内循环厌氧反应器的运行特性

内循环厌氧反应器的运行特性内循环厌氧反应器(InternalCirculation,简称IC)是在UASB反应器基础上开发出的第三代超高效厌氧反应器，其特征是在反应器中装有两级三相分离器，反应器下半部分可在极高的负荷条件下运行。整个反应器的有机负荷和水力负荷也较高，并可实现液体内部的无动力循环，从而克服了UASB反应器在较高的上升流速度下颗粒污泥易流失的不足[1～3]。笔者在实验室对小型IC反应器(25L)进行了系统研究，主要考察了反应器在中温条件下的运行特性及其影响因素，验证了IC反应器在UASB基础上的结构改进对处理效能的促进作用。1试验装置和方法1.1试验装置IC反应器为有机玻璃制成，有效容积为25L，反应器总高度为1500mm，沿柱高设置多个取样孔。将反应器安装在恒温箱内，用WMZK-01温控仪和热源构成自动温控系统，将温度控制在(35±1)℃。工艺流程见图1。试验配水首先进入Ⅰ室被降解，产生的沼气由Ⅰ室的集气罩收集，大量沼气携带Ⅰ室的泥水混合液沿着提升管上升至反应器顶部的气液分离器，沼气在此处逸出反应器，而泥水混合液则沿下降管返回到Ⅰ室的底部。Ⅰ室出水自动进入Ⅱ室继续处理，随后经Ⅱ室的三相分离器排出反应器外。1.2试验用水采用人工合成的葡萄糖废水，并加入适量微量元素(见表1)。1.3接种污泥接种污泥采用无锡狮王太湖水啤酒有限公司UASB反应器中的颗粒污泥，污泥的TSS为72.2g/L，VSS为56.6g/L。接种前先将污泥颗粒进行筛洗处理，再用COD为500mg/L的人工配水连续(8～10h)进行漂洗和活化。表1人工合成葡萄糖废水的组分及含量组分含量组分含量葡萄糖(mg/L)2000CaCl2(mg/L)4(NH4)2CO3(mg/L)40MgSO4(mg/L)8KH2PO4(mg/L)40NaHCO3(mg/L)660NH4Cl(mg/L)40酵母膏(mg/L)80FeCl3·4H2O(μg/L)80CoCl2·6H2O(μg/L)80MnCl2·4H2O(μg/L)20ZnCl2(μg/L)2NiCl2·6H2O(μg/L)2CuCl2·2H2O(μg/L)[1.2EDTA(μg/L)40H3BO3(μg/L)2(NH4)6Mo7O24·4H2O(μg/L)3.636%HCl(μg/L)0.041.4分析方法COD：重铬酸钾法；pH值：玻璃电极法；SS和VSS：称重法。2结果与讨论2.1运行结果IC反应器的试验条件和运行结果见表2。表2运行结果试验阶段第一阶段第二阶段第三阶段时间(d)1～2930～5960～90温度(℃)35进水pH7.5～8.07.8～8.98.5～8.9进水COD(mg/L)1865～25873885～48778023～11092v(m/h)2.653.224.35OLR[gCOD/(L·d)]15.0～24.927.3～36.9633.88～37.52SLR[gCOD/(gVSS·d)]0.73～1.601.47～2.481.87～2.50COD去除率(%)83.2～91.883.9～89.889.3～92.8出水COD(mg/L)184.6～386.6447.1～658.9575.0～1120.3出水SS(mg/L)159～377342～552501～780阶段描述提高负荷期提高负荷期稳定运行期注：OLR为反应器的COD容积负荷；SLR为反应器的COD污泥负荷；v为上升流速。①Ⅰ室IC反应器Ⅰ室在高负荷下运行，其COD去除率为60%～70%。反应器的初始容积负荷为31.25kgCOD/(m3·d)，COD去除率为62.3%。第29天容积负荷升至50.8kgCOD/(m3·d)，COD去除率为59.8%。在第55天反应器进水COD浓度为4500mg/L，污泥负荷为3.99gCOD/(gVSS·d)，COD去除率为61%。第89天容积负荷和污泥负荷分别为76.83kgCOD/(m3·d)、3.97gCOD/(gVSS·d)，COD去除率为64.3%。②Ⅱ室与Ⅰ室相比，Ⅱ室的运行负荷相对较低，以Ⅱ室进水COD浓度计算则Ⅱ室的COD去除率为60%～85%，去除的COD占反应器进水COD的20%～30%。Ⅱ室的初始负荷为10.9kgCOD/(m3·d)，COD去除率为61.0%；第57天有机负荷达到最大[28.8kgCOD/(m3·d)]，COD去除率为73.15%。2.2影响因素分析在控制反应器温度为(35±1)℃、试验用水为葡萄糖配水的条件下，主要研究了容积负荷、升流速度、进水COD浓度和进水pH值的影响。①容积负荷UASB反应器在处理中、高浓度废水时最大容积负荷只能达到10～20kgCOD/(m3·d)，因容积负荷过高会导致颗粒污泥流失[2]，而IC反应器的最大容积负荷可达36.96～37.52kgCOD/(m3·d)(见表2)，这是因为60%～70%的有机物在Ⅰ室得到降解，产生的大量沼气被一级三相分离器收集后排出反应器，因此不会在ⅡIC反应器在高负荷下运行仍能达到很高的COD去除率(见表2)，这与反应器具有液体内循环密切相关。经分析可知，当容积负荷升高时产生的沼气量增加，推动液体形成的内循环流量增大，进水得到了更大程度的稀释和调节，Ⅰ室内液固充分接触，传质速率增加，使有机物易于得到降解。②混合液的上升流速一般认为，以颗粒污泥为主体的UASB的混合液上升流速宜控制在0.5～1.5m/h，而IC反应器的混合液上升流速为2.5～10m/h[3](在一定程度上改善了基质与微生物间的传质过程)。试验发现，在2.65～4.35m/h的上升流速下Ⅰ室的沼气产量明显增加，造成气提管中的液体通量明显增大和中间回流管的流量加快，这说明通过增加进水量的方式可明显提高反应器中的循环比例(一方面可改善反应器底部对进水COD负荷的承受能力，提高反应器的抗冲击负荷能力；另一方面可提高流速而强化传质过程，避免了反应中可能出现的局部基质浓度过高现象，确保了反应器能正常稳定地运行)。③进水COD浓度在进水COD浓度分别为1300mg/L(A)、2000mg/L(B)、4500mg/L(C)、9897mg/L(D)的条件下，控制反应器的上升流速为4.0m/h，沿反应器高度取样并测定COD浓度，结果见图2。从图2可以看出，在不同的进水浓度条件下反应器中的COD浓度在高度上呈梯度分布，Ⅰ室中COD浓度下降较快，而Ⅱ室中COD浓度变化相对缓慢。因此，在设计IC反应器时要充分考虑进水浓度、上升流速和反应器高度间的关系。④进水pH值研究了反应器在较高容积负荷[35.0kgCOD/(m3·d)]、不同进水pH值条件下的COD去除率。当进水pH＜8.0时COD去除率为65%～75%，在pH=8.5时COD去除率达到最大值(89%)，随着pH值的进一步升高则COD去除率逐步下降，但至pH=8.9时下降幅度趋缓。笔者得到的进水最佳pH值(8.5)显然高于普通厌氧反应器中的最佳pH值(7.5～7.8)，这是由于当IC反应器的容积负荷(以总体积计算)为35kgCOD/(m3·d)时Ⅰ室的容积负荷(以Ⅰ室的体积计算)高达72.0kgCOD/(m3·d)，虽然进水在布水系统处得到稀释和缓冲，但仍会使产酸菌产生过多的有机酸，在此区域内对产甲烷菌的活性会产生一定程度的抑制作用，导致反应器底部pH值明显下降(见图3)。与进水pH=7.5时相比，pH=8.5的进水之pH值下降速度慢，最低下降到7.1，随后趋于稳定，因此IC反应器的处理效果明显优于普通厌氧反应器。3结论①在进水容积负荷为24.9～37.52kgCOD/(m3·d)时，IC反应器Ⅰ室对进水COD的去除率为60%～70%，而Ⅱ室的去除率为20%～30%，对COD的总去除率达83.2%～92.8%。②该反应器可承受较高的有机负荷，对于低浓度(COD为1865～2587mg/L)、中等浓度(COD为3885～4877mg/L)和高浓度(COD为8023～11092mg/L)的进水都具有很好的处理效果。③对于IC反应器，较高的混合液上升流速(2.65～4.35m/h)有利于反应器稳定运行；在容积负荷为35.0kgCOD/(m3·d)和进水pH值为8.5时，反应器具有最大的COD去除率；在设计IC反应器时要充分考虑反应器进水浓度、上升流速和反应器高度间的关系。