分段组合式厌氧反应器相应指标纵向分布特性的研究

第26卷第6期高校化学工程学报No.6Vol.262012年12月JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversitiesDec.2012文章编号：1003-9015(2012)06-1066-07分段组合式厌氧反应器相应指标纵向分布特性的研究季军远,郑平,张吉强,张萌(浙江大学环境工程系,浙江杭州310058)摘要：采用模拟有机废水，研究了分段组合式厌氧反应器(CompartmentalizedAnaerobicReactor,CAR)的纵向分布特性。试验结果表明：CAR具有很高的容积效能，其容积负荷、容积去除率和容积产气率分别为100.5gCOD(Ld)1、84.4gCOD(Ld)1和57.0L(Ld)1。CAR具有显著的容积效能纵向分布特征，在高负荷工况下，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ(反应器下、中、上)的容积负荷与容积效能分别为327.6、221.2、153.3gCOD(Ld)1与106.4、67.9、32.0gCOD(Ld)1；与常负荷工况相比，高负荷工况下容积效能的纵向分布特征弱化，有利于均衡容积负荷、挖掘各区段的反应潜能。CAR具有显著的基质浓度纵向分布特征，与常负荷工况相比，高负荷工况下纵向VFA和COD浓度分布特征弱化，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的VFA浓度与COD浓度之比显著增大，需重视VFA抑制所致的“雪崩”效应。关键词：厌氧反应器；纵向分布特征；负荷配置；容积效能中图分类号：X171.5文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2012.06.027VerticalDistributionofCompartmentalizedAnaerobicReactor(CAR)PerformancesJIJun-yuan,ZHENGPing,ZHANGJi-qiang,ZHANGMeng(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China)Abstract:TheverticaldistributionofCompartmentalizedAnaerobicReactor(CAR)performanceswasstudiedinalab-scaleexperiment.TheresultsindicatethattheCARhasahighvolumetricefficiency,anditsorganicloadingrate,volumetricCODremovalrateandvolumetricbiogasproductionare100.5gCOD(Ld)1,84.4gCOD(Ld)1and57.0L(Ld)1,respectively.CARshowsanobviousverticaldistributionofvolumetricefficiency,e.g.theorganicloadingrateandvolumetricCODremovalrateofpartI,IIandIII(bottom,middleandtop)oftheCARatthehighloadingrateare327.6,221.2,153.3gCOD(Ld)1and106.4,67.9,32.0gCOD(Ld)1respectively.Comparedwiththatatcommonloadingrates,theverticaldistributionofvolumetricefficiencyathighloadingratesbecomeslessobvious,whichishelpfultohomogenizetheorganicloadingratealongthereactorandexploitthereactionpotentialofthewholereactor.CARalsoshowsanobviousverticaldistributionofsubstrateconcentration.Comparedwiththatatcommonloadingrates,theverticalconcentrationgradientsofVFAandCODaresmallerathighloadingrates,andtheratiosofVFAtoCODinpartI,II,IIIincreasedsignificantly.MoreattentionshouldbepaidtotheseriousinhibitioncausedbyVFAathighloadingrates.Keywords:anaerobicreactor;verticalperformancedistribution;organicloadingrateallocation;volumetricefficiency1前言厌氧消化技术具有无需供氧、产生沼气、减排污泥等诸多优点[1~5]，已在环境和能源工程中广泛应用。厌氧反应器是厌氧消化技术的核心载体，高效厌氧反应器的研发推动了厌氧消化技术的发展[6]。若以工程上已实现的最高容积有机负荷(OLR)为标准，可将OLR大于40gCOD(Ld)1的厌氧反应器称为超高效厌氧反应器，超高效厌氧反应器的研发将进一步推动厌氧消化技术的发展。收稿日期：2011-05-19；修订日期：2012-01-13。基金项目：浙江省重大科技专项(2010C13001)资助;国家高技术研究发展计划“863”滚动支撑项目(2009AA06Z311)。作者简介：季军远(1980-)，男，山东烟台人，浙江大学博士生。通讯联系人：郑平，E-mail：[e-mail]第26卷第6期季军远等：分段组合式厌氧反应器相应指标纵向分布特性的研究1067厌氧消化技术为混菌发酵技术，主要涉及水解产酸、产氢产乙酸及产甲烷作用，整个厌氧消化过程由各功能菌群协作完成[7~9]。由于各功能菌群的生长和代谢性能不同，高容积负荷易造成厌氧消化过程中各种作用的衔接失衡，导致厌氧反应器功能减退甚至丧失。由于厌氧消化过程中各种作用的序列性，再加上塔式反应器的纵向返混限制，厌氧反应系统的容积负荷、转化效能、基质组成等都会显现纵向分布变化，探明此类纵向分布特性可揭示高效厌氧反应器的工作过程。有鉴于此，笔者对自主研发的分段组合式厌氧反应器(CompartmentalizedAnaerobicReactor,CAR)的纵向分布特性进行了研究，以期为CAR的优化、设计和应用提供理论依据。2材料与方法2.1模拟废水本研究采用模拟废水，其组成成分为蔗糖、乙醇、NH4Cl、NaHCO3、营养液、微量元素溶液Ⅰ、Ⅱ(见表1)等物质，微量元素溶液I、Ⅱ加入量均为1mLL1，NaHCO3加入量根据出水pH值调节。2.2接种污泥接种颗粒污泥取自浙江某造纸厂IC厌氧反应器，悬浮物(SS)为51.0gL1，挥发性悬浮物(VSS)为40.3gL1，VSS/SS为0.72。2.3试验系统本研究所采用的试验系统如图1所示，厌氧反应器呈圆柱状，内径为5cm，高度为120cm，反应区容积2L。反应器由布水区、反应区和三相分离区组成。反应区各段之间以分隔板隔开，以分隔板上的连通管连通。反应区各段产生的沼气分别收集，均接入三相分离区上部的气室内集中外排。反应器工作温度为(30±1)℃。2.4分析项目及方法COD：重铬酸钾法[11]，SS、VSS：重量法[11]，pH：玻璃电极法，挥发性脂肪酸：气相色谱测定法[12]，气体流量：BSD-0.5型湿式气体流量计测定法。3结果与讨论3.1厌氧反应器的运行性能3.1.1厌氧反应器的常负荷运行性能在厌氧反应器的常负荷(OLR≤40gCOD(Ld)1)运行过程中，设定初始水力停留时间(HRT)为7h，初始进水COD(化学耗氧量chemicaloxygendemand)浓度为2886mgL1。保持HRT恒定，以等幅增加进水COD浓度的方式逐步提高反应器容积负荷，考察厌氧反应器的运行性能，其运行结果见图2~图4。由图可知，进水COD浓度由2886mgL1增至11595mgL1时，反应器容积负荷由9.9gCOD(Ld)1增至39.8gCOD(Ld)1，容积去除率由9.5gCOD(Ld)1增至39.1gCOD(Ld)1，容积产气率由4.9L(Ld)1增至19.0L(Ld)1；COD去除率由96.2%增至98.4%，出水水质优于同类文献报道值[13,14]；出水pH保持在7.26~8.00，适宜厌氧消化作用；出水VFA浓度由38.6mgL1升至70.9mgL1，低于VFA对厌氧消化的表1营养液的物质组成[10]Table1Compositionofnutrientsolution[10]CompoundConcentraion/mgL1CompoundConcentraion/mgL1Yeastextract1200MgSO4220Beefextract1200KH2PO47540Tryptone3600TraceelementsⅠ(1)CaCl2220TraceelementsⅡ(2)(1)TraceelementsI(mgL1):EDTA5000,FeSO45000;(2)TraceelementsII(mgL1):EDTA15000,H3BO414,ZnSO4·7H2O430,MnCl2·4H2O990,CuSO4·5H2O250,NaMoO4·2H2O220,NiCl2199,NaSeO4·10H2O210.4图1分段组合式厌氧反应器系统Fig.1TheschematicdiagramofCAR1.influenttank2.peristalticpump3.recirculationpump4.CompartmentalizedAnaerobicReactor(CAR)5.biogas6.effluenttank7.wetgasmeter8,9,10.samplingportsⅠ,Ⅱ,Ⅲrespectively1235109865741068高校化学工程学报2012年12月10152025303540020004000600080001000012000effluentCODinfluentCODremovalefficiency92949698100Organicloadingrate/gCOD(Ld)1图2常负荷运行过程中的进出水COD浓度及COD去除率Fig.2InfluentandeffluentCODconcentrationandCODremovalefficiencyatcommonloadingrateConcentrationofCOD/mgL1Removalefficiency/%2000400060008000100001200010152025303540organicloadingratevolumetricCODremovalratevolumetricgasproduction48121620ConcentrationofinfluentCOD/mgL1图3常负荷运行过程中的容积负荷、容积去除率和容积产气率Fig.3Organicloadingrate,volumetricCODremovalrateandvolumetricgasproductionatcommonloadingrateOrganicloadingrateorVolumetricCODremovalrate/gCOD(Ld)1Volumetricgasproduction/L(Ld)1临界抑制浓度[15]。在常负荷工况下，厌氧反应器运行性能稳定。3.1.2厌氧反应器的高负荷运行性能在厌氧反应器