新型內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器

1、新型內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器1 前言隨著我國社會經(jīng)濟和城市化的發(fā)展，城市污水的數(shù)量在不斷增長。據(jù)預(yù)測1，2010年我國城市污水排放量將達到3440 億 m/d ；20203。目前我國污水處理量和處理率雖然不高， 但城年將達到 536 億 m/d市污水處理廠每年排放干污泥大約30 萬噸，而且還以每年10的速度增長 2 。我國現(xiàn)有污水處理廠，有很大一部分污泥處理設(shè)施沒有有效運行，污泥沒有得到妥善處理， 致使城市污水處理的最終問題落到了污泥處理處置上。 因此，如何有效處理污水廠污泥是國際范圍內(nèi)污（廢）水處理領(lǐng)域中所面臨的最為重要而復(fù)雜的問題3 。本研究基于內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的理論與設(shè)計，開發(fā)了一種新型污泥

2、濃縮消化反應(yīng)器（ STDR），將濃縮和消化集成在一個反應(yīng)器的不同反應(yīng)室，并使其相互促進，提高了反應(yīng)器效率。2 試驗流程與方法2.1 試驗流程本試驗在重慶城南污水處理廠進行。試驗流程如圖 1 所示，反應(yīng)器有效容積為 220L，其中起消化作用的主要是第二反應(yīng)室，容積約 80L。反應(yīng)器高度為 1.8 米，其中污泥壓縮區(qū)為 0.4 米，反應(yīng)室區(qū)高度為 1.2 米，沉淀區(qū)為 0.2 米。反應(yīng)器構(gòu)造參數(shù)見表 1，構(gòu)造如圖2所示。試驗污泥來自二沉池底部， 經(jīng)自吸式排污泵抽至高位配泥箱，配泥箱中安裝有恒流裝置， 起調(diào)節(jié)和恒定流量的作用， 進泥采用半連續(xù)方式。污泥經(jīng)配泥箱進入 ICSTD反應(yīng)器進行濃縮并消化處理

3、， 消化污泥由反應(yīng)器底部排出， 沼氣由氣液分離器頂部經(jīng)洗氣瓶和濕式氣體流量計計量后排至室外， 上清液由反應(yīng)器出水區(qū)排出， 由水箱計量上清液體積，采用沼氣內(nèi)循環(huán)進行連續(xù)攪拌。表 1反應(yīng)器的構(gòu)造參數(shù)Table1 Construction parameters of ICSTD項目有效容積過水面積功能2功能分區(qū)（L）（m）總體2200.1764污泥濃縮與消化第一反應(yīng)室600.0864污泥濃縮與消化第二反應(yīng)室800.09污泥濃縮與消化污泥壓縮區(qū)250.09污泥濃縮沉淀區(qū)400.1764上清液澄清出水區(qū)150.1764上清液排出固氣液分離器8氣液分離2.2 試驗過程與方法試驗包括啟動期與負荷運行期，其運

4、行溫度在20 35之間。啟動時取重慶市唐家橋污水廠消化池污泥作為接種污泥，污泥接種量為 50L，與二沉池底部污泥混合后裝滿反應(yīng)器，關(guān)閉沼氣收集計量裝置，開動循環(huán)氣泵，密閉運行 2 天，反應(yīng)器在 35 天左右達到設(shè)計負荷并穩(wěn)定運行，完成啟動。運行期主要是考察反應(yīng)器在不同有機負荷下的濃縮消化效果，并尋求反應(yīng)器的最大設(shè)計負荷。3 試驗結(jié)果與分析3.1 試驗結(jié)果反應(yīng)器在設(shè)計負荷下運行的試驗結(jié)果如表2 所示。3.2 結(jié)果分析有機負荷對 VS去除率的影響反應(yīng)器有機負荷對VS去除率的影響如圖3 所示：表 2 試驗結(jié)果Tab.2 The results of the experiment進泥量 (L/d)32

5、44587085HRT(d)6.953.83.12.6SRT(d)120.6135.675.654.84136.148.389.6811.25有機負荷（ KgVS/m· d） 3.08有機物去除率（ %）86.382.78079.154.1進泥濃度（ %）98.998.498.398.398.4排泥含水率（ %）87.488.889.89094.6從圖 3 可以看出，反應(yīng)器有機物去除率與有機負荷呈一定規(guī)律性。隨著反應(yīng)器有機負荷的增大，有機物去除率逐漸減小，但當反應(yīng)器的有機負荷達到 9.68KgVS/m3.d 時，反應(yīng)器里的有機物去除率急劇下降，當負荷達到 11.25KgVS/m3.d

6、 時，去除率降至 54.07 ?？梢娨〉幂^高的有機物去除率，反應(yīng)器有機負荷擬控制在9.68KgVS/m3.d 以內(nèi)。水力停留時間對VS的去除率影響水力停留時間與VS去除率的關(guān)系如圖4 所示。從圖 4 可以看出，隨著反應(yīng)器水力停留時間的加大，有機物分解率加大，但可以看出在水力停留時間為3.1 天時，有機物分解率達到 79.08 ，而水力停留時間達到6.9 天時，有機物去除率為86.27 ，比 3.1 天時大 7左右，但反應(yīng)器的容積將加大一倍。3由此可見，水力停留時間為 3.1 天（負荷 9.68KgVS/m.d ）時，有機物去除率達到 79.08 ，此工況點為反應(yīng)器的較佳工況。與 VS隨時間的

7、變化ICSTD 反應(yīng)器作為污泥濃縮消化一體的反應(yīng)器，其底流排泥含水率反映了剩余污泥在其中的濃縮效果。而厭氧消化的主要目的之一在于降解有機物，使處理基質(zhì)達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中總固體TS與TS中有機物組分VS是厭氧消化的兩個重要指標。通過VS/TS可以看出剩余污泥在反應(yīng)器里的消化程度。圖 5 為試驗過程中 VS/TS的變化圖 ( 涵蓋了所有負荷段 ) 。由圖 5 可以看出，進泥的 VS/TS比較穩(wěn)定，保持在 0.63 0.69 左右，經(jīng)過 ICSTD反應(yīng)器后 VS/TS 降至 0.2 0.33 左右，其有機物降解率達到 71.1 85.9 ，表明 ICSTD反應(yīng)器具有較好且穩(wěn)定的消化效果。含水率的變化

8、通過對反應(yīng)器排泥含水率的測定可以看出ICSTD反應(yīng)器的濃縮效果。圖 5 為試驗過程中含水率的變化圖( 涵蓋了所有負荷段 ) 。由圖 6 可以看出，反應(yīng)器進泥濃度在 98.3 左右，而穩(wěn)定運行后排泥含水率在 90左右，濃縮效果良好。主要原因是反應(yīng)器內(nèi)污泥的厭氧消化過程中，有機物不斷減少，而污泥不斷無機化，在重力的作用下加速污泥的下沉，使之與污泥濃縮相互促進，可見 ICSTD 反應(yīng)器較好地達到了濃縮消化相互促進的效果。日產(chǎn)氣量的變化圖 7 為試驗過程的產(chǎn)氣量變化曲線。從圖 7 可以看出，隨著試驗的穩(wěn)定和負荷的增加，反應(yīng)器產(chǎn)氣量總體呈上升趨勢， 但有時出現(xiàn)下降， 主要是因為反應(yīng)器進泥量波動出現(xiàn)沖擊負

9、荷，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降，但經(jīng)過兩天左右，產(chǎn)氣量又會上升。本研究中反應(yīng)器里產(chǎn)甲烷活性較高平均產(chǎn)氣率為1.17 m3 /m3 泥。3.3 反應(yīng)器影響因素分析值pH 值是厭氧消化處理最重要的影響因素之一。在本試驗 pH 值變化情況如圖 8 所示：由圖 8 可以看出 , 進泥和上清液的 pH值變化較大，沒有一定的規(guī)律性，但 pH 值的范圍都在 7.0 8.0 之間。從第一反應(yīng)室中部和第二反應(yīng)室中部的 pH值來看，反應(yīng)器內(nèi)部的 pH值變化不大， 曲線比較平緩，其值范圍在 77.8 之間，大部分值在 7.4 7.6 之間波動，該值處于產(chǎn)甲烷菌生長的最佳 pH范圍，說明該反應(yīng)器內(nèi)污泥厭氧消化狀況良好。有機酸 V

10、FA（以乙酸計）的影響有機酸（ VFA）是厭氧消化過程中另一項重要性能指標。有資料表明，運行良好的厭氧消化反應(yīng)器， 其 VFA濃度應(yīng)小于 500mgHAc/L，最好是低于 300 mgHAc/L4 。乙酸濃度在 200 mgHAc/L400 mgHAc/L 通常認為是正常的良好消化 5 。本試驗中對反應(yīng)器的進泥、第一反應(yīng)室中部、第二反應(yīng)室中部、上清液的 VFA值進行測定。如圖 9 所示。從圖 9 可以看出，反應(yīng)器內(nèi)的有機酸濃度變化較大，反應(yīng)器內(nèi)的有機酸濃度明顯比進泥的有機酸濃度大， 從第一反應(yīng)室中部和第二反應(yīng)室中部的曲線走向來看趨于一致， 只是第一反應(yīng)室中部的有機酸濃度變化趨勢大于第二反應(yīng)室中

11、部， 主要是前者取樣口位于第一反應(yīng)室中部，在進泥口上方， 受進泥的影響較大?？傮w上反應(yīng)器的有機酸濃度基本在 300 mgHAc/L以內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)從未出現(xiàn)過酸化現(xiàn)象，并運行良好。4 結(jié)論內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器 （ ICSTD）提出了污泥濃縮消化一體化的新工藝，實現(xiàn)了污泥在濃縮過程中消化， 在消化過程中濃縮，且濃縮功能與消化功能相互促進， 是污泥濃縮與污泥厭氧消化領(lǐng)域的一個突破。ICSTD反應(yīng)器的消化效果良好，溫度在 20 35之間。試驗結(jié)果表明，污泥中有機物含量由進泥的 63 69降低到排泥的 20 33，有機物分解程度達到了 71.1 85.9 。較佳運行參數(shù)為有機負荷 9.68KgVS/m

12、3.d ，水力停留時間 3.1 天，有機分解率79，達到并超過了高負荷消化池的有機分解率。ICSTD反應(yīng)器具有較好的濃縮效果，進泥含水率 98.3 左右，在水力停留時間 3.1d 條件下，污泥濃縮停留時間為 54.8d ，排泥含水率在 90左右，濃縮效果優(yōu)于普通的濃縮池。STDR各反應(yīng)室的 pH值均在 7.0 8.0 之間， VFA一般在300mg/L 左右 , 產(chǎn)氣率為 1.17 m 3 /m 3 泥，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為合理，具有良好的厭氧消化和濃縮的條件。新型曝氣生物濾池 -Biostyr0 前言現(xiàn)代曝氣生物濾池是在生物接觸氧化工藝的基礎(chǔ)上引入飲用水處理中過濾的思想而產(chǎn)生的一種好氧廢水處理工藝

13、，70 年代末 80 年代初出現(xiàn)于歐洲，其突出特點是在一級強化處理的基礎(chǔ)上將生物氧化與過濾結(jié)合在一起， 濾池后部不設(shè)沉淀池， 通過反沖洗再生實現(xiàn)濾池的周期運行。由于其良好的性能，應(yīng)用范圍不斷擴大，在經(jīng)歷了 80 年代中后期的較大發(fā)展后， 到 90 年代初已基本成熟。 在廢水的二級、三級處理中，曝氣生物濾池 (biological aerated filter, 以下簡稱BAF)體現(xiàn)出處理負荷高、出水水質(zhì)好，占地面積省等特點。 90 年代以后， BAF的發(fā)展方興未艾，工藝形式不斷推陳出新，本文要介紹的即是現(xiàn)代 BAF的代表工藝之一 Biostyr1Biostyr的結(jié)構(gòu)和原理Biostyr是法國

14、OTV公司的注冊工藝，由于采用了新型輕質(zhì)懸浮填料 - -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并具有硝化脫氮功能的反應(yīng)器為例說明1.1基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，濾池底部設(shè)有進水和排泥管， 中上部是填料層，厚度一般為 2.5 3m，填料頂部裝有擋板，防止懸浮填料的流失。擋板上均勻安裝有出水濾頭。 擋板上部空間用作反沖洗水的儲水區(qū)， 其高度根據(jù)反沖洗水頭而定， 該區(qū)內(nèi)設(shè)有回流泵用以將濾池出水泵至配水廊道，繼而回流到濾池底部實現(xiàn)反硝化。 填料層底部與濾池底部的空間留作反沖洗再生時填料膨脹之用。1 配水廊道2 濾池進水和排泥3 反沖洗循環(huán)閘

15、門4 填料5 反沖洗氣管6 工藝空氣管7 好氧區(qū)8 缺氧區(qū)9 擋板10 出水濾頭1112 回流泵13 進水管圖 1 Biostyr 濾池結(jié)構(gòu)示意濾池供氣系統(tǒng)分兩套管路，置于填料層內(nèi)的工藝空氣管用于工藝曝氣，并將填料層分為上下兩個區(qū)：上部為好氧區(qū)，下部為缺氧區(qū)。根據(jù)不同的原水水質(zhì)、 處理目的和要求， 填料層的高度可以變化，好氧區(qū)、厭氧區(qū)所占比例也可有所不同。濾池底部的空氣管路是反沖1.2工作原理反應(yīng)器為周期運行， 從開始過濾至反沖洗完畢為一完整周期，具體過程如下：經(jīng)預(yù)處理的 污水 ( 主要是去除 SS以避免濾池頻繁反沖洗 ) 與經(jīng)過硝化后的濾池出水按照回流比混合后通過濾池進水管進入濾池底部， 并

16、向上首先流經(jīng)填料層的缺氧區(qū)。此時反沖洗空氣管處于關(guān)閉狀態(tài)。缺氧區(qū)內(nèi)，一方面，反硝化細菌利用進水中的有機物作為碳源將濾池進水中的NO3-N 轉(zhuǎn)化為 N2，實現(xiàn)反硝化脫氮。 另一方面，填料上的微生物利用進水中的溶解氧和反硝化過程 中生成的氧降解 BOD，同時，SS也通過一系列復(fù)雜的物化過程被填料及其上面的生物膜吸附 截留在濾床內(nèi)。經(jīng)過缺氧區(qū)處理的污水流經(jīng)填料層內(nèi)的曝氣管后即進入了好氧區(qū)，并與空氣 泡均勻混合繼續(xù)向上流經(jīng)填料層。水氣上升過程中，該區(qū)填料上的微生物利用氣泡中轉(zhuǎn)移到 水中的溶解氧進一步降解 BOD，濾床繼續(xù)去除 SS，污水中的 NH3-N 被轉(zhuǎn)化為 NO3-N，發(fā) 生硝化反應(yīng)。值得指出的

17、是，以 SS形態(tài)被截留在濾床內(nèi)的可降解污染物以及被生物膜吸附的難降解有機物實際被降解吸收的時間可接近一個運行周期， 這一點有著很強的現(xiàn)實意義。 流出填料層的凈化后廢水通過濾池擋板上的出水濾頭排出濾池，出路分為： (1) 排出處理系統(tǒng)外 ；(2) 按回流比例與原污水混合進入濾池實現(xiàn)反硝化； (3) 用作反沖洗水 ( 在多個濾池并聯(lián)運行的情況下， 當某一個濾池反沖洗時，反沖洗水由其它工作著的濾池出水共同提供 ) 。隨著過濾的進行，由于填料層內(nèi)生物膜逐漸增厚， SS不斷積累，過濾水頭損失逐步加大，在一定進水壓力下，設(shè)計流量將得不到保證，此時即應(yīng)進入反沖洗再生以去除濾床內(nèi)過量的生物膜及SS，恢復(fù)濾池的

18、處理能力。依據(jù)不同的處理情況，濾池出水指標( 如SS)也可通過自控系統(tǒng)成為反沖洗的控制條件。反沖洗采用氣水交替反沖，反沖洗水即為貯存在濾池頂部的達標排放水，反沖洗所需空 氣來自濾池底部的反沖洗氣管。反沖再生過程如下： (1) 關(guān)閉進水和工藝空氣； (2) 水單獨沖 洗；(3) 空氣單獨沖洗；繼而 (2) 、(3) 步驟交替進行并重復(fù)幾次； (4) 最后用水漂洗一次。反 沖洗水自上而下，填料層受下向水流作用發(fā)生膨脹，填料層在單獨水沖或氣沖過程中，不斷 膨脹和被壓縮，同時，在水、氣對填料的流體沖刷和填料顆粒間互相摩擦的雙重作用下，生 物膜、被截留吸附的 SS與填料分離，沖洗下來的生物膜及 SS在漂

19、洗中被沖出濾池。反沖洗污 泥回流至濾池預(yù)處理部分的沉淀系統(tǒng)。再生后的濾池進入下一周期運行。由于正常過濾與反 沖時水流方向相反，填料層底部的高濃度污泥不經(jīng)過整個濾床， 而是以最快的速度通過池底排泥管離開濾池?？陀^的講，反沖過程沒有太多的理論依據(jù)，基本是從再生效果考慮的，既 要恢復(fù)過濾能力，又要保證填料表面仍附著有足夠的生物體，使濾池能滿足下一周期凈化處2 工藝特點Biostyr工藝最初是為在污水的二級、三級處理中實現(xiàn)硝化、反硝化開發(fā)的，設(shè)計思想來自A/O 法。在具體工藝形式的實現(xiàn)中，該工藝抓住了 BAF的技術(shù)關(guān)鍵 - 填料，并由此帶來了一系列的工藝特(1) 采用新型填料。 從化工原理的角度看，

20、填料技術(shù)的改進是對反應(yīng)器內(nèi)部構(gòu)造的改善， 是加強傳質(zhì)、改善反應(yīng)器內(nèi)水力條件、生化反應(yīng)條件的基本手段， 是提高負荷的根本途徑。 在 BAF工藝中，填料一方面起著生物載體的作用， 為生物膜提供良好的生長環(huán)境， 另一方面 也起著過濾的作用。事實上， BAF性能的優(yōu)劣很大程度上取決于填料的特性。 Biostyr 采用的是比重小于水的球形有機填料，粒徑 3.5 5mm，具有較好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性，在為微生物提供生長環(huán)境、截留 SS、促進氣水均勻混合等方 面有一定優(yōu)勢。目前，用于 BAF的填料有許多種， BAF的另一代表形式 BIOFOR 使用的 Biolite 膨脹硅鋁酸鹽，屬于沉沒填料 (sunk

21、en media) 。相比之下， Biostyrene 易于反沖洗， 結(jié)合其具體的運行方式，就為Biostyr擁有高的處理能力、延長運行周期，減少反沖洗水量創(chuàng)造了條件。目前有資料表明，懸浮填料在截留SS、降解 COD等方面要優(yōu)表 1Biostyr試驗裝置用于二級處理中的試驗記錄反反應(yīng)應(yīng)廢水排檢測指標器器備注放指標進出水水總3244490COD(mg/L)溶解性1723230(BOD5)COD(mg/L)SS(mg/L)105 12 30TKN(mg/L)40510NOx-N(mg/L)-9101. 反應(yīng)器進水為經(jīng)過斜板沉淀的市政污水2.HRT小于 2h3. 在滿足脫氮的前提下，COD負荷可達1

22、0kg/(m 3 ·d)4. 17、NH3-N 負荷為 1kg/(m 3·d) 的條件下， NH3-N 去除率達 95%；NO3-N 負荷為1.5kg/(m 3·d)( 以缺氧區(qū)計 ) 時， NO3-N去除率 75%(2) 試驗研究表明，濾池內(nèi)微生物濃度大，活性高，結(jié)合具體的運行方式， Biostyr 處理負荷高，出水水質(zhì)優(yōu)，性能穩(wěn)定。廢水先流經(jīng)缺氧區(qū)，不但提供反硝化所 需的碳源，還有部分 BOD被異養(yǎng)微生物降解掉，降低了進入曝氣區(qū)的污染負荷， 達到了好氧 區(qū) 內(nèi)降低膜法的特點，擺 脫了因硝化細菌世代期長而造成的泥齡限制。填料對水流的阻力，保障了水流的均勻分布，

23、創(chuàng)造了濾池內(nèi)半推流的水力條件以及較好的傳質(zhì)條件。 水氣平行向上流動，促進了氣水的均 勻混合，避免了氣泡的聚合，有利于降低能耗，提高氧轉(zhuǎn)移效率。表1是 F.Rogalla 等人將 Biostyr 試驗裝置應(yīng)用于二級處理中的試驗記錄，從中可對 Biostyr(3) 占地省，投資少。這一點是由于 Biostyr 的高處理能力，加上濾池易于規(guī)范化設(shè)計，故工程結(jié)構(gòu)緊湊。此外，濾池運行過程中，原污水以及反沖洗污泥從不暴露于外部，所以本工藝在處理系統(tǒng)外觀、減少不良氣味等環(huán)境方面有著好的表現(xiàn)。(4) 運行靈活，管理方便。 Biostyr 工藝一般具有自動化程度較高的控 制系統(tǒng)，濾池的過濾、反沖洗均可有保障的進

24、行。實際工程中，對于多格濾池的情形， Biostyr 的運行可類似于給水處理中的虹吸濾池，當某一格濾池反沖洗，乃至 檢修時，濾池系統(tǒng)自身發(fā)生(5) 工藝流程簡單。Biostyr工藝將 BOD降解、硝化、反硝化集于一個處理單元內(nèi)，簡化了工藝流程。在工藝流程上，具備預(yù)處理系統(tǒng)、不設(shè)置二沉池是以BAF為核心的處理系統(tǒng)的特點，Biostyr也不例外。由此也導(dǎo)致了一些不足之處。(6) 增加日常藥劑費用。 為了使濾池能以較長的周期運行， 減少反沖次數(shù)，降低能耗，須 對濾池進水進行預(yù)處理以降低進水中的SS，尤其是濾池用于二級處理的情況下， 往往須投加藥劑才能達到這一要求。藥劑的使用不僅僅增加運行費用， 許多

25、藥劑還將降低進水的堿度，進而影響反硝化，當然， BAF用于三級處理時，由于濾池進水來自二級處理的沉淀池，所以這一矛盾并不突出。目前，水處理工作者正在從事如何利用自控系統(tǒng)有效控制加藥量的研究 6 7(7) 污泥量相對較大，污泥穩(wěn)定性較差。對好氧生物處理來講，負荷越高，單位體積處理能力越強，產(chǎn)生的生物體越多，再加上濾池中截留的大量 SS，無疑增加了污泥的產(chǎn)量。當然，減少反沖洗水量會降低污泥體積， 這也就提出了在保證反沖效果的前提下， 如何提高反沖效率的問題。濾床中截留的 SS有許多屬于可生物降解的，但在過濾運行后期， 由于來不及被降解而經(jīng)反沖洗轉(zhuǎn)化為反沖洗污泥， 成為降低污泥穩(wěn)定性的因素之一。3

26、應(yīng)用Biostyr工藝在歐美應(yīng)用較為普遍，而且許多集中在處理廠用地緊張、出水水質(zhì)要求高的地方。對于已實現(xiàn)有機碳降解、硝化的處理廠，該工藝可在外加有機碳源 的情況下，完成反硝化 8 。也可對只進行有機碳降解的二級處理廠進行升級， 達到脫氮的水平。 在具備一級強化處理的條件下， 該工藝又能完全勝任工業(yè)廢水、 市政污水的二級處理。此外，與化學(xué)混凝沉淀結(jié)合，還能有效除 P。從功能上講，在去除廢水中 BOD、SS以及硝化、脫氮等方面，該工藝已經(jīng)系列化 7 ，通過具體工藝形式的改變 ( 是否設(shè) 置回流、改變工藝空氣管在濾池內(nèi)的高度以及曝氣量等 ) ，Biostyr 即可單 獨實現(xiàn)去除 SS 和降解 BOD、完成硝化