厌氧折流板反应器的技术探讨.TextMark.pdf

厌氧折流板反应器的技术探讨 周 明 施永生 吕其军 昆明理工大学 建筑工程学院 云南 昆明 650224 摘 要 厌氧折流板反应器是一种新型 高效的厌氧反应器 具有工艺技术简单 建设投 资费用低 运行管理方便 固液分离效果好 出水水质好 运行稳定可靠 对有毒物质适应性 强等优点 是一种极具开发应用前景的废水生物处理新技术 本文对该反应器的水力特性 工 艺特性 污泥特性 动力学模型 应用研究现状及存在的不足 进行了详细地分析 并指出了 该工艺今后的研究 发展方向 关键词 生物处理 厌氧折流板反应器 污水 污泥颗粒 中图分类号 X70313 文献标识码 B 文章编号 1004 2660 2006 01 0059 06 Technical Study on Anaerobic Baffled Reactor ABR ZHOU Ming SHI Y ong sheng LU Qi jun Faculty of Architectural Engineering Kunming University of Science anaerobic baffled reactor waste water sludge particle 厌氧生物处理技术 是对普遍存在于自 然界的微生物过程的人为控制与强化 是处 理有机污染和废水的有效手段 但由于人们 对参与这一过程的微生物的研究和认识不 足 致使该技术在过去的100a里发展缓慢 随着世界能源的日益短缺和废水污染负荷的 提高 及废水中污染物种类的日趋复杂化 废水厌氧生物处理技术以其投资省 能耗 低 可回收利用沼气能源 负荷高 产泥 少 耐冲击负荷等诸多优点 而再次受到环 第33卷 第1期 有色金属设计 Vol 33 No 1 2006 NONFERROUS METALS DESIG N 2006 收稿日期 2005 12 06 作者简介 周 明 1965 男 云南人 讲师 主要从事给水排水方面的教学工作 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 保界人士的重视 同时 随着对厌氧消化机 理及厌氧处理工艺研究的不断深入 厌氧生 物处理技术的应用前景十分光明 荷兰Wa2 geningen农业大学的Lettinga教授认为 厌 氧处理技术是资源与环境保护技术的一项核 心技术 在展望新型高效厌氧反应器时 Lettinga教授特别提到了一个全新的厌氧工 艺概念 分阶段多相厌氧工艺 staged multi phase anaerobic reactor system 简称 SMPA SMPA工艺的概念主要包括以下几 点内容 1 依靠各级处理单元内 基质组成及 环境因子 pH H2分压 代谢中间产物等 的不同 在各级处理单元中 分别培养出适 合环境条件的厌氧微生物种类 2 阻止各级处理单元中的厌氧污泥相 互混合 3 各级处理单元产生的气体单独排 放 4 使流态更接近于推流式 提高处理 效率 SMPA系统适用于各种温度条件 从低 温 55 均可行 并 且可用于各种难降解废水的处理 尤其对于 悬浮物浓度高的废水 SMPA工艺可以先将 悬浮物去除掉 再行处理 1 厌氧折流板反应器的提出 厌氧折流板反应器 anaerobic baffled re2 actor 简称ABR 是美国Stanford大学的 McCarty教授 于1981年提出的一种新型高 效厌氧反应器 该反应器通过内置的竖向折 流板 将反应器分割成几个串联的反应室 每个反应室都是一个相对独立的UASB系 统 运行时 废水在折流板的作用下 逐个 通过反应室内的污泥床层 并通过水流和产 气的搅拌作用 使得进水中的底物与微生物 充分接触而得以降解去除 ABR与目前广 泛应用的UASB反应器相比 不需要复杂的 三相分离器和较昂贵的布水系统 具有工艺 技术简单 建设投资费用低 固液分离效果 好 运行管理方便 对有毒物质适应性强等 优点 是一种极具开发应用前景的废水生物 处理新技术 ABR反应器独特的分隔室结构及推流 式流态 使得每个反应室中可以驯化培养出 与流至该反应室中的污水水质 环境条件相 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分离 使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 该反应器因具有结构简单 污泥截流能力强 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 20 多年来对它的研究一直没有间断过 近年来 更是成为厌氧反应器领域内的研究热点之 一 2 ABR反应器的水力特性 ABR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 因而水力特性是反 应器性能的一个重要方面 它影响着该工艺 处理效果的好坏 有关对ABR反应器水力 流态的研究表明 在不同污泥浓度和不同水 力停留时间 HRT 且稳定运行的条件下 ABR反应器中的死区容积分数 V d V 与 HRT无明显的相关性 即清洁反应器中的 水力停留时间分布 RTD 状况 与接触污 泥的反应器中的RTD是基本一致的 污泥 浓度对反应器的RTD没有太多的影响 研 究还表明 ABR反应器中的死区容积分数 要比其它类型的厌氧反应器低得多 说明 ABR反应器的容积利用率很高 ABR反应 器的死区容积分数值与其它类型厌氧反应器 06有色金属设计 第33卷 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 工艺的死区容积分数值的比较数据 见表1 表1 ABR反应器与其它类型反应器的Vd V比较 Tab 1 Vd V Comparison of ABR with Other Types of Reactors 反应器类型 厌氧滤池 AF 传统消化池 ABR反应器 死区容积分数 V d V 1 50 93827 20 国内外的研究表明 影响ABR反应器 水力特性的主要因素有ABR反应器的结构 水力停留时间HRT 固体浓度及回流 1 ABR反应器结构的影响 废水流经 ABR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 这 与反映器内的折流板数有关 导流板参数是 否合理 直接影响着水力死区 对生物死区 也有一定的影响 2 HRT和污泥的影响 Grobicki等通 过跟踪试验 用4个尺寸略有不同 并且隔 室数目不同 具有4 8隔室 的ABR反应 器 分有污泥和无污泥2种情况 在不同的 HRT下 进行了一系列的停留时间分布的 研究 发现 清水试验时 ABR反应器水力死区 较小 且其值较为稳定 广义上随HRT的 减少和反应器内有更多的隔室数而增多 较低的HRT下 污泥的出现并没有 明显增加反应器的死区容积 在较高的HRT 时 水力死区是生物死区的主要贡献者 但 它的影响随着HRT缩短而减小 3 ABR反应器的工艺特性 实验室 中试和生产性规模的研究都表 明 ABR反应器在一个较大的负荷范围内 能够处理各种不同浓度的废水 它具有 UASB反应器所不具有的优点 1 结构优点 结构简单 没有移动部分 不需要搅 拌设备 相同容积的废水流程延长 水力条件好 有效容积大 沿反应器的纵向将产酸过程和产甲烷 过程分离 反应器以两相系统方式运行 减少堵塞和污泥床膨胀 专门的气固液分离系统 投资和运行费用低 2 活性污泥 污泥颗粒不是ABR良好运行的必要 条件 活性污泥截流能力强 且不需要固体 介质或污泥沉降室 具有较高的SRT 污泥 产量低 各隔室的微生物随流程逐级递变 递 变规律与基质的降解过程协调一致 确保相 应的微生物相拥有最佳的工作活性 3 运行 水力停留时间 HRT 短 容积负荷 高 对温度的适应能力强 可间歇运行 推流式水力特性确保系统在水力和有 机冲击负荷时 仍具有很高的稳定性 对有毒物质和抑制性化合物具有更强 的缓冲适应能力 出水水质好 4 ABR反应器的污泥特性 对ABR处理工艺而言 虽然活性污泥 的形成并不是其处理效能的主要决定因素 但该反应器中存在颗粒污泥的形成过程 而 且其生长速度较快 重要的是 在ABR反 16第1期 周 明 施永生 吕其军 厌氧折流板反应器的技术探讨 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 应器中 不同隔室内的厌氧微生物的种类分 布 呈现出良好的种群配合 不同隔室中存 在适应流入该隔室的废水水质的优质微生物 种群 例如 在位于反应器前端的隔室中 主要以水解及产酸菌为主 而在较后面的反 应器隔室中 则以甲烷菌为主 就甲烷菌而 言 随隔室的推移 其种群由八叠球菌属为 主逐渐向甲烷丝菌属 异养甲烷菌和脱硫弧 菌属等转变 这样逐室的变化 使优势微生 物种群得以良好地生长繁殖 废水中的污染 物分别在不同的隔室中得到降解 因而具有 良好的处理效能和稳定的处理效果 由于ABR独有的结构和不同的微生物 群落可以在不同的隔室内发展 每一个隔室 内的微生态系统 都依赖于所出现的基质类 型和数量 就像依靠外部参数pH和温度一 样 在折流板反应器前部是高浓度的甲烷八 叠球菌 向反应器后部转变为甲烷丝状菌 这是因为在高乙酸浓度下 甲烷八叠球菌增 长速度比甲烷丝状菌的高 甲烷八叠球菌 max 013 d 而甲烷丝状菌 max 011 d 而占优势 然而在低乙酸浓度下 甲烷丝状 菌由于其对乙酸的亲和力比甲烷八叠球菌强 甲烷丝状菌半饱和常数Ks 230mg L 甲 烷八叠球菌Ks 400mg L 而占优势 污泥颗粒化不仅可有效地改善污泥的沉 降性能 利于反应器对生物体的截留 改善 微生物的生理环境 加强它们对外界环境 如水质 pH 温度等 的抵抗和适应能 力 利于系统的稳定性和高效运行 尽管对 ABR反应器来说 颗粒化对于最佳性能并 不是必须的 但许多研究都表明 在ABR 反应器内 颗粒污泥的出现 其颗粒污泥的 外观及粒径大小随废水水质 浓度及处理目 的 酸化和甲烷化 的不同 而不同 5 动力学模型 厌氧消化过程的动力学描述 通常采用 Monod模式和Eckenfelder模式 多年来对厌 氧反应器的数学模型进行了很多的研究 对 于多阶段反应器的数学描述也有一些成果 两相厌氧反应器出现后 也有一些关于它的 数学模型 这些模型分别描述了产酸相和产 甲烷相的动力学行为 尽管这些模型对 ABR反应器的数学模型的建立有借鉴意义 但目前关于ABR反应器的数学模型的研究 还极少 Bachmann在他的研究中 对ABR 反应器的数学模型进行了一些探讨 他为固 定膜反应器和ABR反应器建立了统一的模 型 将固定膜模型和变级数模式组合在一 起 结果发现该模型的早期预测是好的 但 在较高负荷率下 COD去除率预测值偏低 W P Barber在其总结中提到 Nachaiyasit 用Monod动力学结合分子向活性污泥絮体 内的扩散 导出了球形模型 该模型预测的 COD去除率高于试验值 对高负荷率 8 15gCOD L在 20h 的预测值比短的停留时 间 10 15h的HRT 浓度4gCOD L 的精 确 但在一些模拟分析中 前2个隔室的偏 差较大 Nachaiyasit对基于相同的假设和相 同的试验数据 用不同的模型得到的结果进 行了比较 发现球形模型最适合 虽然球形 模型的预测能力并不总是很好 但它作为理 解不同的系统参数间的相同作用的工具 是 有用的 因此 可以作为更好的预测模型发 展的基础 6 ABR工艺的应用研究现状 目前 国外将ABR反应器应用于处理 各种中 高浓度的有机废水的研究日趋增 多 这些中 高浓度的有机废水主要是屠宰 废水 制糖废水 酿酒废水 酒糟废液及木 釜馏废水等 此外 对ABR反应器的工艺 设计等 也在深入研究之中 有关研究表 明 ABR反 应 器 的 容 积 负 荷 可 达10 30kgCOD m 3 d 甚至更高 其COD去除 率可达70 90 国内有关在实际工程中应用ABR来处 26有色金属设计 第33卷 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 理印染废水和制药废水的报道 ABR达到 了其在整个工艺系统中所应起的作用 处理 效果良好 在低浓度污水的研究中 一些学者采用 ABR反应器作了研究 并取得了较好的效 果 见表2 表2 ABR反应器处理低浓度污水部分实例 Tab 2 Examples of TreatingLow concentration Waste Water by ABR 污水 水力停留时间 HRT h 进水COD mg L 1 去除率 负荷 kg m 3 d 1 产气率 m3 m 3 d 1 生活污水8443875011301025 生活污水484927101250105 生活污水18444584011301025 蔗糖废水26184737411670149 蔗糖废水284738611420143 蔗糖废水2114419301960131 屠宰场废水26147308901670172 屠宰场废水7125508011820133 屠宰场废水2155107541730143 注 1 温度为25 2 温度小于16 其余为中温 7 ABR反应器研究存在的不足 之处 实验室 中试和生产规模的研究表明 ABR在 一 个 较 大 的 负 荷 范 围 0 14 28kgCOD m3 d 处理不同浓度 0 145 1 000g L 的各种废水 都能有满意的结 果 尽管目前ABR还没有大规模出现 但 它具有几个其它发展良好的系统所不具备的 优点 见表3 表3 ABR的优点表 Tab 3 Advantages of ABR 结 构活性污泥运 行 1 结构简单 无移动部分 不需 要搅拌设备 在容积不变的条件下 增大了废水的流程 2 反应器水力条件好 容积利用 率高 3 沿反应器的纵向 将产酸过程 和产甲烷过程分离 反应器以两相 系统方式运行 4 减少堵塞和污泥床膨胀 5 无特殊的气固分离系统 6 低的投资和运行费用 1 颗粒污泥不是ABR良好 运行的必要条件 2 活性污泥截流能力强 且不需要固定媒体或污泥沉 降室 具有高SRT 污泥产 量低 3 各隔室内的微生物随流 程逐级递变 递变规律与基 质的降解过程协调一致 确 保相应的微生物相拥有最佳 的工作活性 1 低的水力停留时间HRT 2 可以长时间运行 而无剩余污 泥 3 可以在较广的温度和浓度范围内 运行 4 推流式特性确保系统在水力和有 机冲击负荷下 仍具有很高的稳定 性 5 对有毒物质和抑制性化合物 具 有更好的缓冲适应能力 6 系统拥有更优的出水水质 36第1期 周 明 施永生 吕其军 厌氧折流板反应器的技术探讨 1994 2006 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 当然 ABR反应器的推流式特点有其 不利的一面 在同等的总负荷条件下 与单 级的厌氧反应器相比 ABR反应器的第一 隔室要承受的负荷远大于平均负荷 造成局 部负荷过载 对反应器的运行产生不利的影 响 对中试和生产规模的ABR的不利之处 在于 需修建浅的反应器才可以保持适宜的 水流和气体上升流速 另一个问题是保持入 流分布均匀 另外 ABR反应器也有厌氧 反应器的共同弱点 即出水COD浓度较高 较难达到排放标准 还需要后续处理设施 尽管已经对ABR反应器进行了如前面 所述的研究和实践 并且已取得了许多研究 成果 但在理论 实验研究 工程应用等方 面 都还存在许多不足之处 还需要做更多 的研究工作 主要体现在 1 目前 关于ABR反应器所做的研 究都集中于一个或少数几个方面 还没有研 究者在其研究中对ABR反应器作系统全面 地研究分析 因而不能得出准确全面的评 价 不利于在实际中的应用和推广 2 目前 对常温条件下厌氧消化的研 究日渐关注 这是一个新的 非常有实用意 义的研究点 ABR反应器在这方面的研究 目前还几乎没有 3 模拟可溶性微生物产物的SMPs 固体 中间产物 COD的去除率的演变 营养物的需求 有毒废水的处理 例如 多 氯脂肪族化合物 含氮有机物 表面活性剂 等 等方面的研究 还需要进行或者加强 4 ABR反应器中颗粒污泥的形成条 件 反应器内污泥持有量的合适范围 控制 厌氧微生物生态的因素 5 ABR反应器是一种多隔室结构 不 同的水质和运行条件下 各隔室内的降解行 为并不相同 影响数学描述的因素很多 如 反应器的结构 沟流现象 不同水质的限速 阶段不同等 目前 有关ABR反应器内有 机物降解和微生物生长动力学方面的研究 进行得很少 大部分实验研究结果 未上升 到理论高度进行系统分析 未能得出可以应 用于生产规模的工艺参数 不足以指导 ABR反应器的实际运行 而生产规模的反 应器对降解模型有迫切的需要 因此 关