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厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計

ABR因其特殊的結構,與其它厭氧生物處理工藝相比,具有許多優點,見表1。


厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計(圖1)

目前,對ABR的研究已成為廢水厭氧生物處理方面的熱點,其在工程實踐中的應用也日益增多。但在實際工程應用中,ABR設計的一些關鍵參數主要還依賴于經驗和試驗研究數據。本文對ABR在工程設計時需要考慮的結構形式、部件尺寸、操作條件等問題進行了分析討論,以期為ABR的中試研究和工程設計提供參考。


1.結構形式的選擇


厭氧折流板反應器自產生以來,出現了幾種不同結構的形式,如圖1所示結構的ABR因具有結構簡單、造價低廉等優點,在廢水處理工程中得到了很好的應用,本文所述均是基于此基本形式的反應器。



厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計(圖2)

因廢水厭氧處理對環境溫度要求較高,一般不能低于15~C,故在工程設計時應注意ABR反應器外部的保溫,建議采用半地下式結構。反應器一般采用鋼筋混凝土結構,內壁要做適當的防腐處理。


2.主要部件的確定


2.1填料的選擇

在反應室上部空問架設填料的ABR稱為復合式厭氧折流板反應器(HABR)。增設填料后,方面利用原有的無效容積增加了生物總量,另外還加速了污泥與氣泡的分離,從而減少了污泥的流失。研究結果表明,加裝填料后的ABR在啟動期問和正常運行條件下的性能均優于加裝前,而添加填料并不會明顯增加反應器的造價。至于填料可能帶來的堵塞問題未曾見報道。因此,建議在ABR設計時考慮增加填料。常用的填料有鐵炭填料、半軟性塑料纖維等。

2.2隔室數的選擇

隔室數的設置,應根據所處理廢水的特點和所需達到的處理程度合理地設計。一股而言,在處理低濃度廢水時,不必將反應器分隔成很多隔室,以3~4個隔室為宜;而在處理高濃度廢水時,宜將分隔數控制在6~8個,以保證反應器在高負荷條件下的復合流態特性。

2.3上下流室寬度比的選擇

上流室寬度的設計與選耳義的上升流速有關,應盡量使反應器在一般HRT下處于較好的水力流態。上流室與下流室的寬度之比一般宜控制在5:1~3:1。

2.4單個隔室長寬高的比值

研究表明,長寬高的比值會影響反應器的水力流態。反應器上流室沿水流前進方向的長寬比宜控制在1:1~1:2之間,寬高LL-一般采用1:3,具體的有待于進一步實踐研究。

2.5進水管的布置

ABR反應器主要有以下兒種進水方式:隔室上部進水,中部進水,下部穿孔管進水。具體可根據工程需要選用。

2.6產氣收集方式的選擇

集氣方式有分格集氣和集中集氣。分格集氣可使各隔室處于各自的最佳反應條件,利于產氣,只是結構比集中集氣稍顯復雜。工程中盡量選用分格集氣。

2.7折流板結構的選擇

折流板的折角,一般取45~60。,折板要伸入上流室的中間,以利于均勻布水,防溝流。至于折板距池底的高度,可通過水力計算得到一個比較好的沖擊速度,以利于后續隔室的進水。

2.8隔室擋板的結構

對于在隔室上部未設填料的ABR,隔室擋板上端建議采用鋸齒形結構,以減少污泥流失;同時可增加水流湍動,促進基質在ABR寬度方向上的混合。隔室擋板的下端可選用圖2所示的幾種結構。圖2(b)的結構可減少水力死區,降低水力損失,同時可增加豎向擋板的結構強度,應盡量采用。

厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計(圖3)

2.9第一隔室結構的確定

與UASB相比,ABR反應器的第一隔室要承受遠大于平均負荷的局部負荷,有資料表明,對一個擁有5格反應器的ABR,其第一格的局部負荷約為系統平均負荷的5倍。一般對于低濃度廢水,采用和后邊幾個隔室相同的尺寸即可;但對于隔室數較多或者進水濃度較高的情況,建議適當增大第一隔室的容積,以便有效地截留進水中的SS。

另外,為抑制反應器第一隔室可能出現的過度酸化現象,可在第一隔室的適當位置設置調節劑加入口,以便加入NaHCO等進行堿度調節。

2.10最后隔室結構的選擇

最后一個隔室,一般選用如圖3所示的結構即可,如果擬處理的廢水污泥沉降性能較差,可選用圖3(b)所示的結構,以減少污泥流失。



厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計(圖4)

3工藝操作條件的選擇


3.1啟動方式

厭氧反應器的啟動方式有兩種:一是固定進水基質濃度而逐步縮短HRT;一是固定HRT而逐漸增大進水基質濃度。WPBarber和DCStuckey的研究表明,對于ABR,前種啟動方式要優于后者。建議參用固定進水濃度而縮短HRT的啟動方式。ABR反應器的啟動一般采用較低的初始負荷,以利于污泥顆?;蛐躞w的形成;以較長的HRT啟動,反應期內氣液上升流速小,可減少污泥的流失,并可增加各隔室內甲烷菌屬的含量。

3.2溫度

溫度是影響厭氧反應的重要影響因素之一。在一定的范圍內,溫度的提高不僅能加快厭氧硝化菌對有機污染物分解速率,而且還可以降低厭氧污泥混合液的粘度,而與粘度相關的污泥沉降性能又直接影響了反應器的出水水質。

SNachaiyasit等研究了低溫對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,其主要原因是低溫降低了細菌的代謝速率,使揮發性酯肪酸(VFA)的半飽和降解常數Ks增大,同時可溶性細胞代謝產物增加。

因此反應器在啟動時,應盡可能在氣溫較高的條件下進行,等反應器成功啟動后一般可以在相對低溫下持續正常運行。

3.3容積負荷

容積負荷直接反應了食物與微生物之間的平衡關系,容積負荷的變化可通過改變進水濃度或水力停留時間來實現。

3.4水力停留時間(HRT)

水力停留時問是控制ABR反應器運行的主要參數,它直接影響了ABR中的COD去除91。不同的HRT決定著不同的上流室上升流速,而上升流速是ABR反應器設計中需要考慮的一個重要因素。為保證良好的泥水混合接觸條件,必須合理控制反應器上升流隔室的流速(Vs)。但在確定值s時,應根據擬處理廢水的不同情況加以區別對待。對于低濃度廢水,建議采用較短的HRT,以增強傳質效果,促進水流混合,緩解反應器后部污泥基質不足的問題。但HRT不宜過短,過短的HRT容易造成溝流現象,不僅影響處理效果,而且會使污泥流失。處理高濃度廢水時,其產氣對促進泥水混合的作用占主導地位,因而對上升流速的控制范圍較寬,且可在很低的s下運行。故對高濃度廢水,建議采用較長的HRT,以防止因產氣作用而造成的污泥流失,否則須加裝填料以減少污泥流失。

一般而言,當進水COD濃度在3000mg·L以上時,可將s控制在0.3~0.6mg·L;當處理低濃度廢水時,液體流速對泥水混合的促進作用就顯得更為重要,宜將其控制在0.6~3.0mg·L。

3.5回流

將反應器出水進行回流是提高反應器水力負荷(隔室內水流上升速度)的常用方法。適當回流,可以解決反應器前端隔室因產生較多VFA而引起的pH值降低等問題,并可在處理某些含蛋白質廢水時抑制絲狀菌的生長,還可稀釋進水中的有毒有害物質,從而提高處理效果。SetiadiT等人采用ABR處理棕櫚油生產廢水時,在平均負荷15.6gCOD·L1.d。研究了回流比從5到25變化時對反應器出水的影響。結果表明,當回流比在15以上時可保證系統內的pH高于6.8,從而無需額外的堿度補充。但另有研究表明,不僅應對回流比加以適當的控制,而且最好不進行回流。

其根據在于:(1)不適當的回流將加劇反應器內流體的混合,改變反應器的水力流態,增加死區容積。Nachaiyasit等人的研究表明[n一4J,當回流比增加到2時,死區容積高達40%,而回流比達4時,導致了突發性的較為嚴重的污泥流失問題;(2)出水回流將使反應器回復到單相狀態,破壞產酸菌和產甲烷菌各自的良好運行環境及其相互協同作用功II,因此而失去ABR所特有的在一個反應器內實現產酸和產甲烷相分離的優點。Bachmann等人的研究發現,由于回流而使產甲烷菌的活性在整個反應器內的分布趨于均勻,使后端隔室中的產甲烷菌進入高基質濃度、高H:分壓及低pH等不利環境條件下,從而影響處理效果。

Nachaiyasit等人的研究也發現,增加回流比將使產氣量和氣體中甲烷的含量沿反應各隔室而下降??梢?,目前關于出水回流對ABR反應器效能的影響尚存爭論。是否采用回流要視所處理的廢水水質而定,如果原水pH過低而酸化作用過烈、原水含有高濃度的有毒物質或運行需要在高水力負荷下進行,則可考慮出水部分回流。但對出水回流應持謹慎態度,一般情況下盡量不要采用。

3.6揮發性脂肪酸(V11A)

揮發性脂肪酸是厭氧發酵過程中的重要中間產物,它反映了廢水可生化性的改變情況。但VFA的過度積累會抑制甲烷菌的生長,從而使反應器的穩定時間延長。因此控制反應器內VFA的含量就顯得十分重要。

3.7分段進水

ABR反應器在較高有機負荷條件下啟動時,容易發生VFA積累、pH降低等情況,從而導致運行失敗。為避免這些不利情況,可考慮采用分段進水,如圖4所示。


厭氧|ABR厭氧折流板反應器工程設計(圖5)

PJSallis等人分別采用普通進水ABR(NFABR)和分段進水ABR(SFABR)對高濃度啤酒廢水的處理進行了對比研究。結果發現,在啟動和正常運行時期,SFABR均表現出了優于NFABR的性能。采用SFABR可降低廢水中毒性物質對前面隔室的沖擊,同時可為后面隔室提供足夠的微生物營養。在有機負荷為10.5kgCOD·m?!。條件下,SFABR對C0D的去除率達到了95%。具體參見http://www.dowater.com更多相關技術文檔。

3.8pH與堿度

pH是厭氧處理系統中重要的工藝控制參數之一,產甲烷過程只有在pH接近中性條件下才能有效進行,pH高于8.0或低于6-3時,產甲烷速率將大大降低。堿度在系統中的作用是中和產酸階段生成的VFA,建立有效的酸堿緩沖體系,降低系統pH的變化幅度。為保證反應器有足夠的緩沖能力,可根據需要在進水中投加一定量的NaHCO進行堿度調節。

根據蘇德林等的研究結果,控制出水pH>6.5是確保ABR反應器正常工作的必要條件,為此應保持進水堿度在800mg·L。以上。


4.結論


ABR因其特殊的結構,具有水力條件好、抗沖擊負荷、構造簡單、造價低廉等諸多優點,是一種非常有應用前景的廢水厭氧生物反應器。多年來,ABR在工程實踐不斷發展,加裝填料提高污泥與氣泡分離效果、采用合適的擋板結構和部件尺寸,控制好水力停留時間等減少反應器中死區、分段進水和出水回流等手段也提供了技術上的選擇性。已有的工程實例和成功案例也可以為ABR反應器的設計提供參考。

由于廢水的多樣性和活性污泥形態以及細菌作用的復雜性,ABR反應器設計很大程度上依賴于實驗數據,相對而言基礎理論研究落后于實踐。加強基本理論方面的研究很有必要,可以考慮用計算機模擬方法研究ABR的水力學特性以優化結構和確定操作條件;結合活性污泥結構和菌種作用機理研究相關反應與傳質機理,建立相關數學模型,以減少實際工業實驗的工作量和提高工程設計的可靠性。


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