新型内循环污泥浓缩消化反应器.doc

新型内循环污泥浓缩消化反应器1 前言 随着我国社会经济和城市化的发展，城市污水的数量在不断增长。据预测1，2010年我国城市污水排放量将达到440亿m3/d；2020年将达到536亿m3/d。目前我国污水处理量和处理率虽然不高，但城市污水处理厂每年排放干污泥大约30万吨，而且还以每年10的速度增长2。我国现有污水处理厂，有很大一部分污泥处理设施没有有效运行，污泥没有得到妥善处理，致使城市污水处理的最终问题落到了污泥处理处置上。因此，如何有效处理污水厂污泥是国际范围内污（废）水处理领域中所面临的最为重要而复杂的问题3。本研究基于内循环反应器的理论与设计，开发了一种新型污泥浓缩消化反应器（STDR），将浓缩和消化集成在一个反应器的不同反应室，并使其相互促进，提高了反应器效率。 2 试验流程与方法2.1 试验流程 本试验在重庆城南污水处理厂进行。试验流程如图1所示，反应器有效容积为220L，其中起消化作用的主要是第二反应室，容积约80L。反应器高度为1.8米，其中污泥压缩区为0.4米，反应室区高度为1.2米，沉淀区为0.2米。反应器构造参数见表1，构造如图2所示。 试验污泥来自二沉池底部，经自吸式排污泵抽至高位配泥箱，配泥箱中安装有恒流装置，起调节和恒定流量的作用，进泥采用半连续方式。污泥经配泥箱进入ICSTD反应器进行浓缩并消化处理，消化污泥由反应器底部排出，沼气由气液分离器顶部经洗气瓶和湿式气体流量计计量后排至室外，上清液由反应器出水区排出，由水箱计量上清液体积，采用沼气内循环进行连续搅拌。 表1 反应器的构造参数Table1 Construction parameters of ICSTD项目 功能分区有效容积 （L）过水面积 （m2）功能总体2200.1764污泥浓缩与消化第一反应室600.0864污泥浓缩与消化第二反应室800.09污泥浓缩与消化污泥压缩区250.09污泥浓缩沉淀区400.1764上清液澄清出水区150.1764上清液排出固气液分离器8 气液分离2.2 试验过程与方法 试验包括启动期与负荷运行期，其运行温度在2035之间。 启动时取重庆市唐家桥污水厂消化池污泥作为接种污泥，污泥接种量为50L，与二沉池底部污泥混合后装满反应器，关闭沼气收集计量装置，开动循环气泵，密闭运行2天，反应器在35天左右达到设计负荷并稳定运行，完成启动。 运行期主要是考察反应器在不同有机负荷下的浓缩消化效果，并寻求反应器的最大设计负荷。3 试验结果与分析3.1试验结果 反应器在设计负荷下运行的试验结果如表2所示。3.2 结果分析3.2.1有机负荷对VS去除率的影响 反应器有机负荷对VS去除率的影响如图3所示：表2 试验结果Tab.2 The results of the experiment进泥量(L/d)3244587085HRT(d)6.953.83.12.6SRT(d)120.6135.675.654.841有机负荷（KgVS/m3d）3.086.148.389.6811.25有机物去除率（%）86.382.78079.154.1进泥浓度（%）98.998.498.398.398.4排泥含水率（%）87.488.889.89094.6 从图3可以看出，反应器有机物去除率与有机负荷呈一定规律性。随着反应器有机负荷的增大，有机物去除率逐渐减小，但当反应器的有机负荷达到9.68KgVS/m3.d时，反应器里的有机物去除率急剧下降，当负荷达到11.25KgVS/m3.d时，去除率降至54.07。可见要取得较高的有机物去除率，反应器有机负荷拟控制在9.68KgVS/m3.d以内。3.2.2 水力停留时间对VS的去除率影响 水力停留时间与VS去除率的关系如图4所示。 从图4可以看出，随着反应器水力停留时间的加大，有机物分解率加大，但可以看出在水力停留时间为3.1天时，有机物分解率达到79.08，而水力停留时间达到6.9天时，有机物去除率为86.27，比3.1天时大7左右，但反应器的容积将加大一倍。 由此可见，水力停留时间为3.1天（负荷9.68KgVS/m3.d）时，有机物去除率达到79.08，此工况点为反应器的较佳工况。3.2.3 TS与VS随时间的变化 ICSTD反应器作为污泥浓缩消化一体的反应器，其底流排泥含水率反映了剩余污泥在其中的浓缩效果。而厌氧消化的主要目的之一在于降解有机物，使处理基质达到稳定状态，其中总固体TS与TS中有机物组分VS是厌氧消化的两个重要指标。通过VS/TS可以看出剩余污泥在反应器里的消化程度。 图5为试验过程中VS/TS的变化图(涵盖了所有负荷段)。由图5可以看出，进泥的VS/TS比较稳定，保持在0.630.69左右，经过ICSTD反应器后VS/TS降至0.20.33左右，其有机物降解率达到71.185.9，表明ICSTD反应器具有较好且稳定的消化效果。3.2.4 含水率的变化 通过对反应器排泥含水率的测定可以看出ICSTD反应器的浓缩效果。图5为试验过程中含水率的变化图(涵盖了所有负荷段)。 由图6可以看出，反应器进泥浓度在98.3左右，而稳定运行后排泥含水率在90左右，浓缩效果良好。主要原因是反应器内污泥的厌氧消化过程中，有机物不断减少，而污泥不断无机化，在重力的作用下加速污泥的下沉，使之与污泥浓缩相互促进，可见ICSTD反应器较好地达到了浓缩消化相互促进的效果。3.2.5日产气量的变化 图7为试验过程的产气量变化曲线。 从图7可以看出，随着试验的稳定和负荷的增加，反应器产气量总体呈上升趋势，但有时出现下降，主要是因为反应器进泥量波动出现冲击负荷，导致产气量下降，但经过两天左右，产气量又会上升。本研究中反应器里产甲烷活性较高平均产气率为1.17 m3 /m3泥。3.3反应器影响因素分析3.3.1 pH值 pH值是厌氧消化处理最重要的影响因素之一。在本试验pH值变化情况如图8所示： 由图8可以看出,进泥和上清液的pH值变化较大，没有一定的规律性，但pH值的范围都在7.08.0之间。从第一反应室中部和第二反应室中部的pH值来看，反应器内部的pH值变化不大，曲线比较平缓，其值范围在77.8之间，大部分值在7.47.6之间波动，该值处于产甲烷菌生长的最佳pH范围，说明该反应器内污泥厌氧消化状况良好。3.3.2 有机酸VFA（以乙酸计）的影响 有机酸（VFA）是厌氧消化过程中另一项重要性能指标。有资料表明，运行良好的厌氧消化反应器，其VFA浓度应小于500mgHAc/L，最好是低于300 mgHAc/L4。乙酸浓度在200 mgHAc/L400 mgHAc/L通常认为是正常的良好消化5。本试验中对反应器的进泥、第一反应室中部、第二反应室中部、上清液的VFA值进行测定。如图9所示。 从图9可以看出，反应器内的有机酸浓度变化较大，反应器内的有机酸浓度明显比进泥的有机酸浓度大，从第一反应室中部和第二反应室中部的曲线走向来看趋于一致，只是第一反应室中部的有机酸浓度变化趋势大于第二反应室中部，主要是前者取样口位于第一反应室中部，在进泥口上方，受进泥的影响较大。总体上反应器的有机酸浓度基本在300 mgHAc/L以内，反应器内从未出现过酸化现象，并运行良好。4 结论 内循环污泥浓缩消化反应器（ICSTD）提出了污泥浓缩消化一体化的新工艺，实现了污泥在浓缩过程中消化，在消化过程中浓缩，且浓缩功能与消化功能相互促进，是污泥浓缩与污泥厌氧消化领域的一个突破。 ICSTD反应器的消化效果良好，温度在2035之间。试验结果表明，污泥中有机物含量由进泥的6369降低到排泥的2033，有机物分解程度达到了71.185.9。较佳运行参数为有机负荷9.68KgVS/m3.d，水力停留时间3.1天，有机分解率79，达到并超过了高负荷消化池的有机分解率。 ICSTD反应器具有较好的浓缩效果，进泥含水率98.3左右，在水力停留时间3.1d条件下，污泥浓缩停留时间为54.8d，排泥含水率在90左右，浓缩效果优于普通的浓缩池。 STDR各反应室的pH值均在7.08.0之间，VFA一般在300mg/L左右,产气率为1.17 m3 /m3泥，反应器结构较为合理，具有良好的厌氧消化和浓缩的条件。新型曝气生物滤池-Biostyr0前言 现代曝气生物滤池是在生物接触氧化工艺的基础上引入饮用水处理中过滤的思想而产生的一种好氧废水处理工艺，70年代末80年代初出现于欧洲，其突出特点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后部不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。由于其良好的性能，应用范围不断扩大，在经历了80年代中后期的较大发展后，到90年代初已基本成熟。在废水的二级、三级处理中，曝气生物滤池(biological aerated filter,以下简称BAF)体现出处理负荷高、出水水质好，占地面积省等特点。90年代以后，BAF的发展方兴未艾，工艺形式不断推陈出新，本文要介绍的即是现代BAF的代表工艺之一Biostyr。1Biostyr的结构和原理 Biostyr是法国OTV公司的注册工艺，由于采用了新型轻质悬浮填料- -BIOSTYRENE(主要成分是聚苯乙烯，且比重小于1g/cm3)而得名。下面以去除BOD、SS并具有硝化脱氮功能的反应器为例说明其工艺结构与基本原理。1.1基本结构 如图1所示，滤池底部设有进水和排泥管，中上部是填料层，厚度一般为2.53m，填料顶部装有挡板，防止悬浮填料的流失。挡板上均匀安装有出水滤头。挡板上部空间用作反冲洗水的储水区，其高度根据反冲洗水头而定，该区内设有回流泵用以将滤池出水泵至配水廊道，继而回流到滤池底部实现反硝化。填料层底部与滤池底部的空间留作反冲洗再生时填料膨胀之用。 1 配水廊道2 滤池进水和排泥3 反冲洗循环闸门4 填料5 反冲洗气管6 工艺空气管7 好氧区8 缺氧区9 挡板10 出水滤头11 处理后水的储存和排出12 回流泵13 进水管图1Biostyr滤池结构示意 滤池供气系统分两套管路，置于填料层内的工艺空气管用于工艺曝气，并将填料层分为上下两个区：上部为好氧区，下部为缺氧区。根据不同的原水水质、处理目的和要求，填料层的高度可以变化，好氧区、厌氧区所占比例也可有所不同。滤池底部的空气管路是反冲洗空气管。1.2工作原理 反应器为周期运行，从开始过滤至反冲洗完毕为一完整周期，具体过程如下：经预处理的 污水(主要是去除SS以避免滤池频繁反冲洗)与经过硝化后的滤池出水按照回流比混合后通过 滤池进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层的缺氧区。此时反冲洗空气管处于关闭状 态。缺氧区内，一方面，反硝化细菌利用进水中的有机物作为碳源将滤池进水中的NO3-N 转化为N2，实现反硝化脱氮。另一方面，填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化过程 中生成的氧降解BOD，同时，SS也通过一系列复杂的物化过程被填料及其上面的生物膜吸附 截留在滤床内。经过缺氧区处理的污水流经填料层内的曝气管后即进入了好氧区，并与空气 泡均匀混合继续向上流经填料层。水气上升过程中，该区填料上的微生物利用气泡中转移到 水中的溶解氧进一步降解BOD，滤床继续去除SS，污水中的NH3-N被转化为NO3-N，发 生硝化反应。值得指出的是，以SS形态被截留在滤床内的可降解污染物以及被生物膜吸附的难降解有机物实际被降解吸收的时间可接近一个运行周期，这一点有着很强的现实意义。流出填料层的净化后废水通过滤池挡板上的出水滤头排出滤池，出路分为：(1)排出处理系统外 ；(2)按回流比例与原污水混合进入滤池实现反硝化；(3)用作反冲洗水(在多个滤池并联运行的情况下，当某一个滤池反冲洗时，反冲洗水由其它工作着的滤池出水共同提供)。 随着过滤的进行，由于填料层内生物膜逐渐增厚，SS不断积累，过滤水头损失逐步加大，在一定进水压力下，设计流量将得不到保证，此时即应进入反冲洗再生以去除滤床内过量的生物膜及SS，恢复滤池的处理能力。依据不同的处理情况，滤池出水指标(如SS)也可通过自控系统成为反冲洗的控制条件。 反冲洗采用气水交替反冲，反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水，反冲洗所需空 气来自滤池底部的反冲洗气管。反冲再生过程如下：(1)关闭进水和工艺空气；(2)水单独冲 洗；(3)空气单独冲洗；继而(2)、(3)步骤交替进行并重复几次；(4)最后用水漂洗一次。反 冲洗水自上而下，填料层受下向水流作用发生膨胀，填料层在单独水冲或气冲过程中，不断 膨胀和被压缩，同时，在水、气对填料的流体冲刷和填料颗粒间互相摩擦的双重作用下，生 物膜、被截留吸附的SS与填料分离，冲洗下来的生物膜及SS在漂洗中被冲出滤池。反冲洗污 泥回流至滤池预处理部分的沉淀系统。再生后的滤池进入下一周期运行。由于正常过滤与反 冲时水流方向相反，填料层底部的高浓度污泥不经过整个滤床，而是以最快的速度通过池底 排泥管离开滤池。客观的讲，反冲过程没有太多的理论依据，基本是从再生效果考虑的，既 要恢复过滤能力，又要保证填料表面仍附着有足够的生物体，使滤池能满足下一周期净化处 理要求。2工艺特点 Biostyr工艺最初是为在污水的二级、三级处理中实现硝化、反硝化开发的，设计思想来自A/O法。在具体工艺形式的实现中，该工艺抓住了BAF的技术关键-填料，并由此带来了一系列的工艺特点。 (1)采用新型填料。从化工原理的角度看，填料技术的改进是对反应器内部构造的改善， 是加强传质、改善反应器内水力条件、生化反应条件的基本手段，是提高负荷的根本途径。 在BAF工艺中，填料一方面起着生物载体的作用，为生物膜提供良好的生长环境，另一方面 也起着过滤的作用。事实上，BAF性能的优劣很大程度上取决于填料的特性。Biostyr采用的是比重小于水的球形有机填料，粒径3.55mm，具有较好的机械强度和化学稳定性，在为微生物提供生长环境、截留SS、促进气水均匀混合等方 面有一定优势。 目前，用于BAF的填料有许多种，BAF的另一代表形式BIOFOR使用的Biolite膨胀硅铝酸盐，属于沉没填料(sunken media)。相比之下，Biostyrene易于反冲洗， 结合其具体的运行方式，就为Biostyr拥有高的处理能力、延长运行周期 ，减少反冲洗水量创造了条件。目前有资料表明，悬浮填料在截留SS、降解COD等方面要优 于沉没填料。 表1Biostyr试验装置用于二级处理中的试验记录检测指标反应器进水反应器出水废水排放指标备注总COD(mg/L)32444901.反应器进水为经过斜板沉淀的市政污水 2.HRT小于2h 3.在满足脱氮的前提下，COD负荷可达10kg/(m3d) 4. 17、NH3-N负荷为1kg/(m3d)的条件下， NH3-N去除率达95%； NO3-N负荷为1.5kg/(m3d)(以缺氧区计)时，NO3-N去除率75% 溶解性COD(mg/L)1723230(BOD5)SS(mg/L)1051230TKN(mg/L)40510NOx-N(mg/L)-910 (2)试验研究表明，滤池内微生物浓度大，活性高，结合具体的运行方式，Biostyr处理负荷高，出水水质优，性能稳定。废水先流经缺氧区，不但提供反硝化所 需的碳源，还有部分BOD被异养微生物降解掉，降低了进入曝气区的污染负荷，达到了好氧 区 内降低曝气量、为硝化创造条件的目的。硝化过程得益于生物膜法的特点，摆 脱了因硝化细菌世代期长而造成的泥龄限制。填料对水流的阻力，保障了水流的均匀分布， 创造了滤池内半推流的水力条件以及较好的传质条件。水气平行向上流动，促进了气水的均 匀混合，避免了气泡的聚合，有利于降低能耗，提高氧转移效率。表1是F.Rogalla等人将Biostyr试验装置应用于二级处理中的试验记录，从中可对Biostyr 的性能有定量的了解。 (3)占地省，投资少。这一点是由于Biostyr的高处理能力，加上滤 池易于规范化设计，故工程结构紧凑。此外，滤池运行过程中，原污水以及反冲洗污泥从不 暴露于外部，所以本工艺在处理系统外观、减少不良气味等环境方面有着好的表现。 (4)运行灵活，管理方便。Biostyr工艺一般具有自动化程度较高的控 制系统，滤池的过滤、反冲洗均可有保障的进行。实际工程中，对于多格滤池的情形，Biostyr的运行可类似于给水处理中的虹吸滤池，当某一格滤池反冲洗，乃至 检修时，滤池系统自身发生调节，而不影响整个处理系统。 (5)工艺流程简单。 Biostyr工艺将BOD降解、硝化、反硝化集于一个处 理单元内，简化了工艺流程。 在工艺流程上，具备预处理系统、不设置二沉池是以BAF为核心的处理系统的特点，Biostyr也不例外。由此也导致了一些不足之处。 (6)增加日常药剂费用。为了使滤池能以较长的周期运行，减少反冲次数，降低能耗，须 对滤池进水进行预处理以降低进水中的SS，尤其是滤池用于二级处理的情况下，往往须投加药剂才能达到这一要求。药剂的使用不仅仅增加运行费用，许多药剂还将降低进水的碱度，进而影响反硝化，当然，BAF用于三级处理时，由于滤池进水来自二级处理的沉淀池，所以这一矛盾并不突出。目前，水处理工作者正在从事如何利用自控系统有效控制加药量的研究67。 (7)污泥量相对较大，污泥稳定性较差。对好氧生物处理来讲，负荷越高，单位体积处理能力越强，产生的生物体越多，再加上滤池中截留的大量SS，无疑增加了污泥的产量。当然，减少反冲洗水量会降低污泥体积，这也就提出了在保证反冲效果的前提下，如何提高反冲效率的问题。滤床中截留的SS有许多属于可生物降解的，但在过滤运行后期，由于来不及被降解而经反冲洗转化为反冲洗污泥，成为降低污泥稳定性的因素之一。 3应用 Biostyr工艺在欧美应用较为普遍，而且许多集中在处理厂用地紧张、 出水水质要求高的地方。对于已实现有机碳降解、硝化的处理厂，该工艺可在外加有机碳源 的情况下，完成反硝化8。也可对只进行有机碳降解的二级处理厂进行升级，达到脱氮的水平。在具备一级强化处理的条件下，该工艺又能完全胜任工业废水、市政污水的二级处理。此外，与化学混凝沉淀结合，还能有效除P。从功能上讲，在去除废水中BOD、SS以及硝化、脱氮等方面，该工艺已经系列化7，通过具体工艺形式的改变(是否设 置回流、改变工艺空气管在滤池内的高度以及曝气量等)，Biostyr即可单 独实现去除SS和降解BOD、完成硝化和反硝化的功能。