开题报告厌氧折流板反应器的启动与运行特性分析

1厌氧折流板反应器启动与运行特性研究一、课题来源及研究的目的和意义1.1课题来源本课题受国家自然科学基金“厌氧生物处理系统中产乙酸菌的生理生态学与工程调控对策研究”（50378025）和黑龙江省自然科学基金“产乙酸菌的生理生态学与高效厌氧生物处理技术（E0406）”资助。1.2课题研究的目的和意义目前污水处理最大的难题有两点：一是基建投资过大；二是处理能耗过高，运行费用过大，并已成为妨碍污水处理事业的严重障碍。特别是对于我国这样一个发展中国家，一方面财政能力有限，另一方面水污染情况又越来越严重，已经到了非治不可的程度。水污染已经成为制约我国社会、经济可持续发展并危及人类生存的大事。多年来，国家非常重视对环保事业的投入，取得了一定的成果，但由于上述两大问题的困扰，环境污染问题很难在短期内得到根本性的治理。据调查，很多工业企业虽然花费巨额投资兴建了废水处理设施，由于处理费用很高，给企业带来了很大的负担。很多设施由于处理费用过高而不得不停用；相当多的工业企业根本没有废水处理设施，直接排放废水进入水体，造成极大的环境危害。因此，研究开发出高效低能耗的水处理技术与设备并把它应用到实际当中是彻底解决我国水环境污染问题的捷径[1]。基于我国目前废水的处理现状，由于厌氧生物处理因其工艺能耗低、污泥生成量少，且可回收大量的能源气体（甲烷）等优点受到了世人的普遍关注，在有机废水治理上展现出广阔的应用前景。用厌氧生物处理技术来处理废水，是一种经济可行的方法，而研制高效的厌氧反应器是亟待解决的问题。实践表明，一个成功的厌氧反应器必须具备以下特点：（1）良好的污泥截留性能，以保证拥有足够的生物量。由于厌氧微生物的较长世代期，因此高污泥保有量是保证微生物转化总量，即厌氧生物处理效率的基础和前提。（2）良好的水力流态。局部的完全混合使生物污泥能够与进水基质充分混合接触，以保证微生物能够充分利用其活性降解水中的基质，而整体的推流保证一定的底物浓度梯度，提高出水水质。（3）良好的微生物功能分区，即相分离特性。具有提供不同类型微生物所适宜的不同的生长环境条件的功能，以使不同种群的厌氧微生物在最优环境条件下发挥功能、稳定运行。对于厌氧处理系统而言，底物、中间产物、最终产物以及各微生物种群之间相互作用，形成复杂的微生态系统，而且微生物种群间通过营养供给形成共生关系（symbiotic）或互营关系（symtrophic）。因此，保持各类微生物有序生长、物质和能量高效顺畅流动，是反应器这一微生物生态系统稳定运行的必要条件，也是目前新型反应器设计的主导思路。同时，从反应器的混合流态及有机物厌氧降解途径等角度，分析提高处理效果和保持反应器运行稳定性的措施，并与反应器的工艺设计相结合，全面提高反应器的效能，是厌氧生物处理工艺的关键。厌氧折流板反应器（AnaerobicBaffledReactor，简称ABR）是基于lettinga[2]教授的分阶段多相厌氧反应器技术（StagedMulti-phaseAnaerobicReactor，简称SMPA）思路，美国2Stanford大学的McCarty[3]教授及其合作者于1982年在厌氧生物转盘反应器的基础上改进开发而提出的一种高效厌氧处理工艺。SMPA的理论思路是：①在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落，以适应相应的底物组分及环境因子(pH,H2分压值等)；②防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合；③各个单体内的产气互相隔开；④工艺流程更接近于推流式，系统因而拥有更高的去除率,出水水质更好。从上述的思路可以看出，SMPA的理论依据来源于对厌氧降解机理的最新理解。Lettinga指出，组成SMPA的单体反应器既可是厌氧颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB），也可是升流式厌氧污泥床反应器（UASB）。他认为该工艺的适用范围更为广泛，适用于各类温度条件，从低温（小于10℃）到高温（大于55℃）均可运行，而且对各种含抑制性化合物的化工废水也具有较高的降解效能。应该说SMPA将是今后厌氧工艺技术研究和应用发展的主导方向。目前，根据厌氧处理过程中参与有机物降解的不同微生物种群的生理生态特点及其组成的微生态系统对环境条件要求，进行两相及多相工艺研究，以及根据反应器的混合要求进行复合流态工艺的研究，已成为开发和研制第三代新型厌氧处理工艺技术的主导。ABR的工作原理是在反应器内设置一系列垂直的折流挡板使废水在反应器内沿折流板上下折流运动，一次通过每个格室的污泥床直至出口，在此过程中废水中的有机物与厌氧活性污泥充分接触而得到去除。虽然在构造上ABR可以看作是多个UASB反应器的简单串联,但工艺上与单个UASB有显著不同。UASB可近似地看作是一种完全混合式反应器，而ABR则更接近于推流式工艺。与Lettinga提出的SMPA工艺对比，可以发现ABR几乎完美地实现了该工艺的思路要点。它具有以下优点[4-8]：1，工艺简单，投资少，运行费用较低。2，耐冲击负荷，适应性强。3，固液分离效果好，出水水质好。4，运行稳定，操作灵活。5，对有毒物质适应性强。6，良好的生物固体截流能力。7，良好的生物分布。虽然ABR有一系列的优点，但是仍然存在很多的问题，本试验就是针对它存在的问题，通过对厌氧折流板反应器的一些水力特性及运行特性的实验研究，寻求ABR设计的合理参数，找出运行中的一些工程调控参数；同时，我们以ABR为平台，对ABR每个格室的生物相进行研究，从而确定强化厌氧生物处理系统中各菌群生态功能的综合措施和最佳控制参数，使厌氧生物处理系统的处理能力和运行稳定性有较大的提高,在有机废水厌氧生物处理的基础理论、技术开发等方面有所突破和创新。二、国内外的研究现状及分析M.Henze[9]在ABR的启动过程中作了一些研究，认为ABR法启动阶段负荷不应过高，负荷过高会影响生长缓慢的微生物的增长。他认为COD容积负荷为1.2Kg/(m3.d)比较适合。同时气体和水的上流速度应保持较低水平，这样有利于污泥絮凝体和颗粒污泥的增长。W.P.Baber和D.C.Stuckey[10]的研究表明，固定进水基质而逐步缩短HRT的启动方式要优于确定HRT而逐渐增大进水基质浓度的启动方式。ABR的工艺特性与其水力特性紧密相关，A.G.robicki和D.C.Stuckey[11-12]及天津大学的郭静[13-14]对反应器水力流态的研究表明，ABR反应器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低，认为ABR反应器的水力流态是局部为完全混合式（CSTR）流态，整体为推流(PF)流态的一种复杂水力流态性反应器。关于ABR的工艺特性研究，最早是由A.Bachman和P.L.McCarty等人[15]所作。A.G.robicki和D.C.Stuckey[16]研究了以葡萄糖为基质的ABR在稳定状态下和冲击负荷情况下的运行特性，系统分析了酸化过程以及甲酸、乙酸、丙酸、丁酸等中间产物在不同运行状态下沿流程的分布积累状况。与其它反应器在冲击负荷条件下不同的是ABR中甲酸并非是3很重要的电子受体，此外，无论是在水力或是在浓度负荷冲击下，ABR均表现良好的稳定性能，因此有可能是用于工业废水处理。S.Nachaiyasit[17]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去除率无明显的影响，当温度进一步降至15℃时，反应器的效率明显下降，主要原因是温度降低了细菌的代谢速率，使VFAs的半饱和降解常数Ks增大，同时可溶性细胞代谢产物增加。此外沼气产量减少也降低了基质与微生物的接触效率，但是通过合理调整工艺设计，可明显减小低温对厌氧过程的副作用。T.Setiadi等人研究了出水回流对反应器的影响，着重强调了回流比与系统中碱度及PH之间的影响[18]。Bachmann[19]对ABR反应器的数学模型进行了一些探讨，他为固定膜和ABR反应器建立了统一的数学模型，将固定膜模型和变级数模型组合在一起，结果发现该模型的早期预测是好的，但在较高负荷率下COD去除率预测值偏低。ABR反应器是一种多格室结构,本身具有两相行为,不同的水质和运行条件下各格室内的降解行为并不相同。影响数学描述的因素很多,如反应器的结构、沟流现象、降解限速阶段等。大规模反应器对降解模型有迫切的需要,因此,ABR反应器的数学模型是一个有待研究的领域。沈耀良[20-21]对ABR的污泥特性作了研究，赵丹[22-23]对废水的处理效能以及对ABR的微生物生理生态学进行了研究。此外，复合式（HABR）厌氧反应器即在反应器内的适当部位增设填料也是目前的一个研究方向。复合式ABR(HABR)一般在反应器内个反应室的上部空间架设填料，一方面利用原有的无效容积增加生物总量，更重要的是由于填料的存在，夹带污泥的气泡在上升过程中与之发生碰撞，加速了污泥与气泡的分离，从而降低了污泥的流失。C.J.Holt等人[24]利用ABR与HABR处理含酚废水，二者都取得了良好的效果。同济大学的雷中方等人[25]实验了用ABR处理碱法草浆黑液的可能性。清华大学的戴友芝[26]也正在进行利用ABR降解剧毒物质氯酚的可行性研究，目前的结果不错。最近又出现了一种叫做异波折板水解酸化槽反应器的工艺，其形状及工艺如下：本套工艺是利用工程流体力学理论，解决其传质不高的问题。随着我国经济建设的发展，废水排放量逐年增加,水环境受到严重污染，急需建设大批水处理设施，但却面临着资金和技术上的困难。ABR作为一种新型高效厌氧处理工艺，结合了第二代反应器的优点，克服了某些不足之处,如厌氧滤池所需的成本较高的滤料和UASB所需的工艺复杂的三相分离器，因而ABR具有工艺简单,造价较低的优点。另外，ABR还具有生物截留能力强，运行管理方便,性能可靠等优点。因此，ABR在我国高浓度工业有机废水(如酿造、造纸、制革废水等)的污染控制中有很好的研究开发价值和推广应用前景。目前已有少数的工程应用实例。厌氧折流板反应器在实际工程中应用很少，天津大学的邱波、图一异波折板水解酸化槽反应器工艺流程图4郭静[27]等人则是把ABR技术首先应用到了处理制药废水的实际工程中。Orozo[28]在美国的哥伦比亚市Tenjo城镇污水处理厂采用ABR处理生活污水。福建长乐市乔胜纺织印染有限公司应用ABR工艺处理毛巾印染废水[29]和福建某生化厂采用ABR处理制药废水[27]均取得了令人满意的效果。近年来，关于ABR在废水处理中的报道越来越多，应用实践表明，ABR能够成功的运用到多种类型废水处理中，而且对于低温、高SS废水、含硫废水等类型的废水均有较好的处理效果。表一是ABR处理高浓度废水的部分实例。表一ABR处理高浓度废水的部分实例尽管ABR有少量的实际应用，但是还存在很多的问题，对于ABR的实验研究目前还主要处在实验室阶段。目前对于ABR反应器运行时上升隔室中的水流上升速度及其对工艺运行的影响；对ABR反应器的相分离、污泥的存在形式（颗粒化程度）及其有关的控制条件的研究；对ABR工艺的经济性、间歇及季节性运行的可行性问题作深入的研究都很少。所以ABR反应器在实际工程中进一步推广之前，很有必要结合机理分析以便深入地了解其工艺的特性。目前尤为缺乏的是ABR法处理高浓度工业有机废水较大规模的中试和在实际工程中的示范试验。三、主要研究内容3.1实验材料与方法3.1.1实验装置实验装置如下图所示，该装置采用有机玻璃制成，反应器的总容积为88L、有效容积为废水类型原糖蜜废水糖蜜酿酒釜馏液养猪废水威士忌酿造液进水COD(g/L)990115.858.551HRT(h)850138~636360360容积(L)150150156.3温度(℃)37373530OLR(kg/m3.d)284.3~2042.2~3.46COD去除率(%)5070~8862~6990气体产率(v/v/d)52.32.9~3.21.2~3.61配水箱2计量泵3进水口4排气口5出水口6取泥口图二实验工艺流程图573.2L，共有8个格，每个格室有一个下流室一个上流室组成。下流室宽度为2cm，上流室