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厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究论文

实用文 时间:2021-08-31 手机版

  废水处理厌氧生物流化床反应器是一种集废水处理技术、流态化技术与微生物技术于一体的高效厌氧生物处理装置[1]。近年来厌氧反应器技术发展迅速,自从 1974 年 Lettinga 等[2]发明了升流式厌氧污泥床(UASB)为代表的第二代厌氧反应器以来,厌氧反应器开始广泛运用于实际废水处理。之后涌现了以厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)[3]和厌氧内循环反应器(IC)[4]为代表的第三代厌氧反应器,尤其是 IC 反应器将两个 UASB 反应器串联并设置了内循环系统,极大地改善了污泥持留能力,具有容积负荷高、水力停留时间(HRT)短、高径比大、占地面积小、耐冲击负荷能力强等特点,备受行业关注[5]。

厌氧内循环反应器的结构应用与优化研究论文

  尽管IC反应器早在20世纪80年代就已研发成功,1986 年荷兰帕克公司就将其投入生产,但直至今日,其核心技术仍未公开,保密极好(1994 年才首次见到相关报道)[4]。近年来,国内外学者对其进行了相关研究。截至 2013 年 12 月,Sciencedirect英文检索文献只有寥寥 10 余篇,可见 IC 反应器的技术保密性极好。然而,国内对其的研究状况却大相径庭,自 1995 年上海富仕达酿酒公司从荷兰帕克公司引进我国第一套 IC 反应器技术以来[6],国内逐渐出现了自主生产 IC 反应器的厂商,有关 IC 反应器的研究和应用也越来越多,截至 2013 年 12 月,有关 IC 反应器的 CSCD 中文文献检索约 300 余篇。鉴于此,本文对 IC 反应器的结构、应用和优化作一综述。

1 IC 反应器的结构特性

  1.1 IC 反应器的结构原理

  IC 反应器由第二代 UASB 厌氧反应器发展而来,可视为两个 UASB 反应器串联而成[7]。

  IC 反应器的特点之一是具有很大的高径比,一般可达 4~8[8],而传统的 UASB 反应器的高径比一般为 2~3[9]。IC 反应器的基本框架(图 1)为两个厌氧反应区,它的核心是由三相分离器、布水器、提升管、气液分离室及回流管所构成的内循环系统。废水从进水口进入经布水器均匀布水流至第一厌氧反应区,IC 反应器较大的高径比使其具有较大的上升流速,使颗粒污泥床处于流化状态,此时固-液接触充分,大部分污水中的有机物在此被厌氧消化产生沼气,少部分有机物进入第二厌氧反应区继续厌氧消化并产生沼气。两个厌氧反应区中所产生的沼气分别被第一、第二三相分离器和收集,沼气产生的升力可带动气液混合物进入提升管,到达气液分离室后由于密度差产生气液分离,沼气从出气口排出,此时液体密度增大,在密度差与重力的作用下经回流管回流至第一厌氧反应区,经布水器导流与进水混合继续上升实现内循环。

  1.2 IC 反应器的水力特性

  IC 反应器内的水力特性与传统的 UASB 反应器截然不同。水力特性是影响基质浓度、产物浓度、反应温度和物料停留时间的均一性的重要因素,它们是基质反应速率快慢的主要致因,较好的水力条件可有效提升反应器的抗负荷冲击能力[10]。升流速度和系统压降作为 IC 反应器两个重要的水力特性,是反应器操作优化与设计优化的重要参考依据。

  1.2.1 升流速度

  本文所提出的升流速度特指 IC 反应器的提升管内混合液的上升速度。Habets 等[5]提出第一提升管的升流速度一般到 10~20m/h,而第二提升管的升流速度仅为 2~10m/h,可以推断第二厌氧反应区产沼气速率约为第一厌氧反应区的 1/4,且该区污泥量较少,使得该区的流态趋于稳定,再结合第二三相分离器的作用,可以有效防止污泥的流失,可见内循环的流速(升流速度)很大程度上控制着整个 IC 反应器运行的稳定性。另外,回流管内流速也与升流速度关系密切,较高的回流流速可增大第一厌氧反应区内混合液的湍流程度,进而一定程度上增强了反应器的固-液传质效果,提升反应器容积负荷。可见,升流速度是 IC 反应器设计的重要参数之一。因此,Pereboom 等[4]提出了 IC 反应器提升管液体升流速度 ulr的表达式[见式(1),相关物理符号意义已在符号说明中给出,除特殊情况均不在正文内再作介绍,下同]。中影响式(2)准确计算的一个重要因素是提升管底部阻力系数 KB的值,参数 KB一般通过生产性试验确定。胡纪萃[6]对进水为易生物降解的有机废水化学需氧量(COD)为 6000mg/L、废水量 Q为 540m3/d、水温 35℃的 IC 反应器进行了设计:进水设计容积负荷为 20kgCOD/(m3·d),COD 去除率为 85%,沼气产率为 0.5m3/(kgCOD),反应器有效高度 20.0m,直径 3.2m,升流管回流管管径均为150mm,并且经试算得到 εr=0.385,εd=0.01925,求得升流管提升速度 ulr=1.148m/s ,内循环流量Qlr=73m3/h。

  1.2.2 系统压降

  系统压降直接影响 IC 反应器的运行能耗。在IC 反应器中内循环系统的能量消耗等于沼气气泡绝热膨胀产生的能量[8],即内循环进行所需能量完全由沼气气泡提供,因此内循环系统的阻力损失可不计算在系统压降中。由于相比于局部压降,以 D1为直径的管壁面沿程阻力所产生的压降极小,可以忽略不计,因此系统压降=床层压降+局部压降。由于进水速度的不同床层状态可分为固定床与流化床,其压降也不同。

  (1)固定床

  固定床状态下产气率较低,且大部分沼气都被提升管收集,反应器中除提升管外的流体气含率较低,可近似为液固两相流动。为计系统压降,可将 IC 反应器物理模型概化(含主要尺寸)。是一种布水器的物理概化模型,采用两侧切向进水,两侧均有 6 根支管,每3 根支管出水端围成一个小环形,与底部的锥体配合可实现均匀布水。

2 IC 反应器的工程应用

  2.1 IC 反应器的启动

  前已述及 IC 反应器具有容积负荷高、水力停留时间短、高径比大、占地面积小、出水水质较稳定、耐冲击负荷能力强等优点,但是其启动速度较慢,这也是厌氧反应器存在的普遍问题[13],已成为制约其推广应用的影响因素之一。

  2.1.1 常规启动

  为研究利用絮体污泥正常启动反应器所需时间,刘冰等[14]以絮状厌氧污泥为接种污泥,以生产淀粉和酒精的混合废水为处理对象,采用低浓度进水,逐渐增加有机和水力负荷的方法,历时 105 天,实现了 IC 反应器的启动。许英杰等[15]同样以絮状污泥接种 IC 反应器处理酒糟废水,运行至 180 天时启 动 基本 完 成 ,此时 进 水 COD 为 20000 ~30000mg/L,COD 去除率基本稳定在 95%以上,出水 COD 不超过 1000mg/L。可见,一般来说,若使用絮体污泥启动 IC 反应器一般需用 3~6 个月。


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