IC新型廢水厭氧處理工藝_內(nèi)循環(huán)厭氧反應器

1、第22卷第2期2006年3月水資源保護W ATER RES OURCES PROTECTI ON V ol.22N o.2Mar.2006新型廢水厭氧處理工藝內(nèi)循環(huán)厭氧反應器甘樹福,徐文彬,王國勝,劉玲(廣東工業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院,廣東廣州510006摘要:介紹內(nèi)循環(huán)(IC 厭氧反應器的發(fā)展、基本結(jié)構(gòu)、運行機理。分析該反應器的工藝過程,指出該工藝具有處理效率高、抗沖擊能力強等優(yōu)點。針對IC 反應器存在的缺陷,人們對該反應器進行技術(shù)改進:通過提高它的內(nèi)循環(huán)的氣量進行處理低濃度有機廢水;增加外循環(huán)裝置縮短IC 反應器的啟動周期。關(guān)鍵詞:內(nèi)循環(huán)厭氧反應器;厭氧生物處理;水力模型中圖分類號:X70

2、3文獻標識碼:A 文章編號:10046933(200602004804A ne w anaerobic w aste w ater treatment technique :I nternal circulation anaerobic reactorGAN Shu 2fu ,XU Wen 2bin ,WANG G uo 2sheng ,LIU Ling(College o f Environmental Science and Engineering ,Guangdong Univer sity o f Technology ,Guangzhou 510006,China Abstract

3、:The development ,fundamental structure and w orking mechanisms of the internal circulation (IC anaerobic reactor were introduced.The IC reactor has many characteristics such as highly wastewater treatment efficiency and strongly resistance to shock loading.T o eliminate the defects of IC reactor ,s

4、tudies on its im proved technique have been made.The im proved IC reactor can treat wastewater of low organic concentration as the am ount of internal circulation has been increased.Its startup period has been shortened by an externally added circulating device.K ey w ords :internal circulation anae

5、robic reactor ;anaerobic biological treatment ;hydraulic m odel內(nèi)循環(huán)厭氧反應器(Internal Circulation Anaerobic Reactor ,以下簡稱IC 反應器是荷蘭PAQUEC 公司于20世紀80年代中期在UAS B 反應器的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的第三代高效厭氧反應器1,反應器內(nèi)高濃度的污泥和良好的泥水傳質(zhì)效果,使其在處理效率方面比UAS B 反應器更具優(yōu)越性。PAQUES 公司在1985年初建造了第一個IC 中試反應器,1988年建立了第一個生產(chǎn)性規(guī)模的IC 反應器2。我國于1996年開始引進IC 反應器技術(shù)3,

6、該反應器以其啟動周期短、處理量大,投資少,占地面積省,運行穩(wěn)定等優(yōu)點而深受矚目,并已成功地應用于啤酒生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。目前,進一步研究開發(fā)IC 反應器、推廣其應用范圍已成為廢水厭氧生物處理的熱點之一。1IC 反應器構(gòu)造及工藝原理IC 反應器可以看作是由兩個UAS B 反應器串聯(lián)而成的,具有很大的高徑比,一般為48,其高度可達1625m 。IC 反應器由5個基本部分組成:混合區(qū)、污泥膨脹床區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng),精處理區(qū)和沉淀區(qū)。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC 反應器工藝的核心構(gòu)造,它由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管組成(見圖1。經(jīng)過調(diào)節(jié)pH 值和溫度后的廢水進入反應

7、器底部混合區(qū),與從反應器上部返回的厭氧污泥顆粒和廢水均勻混合,由此對進水進行了稀釋和均質(zhì)作用,從而大大減輕了沖擊負荷及有害物質(zhì)的不利影響。廢水和顆粒污泥混合物在進水與循環(huán)水的共同推動下,進入污泥膨脹床區(qū),由于回流的影響,此部中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg 圖1IC 反應器構(gòu)造示意圖分產(chǎn)生較大的上升流速,最大可達1020m/h 4,廢水中的大部分有機物在這里被轉(zhuǎn)化成沼氣,沼氣被一級三相分離器收集,沿著提升管并攜帶著混合液提升至氣液分離器,分離出的沼氣從氣液分離器的頂部沼氣排出管排出。分離出的泥水混合液將沿著泥水下降管返回到反應器底部的混

8、合區(qū),并與底部的顆粒污泥和進水充分混合,實現(xiàn)了混合液的內(nèi)循環(huán)。實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)的氣提動力來自于上升的和返回的泥水混合物中氣體含量的差別,因此,泥水混合物的內(nèi)循環(huán)不需要外加動力。反應器內(nèi)液體內(nèi)循環(huán)促進了基質(zhì)和顆粒污泥的接觸,而且有很大的升流速度,故提高了傳質(zhì)效果,促進了產(chǎn)甲烷細菌的繁殖和增長,并使污泥膨脹床區(qū)去除有機物的能力增強。經(jīng)污泥膨脹床區(qū)處理后的廢水除一部分參與內(nèi)循環(huán)外,其余污水通過一級三相分離器進入精處理區(qū)繼續(xù)進行處理,可去除廢水中的剩余有機物,使廢水得到進一步的凈化,提高了出水水質(zhì)。由于大部分有機物已被降解,所以精處理區(qū)的C OD 負荷較低,產(chǎn)氣量也較小。精處理區(qū)產(chǎn)生的沼氣由二級三相分離器收

9、集,通過集氣管進入氣液分離器并通過沼氣排出管排出。經(jīng)凈化的水從沉淀區(qū)沉淀后由出水管排走,顆粒污泥則返回精處理區(qū)污泥床。2IC 反應器的水力模型IC 反應器內(nèi)部能夠形成循環(huán)回流,而且水力劇烈混合,這一點與空氣提升式反應器(Air Lift Reactor 的液體循環(huán)很相似。Pereboom 等5于1994年在空氣提升式反應器水力模型的基礎(chǔ)上提出了IC 反應器的水力模型,其形式如下:gr =u Lr1.35+0.24(u Lr +u gr 0.93(1u Lr =2gh D (gr -gd -HK T (1-gr 2+A rA d2K B (1-gd 2015(2式中:gr 為沼氣提升管中的持氣率

10、,%;u Lr 為沼氣提升管中的表觀液相上升速度,m/s ;u gr 為沼氣提升管中的表觀氣相上升速度,m/s ;h D 為氣液擴散高度,m ;gd 為泥水下降管中的持氣率,%;H 為沼氣提升管與泥水下降管間的液位差,m ;K T 為頂部阻力損失系數(shù);K B 為底部阻力損失系數(shù);A r 為沼氣提升管面積,m 2;A d 為泥水下降管面積,m 2。其中,式(1是關(guān)于空氣提升式反應器的著名經(jīng)驗公式,于1976年由Hills 得到。然而該水力模型還存在著簡化、不盡合理、計算參數(shù)難確定、計算復雜等問題,其合理性和實用性還有待進一步研究。式(2的原型式(3是基于空氣提升式反應器的能量守恒提出的理論方程,

11、這一方程也得到了廣泛認可。u Lr =2gh D (gr -gd K T (1-gr 2+A r A d 2K B (1-gd 2015(33工藝優(yōu)缺點IC 反應器與作為第二代厭氧反應器的優(yōu)秀代表UAS B 反應器相比,具有以下技術(shù)優(yōu)點:有機負荷高,水力停留時間短。內(nèi)循環(huán)提高了污泥膨脹床區(qū)的液相上升流速,因而水力停留時間短,而且強化了廢水中有機物和顆粒污泥間的傳質(zhì),使IC 反應器的有機負荷遠遠高于普通UAS B 反應器。IC 反應器具有很高的容積負荷,在處理(C OD 為1000015000mg/L 的土豆加工廢水時的負荷可達3040kg/(m 3d ,在處理如(C OD 為20003000m

12、g/L 的啤酒廢水時負荷可達2025kg/(m 3d 6;抗沖擊負荷能力強,運行穩(wěn)定性好。內(nèi)循環(huán)的形成使得IC 反應器污泥膨脹床區(qū)的實際水量遠大于進水水量,循環(huán)回流水稀釋了進水,且可利用內(nèi)循環(huán)回流的堿液,這大大提高了反應器的抗沖擊負荷能力和緩沖pH 值變化能力。此外,廢水還要經(jīng)過精處理區(qū)繼續(xù)處理,故反應器運行通常很穩(wěn)定;占地面積省,基建投資省。在處理同量的廢水時,IC 反應器的進水容積負荷率是普通UAS B 反應器的4倍左右,污泥負荷率為UAS B 反應器的34倍7,故其所需的容積僅為UAS B 反應器的1/41/3,節(jié)省了基建投資;加上IC 厭氧反應器一般采用高徑比為48的高瘦型塔式外形,故

13、其占地面積少,因而比較適合于用地緊張的企業(yè)采用。節(jié)能。IC 厭氧反應器的內(nèi)循環(huán)是在沼氣的提升作用下實現(xiàn)的,利用沼氣膨脹做功,在無須外加能源的條件下實現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)廢水回流。因而可不需外加動力,節(jié)省能耗;啟動期短。IC 反應器的啟動期比UAS B中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg 反應器要短,UAS B 反應器的啟動周期長達46個月,而IC 反應器啟動期一般僅為12個月8。然而,作為新一代的高效厭氧反應器的IC 反應器仍然存在著以下缺點及值得重視的地方:污泥分析表明9,IC 反應器比UAS B 反應器內(nèi)含有較高濃度的細微顆粒污泥,加上水力停留時

14、間相對短和較大的高徑比,所以與UAS B 反應器相比,IC 反應器出水中含有更多的細微固體顆粒,這不僅使后續(xù)沉淀處理設(shè)備成為必要,還加重了后續(xù)設(shè)備的負擔。內(nèi)循環(huán)厭氧反應器出水的SS 濃度與表面水力負荷以及產(chǎn)氣率呈正相關(guān)性,在高負荷運行時,受產(chǎn)氣率的影響尤其大10,故要控制好表面水力負荷及產(chǎn)氣率,以提高出水水質(zhì)。由于采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)和分級處理,IC 反應器高度一般較高,而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對UAS B 反應器要復雜,這增加了施工安裝和日常維護的困難,高徑比大就意味著進水泵的能量消耗大,運行費用高,所以反應器的選擇必須從建設(shè)投資和運行費等各方面進行綜合考慮。因反應器內(nèi)水流是上向流,并通過三相分離器,故三相

15、分離器的設(shè)計應考慮其實際過流斷面,避免局部水流速度過大,既要達到良好的分離效果,又要防止水流狀態(tài)不均的現(xiàn)象。研究表明11,泥水混合物的循環(huán)量不僅與沼氣的產(chǎn)量有關(guān),而且與循環(huán)管的長度和直徑等有關(guān)。為了加大泥水混合物的循環(huán)量,提高處理負荷,必須優(yōu)化循環(huán)管的長度和直徑的設(shè)計。對于IC 反應器,較高的混合液上升流速(21654135m/h 有利于反應器穩(wěn)定運行;在容積負荷為3510kg/(m 3d 和進水pH 值為815時,反應器具有最大的C OD 去除率;故在設(shè)計IC 反應器時要充分考慮反應器進水濃度、上升流速和反應器高度間的關(guān)系12。4工程應用及改進自1988年第一座生產(chǎn)性規(guī)模的IC 反應器投入運

16、行以來,全球已建成的IC 反應器大部分用于處理啤酒廢水,目前中國已有三家啤酒廠引進了此工藝13。以沈陽華潤雪花啤酒有限公司采用的IC 反應器為例8:IC 反應器高16m ,有效容積70m 3。每天處理C OD 平均質(zhì)量濃度為4300mg/L 的啤酒廢水400m 3,在滿負荷運行下容積負荷穩(wěn)定在2530kg/(m 3d ,C OD 去除率穩(wěn)定在80%。公司在解決處理生產(chǎn)廢水問題的同時,在經(jīng)濟上也獲得較大收益。每年節(jié)省排污費75萬元,沼氣回收利用價值45萬元,IC 反應器年運行費用僅為62萬元?？梢?IC 反應器處理工藝達到了技術(shù)與經(jīng)濟的優(yōu)化。IC 反應器工藝也成功地應用于制漿廢水處理。在2000

17、年,福建省南紙股份有限公司成功地引進了荷蘭PAQUEC 公司的IC 厭氧反應塔處理T MP 和DIP 制漿廢水14,目前整個廢水處理系統(tǒng)運行穩(wěn)定,處理效果好,運行成本低,包括折舊處理成本僅為0155元/t 。IC 反應器結(jié)構(gòu)獨特,適合處理T MP 和DIP 制漿高濃度混合廢水,能夠應對廢水的高負荷沖擊和高懸浮物15。IC 反應器工藝在國外,尤其在歐洲的應用較為普遍,運行經(jīng)驗也比國內(nèi)成熟許多,不但已在啤酒生產(chǎn)、檸檬酸生產(chǎn)、土豆加工、造紙等生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的廢水處理上取得很大的成功,而且正日益擴展應用范圍,其規(guī)模也越來越大。荷蘭SE NS US 公司建造了容積為1100m 3的IC 反應器處理菊粉(in

18、uline 生產(chǎn)廢水4。1995年該反應器初期運行時,日處理C OD 質(zhì)量濃度約為7200mg/L 的廢水,水力負荷達30kg/(m 3d ,C OD 去除率穩(wěn)定在70%80%。而據(jù)其估算,如果采用UAS B 反應器處理同樣的廢水,反應器容積將達2200m 3,建設(shè)投資及占地面積也將大大增加。Driessen 和Y speert 的研究表明16:IC 反應器應用于低濃度奶制品廢水、中濃度食品加工廢水、高濃度釀酒廢水等工業(yè)廢水處理,可處理工業(yè)廢水C OD 的質(zhì)量濃度在100023000mg/L ,容積負荷可達35kg/(m 3d ,低濃度廢水水力停留時間低達216h ,C OD 去除率與容積負荷

19、和水力停留時間無關(guān),這一點在工程應用上值得借鑒。IC 反應器通常應用于處理高濃度有機廢水。針對內(nèi)循環(huán)厭氧反應器對低濃度、有毒有害有機廢水的處理因內(nèi)循環(huán)氣量不足而不能正常運行的缺點,陳廣元17對IC 反應器進行了改進,對處理低濃度有機廢水進行試驗研究,反應器同時采用了脈沖進液與附加供氣系統(tǒng),額外增加了內(nèi)循環(huán)的氣量。吳根義等人18設(shè)計與制作了一種實驗用附加氣IC 反應器,采用強制性附加氣提高循環(huán)氣量,進而加大內(nèi)循環(huán)量使其在處理兩類廢水時達到更高處理效率,通過對比試驗發(fā)現(xiàn),該反應器較普通內(nèi)循環(huán)反應器啟動時間縮短38d ,最大容積負荷提高20%,進水濃度為500mg/L 時仍能正常運行。為了縮短IC

20、反應器啟動周期,改善啟動初期的傳質(zhì)作用,丁建南等人19對IC 反應器進行了改造,增加了外循環(huán)裝置,并在相同條件下與未附加外循環(huán)裝置的IC 反應器進行了對比試驗。結(jié)果表明,附加外循環(huán)裝置可有效提高啟動初期IC 反應器內(nèi)的泥水混合程度,強化傳質(zhì)過程,大大縮短啟動周期,保證IC 反應器快速、平穩(wěn)啟動。5結(jié)語與展望綜上所述,IC 反應器具有超高的容積負荷率,中國城鎮(zhèn)水網(wǎng)w ww .c h i n a c i t y w a t e r .o rg運行穩(wěn)定,去除率均較高等特點,現(xiàn)已在土豆加工、啤酒、造紙、檸檬酸等生產(chǎn)廢水處理中成功應用,取得了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。IC 反應器作為一種高技術(shù)的新型超高

21、效厭氧反應器的開發(fā),有著重要的理論意義和實用價值,具有很大的發(fā)展前景和應用潛力,值得大力推廣應用20。目前,一些學者對附加氣IC 反應器和附加外循環(huán)IC 反應器等改進型IC 反應器進行試驗研究,并取得了可喜的成果,這勢必將大大推動IC 反應器的發(fā)展。然而,IC 反應器作為新一代的厭氧反應器,仍有一些值得研究的地方,比如反應器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有待優(yōu)化以提高整個反應器的效率,水力模型的合理性和實用性有待研究,厭氧反應器顆粒污泥的研究將會成為熱點。參考文獻:1LETTI NG A G,FIE LD J ,VAN LIER J ,et al.Advancedanaerobic wastewater trea

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