折流式厌氧反应器的工艺特性及其运用.doc

折流式厌氧反应器的工艺特性及其运用来源：岁月联盟 作者：黄永恒 王建龙 文湘 时间：2010-08-24 作者：黄永恒 王建龙 文湘华 钱易摘要：实践表明，一个成功的反应器必须是：具备良好的截留污泥的性能，以保证拥有足够的生物量；生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质。同时，研究人员基于对各类化合物厌氧降解机理研究的进展，从厌氧底物降解途径和动力学两方面入手，分析提高和保持反应器内微生物活性的可能措施，并与反应器的设计相结合，全面提高反应器的性能。 关键词：折流式厌氧反应器 1 新型厌氧反应器及新工艺理念实践表明，一个成功的反应器必须是：具备良好的截留污泥的性能，以保证拥有足够的生物量；生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质。同时，研究人员基于对各类化合物厌氧降解机理研究的进展，从厌氧底物降解途径和动力学两方面入手，分析提高和保持反应器内微生物活性的可能措施，并与反应器的设计相结合，全面提高反应器的性能。厌氧过程实质是一系列复杂的生化反应，其中的底物、各类中间产物、最终产物以及各种群的微生物之间相互作用，形成一个复杂的微生态系统，类似于宏观生态中的食物链关系，各类微生物间通过营养底物和代谢产物形成共生关系(symbiotic)或共营养关系(symtrophic)。因此，反应器作为提供微生物生长繁殖的微型生态系统，各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是保持该系统持续稳定的必要条件。如何培养和保持相关类微生物的平衡生长已经成为新型反应器的设计思路。Lettinga教授1在展望未来厌氧反应器动向时指出，现有的各类高效厌氧反应器中，上流式污泥床(USB)系统是最受欢迎的，也是最有发展前途的，上流式厌氧污泥床(UASB)系统在全球范围的风行可以作为例证。USB系统的一个优点是反应器内水流方向与产气上升方向相一致，一方面减少堵塞的机会，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泥。关于新型高效反应器，Lettinga在推荐膨胀颗粒污泥床反应器EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)的同时，提出了另一个极有前途，同时也是极富挑战性的新工艺，即分阶段多相厌氧反应器技术SMPA(Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor)1。实际上SMPA并非特指某个反应器，而是一种新工艺思想。据称，该工艺将适用于各类温度条件，从低温(55均可运行，对于各种含抑制性化合物的化工废水也能适应。?SMPA的理论思路是： 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境因子(pH,H2分压值等)；? 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合； 各个单体内的产气互相隔开； 工艺流程更接近于推流式，系统因而拥有更高的去除率，出水水质更好。从上述的思路可以看出，SMPA的理论依据来源于对厌氧降解机理的最新理解。Lettinga指出，组成SMPA的单体反应器既可是EGSB，也可是UASB。2 折流式厌氧反应器折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor)是Bachman和McCarty等人2于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器，其构造如图1。反应器特点是：内置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床(USB)系统，其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在。水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB反应器的简单串联，但工艺上与单个UASB有显著不同。UASB可近似地看作是一种完全混合式反应器，而ABR则更接近于推流式工艺。与Lettinga提出的SMPA3工艺对比，可以发现ABR几乎完美地实现了该工艺的思路要点。首先，挡板构造在反应器内形成几个独立的反应室，在每个反应室内驯化培养出与该处的环境条件相适应的微生物群落。例如ABR用以处理葡萄糖为基质的废水时，第一格反应室经过一段时间的驯化，将形成以酸化菌为主的高效酸化反应区，葡萄糖在此转化为低级脂肪酸(VFA)，而其后续反应室将先后完成各类VFA到甲烷的转化。通过热力学分析可知，细菌对丙酸和丁酸降解只有在环境H2分压较低的情况下才能进行4，而有机物酸化阶段是H2的主要来源，产甲烷阶段几乎不产生H2。与单个UASB中酸化和产甲烷过程融合进行不同，ABR反应器有独立分隔的酸化反应室，酸化过程产生的H2以产气形式先行排除，因此有利于后续产甲烷阶段中丙酸和丁酸的代谢过程在较低的H2分压环境下顺利进行，避免了丙酸、丁酸过度积累所产生的抑制作用。由此可以看出，在ABR各个反应室中的微生物相是随流程逐级递变的，递变的与底物降解过程协调一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的工作活性。其次，同传统好氧工艺相比，厌氧反应器的一个不足之处是系统出水水质较差，通常需要经过后续处理才能达标排放。而ABR的推流式特性可确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器的运行也更加稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力。值得指出的是，ABR推流式特点也有其不利的一面，在同等的总负荷条件下与单级的UASB相比，ABR反应器的第一格不得不承受远大于平均负荷的局部负荷。以拥有5格反应室的ABR为例，其第一格的局部负荷为其系统平均负荷的5倍。如何降低局部负荷过载的不利影响还有待于深入探讨。3 ABR的研究现状及应用前景目前关于ABR反应器的研究尚处于实验室阶段。英国的一些研究机构在反应器的工艺特性方面做了较多的研究。ABR的工艺特性与其水力特性紧密相关。对于ABR的水力学特性，A.Grobicki、D.C.Stuckey3和天津大学的郭静10研究表明：ABR反应器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低。反应死区可以分为生物死区和水力死区，生物死区来源于污泥所占的体积以及污泥对水力条件的改变；水力死区则可通过改善反应器构造设计而减小。在单个反应室内，水力特性接近于完全混合式，而从整体效果上看，则近似于推流式。由于ABR的水力特性较复杂，二者均未能就其流态提出一个较好的数学模型。其水力死区的借用了化学反应工程中反应器的流态模型，其合理性尚待进一步考证。关于ABR的工艺特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人2所做。据介绍，ABR反应器运行时污泥床层(常为颗粒污泥)处于流化状态，废水中基质的降解和微生物代谢产物的排除均须经由颗粒污泥表面通过扩散作用完成。试验中ABR的负荷可高达36 gCOD/L。此外W.P.Barber和D.C.Stuckey5研究了ABR的启动特性，结果表明，固定进水基质浓度而逐步缩短HRT的启动方式优于固定HRT而逐渐增大进水基质浓度的启动方式。另外，ABR对水力负荷冲击响应迅速但恢复却快于浓度负荷冲击。在高水力负荷条件下，反应器内的短流现象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey?6研究了以葡萄糖为基质的ABR在稳定状态和冲击负荷情况下的运行特性，系统分析了酸化过程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中间产物在不同运行状态下沿流程的分布积累状况。与其它反应器在冲击负荷条件下不同的是，ABR中甲酸并非是很重要的受体。此外，无论是在水力或是在浓度负荷冲击下，ABR均表现出良好的稳定性能，因此有可能适用于废水处理。S.Nachaiyasit7研究了低温对ABR性能的影响，结果表明在中等负荷条件下，反应器温度由35 降至25 对COD去除率无明显影响，当温度进一步降至15 时，反应器的效率明显下降，主要原因是低温降低了细菌的代谢速率，使VFAs的半饱和降解常数Ks增大，同时可溶性细胞代谢产物增加。此外沼气产量减少也降低了基质与微生物的接触效率，但通过合理调整工艺设计，可明显减小低温对厌氧过程的负作用。T.Setiadi等人研究了出水回流对反应器的影响，着重强调了回流比与系统中碱度及pH之间的关系。此外，复合式(Hybrid)厌氧反应器，即在反应器内的适当部位增设填料也是目前的一个研究方向。复合式ABR(HABR)一般在反应器内各反应室的上部空间架设填料，一方面利用原有的无效容积增加生物总量，更重要的是由于填料的存在，夹带污泥的气泡在上升过程中与之发生碰撞，加速了污泥与气泡的分离，从而降低了污泥的流失。如前所述，ABR的推流特性使其在处理对细菌有抑制或毒性的物质时具有潜在的优势，关于这方面的实验室研究目前刚刚起步。C.J.Holt等人8利用ABR与HABR处理含酚废水，二者都取得很好的效果，其中HABR在进水酚浓度为1 192mg/L(COD)时的去除率为95%。同济大学的雷中方等9试验了用ABR处理碱法草浆黑液的可能性。清华大学的戴友芝也正在进行利用ABR降解剧毒物质氯酚的可行性研究，目前实验结果已相当不错。4 结语综上所述，ABR反应器的特点为：结构简单、效率高、处理出水好、运行稳定可靠，适用于各类中低浓度有机废水的处理。ABR反应器在实际工程中进一步推广之前，仍需要进行大量的试验，结合机理分析，以便更深入地了解其工艺特性。例如，关于反应器水力特性的研究，关于反应器构造的优化设计，如分隔数的确定、下向流导流板的尺寸大小、下向流区和上向流区间的宽度比例关系等，以及关于沿程各级反应室微生物相的详细递变，工艺设计参数的确定等，均有待于进一步深入探讨。目前尤为缺乏的是在较大规模的中试和实际工程中的试验。1 Lettinga G,Field J，Van J.Advanced anaerobic wastewater treatment in the near future.Wat Sci & Tech,35(10):5122 Andre Bachman,Virbinia L Beard,Perry L McCarty .Performance characteristics of the anaerobic baffled reactor.Water Res,19853 Grobicki A,Stuckey D C.Hydrodynamic Characteristics of the Anaerobic Baffled Reactor.19914 Perter N Hobson,Andrew D Wheatley.Anaerobic DigestionModern Theory and Practice.19945 William P Barber,David C Stuckey.Startup strategies for anaerobic baffled reactors treating a synthetic sucrose feed.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;26 Grobicki A,Stuckey D C.Performance of the anaerobic baffled reactor under steady-state and shock loading conditions.Biotech and Bioeng,1991;37:3443557 Nachaiyasit S，Stuckey D C. Effect of low temperatures on the performance of an anaerobic baffled reactor (ABR).Journal Chem Tech Biotechnol,1997;69:2762848 Holt C J,Matthew R G S,Terzis E.A comparative study using the anaerobic baffled reactor to treat a phenolic wastewater.Proc 8th International Conf on Anaerobic Digestion,1997;29 雷中方.用厌氧折流板反应器处理碱法草浆黑液.上海环境，14(5):192210 郭静，李清雪，马华年等.ABR反应器的性能及水力特性研究?给水排水，1997；13(4)：1719ABR工艺讨论(一)(2010-07-22 23:14:23) 转载标签： 杂谈分类： 环保理论 ABR工艺讨论2009-04-28 23:28:59厌氧折流板反应器（Anaerobic BaffLted Reactor简称ABR）工艺首先由美国stanford大学的McCarty等于1981年在总结了各种第二代厌氧反应器处理工艺特点性能的基础上开发和研制的一种高效新型的厌氧污水生物技术10。清华大学的黄永恒认真比较分析了SMPA工艺和ABR反应器的性能特点，认为ABR反应器完美的实现了SMPA工艺的思想要点，是一种很有发展前途的高效厌氧反应器。从图2-1可以看出，由于在反应器中使用一系列垂直安装的折流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床系统（upfLow sLudge bed，简称USB）。被处理的废水在反应器内沿折流板作上下流动，依次通过每个反应室的污泥床，废水中的有机基质通过与微生物接触而得到去除。借助于处理过程中反应器内产生的气体使反应器内的微生物固体在折流板所形成的各个隔室内作上下膨胀和沉淀运动，而整个反应器内的水流则以较慢的速度作水平流动。水流绕折流板流动而使水流在反应器内的流经的总长度增加，再加之折流板的阻挡及污泥的沉降作用，生物固体被有效地截留在反应器内。因此ABR反应器的水力流态更接近推流式。其次由于折流板在反应器中形成各自独立的隔室，因此每个隔室可以根据进入底物的不同而培养出与之相系统的处理效果和运行的稳定性。适应的微生物群落，从而导致厌氧反应产酸相和产甲烷相沿程得到了分离，使ABR反应器在整体性能上相当于一个两相厌氧系统，实现了相的分离。最后，ABR反应器可以将每个隔室产生的沼气单独排放，从而避免了厌氧过程不同阶段产生的气体相互混合，尤其是酸化过程中产生的H2可先行排放，利于产甲烷阶段中丙酸、丁酸等中间代谢产物可以在较低的H2分压下能顺利的转化。图2-1 ABR的构造ABR反应器在整体性能上相当于一个两相厌氧处理系统。一般认为，两相厌氧工艺通过产酸相和产甲烷相的分离，两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境条件下，有利于充分发挥厌氧菌群的活性，提高系统的处理效果和运行的稳定性。Lettinga教授在预测未来厌氧反应器的发展动向是提出了极具潜力和挑战性的新工艺思想，即分阶段多相厌氧工艺（Staged multi phase anaerobic reactor，简称SMPA）。ABR反应器与单个UASB有显著不同。1)UASB可近似看作是一种复杂混合型反应器，而ABR是一种复杂混合型水力流态。2)UASB中酸化和产甲烷两类不同的微生物相交织在一起，各自不能很好的利用自身优势。ABR就不同了，它在各个反应室中的微生物相是逐级递变的，两大类厌氧菌群可以各自生长在最适宜的环境条件下。且递变的规律和底物降解过程协调一致，从而确保相应的微生物相拥有最佳的活性，提高系统的处理效果和运行的稳定性。清华大学的黄永恒认真比较分析了SMPA工艺和ABR反应器的性能特点，认为ABR反应器完美的实现了SMPA工艺的思想要点，是一种很有发展前途的高效厌氧反应器。总的来说，ABR反应器具有构造简单、能耗低、抗冲击负荷能力强、处理效率高等一系列优点。当然，ABR反应器也有其不利的方面。首先，为了保证一定的水流和产气上升速度，ABR反应器不能太深。其次，进水如何均匀分布也是一个问题。再有，与单级UASB反应器相比，ABR反应器的第一格不得不承受远大于平均负荷的局部负荷，这可能会导致处理效率的下降。2.2 ABR反应器的改进ABR反应器自80年代初诞生以来，科研人员进一步提高它的性能或者处理某些特别难降解的废水，对它进行了不同形式的优化改造。各种形式的ABR见图2-2。图2-2 各种形式的ABR不同形式的ABR反应器极大的丰富了ABR研究的内容，实际研究工作时可以根据各自的需要选择合适的ABR反应器。ABR中生物种群及污泥的颗粒化ABR独特的结构使不同种群的厌氧微生物在不同的隔室里生长，并呈现出良好的种群分布，实现处理功能的协调。反应器中微生物种类取决于底物、pH及温度等条件。一般随隔室的推移，反应器中的生物种群从甲烷八叠球菌为优势菌种逐渐向甲烷丝菌属、异养甲烷菌和脱硫弧菌属等转变。Boopathy等研究了HABR处理高浓度糖浆废水时污泥的颗粒化现象。启动COD容积负荷t从0.97kgm-3d-1逐步上升到4.33kgm-3.d-1，上流速度低于0.46m/h。仅过了一个月，反应器的三格反应室中均出现了灰色的球形颗粒污泥，它们的平均粒径约为0.55mm。三个月后这些颗粒污泥也不断长大，粒径最大可达33.5mm。镜检发现，在前两格反应室中，主要有两种不同形态的颗粒污泥：一种表面带有白色，主要由结构相对松散一些的长丝状菌构成；另一种外观呈深绿色，也主要由丝状菌构成，但密实程度比前一种紧，主要由金属硫化物形成。Boopathy等认为，在高选择压的作用下，甲烷丝菌容易附着在一些微小颗粒物质的表面从而形成结构松散的颗粒污泥，甲烷八叠球菌属自身容易凝聚成颗粒污泥，但密度小、容易流失，只有被甲烷丝菌属心房成的颗粒污泥捕捉、缠绕，才会形成沉降性能良好的颗粒污泥。Barber认为颗粒污泥的粒径在反应器中部达到最大、然后沿程递减相一致。沈耀良在运用六个隔室的ABR处理高浓度的葡萄糖人工废水中也发现，第二和第三的隔室中的粒径为0.30.5mm、最大达4mm的污泥颗粒。其中第二隔室多为棒状污泥，第三隔室中多为椭形状。另外Orozco在用ABR处理稀释后的碳水化合物发现颗粒污泥的直径从第一隔室的5.4mm下降到第二隔室的1.5mm，而且反应器中部的污泥颗粒粒径大，数量最多。从大多数研究中还发现不同反应室中颗粒污泥浓度或粒径差异较大，在一定程度上表现出中间高 (二、三格)、两头低 (一、四)的趋势。此外添加聚合物也对污泥颗粒化有很大的影响。如在处理高浓度冰淇淋废水中，Uyanik-S等在ABR中添加最有效的抗抑制聚合物Kymene SLX-2来加速颗粒的形成。添加聚合物也是利用大量生物膜的存在以及污泥被洗脱得少的有利条件。在有机负荷率为15kgCOD/m3d时，COD的去除率为99%。其添加聚合物的反应器中产生的甲烷要比不添加的产生的多，而且污泥颗粒形成得更早、更大、更紧凑。研究也指出ABR中不可能发生完全了产酸菌和产甲烷菌的相完全了分离。通过电镜观察，发现产酸菌在起始1、2隔室起主导作用，如甲烷球菌属、甲烷短杆菌属；产甲烷菌在第三、四隔室中起作用，如甲烷八叠球菌属。总的来说，对ABR中污泥的颗粒化问题研究远不如UASB颗粒污泥那样广泛和深入。虽然可以借鉴对UASB颗粒污泥的研究成果，但两者反应器在构造和水力流态的不同导致生物种群上的分布和结构也有很大不同。 ABR工艺讨论(二)(2010-07-22 23:19:13) 转载标签： 杂谈分类： 环保理论 ABR的水力特性反应器的水力特性及其内部的混合程度决定着废水中基质与反应器中微生物的接触情况，从而影响整个反应器的处理效果。不同的研究成果均说明另外ABR反应器具有良好的水力条件及较低的死区百分率。Grobicki和Stuckey利用示踪响应方法研究了不同水力停留时间、不同污泥浓度、不同分格数的ABR反应器的水力特性和死区百分率。结果表明，在清水条件下ABR反应器的死区百分率（水力死区+生物死区）的范围一般在5%-20%之间。实际运行条件下，ABR反应器的死区空间可以分为水力死区和生物死区。水力死区随着水力停留时间（HRT）及反应器结构的不同而变化，HRT减少则水力死区增加。生物死区与污泥浓度、气体产率及HRT有关。HRT减少则生物死区也随之减少。水力死区和生物死区随HRT相反的变化关系表明，死区百分率与HRT无明显的相关关系。Grobicki等认为ABR反应器可以看作一系列串联的完全混合反应器（CSTRs） 组合，并且各级之间基本不存在返混现象。在单个反应室内，ABR的水力特性接近于完全混合式，但从整体上看则近似于推流式，且分格数越多，ABR的水力特性越接近于推流式。天津大学的郭静等在污泥浓度为定值时测定了ABR反应器在不同水力停留时间下的水力特性。结果表明，随着HRT的减少，ABR内死区百分率也随之减少。郭静等认为这主要是生物死区减少的结果。通过对离散数D/L的计算，得出下列结论：ABR反应器介于理想推流式和完全混合式之间，且随着HRT的增大，离散数减小，ABR向理想推流式过度。郭静等的结果与Grobicki等的结果有矛盾的地方，王建龙认为这可能是由于郭静实验所用反应器的生物死区比水力死区大很多，故生物死区和水力死区随相反的变化趋势仅表现为生物死区的变化趋势。以上仅是笔者的一种推测，还有赖于进一步的实验验证。王建龙等对ABR的水力特性进行了较为系统的研究。结果表明，Levenspiel方法可作为一种定性的方法来反映ABR反应器死区百分率的相对大小。我们利用数值方法完成了CSTRs模型、近似推流模型G和模型D以及Levenspiel模型的液龄分布分析，指出近似推流模型G可以较好的模拟ABR反应器在实际运行状态下的流态。目前关于ABR反应器水力特性的研究还远远不ABR的特点ABR不仅具有厌氧反应器的一系列优点，还有许多其它厌氧反应器所不具有的优点。具体如下：工艺简单 、投资少ABR设计简单，没有活动部件，不需要UASB、AF昂贵的进水系统和设计复杂的三相分离器，也不需要传统的厌氧消化池的机械搅拌装置和额外的澄清沉淀池。良好的生物分布和生物固体截留能力ABR中污泥与废水能良好混合接触，有效容积利用率高(即死区容积分数D/µL降低)，因而利于污泥絮体及颗粒污泥的形成和生长，使反应器内厌氧微生物在自然地形成良好的微生物种群的分布，这利于增强反应器对冲击负荷的适应性。此外可在较短的时间内形成具有良好沉淀性能的絮凝性污泥和颗粒污泥，这也利于取得良好的固液分离效果，获得良好的出水水质，长期运行也不需要排泥。另外反应器内的折流板的阻挡作用及折流板间距的合理设置，为污泥的沉降和截留创造了一个良好的条件。对有毒物质适应性强由于隔板将反应器各格分隔开，所以有毒物质对反应器的影响主要集中在ABR前部，对后部的危害较小。良好的水力条件ABR内的折流板阻挡了各隔室间的返混作程度，减少了死区容积，有效容积大，即减少了堵塞和污泥床膨胀等现象发生的可能性，能够长时间稳定运行。有关资料也表明：在不同污泥浓度和不同水力停留时间(HRT)且稳态运行的条件下，ABR中的死区容积分数与HRT无明显的相关性。这些都利于获得良好的水力条件。当然ABR也有其不利的方面，主要表现在：（1）为了保证一定的水流和产气上升速度，ABR不能太深；（2）进水如何均匀分布是一个问题；（3）与单极的UASB相比，ABR的第一隔室不得不承受远大于平均负荷的局部负荷，这对运行不利。 ABR工艺讨论(三)(2010-07-22 23:21:51) 转载标签： 杂谈分类： 环保理论 ABR反应器的启动影响厌氧反应器启动的因素很多，包括废水的组成及浓度、接种污泥的数量和活性、环境条件(pH、/)、微量元素的补充、操作条件(COD容积负荷、水力停留时间)和反应器的结构尺寸等诸多因素22。WeiLand和Rozzi23在讨论高效厌氧反应器的启动问题时特别提出了以下需注意的问题：1. 为了丰富污泥中产甲烷菌的种类，采用几种不同来源的厌氧污泥进行接种；2.温度应在3337或5055范围内，pH值应在7.27.6范围内 ,以保证产甲烷菌的最大活性；3. COD:N:P=100:(101):(51)