p e r a t i n gi n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rh a sb e e n o b t a i n e dt h r o u g ht h eo p e r a t i o no ft h ed e s i g n e dr e a c t o l 3 t h ei m p r o v e m e n tt ot h ep a r t i a lp r i m a r yr e a c t o rs t r u c t u r e sh a sb e e n m a d et od e s i g nm o r er e a s o n a b l er e a c t o rw h e ns t r u c t u r ep r o b l e ma p p e a r si n v i e wo ft h eo p e r a t i o no ft h ep r i m a r i l yd e s i g n e dr e a c t o r 4 t h ei m p r o v e dr e a c t o rh a sb e e nr u no n c em o r e a g a i n ，w h i c h c o n f i r m st h ee f f e c to ft h er e a c t o ri m p r o v e m e n t ，a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h i sp e r f o r m a n c ed a t a ，t h ed u a lp a r a m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n o b t a i n e db e t w e e nt h eq u a n t i t yo fi n t e r n a lc i r c u l a t i o nr qa n dt h eg a s 1 1 1 g e n e r a t i o nr a t e t h er e s u l t so fo p e r a t i o no fa n a e r o b i ci n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r i n d i c a t e sa sf o l l o w i n g ： 1 t h ed e s i g n e dr e a c t o rc a ns u c c e e dt h es t a r tw h e nt h ev o l u m el o a d a c h i e v e s12 9 c o d l d ，a n dt h ec o de l i m i n a t i o nr a t ec a na c h i e v ea sh i g ha s 8 4 3 w h e nt h ev o l u m el o a d i n gi sl8 9 c o d l d 2 w h e nv o l u m el o a di si m p r o v e dt o2 0 9 c o d l d h r ti s7 2 h t h e o p e r a t i o nc o n d i t i o no fn o 1r e a c t o rw o r s e n e d ，t h em u dg o e su p ，s sd e n s i t y o fo u t l e ti n c r e a s e sb yaw i d em a r g i n ；t h r o u g ht h ei m p r o v e m e n to ft h e i n t e r n a lc i r c u l a t i o ns y s t e ma n dt h r e e - p h a s es e p a r a t o r ，t h en o 2r e a c t o r s a b i l i t yo fk e e p i n gs l u d g eh a sb e e np r o m o t e d ，a n dr e s i s t a n c eo fr e f l u xo f i n t e r n a lc i r c u l a t i o nh a sb e e nr e d u c e d 3 t h ei m p r o v e dd e s i g n e dr e a c t o rh a sh i g hs l u d g er e t e n t i o n ，a n dw h e n t h ev o l u m el o a da c h i e v e s4 0 9 c o d l d ，t h ec o de l i m i n a t i o nr a t es t i l l a c h i e v e s8 5 a p p r o x i m a t e l y ，w h i c hs h o w st h a tt h eh i g ha b i l i 哆o fr e t e n t i n g h i g h a c t i v i t yg r a n u l a rs l u d g ei st h ek e y r e a c t o ra n dp r e m i s et oa c h i e v eh i g h c o de l i m i n a t i o nr a t e t h i st i m e ，w h e nt h eg a sg e n e r a t e dr a t ea c h i e v e s 0 8 3 l l d t h ei n t e r n a lc i r c u l a t i o nq u a n t i t ye v e ne q u a l s9t i m e so ft h e i n f l o w , w h i c hi n d i c a t e sa n a e r o b i ci n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o rh a sg o o d a b i l i t yo fd i l u t i n gi n f l o wf u n c t i o n 3 t h r o u g ht h ee m p i r i c a ld a t aa n a l y s i s ，u t i l i z i n gt h eg r a ys y s t e m m o d e l i n gt h e o r y t h ed u a lp a r a m e t e rm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e db e t w e e nt h eq u a n t i t yo fi n t e r n a lc i r c u l a t i o n ( r q ) a n dt h eg a s g e n e r a t i o nr a t e ( s ) u n d e rt h i sr e s e a r c hc o n d i t i o no fc o d c o n c e n t r a t i o ni s 7135 - 9 9 8 0 m e , l ，e f f e c t i v ev o l u m el o a d i n gr a t ei s21 4 - 4 0 9 l d ，a n dt h e m o d e l i s ： d ( r _ q ) i5 0 0 m 【g l ) 的废水更是如此。表l 一1 为 厌氧废水处理与好氧处理成本的比较。 表1 - 1 莱工业废水处理厂厌氧处理与好氧处理相对成本比较【” ( 以厌氧技术处理总费用为1 0 0 ) t a b l e l 1c o s tc o m p a r i s o nb e t w e e na n a e r o b i ca n da e r o b i ct r e a t m e n to fc e r t a i ni n d u s t r i a l w a s t e w a t e r 【。i ( c o n s i d e rt h ec o s to fa n a e r o b i cw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta s1 0 0 ) 其它的一些文献也给出了类似的结果，例如，p i c h o n c 5 i 比较了处理2 5 0 0 m 3 d c o d ，b o d 浓度分别为2 6 0 0 m g l 和l o o o m g l 的工业废水的费用，当用好氧技术 处理时每吨水成本为0 , 4 美元，而用厌氧技术处理时每吨水的成本仅为0 1 4 美元， 这其中还没有计入所产沼气的价值。 由表1 1 可见，厌氧技术成本的降低主要是由于动力的大量节省，营养物添加 费用和污泥脱水费用的减少。即使不计所产沼气作为能源带来的收益，厌氧技术 处理成本也仅为好氧技术处理成本的约l 3 。如所产沼气能被利用。则费用更会大 幅度降低，甚至会带来相当的利润。 在实践上，在废水厌氧处理之后往往再辅以好氧处理作为其后处理。h a b e t s 等 6 1 比较了好氧工艺和厌氧+ 好氧处理的投资和成本( 表1 2 ) 。表1 2 中的三个系统 都是同样性质的工业废水，好氧系统a 为另两个系统处理能力的一半，另两个系 统( 即好氧系统b 和厌氧+ 好氧系统) 的处理能力相同。由表中可以看到，当在原好 氧系统a 前加上厌氧处理系统后，每年废水处理费用仅上升了1 1 ，但处理能力 扩大了一倍。当该厂将厌氧处理部分沼气用于高压蒸汽的生产时，每年回收热量 4 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 节约1 0 9 万美元。相同处理能力下，好氧系统与厌氧+ 好氧的优劣也可从表1 2 中 明确看到。 表1 - 2 好氧活性污泥工艺和厌氧撕氧工艺年操作费用的比较【6 j 单位：万美元 t a b l e l 一2y e a r l yo p e r a t i o nc o s tc o m p a r i s o nb e t w e e na c t i v a t e ds l u d g et e c h n i q u ea n d a n a e r o b i cp l u sa e r o b i ct r e a t m e n tt e c h n i q u e e ) u n i t ：t e nt h o u s a n dd o l l a r s 厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。据报道1 4 ，每处理 l t c o d 的废水，厌氧工艺只需要耗电2 7 1 0 8 j ( 7 5 k w h ) ，而好工艺需耗电 3 6 x 1 0 8 j ( 1 0 0 0 k w h ) 。厌氧法在理论上每除去i k g c o d 可以产生0 3 5 m 3 的纯甲烷气 ( 0 0 c 1 0 1 3 x 1 0 5 p a 下) 。纯甲烷气的燃烧值为3 9 3 x 1 07 j m 3 ，高于天然气 3 5 3 x 1 07 j m 3 的燃烧值，每m 3 甲烷可发电8 6 4 x 1 0 6 j ( 2 4k w h ) ，因此甲烷是很好 的能源。含甲烷约6 0 8 0 的沼气也可以用于锅炉燃料或家用燃气。以日排放 c o d l o t 的工厂为例，若c o d 去除率为8 0 ，甲烷产量为理论值的8 0 ，则可日产 甲烷2 2 4 0m 3 ，其热量相当于2 5 0 0m 3 天然气或优质原煤3 8 5 t ，可发电 1 , 9 9 4 x 1 0 1 0 j ( 5 4 0 0 k w h 1 。 厌氧废水处理设备负荷高，占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要高很 多，单位反应器容积的有机物去除量也因此要高得多，特别是使用新一代的高速 厌氧反应器更是如此。因此其反应器体积小，占地省。这一优点对于人口密集 地价昂贵的地区是非常重要的。澳大利亚某造纸厂在改造旧有的好氧工艺时，引 陕西科技大学硕士学位论文 入厌氧处理先行处理废水，在占地面积不变的情况下，使废水处理能力增加了一 倍i 。 厌氧方法产生的剩余污泥量比好氧法少得多，且剩余污泥的脱水性能好， 浓缩时可不使用脱水剂，因此剩余污泥的处理要比好氧污泥容易得多。由于厌氧 微生物增殖缓慢，因此处理同样数量的废水仅产生相当于好氧法1 1 0 b i 6 的剩余 污泥。厌氧法所产生的污泥高度无机化，可用作农田肥料或作为新运行的厌氧废 水处理设备的种泥出售。 厌氧方法对营养物的需求量小。一般认为，若以可以生物降解的 c o d ( c o d b d ) 为计算依据，好氧方法氮和磷的需求量为c o d b d ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：1 ，而 厌氧方法为( 3 5 0 - - 5 0 0 ) ：5 ：1 。有机废水一般已含有一定量的氮和磷及多种微量元 素，因此厌氧方法可以添加不添加或少添加营养盐。 厌氧方法可处理高浓度的有机废水。当废水浓度较高时，不需要大量的稀 释水。 厌氧方法的菌种( 例如厌氧颗粒污泥) 可以在中止供给废水与营养的情况下 保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上。它的这一特性为其间断的或季 节性的运行提供了有利条件，厌氧颗粒污泥因此可作为新建厌氧处理厂的种泥出 售。 厌氧系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作，无需昂贵的设备。 目前处理工业废水的上流式厌氧污泥床反应器( u a s b ) 由几十立方米到上万立方米 的规模运行。由荷兰b i o t h a n e 公司为加拿大b a t h u r s t 造纸公司设计的u a s b 反应 器容积为1 5 6 0 0 m 3 ，可日处理制浆造纸废水1 8 5 t c o d t - l 。 综上所述，厌氧处理的种种优点相当适合我国的国情，是一种很值得推广的 技术。但同时也应该看到，厌氧方法用于大规模的工业废水的处理还只是近4 0 年 间的事，厌氧技术的发展还不是很充分，其经验与知识的积累尚有一定的局限性。 作为一种新兴的废水处理技术，它也具有以下一些不足之处： 厌氧方法虽然负荷高，去除有机物的绝对量与进液浓度高，但其出水c o d 浓度高于好氧处理出水浓度，原则上还需要后处理才能达到较高的废水排放标准。 厌氧微生物对有毒物质较为敏感，因此，对于有毒废水性质了解的不足或 操作不当在严重时可能导致反应器运行条件的恶化。但是随着人们对有毒物质的 种类，毒性物质的允许浓度和可驯化性的了解以及厌氧工艺上的改进，这一问题 正在得到很好的克服。近年来，人们通过研究还发现，厌氧细菌经驯化后可以极 大地提高其对毒性物质的耐受力。 厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要8 1 2 周时间。这是因为厌氧细 6 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 菌增殖缓慢所致，但也正是这个原因，厌氧技术处理系统可以产生很少的剩余污 泥。由于厌氧污泥可以长期保存，因此新建的厌氧处理系统在其初次启动时可以 使用现有厌氧系统的剩余污泥接种，启动慢的问题既可得到解决。 1 4 厌氧生物处理技术发展历程 废水厌氧处理工艺的实质是利用厌氧微生物的代谢特性，将废水中有机物进 行还原，同时产生甲烷气体的一种经济而有效的处理技术。事实上，厌氧消化工 艺并不是一个新的工艺，在一百多年前人们就认识到沼气的产生是一个微生物学 过程，并开始利用厌氧工艺来处理城市生活污水废污泥。在厌氧工艺出现的一百 多年的历史中，厌氧废水处理技术发展非常缓慢。直到2 0 世纪六七十年代，随着 经济的快速发展以及城市的迅猛增容，环境污染和能源紧张问题变得越来越严重 时。厌氧废水处理工艺作为一种低能耗的有机废水生物处理方法，才得到人们越 来越广泛的重视。 在厌氧生物处理工艺发展过程中，厌氧反应器是发展最快的领域之一。从一 百多年前的厌氧消化工艺开始，厌氧反应器的发展距今已经历了三个时代【7 ，： 1 4 1 第一代厌氧反应器 作为第一代厌氧反应器代表的厌氧消化池最早于1 8 9 6 年出现在英国，用于处 理城市生活污水，所产生的沼气并可用来照明【】。随后的几十年中，厌氧处理技术 有了较快的发展并得到了比较广泛的应用。至1 9 1 4 年，美国有1 4 座城市建立了 厌氧消化池。2 0 世纪4 0 年代，澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了厌 氧污泥与废水的混合，提高了处理效率。厌氧微生物增殖很缓慢，世代时间长， 足够长的停留时间是厌氧技术成功的关键，但很显然，这些厌氧反应器采用的是 污泥与废水完全混合的模式，污泥在反应器里的停留时间( s r t ) 与废水在反应器中 的停留时间( s r t ) 是相同的，因此污泥在反应器里浓度很低，处理效果很差。废水 在反应器里要停留几天到几十天之久。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪肥 的消化，尚不能经济地用于工业废水的处理。 s e h r o e p f e r 在2 0 世纪5 0 年代开发了厌氧接触反应器( 见图1 3 ) 。这种反应器 是在连续搅拌反应器的基础上于出水沉淀池中增设污泥回流装置，使部分厌氧污 泥又重新返回到反应器中，从而增大了反应器中厌氧污泥的浓度，使厌氧污泥在 反应器中的停留时间( s r t ) 第一次大于水力停留时问( s r t ) ，提高了其负荷和处理 效率，一般其容积负荷可达到4 5 9 c o d ( l - d 1 左右。厌氧接触反应器的出现是厌 氧技术的一个重要发展。就反应器中污泥浓度通过液固分离，回流来提高这一点 来说，厌氧接触工艺与好氧活性污泥工艺颇为相似。 陕西科技大学硕士学位论文 水 田l - 3 厌氧接触工艺 f i g 1 3a n a e r o b i cc o n t a c tr e a c t o r 1 4 2 第二代厌氧反应器 高效厌氧技术处理系统必须满足以下两个条件：系统内能够保持大量的活性 厌氧污泥；反应器进水与污泥能够保持良好的接触。 依据这一原则，借鉴生物反应工程中固定化技术取得的成就，基于微生物固 定化原理的高速厌氧反应器得以发展，出现了一系列的第二代高速厌氧反应器。 第一个突破性发展是在2 0 世纪6 0 年代末由m c c a r t y 和y o u n g 推出的厌氧滤 器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ，分上流式和下流式厌氧滤器) ( 见图1 4 ) 。它的成功 之处在于在反应器中加入固体填料( 如沙砾等) ，微生物附着生长在填料的表面上形 成生物膜。生物膜与填料一起形成固定的滤床。微生物膜由于附着于填料上免于 反应器水力的冲刷而得到保留，巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间 相分离，其固体停留时间可以延长达上百天，把水力停留时间和污泥停留时间分 别对待的思想是厌氧反应器发展史上的一个里程碑。 ab 图1 4 a 一上流式厌氧滤器b 一下流式厌氧滤器 f i g 1 - 4a u p n o wa n a e r o b i cf i l t e rr e a c t o rb - - d o w n f i o wa n a e r o b i cf i l t e rr e a c t o r 1 9 7 4 年，荷兰w a g n i n g e n 农业大学l e t t i n g a 教授领导的研究小组研究和开发 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 e d ，简称u a s b ) 。反应器 最大的技术特点是反应器内颗粒污泥的形成保证了高浓度的厌氧污泥，u a s b 反 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 应器的出现标志着厌氧反应器研究进入了一个新的时代。 u a s b 反应器是且前应用最为广泛的高速厌氧反应器。u a s b 反应器主体部分 由反应区和气、液、固三相分离区组成，其结构如图1 5 所示。 图l - 5u a s b 反应器p 1 f i g 1 - 5u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e dr e a c t o r 1 7 】 如图1 5 所示，反应器在运行时，废水由反应器底部进入，反应器主体为无 填料的空容器，其中含有大量的厌氧污泥。由于废水以一定流从下而上流动以及 厌氧过程产生的大量沼气的搅拌作用，废水与污泥混合充分，有机质被吸附分解， 所产沼气经由上部的三相分离器的集气室排出，含有悬浮污泥的废水进入三相分 离器的沉淀区，由于沼气已从废水中分离，沉降区不再受到沼气搅拌作用的影响， 废水在平稳上升过程中，其中沉降性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分， 从而保证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥的废水从反应器上方溢流 排出。u a s b 反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，能够允许较大的上 流速度和很高的容积负荷。 u a s b 反应器内有机负荷高，水力停留时间短，处理周期大为缩短；反应器 内无填料，无污泥回流装置，无搅拌装置，建设成本和运行费用大大降低；反应 器初次启动可直接以污泥颗粒接种，目前已成为应用最为广泛的厌氧处理工艺。 虽然u a s b 反应器是目前应用最为广泛的厌氧反应器，然而u a s b 反应器在 设计中的局限性也不断从运行经验中暴露出来。u a s b 的局限性与反应器内污泥 的洗出有关。尽管颗粒污泥本身有着良好的沉降性能，然而在高的上流气速和上 流液速的情况下，u a s b 反应器中污泥的保留也越来越困难。对于低浓废水，为 了防止因上流速度过高而导致污泥的洗出，反应器的容积负荷被局限在5 8 g c o d ( l d ) ，在这个负荷率下，最小的水力停留时间为4 5 h 。对于高浓废水而言， 为了防止因产气量的增加而使得湍动程度加剧，从而导致污泥的洗出，反应器的 容积负荷率又被限制在1 0 2 0g c o d ( l d 1 范围内。 进一步分析发现，颗粒污泥的最大潜在产甲烷活性似乎要比生产性u a s b 反 应器中一般所采用的污泥负荷率要高得多，因此可以看出反应器内污水混合物没 9 陕西科技大学硕士学位论文 有达到最佳混合状态，其传质过程受到限制，进而影响了其处理能力。众所周知， 污泥与有机物的良好接触主要是靠进水和产气的搅动。因此，强化传质过程最有 效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。然而，高负荷所产生的剧烈搅 动会使u a s b 反应器中的污泥处于完全膨胀状态，使原本是s r t h r t 的反应器 状态向s r t = h r t 的方向转变，导致污泥的过量流失。为避免出现过高的水力负荷 和产气负荷，u a s b 常常将进水的上升流速控制在l - 2 t r d h 以内，反应器的高度控 制在6 m 以下。u a s b 的缺陷就在于未能解决好泥水混合物的传质问题，从而导致 了设计反应器时对于低浓废水在水力条件上受到限制，对于高浓废水又在有机负 荷能力上受到限制的矛盾情况。生产中为了能获得稳定的处理效果，节约调节d h 值的中和药剂，常常循环回用已经厌氧处理的出水，使其与入水进行混合，然而 由于低浓废水的水力限制，这种外部循环的采用也同样受到循环比的限制；而且 当进水中悬浮物浓度过高时会引起堵塞。对于这些情况，无疑要求传统的u a s b 反应器系统做出设计上的改进。正是由于对这些困难问题的深入研究，导致了第 三代厌氧反应器的产生1 1 5 1 4 3 第三代厌氧反应器 高效厌氧处理反应器中不仅需要分离污泥停留肘间和平均水力停留时阃，还 应使进水和污泥之间保持充分的接触】 第二代厌氧反应器的发展主要基于固体停留时间与水力停留时间的分离而发 展产生的一类新型反应器。但是对于进水无法采用高的水力和有机负荷的情况下， 例如。在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床内混合强度太低，以致无 法抵消短流效应。对于这种情况，第二代反应器的应用负荷和产气率受到限制。 为获得高的搅拌强度，而采用高的反应器的设计来获得高的上升流速或采用出水 回流。 为了最佳利用厌氧污泥的高产甲烷活性( 1 k g c o d k g v s s d ) 和厌氧处理系统 中所能达到的高污泥浓度( 6 0 7 0 9 t s s l ，基于反应器的总容积) ，诞生了一系列的第 三代厌氧生物反应器，如a s b r ( a n a e r o b i cs e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r 。厌氧序列式反 应器1 训厌氧内循环反应器等，其中厌氧内循环反应器更以其先进的性能成为 了第三代反应器的代表。 1 4 4 第三代厌氧反应器的代表厌氧内循环反应器 厌氧内循环反应器是由荷兰p a q u e 公司在2 0 世纪8 0 年代中期基于u a s b 反应器 的颗粒化和三相分离器的概念上开发成功的厌氧反应器m 州，但由于p a q u e 公司在 初期采用技术保密措施，直到9 0 年代国内才有关于厌氧内循环反应器技术的简单 报道。且前国内外研究主要集中在反应器处理中高浓度废水的运行特性方面，缺 l o 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 乏对反应器系统理论和内循环量的深入研究。 1 4 。4 1 厌氧内循环反应器的结构【2 7 m 1 厌氧内循环反应器可以看作是由下面的e g s b ( e x p a n d e d g r a n u l a r s l u d g e b e d ， 膨胀污泥床) 反应器和上部的u a s b 反应器上下叠加串联而成，结构由图1 - 6 表示： 图1 6 厌氧内循环反应器结构图 f i g 1 6s t r u c t u r eo fi n t e r n a lc i r c u l a t i o nr e a c t o r l 一均匀布水装王；2 一取样孔；3 一阻流元件；4 _ 一一级三相分离嚣；5 一气液提升管； 6 一回流管；7 一二级三相分离器；8 一聚气管；9 一气液分离器；l o _ 一溢流区；1 l 一沉淀区； 1 2 一二级反应区；1 3 m - - 级反应区：1 4 一进水区 1 4 4 2 厌氧内循环反应器的工作原理 2 9 - $ 1 i 反应器的运行原理是：废水从反应器底部布水系统进入反应器内，布水系统 使进液在底部混合区与从反应器顶部返回的内循环水和膨胀颗粒污泥进行充分有 效的混合，由此产生对进液的稀释和均质作用，并在第一反应区发生厌氧反应产 生沼气。在第一反应区产生的沼气由一级三相分离器收集，沼气将沿着提升管上 升，并形成气提夹带作用。气提作用携带第一厌氧反应室的部分泥水混合物经气 液提升管提升到反应器项部的气液分离器内，被分离出的沼气从气液分离器顶部 的导管排走。由于在此大部分沼气脱离混合物外排，混合流体的密度变大，在重 力作用下经回流管返回到第一厌氧反应区的底部，并与底部的颗粒污泥和进水充 分混合，从而实现了混合液的内部循环，厌氧内循环反应器也由此而得名内循 环的结果使得第一反应区不仅由很高的生物量、很长的污泥龄并具有很大的升流 速度，使该反应室里的颗粒污泥完全达到流化，有很高的传质效率，使生化反应 速率提高，从而大大提高了第一反应室去除有机物的能力。上升的泥水混合物经 过一级沉降后，上升水流的主体部分继续向上升流至第二反应区被厌氧颗粒污泥 进一步降解，去除废水中剩余的有机物，使废水得到更好的净化，提高了出水水 质，因此这部分等于一个有效的后处理过程。第二厌氧反应室产生的沼气通过集 陕西科技大学硕士学位论文 气管进入气液分离器排出。第二厌氧反应室的泥水混合物在沉淀区进行固液分离， 处理过的上清液经溢流堰溢流至出水管排走，沉淀下来的颗粒污泥可自动返回到 第二厌氧反应室，这样废水就完成了处理的全过程。 可以看出，厌氧内循环反应器把进液和混合布水系统、流化床反应室、内循 环系统、深度净化反应室这4 个重要的工艺过程集合在同一个反应器内，体现了当 今废水厌氧处理反应器技术的最高水平，也当之无愧的成为了第三代厌氧反应器 的代表。 1 4 4 3 厌氧内循环反应器内液体的循环【2 6 1 厌氧内循环反应器的工作原理与空气提升液体循环反应器十分相似。沼气提 升混合液体内循环的原理图可简化为图1 - 8 所示，这与空气提升反应器的液体循环 基本相似。 图1 7 简化的沼气提升内循环原理示意图 1 沼气提升管；2 回流管 f i g 1 - 7s k e t c hg r a p ho ft h ep r i n c i p l eo fs i m p l eg a sl i f t i n gc i r c u l a t i o n 1 g a sl i f t i n gp i p e2 d o w n e r 沼气提升内循环回路的能量平衡可用文字式表达： 沼气气泡绝热膨胀产生的能量= 循环系统的能量消耗 可写成以下数学表达式： e i = e r + e d + e b + e t + e f( 1 - 1 ) 式中： e ；沼气绝热膨胀提供的能量： e r 提升管内气泡尾流的能量消耗； e r 回流管内沼气滞流的能量损失； e b ，e r _ 分别为流体在反应器低和项的能量损失； e - 提升管和回流管内摩擦阻力的损失。 为了简化，可以假定厌氧内循环反应器内的混合液的粘滞度与水相同，属于 牛顿低粘滞度液体，厌氧内循环反应器提升管和回流管内壁表面的摩擦损失相对 1 2 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 于式( 1 1 ) 中的其它项能量损失可以忽略不计。 前已述及，式( 1 1 ) 中的e i 为沼气绝热膨胀产生的能量，可用下式表达： e i = q p h 1l + 学l ( 1 - 2 ) 1 提升管内沼气气泡尾流引起的能量消耗( e r ) ，可通过采用提升管液体作为控制 容积的能量平衡获得，如下式所式： e i = e s p g h d ( 1 一占，妙上，爿，+ p l g h d u 工r 4 厶 ( 1 3 ) 压能损失势能得到 经过化简，上式可写为： e s = e i p l g h d 叽，a ，占， ( 1 - 4 ) 回流管内由沼气阻尼引起的能量( e d ) ，可通过采用回流管液体作为控制容积， 对回流管写出能量平衡式： 0 = e o + 户g h d ( 1 一白炒“a d p g h d u “a o ( 1 - 5 ) 压能得到势能损失 上式简化，可得到： e o = p g h 口u 口以毛 ( 1 - 6 ) 沼气提升厌氧内循环反应器项和底部断面的能量损失可按管流相同的方法进 行计算，因此有： e 。+ 岛= 三p 。i 眩芷，a ，( 1 一占，) + y 刍墨，a 。( 1 一占。) 】( 1 - 7 ) 式中： k t ，k b 分别为顶和底部断面的阻力系数5 v l r ；v l d 分别为提升管和回流管实际的线性液体流速，并与相应的表面流 速有关，可按下式计算： 吃：当( 1 - 8 ) 1 一f i - ， ：粤( 1 - 9 ) i 一5 j 此外，还可以写出提升管和回流管之间流体的连续方程： 爿，( 1 一占，) 0 = 以( 1 一旬弘么 ( 1 一l o ) 用式( i 8 ) 和式( 1 1 0 ) 代入式( 1 7 ) 可得： 陕西科技大学硕士学位论文 即易= 三砒4 南岷( 丢) 2 d m 用式( 1 4 ) 、( 1 - 6 ) 乖1 式( 1 1 1 ) 代入式( 1 1 ) 中，可得： 辅训m ”删以纷三矶叫南竭滢 2 而1 上式简化和移项，可得u l ，的表达式： ( 1 - 1 2 ) ( 1 1 3 ) 式( 1 - 1 3 ) 是沼气提升厌氧内循环反应器反应器在简化条件下升流管内的混合 液流体流速预测的一般表达式。根据实际情况，可以得出实际厌氧内循环反应器 升流管内混合液流体流速的一般表达式。 以上各式中： 回流管截面面积，m 2 ； a 广_ 提升管截面面积，m 2 ； e b 底部连接的能量损失，w ； e r 顶部连接的能量损失，w ； g 重力加速度，m s ； h d 气、液扩散高度，m ； k b 底部阻力损失系数， k r 顶部阻力损失系数， p h 反应器顶部空间压力，n m ； q 气体容积流量，n 1 3 s ； u l d 回流管液体表面流速，m s ； u l 广提升管液体表面流速，m s ； v l d 回流管线( 填隙式) 液体流速， v l ，提升管线( 填隙式) 液体流速， 1 4 而揣 吣 l ；i 1 刍 厌氧内循环反应器及循环量数学模型研究 d 回流管内沼气容纳量，( ) ； ，提升管内沼气容纳量，( ) ： p l 液体密度，k g m 一。 1 4 4 4 厌氧内循环反应器的技术优点1 2 6 】 厌氧内循环反应器具有很多技术优点，主要如下： 具有高容积负荷率。内循环使得传质效果好，生物量，污泥龄长，进水有 机负荷率比普通的u a s b 反应器高出3 倍左右。当进水c o d c ，为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 m g l 时，c o d c ，容积负荷率可达3 0 4 0 9 c o d ( l - d ) ：当c o d c ，为2 0 0 0 3 0 0 0 m g l 时，进水c o d c r 容积负荷率可达2 0 2 5 9 c o d ( l d ) ，h r t 仅为2 3 h ， c o d c ，去除率可达8 0 。上升流速可达l o 2 0 m h 。 节省基建投资和占地面积。由于厌氧内循环反应器比普通u a s b 反应器有 高出3 倍多的容积负荷率，因此，处理同等有机容积负荷的废水时，厌氧内循环 反应器的体积为普通u a s b 反应器的l ，4 1 3 左右，可降低基建投资。由于反应 器具有很大的高径比，占地面积小，非常适合于占地面积紧张的厂矿企业采用。 沼气提升形成内循环，不必外加动力。厌氧内循环反应器是以自身产生的 沼气作为提升动力实现混合液内循环，不必另设水泵实现强制循环，节省了能耗。 具有p h 值缓冲能力。内循环流量相当于第一级厌氧出水的回流，可利用 c o d 转化的碱度，对p h 起缓冲的作用，使反应器内的p h 保持稳定，可减少进水 的投碱量，减少企业治污成本。 抗冲击负荷能力强。处理