新型厌氧反应器启动运行试验.pdf

水 污 染 治 理 新型厌氧反应器启动运行试验 * 孙延格 1 王素兰 1 邢传宏 1， 2 1. 郑州大学水利与环境学院环境与市政工程系， 郑州 450001;2. 郑州大学膜科学与技术应用研究所， 郑州 450001 摘要 自行设计了一种新型厌氧反应器， 并以模拟高浓度废水为基质， 对其进行启动试验研究， 考察在负压控制和间歇 曝气条件下新型厌氧反应器的运行效果。结果表明 启动阶段 COD 去除率较高， 平均去除率为 70 ， 出水 pH 和 SS 稳定， 反应器内无浮渣出现。同时， 负压条件下反应器内所产沼气可优先分离， 产气量及上升速度明显高于正压条件; 另外， 对反应器沉淀区污泥进行间歇曝气可加速污泥中微气泡的分离。 关键词 厌氧; 反应器; 启动; 模拟废水; 负压; 间歇曝气 START- UP OF AN INNOVATIVE ANAEROBIC REACTOR Sun Yange1Wang Sulan1Xing Chuanhong1， 2 1. Department of Environment and Municipal Engineering，School of Water Conservancy and Environment Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China;2. Institute of Membrane Science ＆ Technical Application; Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China AbstractAn innovative anaerobic reactor was designed and a laboratory-scale experiment was conducted with simulated wastewater as influent，the running effects were investigated under the condition of negative pressure and intermittent aeration. The results showed that the average COD removal rate of reactor could be 70 ， the SS and pH of effluent were stable，and there was no scum in the reactor. In addition，through observation it could be found that the raising velocity of gas and the gas yield under the negative pressure were significantly higher than the positive pressure，and intermittent aeration of sludge in sed- imentation area could also speed up the separation of micro-bubbles in the sludge. Keywordsanaerobic;reactor;start-up;simulated wastewater;negative pressure;intermittent aeration * 国家科技重大专项 “水体污染控制与治理” 2009ZX07210- 002 。 0引言 厌氧废水处理相对好氧处理技术主要具有经济 动力消耗低 ［ 1- 2］、 占地少、 容积负荷高及产生剩余污泥 量少等优点 ［ 3- 4］， 是具有把环境保护、 能源回收与生态 良性循 环 结 合 起 来 的 一 种 低 成 本 的 废 水 处 理 技 术 ［ 5］。因此， 厌氧废水处理技术受到国内外水处理 研究者的广泛关注并得到了快速发展， 为高浓度工业 有机废水和生活污水的工业化处理提供了重要手段。 在厌氧生物处理工艺发展过程中， 反应器是发展最快 的领域之一 ［ 6］。厌氧反应器发展至今， 经历了传统 厌氧反应器、 第二代厌氧反应器 以升流式厌氧污泥 床反应器 UASB 为代表 、 第三代厌氧反应器 以厌 氧内循环反应器 IC 为代表 3 个阶段 ［ 7- 8］， 目前已基 本上能从结构或运行方式上保证反应器内持有较高 生物量 ［ 9］、 泥水混合均匀， 满足高效厌氧处理系统所 需的两个条件 ［ 10- 12］。但仍存在着许多不足之处， 如 结构复杂、 操作运行不稳定以及气、 液、 固三相分离效 果不佳等， 因此研制开发高效、 经济、 节能、 技术先进、 操作简单的处理工艺是非常必要的 ［ 13］。本文针对目 前常用的厌氧反应器实际处理过程中存在的问题， 自 行研制一种没有实体三相分离器的新型厌氧反应器， 可使气体优先分离、 固液分离不受传统三相分离器的 限制， 且启动阶段反应器运行稳定， 出水 COD 和 SS 较低， 反应器内无浮渣出现， 可为高浓度有机废水厌 氧处理技术的工程应用提供一种新的工艺选择， 市场 前景广阔。 1试验材料与方法 1. 1试验装置 新型厌氧反应器总容积30 L， 有效容积24 L。 反 应器分为反应区和沉淀区， 且沉淀区和反应区比例可 通过隔板位置进行调节。试验采用中温发酵， 利用辅 1 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 助加热方式将反应器温度控制在 30 ～ 35 ℃ 。 试验装 置工艺流程如图 1 所示， 试验装置如图 2 所示。 1进水箱; 2进水泵; 3反应区; 4沉淀区; 5出水池; 6集气室; 7抽气泵; 8储气罐; 9曝气头; 10搅拌器 图 1试验工艺流程 图 2试验装置 1. 2试验用水 采用葡萄糖为基质， ρ COD ∶ ρ N ∶ ρ P 200∶ 5∶ 1， 氮、 磷分别由 NH4 2CO3、 NH4Cl 和 KH2PO4 提供， 为保证反应器有足够的缓冲能力， 配水中加入 适量的 NaHCO3进行碱度调节并适量添加所需用的 各种微量元素以保证微生物生长的需要。 1. 3接种污泥 接种污泥取自某啤酒厂污水站的上流式厌氧污 泥床 UASB 生产装置， 大部分为絮状污泥， 经 100 目 滤网过滤后投入反应器， 接种污泥 MLVSS/MLSS 0. 45， 反应器接种污泥体积为8 L， 污泥床高约20 cm。 2试验结果与讨论 厌氧反应器启动运行试验共分 2 个阶段， 分别记 为试验Ⅰ和试验Ⅱ， 试验条件及控制参数见表 1。 2. 1试验Ⅰ结果与讨论 试验Ⅰ过程中维持反应器水力停留时间基本不 变， 通过逐步增大进水 COD 浓度值来提高反应器的 有机负荷。试验运行31 d， 运行条件及参数见表 1， 机 械搅拌转速为66 r/min， 初始污泥浓度为9. 3 g/L， 运 行结果见图 3。 表 1试验阶段各试验条件控制参数 阶段 运行 天数 /d 进水 ρ COD / mg L － 1 进水流量 / L h － 1 负压范围 / MPa V反应区/V沉淀区 曝气间隔 / min 备注 试验Ⅰ1 ～ 151 000 ～ 1 50030. 002 ～ 0. 0162. 5∶ 140∶ 1 16 ～ 312 000 ～ 3 00030. 006 ～ 0. 0142. 5∶ 145∶ 1 试验Ⅱ415 0000. 760. 006 ～ 0. 0142. 5∶ 1或 2∶ 1不定时曝气 运行至第 17 ～ 18 天 使 反 应 器 处 于 正压条件对比 由图 3a 和图 3b 可知， 新型厌氧反应器初始 COD 去除率很高， 达 82. 5 ， 之后随进水 COD 浓度的提 高， COD 去除率整体有所下降， 但出水 COD 浓度均 在1 000 mg/L以下， 出水 pH 稳定。由图 3c 和图 3d 可知， 新 型 厌 氧 反 应 器 初 始 出 水 SS 很 低， 均 在 200 mg/L以下， 随着驯化时间的延长有所升高; 反应 器内的污泥浓度随驯化时间的延长也迅速降低， 分析 原因可能为试验中间歇曝气时污泥随出水流失过多， 导致出水 SS 升高。反应器内污泥浓度不断降低， 污 泥负荷升高， 也是 COD 去除效率不高的原因之一。 由于反应器内污泥随间歇曝气不断流失， 至第 15 天 反应器内污泥浓度已降至2. 6 g/L， 第 16 天向反应器 内补充部分新泥， 反应器内污泥浓度升为8. 8 g/L。 由图 3 及以上分析可知， 新型厌氧反应器在启动 阶段， 其 COD 去除效果与进水负荷及反应器内污泥 浓度紧密相关。运行中每次提升负荷， COD 去除率 总是先下降， 之后再慢慢回升， 出水 pH 也随之波动， 如第 4， 11， 22 天等; 而污泥浓度的提升则会使反应器 的处理效果变佳， 如第 16 天向反应器内补充部分新 泥， 反应器内污泥浓度升高， 即使当天提高了进水负 荷， 但 COD 去除率仍没有降低， 随后2 d 反而慢慢 升高。 另外， 试验运行过程中， 通过对反应器负压状态 的控制， 并采用机械搅拌使反应器内泥水混合均匀且 使液面处于更新状态， 反应器内无浮渣层形成; 由于 反应器处于负压状态运行需间歇抽气， 并且利用所产 厌氧气体对沉淀区进行间歇曝气， 故反应器内产气量 的大小可通过抽气泵的工作频率来间接反映。通过 长期观察正、 负压状态下反应器内气泡上升速度和抽 气泵的工作频率的差别发现， 在负压状态下反应器内 2 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 图 3进出水质随运行时间变化情况 试验Ⅰ 气泡上升速度和抽气泵的工作频率均明显增大 即 产气量明显增大 ， 故可知负压可有效增强气液分离 效果。 2. 2试验Ⅱ结果与讨论 试验Ⅱ在试验Ⅰ基础上进行了一些改进 间歇曝 气时间根据反应器内沉淀区污泥上浮情况进行不定 期曝气， 并在出水管上设置电磁阀， 使间歇曝气时关 闭出水以减少污泥流失量， 另外， 将隔板位置上抬 6 cm、 试验后期调整反应区与沉淀区的体积比例 由 1∶ 2. 5 调到 1∶ 2 ， 以了解沉淀区污泥沉降及回流情 况。试验中机械搅拌转速68 r/min， 其他参数及条件 见表 1， 运行结果见图 4。 由图 4a 和图 4b 可知， 新型厌氧反应器初始 COD 去除率很高， 达 90 以上， 之后随驯化时间的延长， COD 去除率虽有所下降， 但平均 COD 去除率仍大于 70 ， 出水 pH 均高于 6. 5， 反应器运行稳定， 此情况 图 4进出水水质随运行时间变化情况 试验Ⅱ 与试验Ⅰ相同。由图 4c 可知， 整个试验期间反应器 出 水 SS 均 在 400 mg/L 以 下，出 水 SS 均 值 为 200 mg/L， 优于一般厌氧反应器。由图 4d 分析可知， 虽然本试验在试验Ⅰ基础上改进了很多， 但反应器内 的污泥浓度仍随驯化时间的延长而降低， 只是降低速 率小于试验Ⅰ。分析原因为， 在出水处增加电磁阀只 是阻止了间歇曝气时污泥的流失， 但曝气后的一段时 间内， 污泥仍处于上浮状态， 随出水仍有流失， 导致反 应器污泥浓度不断降低， 限制了反应器处理效果和处 理能力的进一步提升。 由图 4 及上述分析可知 1 抬升隔板位置和增大 沉淀区与反应区的体积比例， 均不能解决沉淀区污泥 上浮及沉降性能差的问题; 2 在出水处安装电磁阀 虽可减少污泥流失量， 但不能从根本上解决问题， 沉 淀区污泥上浮现象依然存在， 污泥仍随间歇曝气不断 流失， 反应器内的污泥量迅速减少; 3 试验运行一段 3 环境工程 2010 年 6 月第 28 卷第 3 期 时间后污泥性状发生改变， 分析原因可能为反应器内 污泥量随运行时间不断减少， 致使污泥负荷迅速升 高， 污泥发生膨胀、 絮状体增多。另外， 试验中通过观 察还发现， 间歇曝气后沉淀区污泥中微气泡量比曝气 前明显减少， 说明间歇曝气可加速污泥中微气泡的分 离， 对气液分离有一定的促进作用， 但其对泥水分离 的作用还需通过进一步的研究确定。 3结论及建议 1 通过对反应器内的负压状态控制， 并采用机 械搅拌使反应器内泥水混合均匀， 液面处于更新状 态， 从而使新型厌氧反应器内无浮渣层形成。 2 在负压控制和间歇曝气条件下， 新型厌氧反 应器运行稳定， 出水 ρ COD 均值小于1 000 mg/L， ρ SS 均值小于400 mg/L， 出水 pH 稳定， 平均 COD 去除率可达 70 。 3 在负压状态下， 反应器内气体可优先分离， 产 气量和气泡上升速度比正压状态下明显增大， 控制负 压可增强气液的分离效果。 4 间歇曝气后沉淀区污泥中微气泡量比曝气前 明显减少， 故本试验认为间歇曝气可加速污泥中微气 泡的分离， 但由于试验本身的局限性， 未能得出有关 间歇曝气能否有效促进泥水分离的相关结论， 建议在 以后的试验中继续进行研究。 5 从两个阶段的试验数据分析可知， 新型厌氧 反应器内污泥量总随试验运行时间不断减少， 其根本 原因为沉淀区不能很好的实现污泥向反应区的回流。 建议在原有设计理念下， 对原有装置进行改良， 彻底 解决污泥易流失问题。 参考文献 ［1 ］ Pereboom J H F. 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