改进型UASB反应器的性能研究郝晓刚

总第77期1994年3期成都科技大学学报JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYSUMNo.77No.3.1994改进型UASB反应器的性能研究郝晓刚`,潘永亮方治华(成都科技大学化学工程系成都610065)摘要本文叙述了一种改进结构的UASB反应器的研究.采用人工合成葡萄糖废水,在20℃一30℃环境温度下与传统结构UASB反应器做了平行对比试验.试验表明:有机质的去除大部分是在污泥床部完成的。传统结构不能控制污泥的上浮,导致体积庞大,当有机负荷高于巧kgCOD/m3·d时即会出现污泥流失而导致工艺失败;改进结构反应器通过预先排除大部分气体来控制污泥的上浮,使厌氧消化集中在床部完成,缩小反应器体积,即使负荷高达60~70kgCOD/m3·d,水力停留时间为2小时仍能稳定运行。关键词UASB反应器;厌氧消化;废水处理,反应器结构分类号X45.505上流式厌氧污泥床(UAS)B反应器是目前工程上应用较广泛、效率较高的一种消化装置。国外对UASB反应器厌氧消化过程的工艺和设备进行了很多研究,但就其结构对厌氧消化过程的影响、反应器结构设计等问题涉及较少11[;国内的研究也大都集中在工艺和菌种驯化方面,许多投入生产运行的反应器都采用传统结构,体积庞大,效率较低。常温下容积负荷多在10kgCOD/m,·d左右,甚至更低图,这与UASB工艺所具有的潜在能力相差甚远。因此,研究反应器结构对厌氧消化过程的影响,改进反应器形式以提高其负荷具有重要意义。本文主要探讨一种改进结构的UASB反应器的性能。1试验装置与材料1试验装置试验用UASB反应器常用玻璃管制成。1“反应器采用传统结构,内径40mm,高lm,收稿日期1993一04一201)原成都科技大学化机87级硕士研究生,现在太原工业大学任教DOI:10.15961/j.jsuese.1994.03.004成都科技大学学报1994年3期有效容积IL、2“、3“反应器为改进型结构。2“、3“与1“反应器不同之处,是仅在2“、3“反应器悬浮层的下部设置有预排气系统。其中2“反应器内径40mm,高0.sm,有效容积。.7L。试验在常温下进行,试验装置和工艺流程如图1所示。辈辈辈辈辈辈辈辈辈辈辈辈辈攀攀攀攀攀攀攀攀一一--,,,,,,,,,,,,二二二二蕊万飞二二八八八八蔚蔚月月月月..目....-------门门图1试验装里(l)贮水槽(2)蠕动泵(3)1称反应器(4)2”反应器(5)3称反应器(6)集气瓶1.2试验水质试验水质为人工合成葡萄糖废水,其配方如表l所示。表1人工合成葡萄糖废水配方药品葡萄糖NaHCO:Mgso;·7H:oNH一CIKH:PO一KZHPO一3HZO重量(g)按上述比例加适量自来水配制成不同浓度的废水,pH值为7.0。1.3接种污泥接种污泥取自成都肉联厂处理屠宰废水的600m,UASB反应器,污泥呈絮状,VSS/55=0.6,接种量均为7.5gVSS。2试验结果三个反应器做平行试验,试验运行情况如图2所示。三个反应器进水浓度相同,COD去除率大都维持在60%左右[见图2(a)、(b)],1“、3“反应器去除率相近,而2“反应器去除率在运行后期又略高于1“反应器二一:在相同的进水浓度下,2“、3“反应器容积负荷比较接近,且均高于1“反应器〔见图2c()〕。其中1“反应器的负荷提高到15kgCOD/mZ·d以上时,因污泥流失严重引起负荷下降而停止运行,而2“、3”反应器在整个试验过程中并未发生污泥的严重流失。当2#郝晓刚等改进型UASB反应器的性能研究反应器的进水浓度高达10000mgCOD/L,水力停留时间低至2小时左右,容积负荷高达70kgcoD/m,·d时,仍能正常运行。3“反应器没有做后期的高负荷实验。2”、3“反应器的水力停留时间都低于1“反应器[图2d()〕,但试验中期去除率比户反应器降低不到10%。刊仙黝“ǎ、一钎渔术口00益益益(!工/(l0铸`à侧任00幼102030(a)口进水△1”出水2“出水x3”出水(b)口1“反应器△2#反应器3#反应器曰6|钊气ù石二Vlll807(J605040加劝10ō吧ō`/二()奋.J)探e彩仲051020354045sfJ时间(d)455(少时lbl`d)(c)口1牡反应器△2#反应器3称反应器(d)口l牡反应器△2#反应器令3”反应器图2三个反应器试验运行情况比较3个反应器的产气情况如图3所示。其中2#、3#反应器各有两个排气口,即设置顶部排气口和悬浮层下部的预排气口,试验表明:预排气口的排气量远大于顶部排气口的排气量。图4是1#、2#反应器在不同负荷下污泥浓度沿床层高度的分布曲线。3#反应器成都科技大学学报1994年3期在同样负荷下污泥分布曲线与#2反应器相近,这里未画出。试验期间三个反应器床部都有一定数量的颗粒污泥形成。J、.`086吸,ó气fl1..`(,E、.)E.丫忆3分析与讨论.31反应器结构对消化过程的影响厌氧处理一般达不到排放标准,或多或少要加好氧处理,因此不必用低负荷去追求高的cOD去除率和出水水质,而应尽可能地以高负荷运行,以获得较好的经济效益,特别是处理浓度很高的有机废水时,高容积负荷运行的UASB反应器更具有实用意义。152025303540455廿时间(d)图3反应器的产气l口l”反应器△2”反应器(1)2#反应器(2)火3拐反应器(1)l`反应器之`反曰器ōō二ù娜谊炎退七ōh.,今`氏认么ō内u)划馆鹅创要1026304050162勺364(污泥图4j3(91,污泥、;该功,不同负荷下污泥浓度沿床高分布在uAsB的反应器中,有机质的去除大部分是在床部完成的〔,〕。床部污泥浓度较高,活性较好,且首先与新鲜料液接触,获得营养,故其反应时间较短,也比较充分。在悬浮层的上下部分污泥浓度差别很小,接近完全混合型流态.z[`1,悬浮层污泥活性较差,数量又少,而且由于废水中的有机质大部分已在床部降解,进入悬浮层的废水浓度相对较低,其反应所需时间因而较长。就试验结果来看,反应器所去除的COD中有90%是在床部进行的,悬浮层污泥所降解的COD还不到10%。因此,为了获得较高的容积负荷,悬浮层的体积和高度没有必要设置得过大。但传统结构反应器当负荷较高时,大量污泥被上升气体带入悬浮层,如果悬浮层体积较小,污泥就会进入上部的三相分离器。当分离郝晓刚等改进型UASB反应器的性能研究器中污泥积累过多时就会发生污泥流失。污泥的流失限制了反应器负荷的提高,影响着基质的去除率,引起出水水质恶化,因此传统结构反应器的悬浮层体积都比床部大得多。在实验中发现,产气量是引起污泥上浮的主要因素。因此在设计新型反应器时,我们考虑了反应器中废水降解的特点,在悬浮层下部设置一个集气罩,预先排除由床部产生的大部分气体,与气泡分离的污泥又下落回污泥床,废水中有机质集中在床部消化,人为地将大量活性高的污泥控制在床部。集气罩上方的污泥浓度较低,负荷较高时也不会引起污泥的流失,这样即可缩小反应器悬浮层的体积和高度,使反应器的容积负荷大大提高。3.2反应器运行性能比较试验初期反应器负荷较低,污泥活性未完全恢复,1”反应器悬浮层的污泥浓度不高,有机质的降解大部分集中在污泥床部完成。此时尽管三个反应器的水力停留时间相差较大,但流量比较接近,床部的水力停留时间也较接近,因而三个反应器的COD去除率相差不大。但2“、3“反应器的COD去除率略高于1“反应器,这可能是由于预设集气罩的作用,使2“、3“反应器的床部体积大于1“反应器,因而其反应效果较好。试验中期巧天一20天,环境温度20℃~25℃,进水浓度逐渐增加,水力停留时间缩短至3小时左右,去除率都低于50%,但1“反应器去除率略高于2“、3”反应器,相差不到10%。此时三个反应器污泥床部都存在一定的短流现象,而1“反应器由于负荷增加,进入悬浮层的污泥浓度也增加,气体的充分搅拌也使层部反应较好,悬浮层污泥开始起到一定的降解作用;而2”、3“反应器污泥大部分集中在床部,悬浮层污泥对基质的降解不如1“反应器明显,其反应效果不如1“反应器。随着气温的回升,水力停留时间的增加,污泥活性的恢复,反应器的去除率又都恢复到60铸左右。实验后期2#反应器的去除率又略高于1“反应器。由于进水浓度的增加,床部反应的推动力也增加,同时负荷大大提高,产气量增大,气体的搅拌作用使2“反应器床部也充分混和,减少短流现象,此时床部也都形成了一定数量的颗粒污泥,使床部的反应更加充分。1“反应器由于大量污泥上浮,开始出现污泥流失现象,去除率也开始降低,负荷高于.15kgCOD/m,·d时就不能稳定运行。2#反应器由于下部集气罩有效地控制了污泥的上浮,负荷可进一步提高,当容积负荷高达60~70kgCOD/m,·d,水力停留时间低至2小时左右仍能正常运行,其COD去降率也降低不多。由于2“、3“反应器的体积都小于1“反应器,流量又接近,故其水力停留时间都低于1“反应器(但污泥床部的水力停留时间接近),所以在相同的进水浓度下,2“、3“反应器的容积负荷都高于1“反应器。3.3预排气可控制污泥的上浮1”反应器所产生的气体全部由上部三相分离器集气室排走,气体在上升过程中将大量污泥带入悬浮层和沉降器,限制了反应器负荷的提高。2“、3“反应器增设预排气口,污泥床部产生的大部分气体从这里排走而不经过上面,因而有效地降低了分离器下方的污泥浓度,防止了污泥的流失。1#反应器当容积负荷为10kgCOD/m,·d时,分离器下方成都科技大学学报1994年3期污泥浓度为2.5955/L,负荷为巧kgCOD/m,·d时为2.5955/L。而2“反应器当负荷为15kgCOD/m,·d时,三相分离器至下部集气罩间浓度低于1.1gSS/L;当负荷为40kgCOD/m,·d一50kgCOD/m,·d时分离器下方浓度为2.3955/L,而集气罩下方污泥浓度为8.0955/L;负荷为60kgCOD/m,·d一70kgCOD/m,·d时,分离器下方浓度为3.5955/L,集气罩下方浓度为13955/L。由此可见预设集气罩的作用是相当明显的,它将大部分高活性污泥控制在污泥床部,使其与废水充分接触反应。尤其是3“反应器,尽管上部直径小于1“反应器,纵向流速高于1“,但分离器下方的污泥浓度仍明显低于l#反应器。.34预排气罩的最佳断面尺寸三相分离器下方的污泥浓度越低,表明反应器内上浮污泥越少,同时分离器沉淀室中浓缩污泥回流的推动力也越大,因而负荷可进一步提高。预排气罩的断面尺寸与三相分离器下方的污泥浓度有密切的关系。通过实验可归纳出分离器下方污泥浓度与最小断面上料液流速,上升气量,污泥沉降速度等参数之间的数学关系,而这些参数都与预排气罩的断面尺寸有关。以分离器下方的污泥浓度为目标函数,求出使目标函数为最小值的断面尺寸,即可确定排气罩的最佳断面尺寸。4结论反应器的结构对消化过程有很大的影响。在UASB反应器中,有机质的去除大部分是在污泥床部完成的。传统的结构由于污泥的上浮流失限制了负荷的提高,因而体积庞大,效率较低。引起污泥上浮流失的主要原因是产气量,因此采用在反应器悬浮层下部增设排气口的新型结构,可以有效地防止污泥的上浮流失,缩小反应器的体积,使有机质的去除集中在污泥床部完成,因而可大大提高其容积负荷。小试反应器负荷高达60一70kgCOD/m,·d,水力停留时间低至2小时左右仍能稳定运行。此结构易于实施,有很大的实用价值。参考文献方治华等·上流式厌氧污泥床反应器的结构模糊优化.中国环境科学,1989,9(2);103~109郑元景.污泥厌氧生物处理.北京:中国建筑工业出版社,1988HeertfesPM,etal.Dynamiesofliquidnowinanup一flowreaetorusedforanaerobietreatmentofwastwater.BioteeehBioeng,1978,(20):1577~1594HeertfesPM,etal.Fluidflowpatterninupflow