（环境工程专业论文）新型结构abr的设计与实验研究.pdf

新型结构a b r 的设计与实验研究 摘要 厌氧生物处理技术以其经济、环保、低能耗、高效率等特点广泛应用于 水处理领域。而厌氧折流板反应器( a b r ) 在厌氧反应器中又具有其他反应器 不可比拟的结构优势和运行效果。a b r 以三项具体理论为依据，在水力学 特性、种群分布、抗冲击负荷以及污泥截留等方面都有其自身的优势。但传 统a b r 也有一些缺点和不足之处，本论文在总结并分析了传统a b r 的优 缺点的基础上，设计出了一种新型结构的a b r ，并对该反应器的性能进行 了相关的实验研究。本文主要包括以下几个方面： ( 1 ) 分析了传统a b r 的优缺点以及a b r 在厌氧生物处理领域的优势。 a b r 结构简单，整体为推流模式；反应器各格室内微生物种群相对独立， 产酸相与产甲烷相相分离；反应器缓冲适应能力强，适合处理高浓度有机废 水。存在的问题主要有：反应器第一格室负荷很高，抑制种群活性；反应器 后部营养相对匮乏。此外，由于气水比的要求，反应器不能设置太深。 ( 2 ) 总结了目前全世界最新型的几种a b r 的结构、应用领域以及运行性 能。 ( 3 ) 针对a b r 固有的缺点，设计出一种新型结构的a b r 。该反应器为双 层结构，共由五部分组成。中间部分以生物滤池结构贯通上下两层，反应器 总体为a b r 结构。与传统a b r 相比，该反应器从结构上以及工艺上都有 所改进。该反应器不仅具有占地空间省，沿程结构紧凑等特点，还充分利用 双层分布的结构特点结合以其他工艺，并针对传统a b r 的不足进一步分配 各部分容积，充分利用各部分空间，弥补一般a b r 局部负荷过载或不足等 问题。 ( 4 ) 用脉冲示踪法对新型结构a b r 进行水力特性研究。以中性红染料作 示踪剂进行脉冲响应实验，得出不同水力停留时间( h r t ) 下的停留时间分布 ( r t d ) 曲线和水力特性参数。试验结果表明该反应器水力学性能良好。 ( 5 ) 对该反应器进行启动实验研究。以固定水力停留时间，并逐渐增加 c o d 口负荷的方式启动反应器。水力停留时间固定为2 4 h ，启动初期进水 c o d 口负荷为5 0 0 m g l ，启动完成时最终c o d 口负荷为6 0 0 0m g l ，最终c o d 口 去除率稳定在9 0 以上。 ( 6 ) 将进水c o d 口负荷固定在4 0 0 0 左右，研究不同水力停留时间对反应 器去除率的影响。试验结果表明随着水力停留时间的缩短对c o d 口的去除率 有所下降，但变化不剧烈。 ( 7 ) 该反应器的应用性能研究。将酸性橙i i 染料与营养液以一定比例混 合，配置成模拟染料废水，考察该反应器对该模拟染料废水中c o d 盯的降解 情况以及对色度的去除效果。试验结果显示随着进水中染料浓度的增加，该 反应器对染料及c o d 仃的去除率都在9 0 以上。 关键词：厌氧处理技术，新型结构a b r ，水力特性，启动，染色废水 t h ed e s i g na n de x p e r m e n t r e s e a r c ho n a b rw i t h n e ws t r u ct u r e a b s t r a ct t h ea n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nw a t e r t r e a t m e n tf i e l dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n a l ， e c o n o m i c a l ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o na n dh i g he f f i c i e n c y c o m p a r e dw i t ht h e o t h e ra n a e r o b i cr e a c t o r s ，t h ea n a e r o b i cb a f f i e dr e a c t o r ( a b r ) h a si n c o m p a r a b l e s t r u c t u r ea d v a n t a g e sa n dr u n n i n ge f f e c t a b ri sb a s e do nt h r e es p e c i f i ct h e o r i e s a b rh a si t so w ns u p e r i o r i t yi nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s 血em i c r o b es p e c i e s d i s t r i b u t i o n t h ea n t i i m p a c tl o a da n dt h es l u d g er e s e r v a t i o na s p e c t sa n ds oo n b u tt r a d i t i o n a la b ra l s oh a ss o m es h o r t c o m i n g sa n dt h ed e f i c i e n c i e s i nt h i s p a p e r , a na b rw i t hn e ws t r u c t u r eb a s e do nt h es u m m a r i z a t i o na n da n a l y s i so f t h et r a d i t i o n a la b r sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw a sd e s i g n e d a n ds o m e r e l a t e de x p e r i m e n t a ls t u d i e sh a v eb e e nd o n et o t e s tt h i sr e a c t o r sp e r f o r m a n c e t h ep a p e rm a i n l yi n c l u d e ss e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et r a d i t i o n a la b r sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa sw e l la sa b r s s u p e r i o r i t yi nt h ea n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n td o m a i nh a v eb e e na n a l y z e da s f o l l o w s ：t h ep l u g - f l o wf l u x i o np a t t e r nw i t hs i m p l es t r u c t u r e ，t h er e l a t i v e l y i n d e p e n d e n tm i c r o o r g a n i s m s i ne a c hc o m p a r t m e n t ，t h es e p a r a t i o nb e t w e e n a c i d o g e n i cp h a s ea n dt h em e t h a n o g e n i cp h a s e t h i sr e a c t o rc a nb eq u i c k l y a d a p t e dt o t h ec i r c u m s t a n c ea n ds o m es u d d e n l yc h a n g ea n ds u i t a b l ef o r d i s p o s i n go r g a n i cw a s t e w a t e rw i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n t h ea b r a l s oh a ss o m e p r o b l e m s t h eo r g a n i cl o a dr a t ei nt h ef i r s tc o m p a r t m e n to fa b r i st o oh i g hf o r m i c r o o r g a n i s m st og r o w w 1 1 i l e t h eb a c kc o m p a r t m e n t so fa b r a r es h o r to f n u t r i t i o n i na d d i t i o n b e c a u s et h eg a s 1 i q u i dr a t ei sl i m i t e dt h er e a c t o rc a n n o tb e e s t a b l i s h e dt o od e e p ( 2 ) t h es t r u c t u r ea n dt h ea p p l i c a t i o nd o m a i na sw e l l a st h ep e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i co fs e v e r a ln e wa b ra l lo v e rt h ew o r l dh a v eb e e ns u m m a r i z e d ( 3 ) 1 1 1v i e wo ft h ei n h e r e n ts h o r t c o m i n g so fa b r ，ak i n do fa b r w i t hn e w s t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e d t h en e wr e a c t o ri sc o m p o s e db yd o u b l el a y e r sa n d f i v ep a r t s t h ew h o l es t r i c t u r eo ft h er e a c t o ri sa l la b rw i t hab i o f i l t e rt h r o u g h i i i t h et w ol a y e r si nt h em i d d l e c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a la b r t h i sr e a c t o rh a s i m p r o v e m e n t sw h e t h e ri nt h es t r u c t u r eo ri nt h ec r a f t t h i sr e a c t o rh a sm a n y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha st h es m a l lo c c u p y i n gs p a c ea n dt h e c o m p a c ts t r u c t u r e a l o n gt h ef l o w t h er e a c t o ra l s oh a sa d e q u a t e l yu s e dt h ef e a t u r ei nt h es t r u c t u r e t oc o m b i n ew i t ho t h e rc r a f t i nv i e wo ft h es h o r t c o m i n g so fa b r ，t h ec u b a g eo f e a c hp a r th a sb e e nr e d i s t r i b u t e d t h ei n s u f f i c i e n to ro v e rl o a di ng e n e r a la b r c a nb em a d eu pb yf u l l yu s eo fs p a c e ( 4 ) p u l s et r a c e rm e t h o dw a su s e dt oi n v e s t i g a t et h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c o ft h ea b rw i t hn e ws t r u c t u r e t h er e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n ( r t d ) c u r v e s a n dt h eh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sp a r a m e t e r so ft h er e a c t o ri nd i f f e r e n t h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) w e r es t u d i e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n to f i m p u l s er e s p o n s et r a c e db yt h en e u t r a lr e dd y e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e h y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wr e a c t o ra r ew e l l ( 5 ) t h es t a r t i n ge x p e r i m e n to ft h er e a c t o rw a sd o n e t h er e a c t o rw a ss t a r t e d b yi n c r e a s i n gt h ec o d c rl o a dg r a d u a l l yw h i l et h eh r tw a sf i x e da t2 4 h i nt h e s t a r t i n gp e r i o d ，t h ei n f l o wc o d 口l o a di sa b o u t5 0 0 m g l t h ef i n a lc o d 盯l o a di s 6 0 0 0m g lw h e nt h ee x p e r i m e n tw a sf i n i s h e d t h ef i n a lr e m o v a lr a t e so fc o d c r w e r em a i n t a i n e da b o v e9 0 ( 6 ) t h er e m o v a lr a t e so fc o d c ra f f e c t e db yt h eh i 玎w e r ea l s or e s e a r c h e d t h ei n f l o wc o d c ，l o a di sf i x e da t4 0 0 0 m g l t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a lr a t e so fc o d 口f e l lw i t ht h er e d u c t i o no fh i 江b u tt h e c h a n g ew a sn o t f i e r c e ( 7 ) t h es t u d yo nt h ea p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo ft h er e a c t o rw a sd o n e p r e p a r et h es i m u l a t i o nd y ew a s t ew a t e rb ym i x i n gt h et r o p e o l i ni ia n dn u t r i e n t s o l u t i o ni nac e r t a i np r o p o r t i o n a n dt h e nt h er e m o v a le f f e c to fc o d c ra n dd y e w a se x a m i n e d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h er e m o v a lr a t e so f c o d c ra n dd y ec a nm a i n t a i na b o v e9 0 w i t ht h ei n c r e a s i n gr a t eo fd y ei nw a t e r k e yw o r d s ：t h ea n a e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , a b rw i t hn e w s t r u c t u r e ，h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t a r t - u p ，d y e i n gw a s t e w a t e r 新型结构a b r 的设计与实验研究 1 绪论 厌氧生物处理是一种低成本的废水处理技术，又是把废水的处理和能源的回收利用 相结合的一种技术，可以作为能源生产和环境保护体系的个核心部分，其产物可以被 积极利用而产生经济价值。与好氧生物处理相比，厌氧生物处理具有众多优点，如对营 养物质的需求量少、可处理高浓度废水以及节省动力消耗等。但由于目前对厌氧处理的 研究较少，该技术还具有许多不足之处，如启动时间长、出水c o d 浓度较高、可能造 成二次污染等问题。因此，如何最大程度的利用厌氧生物处理技术的优势同时又能尽量 减少其不利的影响，是废水生物处理领域一项具有广阔研究前景的问题。 目前，在众多的厌氧处理工艺中，厌氧折流板反应器结构最为简单，仅是内置几块 竖向导流板，这就为其进一步的改进保留了很大的空间；厌氧折流板反应器是以新的理 论作支撑，能够使不同厌氧阶段的生物相以逐级递变的方式相分离，这是其他厌氧反应 器所不能达到的。此外，厌氧折流板反应器在运行上和处理效果上也都体现出了很多优 势。因此，选取厌氧折流板反应器作为基本构型和理论前身，通过对其结构形态的改进。 比如，使其变为双层结构以节省空间，以及与其他工艺联用等手段，开发出一种新型的 厌氧折流板反应器，使其具有更优的结构特点和运行效果。 根据厌氧反应器的一些理论依据以及前人对厌氧折流板反应器的研究经验，结合一 些新的构想设计出一种新型的反应器，并对其进行试验研究，考察其运行特性。通过试 验可测得该反应器的处理效率以及经济效益等。若反应器的运行效果并不十分理想，通 过与原反应器的对比可得出失败原因，从而可以明晰今后改良的方向；若反应器的运行 效果较理想，则可证明改良的思想路线是正确的，进而可以尝试反应器对不同行业领域 的不同浓度的废水的处理应用，从而使厌氧反应器更加广泛的应用于废水处理中，在保 护环境的同时还能节省更多的能源，创造更多的经济价值。 1 1 废水的厌氧生物处理 1 1 1 厌氧过程的阶段理论 厌氧生物处理技术是指在厌氧环境下，兼性厌氧和厌氧微生物通过一系列的生命活 动将有机底物转化为甲烷和二氧化碳的过程，又称为厌氧消化。而关于有机底物的厌氧 降解过程的阶段划分有多种理论，主要包括两阶段论、三阶段论和四阶段论。其中三阶 段论是目前应用最为广泛的理论。废水中存在着种类复杂的有机物，如糖类、脂肪、蛋 白质等，它们在废水中的存在状态不同，有的溶解在废水中，有的悬浮在废水中或者漂 浮表面，还有的呈胶体状态。这些复杂的有机物必须经过一系列的分解转化过程，才能 被微生物降解。复杂有机物的厌氧降解主要分为以下几个过程f l 】： 陕西科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 复杂有机物的水解过程：水解可定义为复杂的非溶解性的高分子有机物被细菌胞 外酶分解为能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用的小分子物质。对于不同类型的废 水，水解反应的难易程度差别很大，这是因为细菌的胞外酶与废水中的有机物的接触程 度不同。因此，小颗粒底物相对于大颗粒底物更易水解，如二糖、小分子蛋白等。而结 构较复杂的大分子物质如木质素、长链纤维素等就很难水解。 ( 2 ) 小分子物质的酸化过程：在上一过程中水解产生的小分子的有机物在酸化细菌的 细胞内转化成结构更加简单的化合物，如醇类物质、挥发酸( v f a ) 、乳酸以及产生的氢 气等，然后被酸化细菌转移到细胞外部。由于前两个阶段的联系十分紧密且由同种细菌 完成，很难分割开来，因此在大部分理论中将以上两个过程统称为水解酸化过程。 ( 3 ) 产氢和产乙酸过程：经过前两个过程之后，产生的酸化产物v f a 被进一步转化 为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质。另外，在这一过程中乙酸的产生还有另外一个 途径被称为同型产氢产乙酸过程 i , 2 1 ，该过程主要是同型产乙酸菌利用氢气将重碳酸盐还 原成乙酸。但是由于这种途径所产生的乙酸量很少，通常可以忽略。 ( 4 ) 产甲烷过程：产甲烷菌将前一过程产生的简单有机物( 如乙酸、碳酸、甲酸和甲 醇等) 进一步分解转化为甲烷和二氧化碳。由于该过程中的产甲烷菌对环境条件的要求 最为苛刻，因此成为整个厌氧降解过程的关键部分，也直接影响着厌氧过程的反应速率。 将上面四部分的前两个过程看做一个整体，整个厌氧分解就可以看成三个阶段，即 水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段以及产甲烷阶段。这就是b 蜘m a t 等人提出的目前普遍 认同的关于厌氧消化的三阶段理论。 1 1 2 厌氧废水处理技术的优缺点 a 厌氧处理的优点：m 1 ) 在宏观领域上： ( 1 ) 厌氧废水处理技术在总体上比好氧处理法更为环保节能。这主要是由于其降解过 程产生的低污泥量、高降解率、小占地面积以及产物的可利用性所决定的，是一项具有 资源集约型和环境友好型优点的水处理技术； ( 2 ) 厌氧废水处理技术是一项具有经济效益的技术。因为与好氧生物处理相比，用厌 氧法处理废水在成本总消耗上要少得多，特别是对中高浓度的废水( c o d 2 0 0 0 m g l ) 更加 高效且经济，不仅在投资成本方面较低，其所需的运行维护费用也远远低于好氧处理工 艺； 2 ) 在具体运行中： ( 1 ) 厌氧方法适合处理高浓度的有机废水，因此当进水浓度较好时，不需像好氧技术 一样添加大量水来进行稀释，节省了宝贵的水资源； ( 2 ) 厌氧工艺不需像好氧工艺中必备的鼓风曝气设备，不仅节省了大量的动力，还能 2 新型结构a b r 的设计与实验研究 产生大量的甲烷能源以供人们利用； ( 3 ) 厌氧处理技术的剩余污泥量远远低于好氧系统产生的污泥量，并且剩余污泥浓度 高，容易脱水浓缩，整体处理难度相比较低； ( 4 ) 厌氧方法对进水水质中营养物与氮、磷比的要求较低，因此投加的营养盐较少有 时甚至不需投加； ( 5 ) 用厌氧法处理含有大量表面活性剂的废水时不会产生大量泡沫的问题，因此十分 适合在制药废水、啤酒厂废水以及乙醇废水的处理中； ( 6 ) 厌氧细菌尤其是厌氧颗粒污泥的保存时间很长，在无营养物质供应的条件下能够 保存一年以上的时间，并且恢复起来较容易。这一特点对于实际应用中的停产以及突然 断水的等特殊情况十分有利。此外，厌氧污泥常常作为种泥被出售，用以新建污水处理 设备的微生物培养驯化； ( 7 ) 厌氧处理系统的规模大小十分灵活，相关的仪器构筑物十分简单、易于制作，维 护成本很低； b 厌氧处理技术的不足 r 1 1 ) 研究方面的不足： 由于厌氧技术自出现以来至今时间较短，其处理机理的研究以及相关的实践经验都 比好氧处理法少得多，处理工艺还不成熟，应用范围也比较局限，因此还需要进行大量 的实验室研究和实际应用，才能突破目前的局限性； 2 ) 厌氧技术自身的缺点： ( 1 ) 厌氧方法虽然具有较高的有机负荷，对有机物降解的绝对量较高，但是最终的有 机物含量相对于好氧处理的出水来说比较高，出水一般不能达标，经厌氧处理后的废水 通常还需进行后续处理； ( 2 ) 在进行厌氧降解过程中需控制p h 值以及碱度，当进水p h 较低或温度不适应时 有可能引起反应器的酸化，影响处理效果，因此，进水有时还需补充碱度； ( 3 ) 由于厌氧反应器的污泥培养所需的时间较长，一般为好氧系统的2 3 倍，因此 启动周期较长。这是由于厌氧细菌的生长繁殖活动比较缓慢，世代周期长，因此反应器 内部污泥的停留时间长，更新频率低，剩余污泥量少； ( 4 ) 一般的厌氧处理对温度的要求较高，当温度下降时去除效果会明显下降，因此为 达到较好的处理效果反应器需设保温装置。虽然产物甲烷能够产生一定的能量，但当进 水浓度较低时产生的甲烷量很少，无法提供足够的能源使水体加热到厌氧处理所需的温 度； ( 5 ) 此外，终产物甲烷的收集系统须完备并要经常检查，操作不当时会引发安全事故。 3 陕西科技大学硕士学位论文 1 2 厌氧反应器的发展历史 厌氧反应器自产生以来经过了一系列的发展，归纳起来总体可以分为三个阶段：第 一代厌氧反应器( 传统厌氧反应器) 、第二代厌氧反应器和第三代厌氧反应器。【s l 1 2 1 第一代厌氧反应器 从时间上划分，第一代厌氧反应器自1 8 6 0 产生后，共经过了约一个世纪。在近一百 年的时间里，反应器从最初的一个用来储存粪便污水的池子，到后来发展成为了用于专 业处理食品加工废水的厌氧接触法。在这一时期，全世界的科学家沿着前人的足迹一步 步探索着。 最先发明了厌氧生物处理废水技术的是法国人，科学家m o u r a s 发明出了自动净化 器传统完全混合型消化池，用来处理粪便水。虽然这种方法处理的污水含有大量的悬浮 物质，无法得到清澈的出水，但是由于该种方法把握了厌氧处理的关键理论，拥有较长 的停留时间，就为后人的研究工作以及厌氧处理技术的进一步发展奠定了正确的基础和 方向。 在接下来的半个世纪中，各种形式的厌氧处理装置被不断的开发出来。较为典型的 是英国人发明的化粪池以及德国人发明的i m h o f f 池。化粪池的结构虽然简单，但应用十 分广泛、方便易行，以至于在今天我们在世界各地依然沿用这种工艺。i m h o f f 池的主要 进展在于将污泥的沉降过程与厌氧生物降解过程分开进行。这样的设计有利于减少水中 的悬浮物含量，使泥水的分离更加有效。 到了2 0 世纪中叶，随着人们的不断探索和厌氧技术应用的进一步发展，现代厌氧处 理技术逐渐应运而生。在这一阶段，人们开始关注环境因素对厌氧处理工艺的影响，在 反应器内部加设了温控装置，并尽量使反应器处于中高温的环境中。此外为了防止污泥 沉降到底部导致泥水接触不充分，还增加了搅拌装置。一系列的改良措施使厌氧处理技 术逐渐正规化起来。 到了19 5 5 年，s c h r o e p t e r 等人开发出了厌氧接触法( a n a e r o b i cc o n t a c tp r o c e s s ) ，并 用于处理食品加工废水的处理中。该工艺借鉴了好氧活性污泥法的处理流程，将出水引 入单独的二沉池进行污泥回流，防止污泥流失，从而延长了污泥龄，此外还缩短了待处 理废水的停留时间，提高了反应器的总体效能。 1 2 2 第二代厌氧反应器 2 0 世纪6 0 到8 0 年代，出现了一批新型的厌氧反应器，比较典型有上流式厌氧污泥 床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t ，u a s b ) ，厌氧滤池( a n a e r o b i cf i l t e r ，a f ) ，厌氧折 板反应器( a n a a r 0 i b i cb a f f l e dr e a c t o r ，a b r ) ，厌氧附着膜膨胀床反应器( a n a e r o b i c a t t a c h e d f i l me x p a n d e db e d ，a a f e b ) 以及厌氧流化床( a n a e r o b i cf l u i d i z e db e d ，a f b ) 等。第二代 厌氧反应器最大的特点在于分离了固体的停留时间和水力停留时间，其固体停留时间可 4 新型结构a b r 的设计与实验研究 以达到上百天，而废水的停留时间最短仅为数小时。第二代厌氧反应器通过不同的方式 延长了生物量在反应器中的停留时间从而保持了高浓度的微生物量。比如在厌氧滤池中， 微生物附着在载体的表面；在升流式厌氧污泥床反应器中，微生物互相缠绕，形成了致 密的颗粒。颗粒污泥以及生物膜的形成在厌氧生物处理中是一种阶段性的进步，为保存 大量高效的污泥提供了保证，也为现代厌氧生物处理技术的发展拉开了序幕【，1 0 】。 1 2 3 第三代厌氧反应器 从2 0 世纪8 0 年代以来，第3 代厌氧反应器逐渐发展起来，至今比较有代表性的反 应器主要有升流式厌氧流化床( u f b ) 厌氧膨胀颗粒污泥床e g s b ) ，内循环式( i c ) 反应器。 高效厌氧处理反应器不但能将污泥停留时间与水利停留时间相分离，更为主要的是能够 使待处理的废水与反应器内部处于固定状态以及悬浮状态的污泥充分的接触：】。此外， 第3 代反应器还针对第2 代反应器的缺点做了进一步改善，比如增加了布水系统使进水 更加均匀；通过调整挡板和增加倒角等方式能够改善第2 代反应器内部短流的问题以及 死角的存在；塔式结构的反应器以及出水的回流结构还能增加水流湍流程度，提高进水 流速。 1 3 目前应用较广的几种厌氧反应器 1 3 1 厌氧滤床( a d 工艺 1 9 6 9 年j c y o u n g 和p l m c c a r t y 研究开发了厌氧滤床工艺( a n a e r o b i cf i l i t e r ，简称 a f ) 。该反应器的特点是在内部增设了填料床，微生物通过附着在填料表面而逐渐成为 固定化的生物膜，生物膜在水力冲刷作用下由外自内进行更新。该工艺不需要独立设置 污泥回流系统，从而简化了反应器的结构同时也降低了运行成本。厌氧滤床的发明代表 了现代厌氧生物处理技术飞跃式的发展，使得在常温下用厌氧生物处理法处理高浓度有 机废水成为可能，大大扩展了厌氧生物技术在工业废水处理和城市污水处理领域的应用 范围。 1 3 2 上流式厌氧污泥床( u a s b ) i 艺 上流式厌氧污泥床( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t 简称u a s b 反应器) 是七十年代 初荷兰的l e t t i n g a 等人在厌氧滤池基础上研制成功的【1 3 】。它的出现大大的提高了厌氧生 物反应器的有机负荷，推动了厌氧生物处理技术在环境工程以及水处理领域的应用，并 且还使相关的厌氧处理技术得到了发展。 u a s b 反应器整体上由三个部分组成，主要为反应区、三相分离器和气室部分。待 处理的废水从反应器的底部进入，穿过反应器底部的污泥层也即反应区，在这一部分中 有大量高浓度高活性的污泥，沉淀性能和凝聚性能均较强。由于污水从底部进入能够与 污泥充分接触，水中的有机物被污泥分解利用，产生了终产物甲烷气并以微小气泡的形 5 陕西科技大学硕士学位论文 式上升，在气泡上升的过程中挟带了底部的污泥，形成了悬浮污泥层。然后废水连同甲 烷气以及污泥三种状态的物质共同上升，一起进入了三相分离器区域。三相分离器是由 几块不同方向的挡板组成的，甲烷气体在撞到分离器下部的挡板时反射至四周，然后通 过上升作用进入气室，被统一收集；污泥在分离器内，由于重力作用沿着斜板滑落回反 应器底部；剩余的废水被分离出来，逐渐上升最后由溢流口溢出反应器。u a s b 是目前 应用最广泛的高效厌氧反应器，其应用的领域涵盖各类工业废水及生活污水。其主要特 点为： ( 1 ) 三相分离器的应用促进了颗粒污泥的产生，提高了污泥的沉降及处理性能； ( 2 ) 由于产生甲烷气的上升作用，搅动了污泥层，使泥水充分接触，提高了处理效果： ( 3 ) 增强了泥水分离效果，从而防止了污泥的大量流失，为反应器保存了生物量。使 污泥停留时间与水力停留时间大大分离，提高了反应器的总体负荷。 1 3 3 厌氧折流板反应器( a b r ) 折流式厌氧反应器( 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 ) 是一种较新型的高效厌氧反 应器，结构简单，但目前的研究和应用均不太广泛。a b r 是本次设计的理论基础，在后 面进行详细阐述。 1 3 4 厌氧内循环反应器( i c ) 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 nr e a c t o r ，简称i c 反应器) 是在u a s b 的基 础上发明的，属于第三代厌氧反应器。 i c 反应器从结构上看就是两个u a s b 的上下串联，但又与u a s b 不同，在两层的 u a s b 中设置了上升与下降管，能够在内部进行回流。由于该反应器相当于两个u a s b 的叠加，所以高径比很大1 1 4 1 。运行时，废水经布水器进入下面的反应室，与下降管中的 回流液进行混合，在这一反应室内污泥浓度高，混合充分，能够去除大部分的有机物， 然后与u a s b 的运行相同，进入第一个三相分离器，沼气直接由上升管进入顶部的气室， 剩余的污泥和废水部分分离，然后进入上面的反应室内，在这里废水中剩余不多的有机 物被进一步深度处理，然后经过上面的二级三相分离器最终将处理后的废水溢出，并收 集气体，污泥回流至二级反应室。i c 反应器的主要优点有：l 由于相当于两层u a s b 结 构，所以去除c o d 的负荷高；2 结构紧凑，材料省，占地面积少；3 上下两层的结构设 置使反应器具有很强的抗冲击负荷能力。但与u a s b 相比，出水水质不够稳定。0 s l 1 3 5 厌氧复合床反应器哪b d 1 9 8 4 年g u i o t 等人开发了厌氧复合床反应器( a f + u a s b 简称u b f ) 。该反应器的主 要运行原理是将升流式厌氧污泥床与厌氧滤池相结合，从而兼具a f 与u a s b 的优点， 使悬浮型微生物和附着型微生物同时存在于该反应器中，以两种形态的污泥共同作用， 具有更高的去除效果。 6 新型结构a b r 的设计与实验研究 从以上几种厌氧反应器的运行性能和结构特点可以看出，高效的厌氧生物系统一般 会具有以下的特点： 首先，系统内部需要有大量的性能良好的污泥，并且能够在反应器内有足够长的停 留时间； 其次，反应系统内部的活性污泥与废水能够充分的接触。 为了能够尽可能的达到上述特点，在不断研究新型厌氧反应器的同时，人们更加注 重对一些厌氧技术和理论的研究。例如，u a s b 的开发和应用，提示了我们厌氧颗粒污 泥比絮状悬浮污泥具有更优的处理效果，沉降性能更好，能够拥有更长的污泥龄以及更 好的抗冲击负荷能力。于是，是否能快速成功的培养出颗粒污泥又成为衡量一个反应器 是否具有高处理效果的标志。与此类似的还有生物膜的理论等等。因此，反应器的不断 开发改良能够不断加深或证实我们对于厌氧理论的认识和理解；另一方面，对厌氧理论 的总结和深入研究也能指导我们不断开发研制出性能更优，应用范围更广的厌氧反应器， 从而推动水处理技术的发展。 1 4a b r 反应器的由来及理论依据 1 4 1a b r 的由来及原理 a b r 产生于2 0 世纪8 0 年代初期，最初只是在推流反应器内部加设了几个竖直放置 的挡板，将整个推流反应器分隔成了若干个部分，具体结构如( 图1 1a ) ) 所示，这就是最 初的a b r 的形态。随着对a b r 的研究的深入，a b r 的结构形态不断被改良发展，但反 应器总体的原理基本没有发生改变。a b r 反应器可以看作是一系列横向串联的u a s b ， 每个格室都可以看成是一个单独的u a s b 。当废水进入反应器后，沿着挡板不断的上升 下降折流前进，依次穿过每个格室。污泥分别存在于每个格室的底部，污水从每个格室 的底部流入，搅动该格室内的污泥层，从而使水中底物与污泥充分接触。当水中有机物 被降解后产生甲烷气体，气体以气泡形式上升并不断汇聚成大气泡，带动污泥上下运动。 但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，污泥仅在垂直方向上运动而很少能够横 向水平运动，因此，污泥能够大量被保存在各个反应室中而不被水流带走。从构造上来 看，a b r 可以看作是若干u a s b 的水平串联，在各隔室内部水流呈完全混合的流态；但 总体工艺又与单个的u a s b 有着显著差别，由于a b r 的各个格室内部的微生物并不相 互混合，内部污水中有机物也呈递减趋势，因此，a b r 更接近与推流形态。【1 6 1 1 4 2a b r 反应器的理论依据 a b r 的结构虽然简单，但却包含了三个著名的厌氧理论：微生态系统理论，复合流 态的反应器系统理论，分阶段多相厌氧工艺( s m a p ) 。第一种理论在大多数反应器上都 有体现，因而在此不再赘述。而对于后两种理论却是大多数反应器所不具备的理论，下 7 陕西科技大学硕士学位论文 面进行详细阐述。 复合流态的反应器系统理论：反应器的良好运行要以良好的流态为保证，而良好的 介质流态一方面要满足反应器内部介质的均匀混合，才能保证微生物与底物的充分接触， 具有良好的完全混合流态和较高的容积利用率；另一方面，还应具备较高的浓度梯度和 浓度差，才能促使介质之间的传质，使系统高效有序的运行。但在现实应用中，反应器 基本有两种主要流态，分别为完全混合式( c s r t ) 和推流式( p f ) 。大多数的反应器只 具备推流式和完全混合式中的一种流态，而a b r 却十分符合该种理论的条件。因为， a b r 在每个格室内部是完全混合流态，而在整体上又呈现推流流态。由此可见a b r 的 结构比较优化，与其他反应器相比水力学流态更加合理。 分阶段多相厌氧工艺( s m a p ) ：l e t t i n g a 教授在预测未来厌氧反应器的发展动向时提 出s m p a ( s t a g e dm u l t i p h a s ea n a e r o b i cs y s t e m ，阶段式多相厌氧消化) 【i7 】方法适合不同温度 条件下不同类型基质的高效处理，它将是厌氧技术领域发展和研究的主要方向。s m p a 的基本观点是：在各级单独的空间中培养与该空间内部的环境条件以及底物成分相适应 的微生物的种群，各级单独空间内的微生物不相互混合，在各级空间内废水与污泥充分 的接触，产生的气体也不与其他部分的气体混合，而是单独排放，反应器整体呈现出推 流模式，具有更高的处理效率。可以看出，a b r 几乎完美地实现了这一思想理论，将 s m p a 与u a s b 完美的结合到了一起。a b r 反应器可以看作是一系列横向串联的u a s b ， 每个格室都可以看成是一个单独的u a s b 系统，各格式内部是与该格室有机底物相适应 的微生物种群分布。并且每个格室之间的微生物不相互混合，使产酸相与产甲烷相相分 离。从第一格室到最后一各格室内部的有机物浓度逐渐降低，整体为推流模式。 1 5a b r 反应器的优缺点 1 5 1 优点 a b r 的优点主要体现在以下几个方面f t l ： a 优良的水力学特性 由于a b r 集推流模式和完全混合流态于一身，在各格室完全混合的前提下又保证 了整体的推流形态，因此具有良好的水力特性。评价一种反应器的水力性能一般用两个 参数，分别为死区百分率m 和完全混合槽串联数f n ) 。相关实验0 s l 研究了a b r 在多个 微生物含量指标和多个h r t 条件下稳定运行的v 值，研究结果表明a b r 的死区百 分率范围为7 - 2 0 ，综合平均值为9 8 ，明显低于其他类型的厌氧反器。对于完全混 合槽串联数的实验结果表明，反应器完全混合槽串联数n 随h r t 的缩短而减少，但 减少的值不大。这主要是由a b r 的特殊结构形态所决定的。当进水速率变大也即h r t 缩短时，由于a b r 内部竖置的挡板起到缓冲作用，使水流只能通过挡板的方向依次流 8 新型结构a b r 的设计与实验研究 动。因此，在每个格室内部都增大了湍流程度的同时，反应器整体的推流形态依然能够 保留。因此，a b r 是具有一系列完全混合流态( c s i 玎) 的推流式反应器。 b 合理分布的的微生物种群特征 在a b r 启动之后，随着废水沿程逐步流过每个格室，各格室内废水中的有机物含 量逐渐降低，并且进入每个格室中的废水基本形成了自己特有的水质。于是，在整个反 应器内的不同格室里形成了与水质和反应阶段相适宜的特有的微生物种群。随着废水的 进入各格室内的微生物互相配合，接连工作，整体形成了一个种群分布合理，处理效果 良好的厌氧微生物系统。在反应器的前面格室以水解和产酸菌为主，而随着格室的推移 主要以产氢产乙酸以及产甲烷菌所占据主体地位。这种特有的微生物分布形态是逐渐推 移变化的。并且每个格室内部都含有少量其他格室内占主导的微生物，这样可以缓解水 质的突然变化。 c 优良的抗冲击负荷潜力 由于a b r 反应器内部具有一系列的间距适当的折流挡板，具有很好的截留隔离作 用。当进水负荷突然发生变化时，前面格室承担了主要的匀质作用，当废水流入后面格 室