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污水處理工藝ABR、UASB對比(下)

文章出處:百度文庫 人氣:發表時間:2020-04-29 09:27
ABR的構造

ABR反應器在整體性能上相當于一個兩相厭氧處理系統。一般認為,兩相厭氧工藝通過產酸相和產甲烷相的分離,兩大類厭氧菌群可以各自生長在最適宜的環境條件下,有利于充分發揮厭氧菌群的活性,提高系統的處理效果和運行的穩定性。Lettinga教授在預測未來厭氧反應器的發展動向是提出了極具潛力和挑戰性的新工藝思想,即分階段多相厭氧工藝(Staged multi phase anaerobic reactor,簡稱SMPA)。ABR反應器與單個UASB有顯著不同。

1)UASB可近似看作是一種復雜混合型反應器,而ABR是一種復雜混合型水力流態。

2)UASB中酸化和產甲烷兩類不同的微生物相交織在一起,各自不能很好的利自身優勢。ABR就不同了,它在各個反應室中的微生物相是逐級遞變的,兩大類厭氧菌群可以各自生長在最適宜的環境條件下。且遞變的規律和底物降解過程協調一致,從而確保相應的微生物相擁有最佳的活性,提高系統的處理效果和運行的穩定性。

清華大學的黃永恒認真比較分析了SMPA工藝和ABR反應器的性能特點,認為ABR反應器完美的實現了SMPA工藝的思想要點,是一種很有發展前途的高效厭氧反應器。總的來說,ABR反應器具有構造簡單、能耗低、抗沖負荷能力強、處理效率高等一系列優點。當然,ABR反應器也有其不利的方面。首先,為了保證一定的水流和產氣上升速度, ABR反應器不能太深。欺,進水如何均勻分布也是一個問題。再有,與單級UASB反應器相比, ABR反應器的第一格不得不承受遠大于平均負荷的局部負荷, 這可能會導致處理效率的下降。

折流式厭氧反應器(ABR)工藝是一種新型高效厭氧處理技術,其流態的特殊性決定了其工藝與一般厭氧反應器有較大的區別。本論文內容包括流態分析和工藝特性兩大部分。流態試驗示蹤響應法研究折流式厭氧反應器的流態特性,探討流態數學模擬的可行方法,結合實際流態情況提出了多個適合于ABR的流態模型,并編制程序確定了流態模型參數。工藝特性試驗以工業葡萄糖配制的人工廢水為基質,較系統地研究折流式反應器厭氧反應器的工藝特性,內容包括反應器的啟動特性,不同負荷條件下的運行特性,反應器對堿度條件控制的試驗,改進型復合式ABR的工藝特性等。
論文對顆粒污泥的結構和形成過程做了探討。結合本次試驗結果,論文還對Lettinga的分階段多相厭氧工藝新思想進行了理論上的分析和實際操作可行性的評價。

論文的主要成果有: (1)ABR的流態可近似看成是多級串聯CSTRs,局部流態為完全混合式,總體上則接近于推流式。流態特性決定了ABR的分階段多相工藝特性。(2)流態特性與反應器的分格數和分格形式相關。導流板折角有利于改善反應器的流態。污泥床的存在與產氣攪拌作用使得ABR的流態與清水條件下明不同。Levenspiel死區計算方法對ABR不適用。(3)流態數學模擬應結合實際流態分析進行。對串聯CSTRs、近似推流模型G和模型D以及Levenspiel模型的數學分析顯示, 模型G最適合于模擬實際運行時的ABR流態。(4)與UASB相比, ABR的啟動歷時較長。構造上分為5格的ABR工藝性能上優于分格數為3的ABR。(5)ABR在容積負荷低于10kgCOD/(m3.d)的中低負荷下運行穩定,出水COD的去除率優于相當條件下的UASB系統,出水COD常低于100mg/L。系統的總體性能相當于多級串聯的UASBs系統,抗沖賴荷能力好。(6)堿度條件是通過pH值影響系統的運行。一般要求ABR沿程最低pH值不低于6.0,最好在6.5以上。(7)填料的加入有助于提高ABR的生物量,并由此提升反應器的性能。(8)ABR的啟動馴化過程 是微生物相發育演遞成熟的過程,也是一個沿程微生物相自動分離的實現過程。 顆粒污泥的發育成熟與絲狀菌在顆粒表面生長繁殖所形成的網絡骨架作用密切相關。

反應器特點是:內置豎向導流板,將反應器分隔成串聯的幾個反應室,每個反應室都是一個相對獨立的上流式污泥床(USB)系統,其中的污泥可以是以顆粒化形式或以絮狀形式存在。水流由導流板引導上下折流前進,逐個通過反應室內的污泥床層,進水中的底物與微生物充分接觸而得以降解去除。

雖然在構造上ABR可以看作是多個UASB反應器的簡單串聯,但工藝上與單個UASB有顯著不同。UASB可近似地看作是一種完全混合式反應器,而ABR則更接近于推流式工藝。與Lettinga提出的SMPA工藝對比,可以發現ABR幾乎完美地實現了該工藝的思路要點。首先,擋板構造在反應器內形成幾個獨立的反應室,在每個反應室內馴化培養出與該處的環境條件相適應的微生物群落。例如ABR用以處理葡萄糖為基質的廢水時,第一格反應經一段時間的馴化,將形成以酸化菌為主的高效酸化反應區,葡萄糖在此轉化為低級脂肪酸(VAF),而其后續反應室將先后完成各類VFA到甲烷的轉化。通過熱力學分析可知,細菌對丙酸和丁酸降解只有在環境H2分壓較低的情況下才能進行,而有機物酸化階段是H2的主要來源,產甲烷階段幾乎不產生H2。與單個UASB中酸化和產甲烷過程融合進行不同,ABR反應器有獨立分隔的酸化反應室,酸化過程產生的H2以產氣形式先行排除,因此有利于后續產甲烷階段中丙酸和丁酸的代謝過程在較低的H2分壓環境下順利進行,避免了丙酸、丁酸過度積累所產生的抑制作用。由此可以看出,在ABR各個反應室中的微生物相是隨流程逐級遞變的,遞變的規律與底物降解過程協調一致,從而.確保相應的微生物相擁有最佳的工作活性。欺,同傳統好氧工藝相比,厭氧反應器的一個不足之處是系統出水水質較差,通常需要經過后續處理才能達標排放。而ABR的推流式特性可確保系統擁有更優的出水水質,同時反應器的運行也更加穩定,對沖負荷以及進水中的有毒物質具有更好的緩沖適應能力。值得指出的是,ABR推流式特點也有其不利的一面,在同等的總負荷條件下與單級的UASB相比,ABR反應器的第一格不得不承受遠大于平均負荷的局部負荷。以擁有5格反應室的ABR為例,第一格的局部負荷為系統平均負荷的5倍。如何降低局部負荷過載的不利影響還有待于深入探討。

ABR的工藝特性與其水力特性緊密相關。對于ABR的水力學特性,A.Grobicki、D.C.Stuckey和天津大學的郭靜研究表明:ABR反應器在沒有回流和攪拌的條件下,混合效果良好,死區百分率低。反應死區可以分為生物死區和水力死區,生物死區來源于污泥所占的體積以及污泥對水力條件的改變;水力死區則可通過改善反應器構造設計而減小。在單個反應室內,水力特性接近于完全混合式,而從整體效果上看,則近似于推流式。由于ABR的水力特性較復雜,二者均未能就其流態提出一個較好的數學模型。

據介紹,ABR反應器運行時污泥床層(常為顆粒污泥)處于流化狀態,廢水中基質的降解和微生物代謝產物的排除均須經由顆粒污泥表面通過擴散作用完成。試驗中ABR的負荷可高達36g COD/L。此外
W.P.Barber和D.C.Stuckey研究了ABR的啟動特性,結果表明,固定進水基質濃度而逐步縮短HRT的啟動方式優于固定HRT而逐漸增大進水基質濃度的啟動方式。另外,ABR對水力負荷沖擊響應迅速但恢復卻快于濃度負荷沖擊。在高水力負荷條件下,反應器內的短流現象是造成污泥流失的主要原因。A.Grobicki和D.C.Stuckey研究了以葡萄糖為基質的ABR在穩定狀態和沖擊賴荷情況下的運行特性,系統分析了酸化過程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中間產物在不同運行狀態下沿流程的分布積累狀況。與其它反應器在沖賴荷條件下不同的是,ABR中甲酸并非是很重要的電子受體。此外,無論是在水力或是在濃度負荷沖擊下,ABR均表現出良好的穩定性能,因此有可能適用于I業廢水處理。S.Nachaiyasit研究 了低溫對ABR性能的影響,結果表明在中等負荷條件下,反應器溫度由35℃降至25℃對COD去除率無明顯影響,當溫度進一步降至15℃時,反應器的效率明顯下降,要原因是低溫降低了細菌的代謝速率,使VFAs的半飽和降解常數Ks增大,同時可溶性細胞代謝產物增加。此外沼氣產量減少也降低了基質與微生物的接觸效率,但通過合理調整工藝設計,可明顯減小低溫對厭氧過程的負作用。T.Setiadi等人研究了出水回流對反應器的影響,著重強調了回流比與系統中堿度及pH之間的關系。

ABR的推流特性使其在處理對細菌有抑制或毒性的物質時具有潛在的優勢,關于這方面的實驗室研究目前剛剛起步。綜上所述,ABR反應器的特點為:結構簡單、效率高、處理出水好、運行穩定可靠,適用于各類中低濃度有機廢水的處理。

此外,復合式(Hybrid)厭氧反應器,即在反應器內的適當部位增設填料也是目前的一個研究方向。復合式ABR(HABR)一般在反應器內各反應室的上部空間架設填料,一方面利用原有的無效容積增加生物總量,更重要的是由于填料的存在,夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之發生碰撞,加速了污泥與氣泡的分離,從而降低了污泥的流失。

厭氧生物處理作為利用厭氧性微生物的代謝特性,在毋需提供外源能量的條件下,以被還原有機物作為受氫體,同時產生有能源價值的甲烷氣體。厭氧生物處理法不僅適用于高濃度有機廢水,進水BOD最高濃度可達數萬mg/I,也可適用于低濃度有機廢水,如城市污水等。

厭氧生物處理過程能耗低;有機容積負荷高,一般為5—10kgCOD/m3.d,最高的可達30—50kgCOD/m3.d;剩余污泥量少;厭氧菌對營養需求低、耐毒性強、可降解的有機物分子縞;耐沖擊負荷能力強;產出的沼氣是一種清潔能源。

在全社會提倡循環經濟,關注工業廢棄物實施資源化再生利用的今天,厭氧生物處理顯然是能夠使污水資源化的優選工藝。近年來,污水厭氧處理工藝發展十分迅速,各種新工藝、新方法不斷出現,包括有厭氧生物濾池、厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧膨脹床和流化床,以及第三代厭氧工藝EGSB和IC厭氧反應器,發展十分迅速。

升流式厭氧污泥床UASB(Up—flow Anaerobic Sludge Bed)工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點,作為能夠將污水中的污染物轉化成再生清潔能源一沼氣的一項技術。對于不同含固量污泳的適應性也強,其結構、運行操作維護管理相對簡單,造價也相對較低,技術已經成熟,日益受到污水處理業界的重視,得到廣泛的歡迎和應用。

UASB由污泥反應區、氣液固三相分離器(包括沉淀區)和氣室三部分組成。在底部反應區內存留大厭氧污泥,賄良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進行混合接觸,污泥中的微生物分解污水中的有機物,把它轉化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出,微小氣泡在上升過程中,不斷合并,逐漸形成較大的氣泡,在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進入三相分離器,沼氣碰到分離器下部的反射板時,折向反射板的四周,然后穿過水層進入氣室,集中在氣室沼氣,導管導出,固液混合液經過反射進入三相分離器的沉淀區,污水中的污泥發生絮凝,顆粒逐漸增大,并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沼著斜壁滑回厭氧反應區內,使反應區內積累大量的污泥,與污泥分離后的處理出水從沉淀區溢流堰上部溢出,然后排出污泥床。

設置外部沉淀池的好處是:

(1)污泥回流可加速污泥的積累,縮短啟動周期;

(2)去除懸浮物,改善出水水質;

(3) 當偶爾發生大量漂泥時,提高了可觀性,能夠及時回收污泥保持工藝的穩定性;

(4)回流污泥可作進一步分解,可減少剩余污泥量。

三相分離器的結構和工作原理

UASB的工藝設計主要是計算UASB的容積、餼量剩余污泥量、營養需求的平衡量。

UASB的池形狀有圓形、形矩形。污泥床高度一般為3—8m,多用鋼筋混凝土建造。當污水有機物濃度比較高時,需要的沉淀區與反應區的容積比值小,反應區的面積可采用與沉淀區相同的面積和池形。當污水有機物濃度低時,需要的沉淀面積大,為了保證反應區的一定高度,反應區的面積不能太大時,則可采反應區的面積小于沉淀區,即污泥床上部面積大于下部的池形。

氣液固三相分離器是UASB的重要組成部分,它對污泥床的正常運行和獲良好的出水水質起十分重要的作用,因此設計時應給予特別的重視。根據經驗,三相分離器應滿足以下幾點要求:

1、混和液進入沉淀區之關,必須將其中的氣泡予以脫出,防止氣泡進入沉淀區影響沉淀;

2、沉淀器斜壁角度約可大于45度角;

3、沉淀區的表面水力負荷應在0.7m3/m2.h以下,進入沉淀區前,通過沉淀槽低縫的流速不大于2m/m2.h;

4、處于集氣器的液—氣界面上的污泥要很好地使之浸沒于水中;

5、應防止集氣器內產生大量泡沫。

七、UASB的啟動

1、污泥的馴化

UASB設備啟動的難點是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。最好的辦法加以馴化,一般需要3—6個月,如果靠設備自身積累,投產期最長可長達1—2年。實踐表明,投加少量的載體,有利于厭氧菌的附著,促進初期顆粒污泥的形成;比重大的絮狀污泥比輕的易于顆粒化;比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動期。

2、啟動操作要點

(1)最好一次投加足夠量的接種污泥;

(2)啟動初期從污泥床流出的污泥可以不予回流,以使特別輕的和細碎污泥跟懸浮物連續地從污泥床排出體外,使較重的活性污泥在床內積累,并促進其增殖逐步達到顆粒化;

(3)啟動開始廢水COD濃度較低時,未必就能讓污泥顆粒化速度加快;

(4)最初污泥負荷率一般在0.1—0.2kgCOD/kgTSS.d左右比較合適;

(5)污水中原來存在的和厭氧分解出來的多種揮發酸未能有效分解之前,不應隨意提高有機容積負荷,這需要跟蹤觀察和水樣化驗;

(6)可降解的COD去除率達到70—80%左右時,可以逐步增加有機容積負荷率;

(7)為促進污泥顆粒化,反應區內的最小空塔速度不可低于1m/d,采用較高的表面水負荷有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開,使小顆粒污泥凝并為大顆粒。

八、UASB工藝的優缺點

UASB的主要優點是:

1、UASB內污泥濃度高,平均污泥濃度為20—40gVSS/L;

2、有機負荷高,水力停留時間短,采用中溫發酵時,容積負荷一般為10kgCOD/m3.d左右;

3、無混合攪拌設備,靠發酵過程中產生的沼氣的上升運動,使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態,對下部的污泥層也有一定程度的攪動;

4、污泥床不填載體,節省造價及避免因填料發生堵賽問題;

5、UASB內設三相分離器,通常不設沉淀池,被沉淀區分離出來的污泥重新回到污泥床反應區內,通常可以懷設污泥回流設備。

主要缺點是:

1、進水中懸浮物需要適當控制,不宜過高,一般控制在100mg/以下; 

2、污泥床內有短流現象,影響處理能力;

3、對水質和負荷突然變化較敏感,耐沖擊劫稍差。


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