EGSB反应器运行中的床层流态行为及其控制方皓

书书书第7卷第9期环境工程学报Vol．7，No．92013年9月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringSep．2013EGSB反应器运行中的床层流态行为及其控制方皓1周羽化2*王凯军3(1.北京市环境保护科学研究院国家环境保护工业废水污染控制工程技术(北京)中心，北京100037;2.中国环境科学研究院，北京100012;3.清华大学环境学院，北京100084)摘要生物量流失是EGSB反应器在高负荷状态下稳定运行面临的主要问题。利用实验室EGSB反应器在中温条件下处理高浓度葡萄糖废水，研究EGSB反应器在高负荷状态下的床层流态行为及其受影响因素。结果表明，在该反应器结构形式下，当有机负荷达到23～26kgCOD/(m3·d)，水力上升流速在约3.0m/h，气体上升流速在约1.3m/h状态下运行时，床层易发生剧烈流化现象，并导致颗粒污泥的解体和流失。降低反应器回流比、减小反应器内水力上升流速，控制床层在悬浮状态时可以有效降低高负荷状态下生物量的流失，并取得了有机负荷46kgCOD/(m3·d)，COD去除率97%以上的处理效果。关键词EGSB床层流态悬浮床生物量流失膨胀特性中图分类号X703文献标识码A文章编号1673-9108(2013)09-3249-07FlowpropertiesofgranularbedandcontrolinoperationofEGSBreactorFangHao1ZhouYuhua2WangKaijun3(1.StateEnvironmentalProtectionandIndustrialWastewaterPollutionControlEngineeringandTechnology(Beijing)Center，BeijingMunicipalＲesearchInstituteofEnvrionmentalProtection，Beijing100037，China;2.ChineseＲesearchAcademyofEnvironmentalSciences，Beijing100012，China;3.SchoolofEnvironment，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China)AbstractBiomasswashoutisthemainproblemforEGSBreactorundertheconditionsofstableoperatingwithhighorganicloadingrate．ThroughtheoperationoflaboratoryEGSBreactoronhigh-rateanaerobictreatmentofhighconcentrationglucosewastewateratmidtemperature，flowpropertiesofgranularbedandtheaffectingfac-torsinEGSBwereinvestigated．Whentheorganicloadreached23～26kgCOD/(m3·d)，thehydraulicveloc-ityincreasedaround3.0m/h，andthegasvelocityincreasedaround1.3m/h，thedramaticfluidizationofthegranularbedoccurredandcausedthecollapseandlossofthesludgegranularcorrespondingly．Generally，ourexperimentsshowedthattheEGSBreactorcouldefficientlyreducethebiomasslossunderhighloadconditionsbydecreasingtherefluxratioandhydraulicvelocity，andcontrollingthesuspendingconditionofgranularbed．Thereactorperformancewassignificantlyimproved，theorganicloadwas46kgCOD/(m3·d)andtheCODremovalefficiencywasabove97%．KeywordsEGSB;flowpropertiesofgranularbed;suspensionbed;biomasswashout;bedexpansioncharacteristics基金项目:国家“水体污染控制与治理”科技重大专项(2009ZX07209-003)收稿日期:2012－05－23;修订日期:2012－09－17作者简介:方皓(1976～)，男，硕士，副研究员，主要从事工业水污染控制技术研究及评估工作。E-mail:[e-mail]*通讯联系人，[e-mail]废水厌氧生物处理中，反应器的设计和运行性能除与参与反应过程的微生物类群特性有密切的关系外，还与床层运动状态和混合状况有极大的关系。废水厌氧生物处理反应器从第一代以厌氧消化池(anaerobicdigestiontank)为代表的早期厌氧反应器发展到第二代以上流式厌氧污泥床(upflowanaero-bicsludgeblanket，UASB)和厌氧滤池(anaerobicfil-ter，AF)为代表的反应器，成功地实现了污泥停留时间与水力停留时间分离，使反应器处理负荷得到了很大程度提高。第三代厌氧反应器的代表是厌氧膨环境工程学报第7卷胀颗粒污泥床(expandedgranularsludgebed，EGSB)、内循环式厌氧反应器(internalcirculation，IC)［1］。第三代反应器不仅对污泥停留时间和水力停留时间进行分离，而且有力地改善了废水与污泥的接触和混合，使反应器的处理效率再次得到大幅度提高。从某种意义也可以说，厌氧反应器由低效向高效的发展进步，反应器流态的研究改进起着重要的推动作用。在实际EGSB反应器运行过程中，尤其在高负荷运行状态下，容易出现生物量大量流失现象，直接导致反应器崩溃。这主要是由于高有机负荷随之带来的较高的气体上升流速，改变了反应器床层中颗粒污泥的流动状态，使颗粒污泥床处于强烈流化状态，从而破坏颗粒污泥的结构，导致颗粒污泥解体并随出水大量流失，反应器运行失败。因此，床层流态的控制成为降低反应器生物量流失的关键因素。而目前在现代高效厌氧反应器，如厌氧流化床、EGSB和IC等反应器的研究中，反应器中的生物介质，特别是颗粒污泥运动状态一直鲜有涉及［2］。本研究利用实验室EGSB反应器在中温条件下处理高浓度葡萄糖废水，研究EGSB反应器在高负荷状态下的床层流态行为及其受影响因素。1实验部分1.1实验装置及工艺流程实验装置及工艺流程如图1所示。整个实验装置采用有机玻璃制成，内径60mm，高2005mm，总体积8.2L，其中反应区体积为4.6L，沉淀区体积图1实验工艺流程示意图Fig.1Schematicdiagramofexperimentalprocess为3.6L。沉淀区内径140mm，筒高250mm。反应器底部设有高100mm的布水系统，进水从管侧进入底部中央。为便于分析相关参数沿高度方向上的分布规律，反应器在高度沿程上布有取样口。回流前设置有沉淀系统，以分离出回流液体中夹带的颗粒污泥，防止回流泵蠕动管堵塞。1.2实验水质和接种污泥反应器置于(30±2)℃的恒温室内，反应器内实际温度在(28±2)℃，处理废水为实验室自配水，基质分别以葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾及少许微量元素为营养源，按COD∶N∶P=200∶5∶1配制。接种污泥取自生产性EGSB反应器中，接种前已在室温下保存20d左右。1.3分析项目及分析方法COD:采用标准重铬酸钾法测定;悬浮固体SS和挥发性悬浮固体VSS:分别采用103℃和600℃烘干称重法测定;气体产量:湿式气体流量计;反应器有机容积负荷(OLＲ):以反应器总容积为基础进行计算;颗粒污泥直径:湿式筛分析法。2反应器运行过程EGSB反应器一共运行153d。在高负荷运行阶段，反应器两次出现床层流化现象，流化持续一段时间后，反应器处理效能大大降低。通过借鉴三相流化床反应器的控制理论，逐步调整反应器运行参数，恢复反应器的处理能力，使床层始终保持在悬浮状态。反应器运行后期容积负荷最高达到46kgCOD/(m3·d)，COD去除率达97%，该阶段为悬浮床运行阶段。EGSB反应器运行过程如图2、图3和表3所示。图2EGSB反应器运行过程中容积负荷及COD去除率Fig.2VolumeloadandCODremovalduringoperation0523第9期方皓等:EGSB反应器运行中的床层流态行为及其控制图3EGSB反应器运行过程中进出水COD浓度变化Fig.3ChangeofinflowandeffluentCODconcentrationsduringoperationEGSB反应器运行全程可分为两大阶段，分别为EGSB方式运行阶段和悬浮床方式运行阶段，而EGSB方式运行阶段又可细分为启动运行阶段A、提负荷运行阶段B和反应器流化运行阶段C。2.1启动运行阶段A反应器运行开始时投加2.5L取自于某淀粉厂生产性EGSB反应器中颗粒污泥，污泥浓度为65.2gVSS/L，活性为1.6kgCOD/(kgVSS·d)。反应器以6kgCOD/(m3·d)负荷启动，在运行开始时，COD去除率达到83.4%，在第6天时，反应器容积负荷就达到10.0kgCOD/(m3·d)，COD去除率为96.4%，说明反应器已经完成快速启动过程。表1EGSB反应器总体运行状况Table1ParametersduringEGSBoperation参数EGSB方式运行阶段悬浮床方式运行阶段ABCD运行时间(d)1～67～2728～9192～153进水COD(mg/L)4000～46004600～50004600～100005500～10000进水量(L/h)0.5～0.71.0～1.80.9～1.81.3～1.7回流流量(L/h)10.97.0～10.972.2～4.4回流比11～15.75.9～8.83.8～8.41.4～3.5OLＲ(kg·COD/(m3·d))6～1010～2311～26.526～46HＲT(h)11.0～15.74.4～7.84.4～9.74.8～6.3COD去除率(%)83.4～96.772.5～96.176.3～90.873.9～98.2污泥床层高度(cm)104110120～168125～144床层状态膨胀膨胀床层流化悬浮床2.2提负荷运行阶段B在本阶段，负荷提高采取的是提高进水流量方法，在第7～27天期间，有机负荷从10.0kgCOD/(m3·d)提高至23kgCOD/(m3·d)，在此过程中，COD去除率在72.5%～96.1%之间，反应器内颗粒污泥床层处于膨胀状态。2.3反应器流化运行阶段C当负荷提至23kgCOD/(m3·d)运行3d后，反应器内开始出现流化现象，在此状态下反应器内水力上升流速为3.87m/h，气体上升流速1.2m/h。为降低床层流化现象，将水力上升流速降为3.11m/h后，此时反应器床层流化现象有所减弱，考虑到出水效果仍保持在90%以上，在第37天继续提高反应器COD负荷至26.5kgCOD/(m3·d)，持续运行7d，在此期间观察到床层流化现象逐步加剧，反应器里颗粒污泥大量破碎解体后漂浮在反应器出水口，致使反应器内颗粒污泥流失严重。在第44天，由于污泥流失，处理效率大幅降低，此时反应器不得不进入降负荷调整状态，反应器COD负荷降低至13kgCOD/(m3·d)，经过46d的缓慢提负荷后，在第90天，采取逐步提高进水量方式，将有机负荷提高至25.9kgCOD/(m3·d)，此时水力上升流速为3.0m/h，气体上升流速1.3m/h，运行1d后，