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上流式污泥床厌氧反应器的改造及旋流内循环厌氧反应器初探摘要本文针对上流式污泥床厌氧反应器的问题在改造中开展了改进的研究主要特点为利用旋流技术改善了布水和循环效率在多个企业多种形式工业运行中针对发现的问题主要利用气泡的聚并和破裂产生的聚式流态化原理改善了颗粒污泥生长和生存的物理环境改进设计了内循环厌氧反应器的三相前端处理器简述了旋流内循环厌氧反应器的研究现状关键词厌氧反应器内循环旋流技术聚式流态化一引言以高效低成本为特征的现代废水处理技术首先当推先进的厌氧生物处理技术厌氧生物反应器是其中发展最为迅速的一个领域年荷兰瓦格宁根农业大学拉丁格教授通过物理结构设计利用重力场对不同密度物质作用的差异发明了三相分离器使活性污泥停留时间与废水停留时间分离形成了上流式厌氧污泥床反应器的雏型年荷兰公司在其反应器处理甜菜制糖废水时发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构即颗粒污泥颗粒污泥的出现不仅促进了以为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础原典型的反应器工作原理概念和工作状态模型存在三方面问题高度问题污泥床高度对反应区的水流影响较大如太厚会加大沟流和短流增加截面积的放大方式在大规模反应器中难以实现均匀布水三相分离器的稳定操作较为困难世纪年代中后期到年代针对上述缺陷国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床内循环反应器升流式厌氧污泥床过滤器厌氧折流板反应器为代表的第三代厌氧反应器相继出现从物理角度来看第三代厌氧反应器是以颗粒污泥为生化反应的基础主要考察固体物质在重力场作用下在流体中形成更为合理的微物理环境达到固液充分接触更快传质的这一核心目的利用固体的流态化技术是其核心技术之一侧重是解决典型上述的问题近来帕克公司可能采用了特殊物理结构设计以工艺为特征的流化床反应器问世尚未大规模应用更未引入我国情况不祥因为反应器的设计不仅要掌握生化反应规律还要深入了解为主的菌群的微生态环境现有和可能形成的物理特征在连续工艺过程中菌群的需氧情况和在流体中的特点才能设计出合理的物理结构我国是年引入厌氧反应器的概念由于大型厌氧反应器颗粒污泥的培养并未彻底解决原典型反应器存在的问题在工业运行中经常暴露致使我国自行设计的厌氧反应器运行数据大大低于设计值年代中后期公司的和公司的引进我国使第三代厌氧反应器的应用在我国得到开展与此相应的研究工作也相继展开二厌氧反应器研究及应用现状厌氧反应器雏型的形成我们是年开始的研究年进行的中试中温处理酒精废水获得成功年底巧遇安徽丰原生化股份有限公司技术改造对象是原有概念基础上典型的大型反应器该反应器曾生成过颗粒污泥容积有机负荷也曾达到过长期运行则在以下且块状漂泥流失及进水管堵塞严重典型的三方面问题带来了大量的无效容积对于这一技术改造丰原生化要求不动外形及原三相分离器考虑到费用及它们的曾培养生成过颗粒污泥故也要求改造后的厌氧反应器用城市污水处理厂厌氧消化污泥启动这种情况下布水问题循环效率问题及启动和运行状态有机负荷差异十分巨大问题显现通常为支管式布水和单循环方式一般认为其径高比为左右仅利用重力场对物体作用力的局限性就凸现出来水力旋流技术的应用为该技术改造提供了可能中国海洋大学环境科学与工程学院采用旋流式布水口和三相分离器前回流水方式进行了改良可行性的试验研究我们的技术改造则为撤除了原布水系统在底部设置了四个回流旋流布水器在离底部高处新增设了集气罩和对应四个循环系统的提升管原有三相分离器的出气管分别连接到顶部新增设的四个旋流气液分离器中气液分离器的回流管下端开口于回流旋流布水器中这次改造总共耗费钢材吨最终形成主反应区和辅反应区有不同三相分离器且含四个内循环的旋流内循环厌氧反应器辅反应区三相分离器究竟以何种状态工作则取决于辅反应区的产气情况技术改造的原理和技术方案祥见专利和改造后启动和运行效果极好运行中有机负荷稳定在以上祥见中国沼气年第期用旧罐改造成厌氧反应器处理柠檬酸废水一文和下面的讨论从四个不同高度取样口取样发现改造后的厌氧反应器正常运行时主下部反应区运行在状态辅上部反应区可能工作在状态回顾该厌氧反应器颗粒污泥培养的过程有下述特点保留了三相分离器和相应的气室结构有较大面积水平方向相对静止的气液界面上升气泡对污泥的抬升作用会形成有一定压强动态的气液固三相界面层并在其中出现聚式流态化即由于颗粒表现特性所引起的内聚现象以及气泡的聚并等原因颗粒被分群体作湍流运动即腾涌状态有反馈机制的多循环系统在启动过程中首先出现一个循环系统运行逐步随着有机负荷的增大运转循环系统数量增多到接近设计值时四个循环系统全部运转在两个循环系统运行时出现了颗粒污泥三个循环系统运转时出现了颗粒污泥快速增长部分循环系统运行时对应的局部水力负荷和产气负荷很大厌氧反应器整体水力负荷相对较小污泥流失现象相对较弱可能对颗粒污泥产生和成长很有利瞬态负荷波动控制在很小范围有利于颗粒污泥稳定生长变换操作参数进行了出水污泥量的控制保持了悬浮污泥的高浓度四个不同高度取样口的取样表明流体与固体粒子的混合物处于流态化初始阶段检测情况为取样混合物摇动均匀静止半小时后混合物中污泥所占的体积为混合物总体积的以上丰原生化移用上述厌氧反应器的全套设计新建三套完全类似的厌氧反应器并扩展应用到酒精废水处理中用上述厌氧反应器所生成的颗粒污泥快速启动均获得完全的成功但此时对大型厌氧反应器中活性污泥转化为颗粒污泥其自身固定化机制所需的微物理环境还是认识不足是四个上述特点必需都具备还是只需满足部分宏观物理环境四套同结构的厌氧反应器成功运行标志着以三个专利为核心的厌氧反应器雏型已经形成标志着水力旋流技术完全可以应用于厌氧反应器中它说明较好的三相分离器结构与雏型结构的组合能解决典型的缺陷使厌氧反应器获得很好的效果厌氧反应器雏型的第二种形式的工业应用试验年月安徽华源生物药业有限公司由于原处理柠檬酸废水效率过低排污未能达标而面临停产危险急需上马厌氧反应器由我们提供技术服务厌氧反应器雏型中已有高效气液分离器污泥也有内循环和沉降通道通常的三相分离功能可以完成此时尚对上述特点中压力气室给微物理环境带来的特点认识不足以专利及为物理结构特征由于对平衡负载的认识差异从尊重生化研究人员的意见四个循环系统气泡上升反馈渠道进行了适度隔离减弱了循环系统之间的反馈设计了的厌氧反应器同样由于费用相差太大企业要求用厌氧消化污泥启动但除物理结构和丰原生化有着三相分离器和循环系统间反馈强度差异之外操作参数也有不同企业由于流程不同厌氧反应器进水有机负荷波动很大不能做到丰原生化较为严格稳定的负荷操作启动运行不再具备个特点厌氧反应器年月底建成进行消化污泥接种启动四个循环系统同时运行天内运转正常出水较清有机负荷逐步达到此时污泥取样用同样方法检测污泥含量处为稠泥高度污泥含量为之间它对应着流态化的中段之后出现大量污泥流失导致有机负荷下降到高度污泥含量为之间有时甚至下降到以下它对应着固体物质混合液流态化的末段或汹涌流的始段在此情况下采取了出水污泥沉淀回输补充和改变操作参数防止污泥大量流失的双重办法但在不能有效稳定和控制有机负荷波动的情况下始终未能生成颗粒污泥有机负荷徘徊在之间曾提出购入大量颗粒污泥方案终因费用问题和此反应器之前新建的反应器有机负荷逐步上升使得厌氧消化已能满足排污治理需要缺少提高负荷的紧迫压力而未采用该反应器未再尝试其它提高有机负荷的途径而一直以有机负荷参数连续运行取样口污泥的情况处为始终未能搅拌的稠泥处污泥含量则在左右工业运行试验尚不完全充分厌氧反应器雏型的第三种形式的工业运行试验年上半年山东日照在厌氧反应器中采用了雏型技术为单循环系统湖南银海新建的厌氧反应器中按华源生物药业的物理结构采用了四循环技术雏型系统均用粒径为左右占的活性颗粒污泥接种启动山东日照经个多月调试启动活性污泥增长较快但颗粒污泥由占污泥总量的降为左右有机负荷上升至左右再提高有机负荷出现污泥流失增大现象现已运行近个月仍保持这一状况湖南银海现启动运行一个月有机负荷达到估计会出现类同山东日照情况很难达到但从无锡罗氏中亚引进启动和运行情况来看参见江苏环境科技卷第期柠檬酸废水处理工艺接近他们第一年的指标长期运行有丰富的运行经验后有机负荷会有提高但显然颗粒污泥生长不很理想三讨论本文的讨论不仅限于已有套不同的厌氧反应器的工业运行试验也参考一般的看法和他人对厌氧反应器的研究结果厌氧消化是一个生化过程是微生物生长及自适应和自组织过程虽然操作参数对于生化反应是更为重要的决定因素且是决定动态微物理环境的一个重要因素但本文讨论主要从厌氧反应器设计角度考虑更多涉及的是稳态宏观物理环境由此引起稳态微物理环境及导致的生化反应产生的宏观结果丰原生化厌氧反应器与罗氏中亚从帕克公司引进厌氧反应器初步的运行对比分析和尚待探讨的问题由于企业间的保密暂无法进行祥尽科学地对比分析两个厌氧反应器的容积大致相同均处理柠檬酸废水当进水为浓度的柠檬酸废水时丰原生化厌氧反应器的去除率为容积有机负荷为左右无需严格的调节罗氏中亚的去除率为容积有机负荷为每天需加入碱水进行严格调节丰原生化正常运转后其颗粒污泥与我们所见引进生成的颗粒污泥外形特点和粒径大小基本相同左右黑色球状颗粒污泥充满了以下区域依据无锡轻工大学对运行中的研究颗粒污泥平均粒径由下往上呈下降趋势一室中平均粒径第二反应室中平均粒径分布由下向上分别为有学者研究认为厌氧工艺中的颗粒污泥比反应器中的颗粒污泥粒径大强度则相对低可能是由于厌氧工艺的有机负荷高颗粒破碎并不严重影响粒径分布剪切力对于颗粒粒径的分布影响不大丰原的结果似乎并不支持上述结论似乎颗粒污泥粒径主要取决于形成的动力学过程虽然两个企业可能原废水化学性质存在着一定的细微差异两种反应器操作参数和出水情况的不同主要原因很可能是物理结构差异引起的宏观及微观生化环境不同导致不同的动力学过程和颗粒污泥结构阜阳华源生物药业有限公司工业运行的启示由于启动和操作参数改变的研究尚不充分因此很难给出定论但可看出如下一些情况雏型结构很难实现由厌氧消化污泥到颗粒污泥的转变启动前述特点中仅变换操作参数进行污泥量和水力负荷量的控制未能生成颗粒污泥这种结构污泥容易流失虽然内循环系统有污泥回流功能但在低负荷情况下内循环回流污泥尚不足以弥补污泥流失与污泥生长的差距在未生成颗粒污泥条件下它的容积有机负荷略高于大型同样情况下的实际运行值和一般规模通常有机负荷相当从取样口污泥取样情况来看污泥处于流态化中后段传质情况相当好但处废水完全没有到达致少处以下可能之间尚有部分区域处于完全无效容积状态由于污泥容易流失飘浮的污泥也降低了上部区域的有效容积运行未达到额定设计值或者说也必须以颗粒污泥为基础否则技术在提高部分区域搅拌传质效能的同时增大了部分无效容积这就完全抵消了其优势和特点启动过程中曾出现出水污泥很少负荷达到阶段是否是由于剪切力溶解的团状污泥尚未解体而真正的颗粒污泥又未形成水力负荷可以暂时提高之故经数天运行团状污泥由于剪切力而瓦解而具有较高强度及沉降特性的颗粒污泥又不能形成出现大量污泥流失导致有机负荷迅速下降是否也说明强化结构及去湿过程也是颗粒污泥生成的必要动力学条件山东日照和湖南银海的厌氧反应器启动运行时间更短虽同为柠檬酸废水处理但废水处理工艺和进水水质的不同仍需对运行操作有较充分的研究才能得出科学的结论但可看到如下情况雏型可以用颗粒污泥启动但在颗粒污泥生长过程中出现粒径分布扩散现象导致污泥容易流失目前运行状况不十分理想可能与物理结构中细小污泥的捕捉机制并促进其成熟缺乏有关提示了该内循环三相前端处理结构需要改进颗粒污泥的培养无论是实验室规模还是工业应用规模大多出自物理结构或适当的结构厌氧反应器也是以方式启动运行生成颗粒污泥除生化条件合适的水力负荷和产气负荷外它们的物理结构中均含有较大面积的压力气室并由于厌氧反应产生的气液固三相界面层由哈尔滨工业大学赵丹对各隔室颗粒污泥的粒径及其分布的研究更可以看出粒径的大小与气室压强的大小有更紧密的正相关特性显然特殊的气液固界面层动态压力场结构和分布对于颗粒污泥生成和成熟中的强化及去湿起到了重要作用虽然其复杂的动力学过程尚难数学描述但对探索颗粒污泥大小即粒径表面积与体积之比和沉降性这对矛盾如何选择宏观参数有参考作用综合上述情况尤其是聚式流态化即生化反应所产生的气体在气液固三相界面层的鼓泡形式由气泡的聚并和破裂及湍流通过污泥表面特性所引起的内聚和填紧对微小颗粒污泥的碰撞内聚增长强化和去湿过程的认识我们提出了内循环厌氧反应器三相前端处理器相对较为合理的物理结构其原理目的和运行操作及实现方式参见我的专利申请号为使内循环厌氧反应器中由剪切力增强出现的分散机制散式流态化聚式流态化并存为反应器中颗粒污泥培养成熟形成良好的物理机制生化环境主要由操作参数决定物理结构设计则主要关系到流态特征决定着稳态微物理环境也即不同废水情况下不同厌氧反应器所能实现的理论指标在已经深入了解生化反应过程及其产物的特性基础上物理形状对流体和界面运动的控制及由此产生的生化反应的动力学研究成为实现生化反应最佳的主题由于水平研究资金和力量的限制我们的讨论尚比较肤浅本文提出的见解仅为了从更广泛的角度引起同行及相近专业的研究和相应的讨论推进我国更先进厌氧反应器的问世当然我们也希望工业应用时相关人员需尊重知识产权保护的法规为创新形成更好的氛围以利于更快更好地促进不同废水高效厌氧装置的涌现为我国可持继发展做出贡献网址httpwwweepccnHtmlepr31181html