ABR工艺工程设计

厌氧折流板反应器(Anaerobicba用edreactor，ABR)是McCarty和Bachmann等人于1982年，在总结了第二代厌氧反应器工艺性能的基础上，开发和研制的一种新型高效的厌氧生物处理装置。其特点是：反应器内置竖向导流板，将反应器分隔成几个串联的反应室，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统，其中的污泥以颗粒化形式或絮状形式存在。水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。ABR因其特殊的结构，与其它厌氧生物处理工艺相比，具有许多优点，见表1。目前，对ABR的研究已成为废水厌氧生物处理方面的热点，其在工程实践中的应用也日益增多。但在实际工程应用中，ABR设计的一些关键参数主要还依赖于经验和试验研究数据。本文对ABR在工程设计时需要考虑的结构形式、部件尺寸、操作条件等问题进行了分析讨论，以期为ABR的中试研究和工程设计提供参考。1结构形式的选择厌氧折流板反应器自产生以来，出现了几种不同结构的形式，如图1所示结构的ABR因具有结构简单、造价低廉等优点，在废水处理工程中得到了很好的应用，本文所述均是基于此基本形式的反应器。因废水厌氧处理对环境温度要求较高，一般不能低于15~C，故在工程设计时应注意ABR反应器外部的保温，建议采用半地下式结构。反应器一般采用钢筋混凝土结构，内壁要做适当的防腐处理。2主要部件的确定2.1填料的选择在反应室上部空问架设填料的ABR称为复合式厌氧折流板反应器(HABR)。增设填料后，方面利用原有的无效容积增加了生物总量，另外还加速了污泥与气泡的分离，从而减少了污泥的流失。研究结果表明，加装填料后的ABR在启动期问和正常运行条件下的性能均优于加装前，而添加填料并不会明显增加反应器的造价。至于填料可能带来的堵塞问题未曾见报道。因此，建议在ABR设计时考虑增加填料。常用的填料有铁炭填料、半软性塑料纤维等。2.2隔室数的选择隔室数的设置，应根据所处理废水的特点和所需达到的处理程度合理地设计。一股而言，在处理低浓度废水时，不必将反应器分隔成很多隔室，以3～4个隔室为宜；而在处理高浓度废水时，宜将分隔数控制在6～8个，以保证反应器在高负荷条件下的复合流态特性。2.3上下流室宽度比的选择上流室宽度的设计与选耳义的上升流速有关，应尽量使反应器在一般HRT下处于较好的水力流态。上流室与下流室的宽度之比一般宜控制在5：1～3：111,9-1q。2.4单个隔室长宽高的比值研究表明，长宽高的比值会影响反应器的水力流态。反应器上流室沿水流前进方向的长宽比宜控制在1：1～1：2之间，宽高LL-一般采用1：3，具体的有待于进一步实践研究。2.5进水管的布置ABR反应器主要有以下儿种进水方式：隔室上部进水，中部进水，下部穿孔管进水。具体可根据工程需要选用。2.6产气收集方式的选择集气方式有分格集气和集中集气。分格集气可使各隔室处于各自的最佳反应条件，利于产气，只是结构比集中集气稍显复杂。工程中尽量选用分格集气。2.7折流板结构的选择折流板的折角，一般取45～60。，折板要伸入上流室的中间，以利于均匀布水，防J_}==沟流。至于折板距池底的高度，可通过水力计算得到一个比较好的冲击速度，以利于后续隔室的进水。2.8隔室挡板的结构对于在隔室上部未设填料的ABR，隔室挡板上端建议采用锯齿形结构，以减少污泥流失；同时可增加水流湍动，促进基质在ABR宽度方向上的混合。隔室挡板的下端可选用图2所示的几种结构。图2(b)的结构可减少水力死区，降低水力损失，同时可增加竖向挡板的结构强度，应尽量采用。2.9第一隔室结构的确定与UASB相比，ABR反应器的第一隔室要承受远大于平均负荷的局部负荷，有资料表明，对一个拥有5格反应器的ABR，其第一格的局部负荷约为系统平均负荷的5倍。一般对于低浓度废水，采用和后边几个隔室相同的尺寸即可；但对于隔室数较多或者进水浓度较高的情况，建议适当增大第一隔室的容积，以便有效地截留进水中的SS。另外，为抑制反应器第一隔室可能出现的过度酸化现象，可在第一隔室的适当位置设置调节剂加入口，以便加入NaHCO等进行碱度调节。2.10最后隔室结构的选择最后一个隔室，一般选用如图3所示的结构即可，如果拟处理的废水污泥沉降性能较差，可选用图3(b)所示的结构，以减少污泥流失。3工艺操作条件的选择3.1启动方式厌氧反应器的启动方式有两种：一是固定进水基质浓度而逐步缩短HRT；一是固定HRT而逐渐增大进水基质浓度。WPBarber和DCStuckey的研究表明，对于ABR，前种启动方式要优于后者。建议参用固定进水浓度而缩短HRT的启动方式。ABR反应器的启动一般采用较低的初始负荷，以利于污泥颗粒或絮体的形成；以较长的HRT启动，反应期内气液上升流速小，可减少污泥的流失，并可增加各隔室内甲烷菌属的含量。3.2温度温度是影响厌氧反应的重要影响因素之一。在一定的范围内，温度的提高不仅能加快厌氧硝化菌对有机污染物分解速率，而且还可以降低厌氧污泥混合液的粘度，而与粘度相关的污泥沉降性能又直接影响了反应器的出水水质。SNachaiyasit等研究了低温对ABR性能的影响，结果表明：在中等负荷条件下，反应器温度由35℃降至25℃对COD去除率无明显影响，当温度进一步降至15℃时，反应器的效率明显下降，其主要原因是低温降低了细菌的代谢速率，使挥发性酯肪酸(VFA)的半饱和降解常数Ks增大，同时可溶性细胞代谢产物增加。因此反应器在启动时，应尽可能在气温较高的条件下进行，等反应器成功启动后一般可以在相对低温下持续正常运行。3.3容积负荷容积负荷直接反应了食物与微生物之间的平衡关系，容积负荷的变化可通过改变进水浓度或水力停留时间来实现。3.4水力停留时间(HRT)水力停留时问是控制ABR反应器运行的主要参数，它直接影响了ABR中的COD去除91。不同的HRT决定着不同的上流室上升流速，而上升流速是ABR反应器设计中需要考虑的一个重要因素。为保证良好的泥水混合接触条件，必须合理控制反应器上升流隔室的流速(Vs)。但在确定值s时，应根据拟处理废水的不同情况加以区别对待。对于低浓度废水，建议采用较短的HRT，以增强传质效果，促进水流混合，缓解反应器后部污泥基质不足的问题。但HRT不宜过短，过短的HRT容易造成沟流现象，不仅影响处理效果，而且会使污泥流失。处理高浓度废水时，其产气对促进泥水混合的作用占主导地位，因而对上升流速的控制范围较宽，且可在很低的s下运行。故对高浓度废水，建议采用较长的HRT，以防止因产气作用而造成的污泥流失，否则须加装填料以减少污泥流失。一般而言，当进水COD浓度在3000mg•L以上时，可将s控制在0-3～0.61TI•h～；当处理低浓度废水时，液体流速对泥水混合的促进作用就显得更为重要，宜将其控制在0.6～3.0mg•L。3.5回流将反应器出水进行回流是提高反应器水力负荷(隔室内水流上升速度)的常用方法。适当回流，可以解决反应器前端隔室因产生较多VFA而引起的pH值降低等问题，并可在处理某些含蛋白质废水时抑制丝状菌的生长，还可稀释进水中的有毒有害物质，从而提高处理效果。SetiadiT等人采用ABR处理棕榈油生产废水时，在平均负荷15.6gCOD•L1.d。研究了回流比从5到25变化时对反应器出水的影响。结果表明，当回流比在15以上时可保证系统内的pH高于6.8，从而无需额外的碱度补充。但另有研究表明，不仅应对回流比加以适当的控制，而且最好不进行回流。其根据在于：(1)不适当的回流将加剧反应器内流体的混合，改变反应器的水力流态，增加死区容积。Nachaiyasit等人的研究表明[n一4J，当回流比增加到2时，死区容积高达40％，而回流比达4时，导致了突发性的较为严重的污泥流失问题；(2)出水回流将使反应器回复到单相状态，破坏产酸菌和产甲烷菌各自的良好运行环境及其相互协同作用功II,因此而失去ABR所特有的在一个反应器内实现产酸和产甲烷相分离的优点。Bachmann等人的研究发现，由于回流而使产甲烷菌的活性在整个反应器内的分布趋于均匀，使后端隔室中的产甲烷菌进入高基质浓度、高H：分压及低pH等不利环境条件下，从而影响处理效果。Nachaiyasit等人的研究也发现，增加回流比将使产气量和气体中甲烷的含量沿反应各隔室而下降。可见，目前关于出水回流对ABR反应器效能的影响尚存争论。是否采用回流要视所处理的废水水质而定，如果原水pH过低而酸化作用过烈、原水含有高浓度的有毒物质或运行需要在高水力负荷下进行，则可考虑出水部分回流。但对出水回流应持谨慎态度，一般情况下尽量不要采用。3.6挥发性脂肪酸(V11A)挥发性脂肪酸是厌氧发酵过程中的重要中间产物，它反映了废水可生化性的改变情况。但VFA的过度积累会抑制甲烷菌的生长，从而使反应器的稳定时间延长。因此控制反应器内VFA的含量就显得十分重要。3.7分段进水ABR反应器在较高有机负荷条件下启动时，容易发生VFA积累、pH降低等情况，从而导致运行失败。为避免这些不利情况，可考虑采用分段进水，如图4所示。PJSallis等人分别采用普通进水ABR(NFABR)和分段进水ABR(SFABR)对高浓度啤酒废水的处理进行了对比研究。结果发现，在启动和正常运行时期，SFABR均表现出了优于NFABR的性能。采用SFABR可降低废水中毒性物质对前面隔室的冲击，同时可为后面隔室提供足够的微生物营养。在有机负荷为10.5kgCOD•m。•d。条件下，SFABR对C0D的去除率达到了95％。具体参见更多相关技术文档。3.8pH与碱度pH是厌氧处理系统中重要的工艺控制参数之一，产甲烷过程只有在pH接近中性条件下才能有效进行，pH高于8.0或低于6-3时，产甲烷速率将大大降低。碱度在系统中的作用是中和产酸阶段生成的VFA，建立有效的酸碱缓冲体系，降低系统pH的变化幅度。为保证反应器有足够的缓冲能力，可根据需要在进水中投加一定量的NaHCO进行碱度调节。根据苏德林等的研究结果，控制出水pH6.5是确保ABR反应器正常工作的必要条件，为此应保持进水碱度在800mg•L。以上。4结论ABR因其特殊的结构，具有水力条件好、抗冲击负荷、构造简单、造价低廉等诸多优点，是一种非常有应用前景的废水厌氧生物反应器。多年来，ABR在工程实践不断发展，加装填料提高污泥与气泡分离效果、采用合适的挡板结构和部件尺寸，控制好水力停留时间等减少反应器中死区、分段进水和出水回流等手段也提供了技术上的选择性。已有的工程实例和成功案例也可以为ABR反应器的设计提供参考。由于废水的多样性和活性污泥形态以及细菌作用的复杂性，ABR反应器设计很大程度上依赖于实验数据，相对而言基础理论研究落后于实践。加强基本理论方面的研究很有必要，可以考虑用计算机模拟方法研究ABR的水力学特性以优化结构和确定操作条件；结合活性污泥结构和菌种作用机理研究相关反应与传质机理，建立相关数学模型，以减少实际工业实验的工作量和提高工程设计的可靠性。