【正文】 循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水流量的 2~3 倍。 3. 沼氣提升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán) ,不必外加動(dòng)力 第一章 緒論 4 厭氧流化床載體的流化是通過(guò)出水回流由水泵加壓實(shí)現(xiàn) ,因此必須消耗一部分動(dòng)力。 2. 節(jié)省基建投資和占地面積 由于 IC 反應(yīng)器比普通 UASB 反應(yīng)器有高出 3 倍左右的容積負(fù)荷率 ,則 IC 反應(yīng)器的體積為普通 UASB 反應(yīng)器的 1/4~1/3 左右 ,所以可降低反應(yīng)器的基建投資。處理高濃度有機(jī)廢水 ,如土豆加工廢水 ,當(dāng) COD 為 10 000~15 000 mg/L 時(shí) ,進(jìn)水容積負(fù)荷率可達(dá) 30~40 kgCOD/()。 IC 反應(yīng)器的特點(diǎn) IC 反應(yīng)器具有很多優(yōu)點(diǎn) ,主要優(yōu)點(diǎn)敘述如下。精處理區(qū)產(chǎn)生的沼氣由二級(jí)三相分離器收集 ,通過(guò)集氣管進(jìn)入氣液分離器并通過(guò)沼氣排出管排出。經(jīng)污泥膨脹床區(qū)處理后的廢水除一部分參與內(nèi)循環(huán)外 ,其余污水通過(guò)一級(jí)三相分離器進(jìn)入精處理區(qū)繼續(xù)進(jìn)行處理 ,可去除廢水中的剩余有機(jī)物 ,使廢水得到進(jìn)一步的凈化 ,提高了出水水質(zhì)。實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)的氣提動(dòng)力來(lái)自于上升的和返回的泥水混合物中氣體含量的差別 ,因此 ,泥水混合物的內(nèi)循環(huán)不需要外加動(dòng)力。廢水和顆粒污泥混合物在進(jìn)水與循環(huán)水的共同推動(dòng)下 ,進(jìn)入 污泥膨脹床區(qū) ,由于回流的影響 ,此部分產(chǎn)生較大的上升流速 ,最大可達(dá)10~20m/h[7],廢水中的大部分有機(jī)物在這里被轉(zhuǎn)化成沼氣 ,沼氣被一級(jí)三相分離器收集 ,沿著提升管并攜帶著混合液提升至氣液分離器 ,分離出的沼氣從氣液分離器的頂部沼氣排出管排出。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是 IC反 應(yīng)器工藝的核心構(gòu)造 ,它由一級(jí)三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管組成 (見(jiàn)圖 1—1)。目前 ,進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā) IC 反應(yīng)器、推廣其應(yīng)用范圍已成為廢水厭氧生物處理的熱點(diǎn)之一 IC 反應(yīng)器的工作原理 IC反應(yīng)器可以看作是由兩個(gè) UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成的 ,具有很大的高徑比 ,一般為 4～ 8,其高度可達(dá) 16～ 25m。 PAQUES 公司在 1985 年初建造了第一個(gè) IC 中試反應(yīng)器 ,1988 年建立了第一個(gè)生產(chǎn)性規(guī)模的 IC 反應(yīng)器 [5]。 EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)IC(Internal Circulation React)ABR(Anaerobic Baffled Reactor)ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)[3]等都屬于第三代生物厭氧處理工藝。第二代厭氧反應(yīng)器中 AF、 UASB 等工藝在實(shí)際運(yùn)行中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題 ,諸如反應(yīng)器存在死容積、進(jìn)水短流等問(wèn)題。UASB 反應(yīng)器內(nèi)污泥顆?；?,使該反應(yīng)器成為負(fù)荷高、無(wú)泥水回流、無(wú)攪 拌設(shè)備的高效厭氧反應(yīng)器。另外研究者在對(duì) UASB 處理過(guò)程論述中還首次提出了生物固體顆粒化概念。 AF、 AFB、 UASB 等各種工藝的有機(jī)負(fù)荷較第一代反應(yīng)器有了幾倍到十幾倍的提高 ,與此同時(shí)反應(yīng)器的水力停留時(shí)間卻大大縮短。 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)了以 AF(Anaerobic Filter 簡(jiǎn)稱(chēng) AF)、厭氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed 簡(jiǎn)稱(chēng) AFB)、上流式厭氧污泥床 (Upflow Anaerobic Sludge Bed簡(jiǎn)稱(chēng) UASB)為代表的第二代厭氧反應(yīng)器 [2]。隨著人們對(duì)厭氧生物和厭氧消化機(jī)理的深入研究 ,人們逐漸認(rèn)識(shí)到污水厭氧生物處理過(guò)程并不是一種較慢的生物處理過(guò)程。 第一代厭氧生物廢水處理反應(yīng)器采用的是廢水和污泥完全混合的運(yùn)行方式 ,反應(yīng)器內(nèi)的污泥停留時(shí)間 (SRT)與水力停留時(shí)間 (HRT)幾 乎是完全相同的。 1896 年英國(guó)建成了第一座用于處理生活污水的厭氧消化池 ,并且利用其產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行照明。工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 畢業(yè)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 詳細(xì)資料 聯(lián)系 號(hào)； 1620812020 第一章 緒 論 厭氧反應(yīng)器的發(fā)展經(jīng)過(guò)了一個(gè)比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。從第一批厭氧反應(yīng)器應(yīng)用于污水處理到現(xiàn)在已經(jīng)有百余年的歷史了。隨后 ,20 世紀(jì)初美國(guó)和澳大利亞也相繼出現(xiàn)了連續(xù)攪拌式的厭氧消化池 ,這就是第一代厭氧生物反應(yīng)器[1]。因此 ,反應(yīng)器內(nèi)的固體停留時(shí)間不是很長(zhǎng) ,從而導(dǎo)致微生物濃度較低 ,污水的處理效果和耐沖擊能力較差。研究者們開(kāi)始以提高反應(yīng)器內(nèi)生物濃度和縮短反應(yīng)器的水力停留時(shí)間為基礎(chǔ)的一系列研究 。第二代厭氧反應(yīng)器廣泛采用了生物固定化技術(shù) ,反應(yīng)器的生物量較第一代反應(yīng)器更大。 UASB 工藝充分利用相與相之間的接觸 ,把厭氧反應(yīng)器處理效率提高到一個(gè)新的階段。自此污泥顆?；夹g(shù)成為研究厭氧反應(yīng)器運(yùn)行技術(shù)中的熱點(diǎn)。所以， UASB 在厭氧發(fā)酵工藝中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。研究者們?cè)谇罢呋A(chǔ)上 ,進(jìn)一步強(qiáng)化反應(yīng)器內(nèi)相與相之間的傳質(zhì)過(guò)程 ,研制開(kāi)發(fā)出第三代厭氧反應(yīng)器 。作為第三代厭氧反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器 (Internal Circulation Anaerobic Reactor),以下簡(jiǎn)稱(chēng) IC第一章 緒論 2 反應(yīng)器 )是荷蘭 PAQUEC 公司于 20 世紀(jì) 80年代中期在 UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)成功的第三代高效厭氧反應(yīng)器 [4], 反應(yīng)器內(nèi)高濃度的污泥和良好的泥水傳質(zhì)效果 ,使其在處理效率方面比 UASB 反應(yīng)器更具優(yōu)越性。我國(guó) 于 1996 年開(kāi)始引進(jìn) IC 反應(yīng)器技術(shù) [6],該反應(yīng)器以其啟動(dòng)周期短、處理量大 ,投資少 ,占地面積省 ,運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而深受矚目 ,并已成功地應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。 IC反應(yīng)器由 5 個(gè)基本部分組成 :混合區(qū)、污泥膨脹床區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng) ,精處理區(qū)和沉淀區(qū)。 圖 11 IC反應(yīng)器構(gòu)造原理圖 1— 進(jìn)水； 2— 一級(jí)三相分離器； 3— 沼氣提升； 4— 氣液分離器； 5— 沼氣排出管； 6— 回流管；7— 二級(jí)三相分離器； 8— 集氣管； 9— 沉淀區(qū)； 10— 出水管； 11— 氣封 經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié) pH 值和溫度后的廢水進(jìn)入反應(yīng)器底部混合區(qū) ,與從反應(yīng)器上部返回的厭氧污泥顆粒水均勻混合 ,由此對(duì)進(jìn)水進(jìn)行了稀釋和均質(zhì)作用 ,從而大大減輕了沖工業(yè)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 擊負(fù)荷及有害物質(zhì)的不利影響。分離出的泥水混合液將沿著泥水下降管返回到反應(yīng)器底部的混合區(qū) ,并與底部的顆粒污泥和進(jìn)水充分混合 ,實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)環(huán)。反應(yīng)器內(nèi)液體內(nèi)循環(huán)促進(jìn)了基質(zhì)和顆粒污泥的接觸 ,而 且有很大的升流速度 ,故提高了傳質(zhì)效果 ,促進(jìn)了產(chǎn)甲烷細(xì)菌的繁殖和增長(zhǎng) ,并使污泥膨脹床區(qū)去除有機(jī)物的能力增強(qiáng)。由于大部分有機(jī)物已被降解 ,所以精處理區(qū)的 COD 負(fù)荷較低 ,產(chǎn)氣量也較小。經(jīng)凈化的水從沉淀區(qū)沉淀后由出水管排走 ,顆粒污泥則返回精處理區(qū)污泥床。 1. 具有很高的容積負(fù)荷率 IC 反應(yīng)器由于存在著內(nèi)循環(huán) ,傳質(zhì)效果好 ,生物量大 ,污泥齡長(zhǎng) ,其進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷率遠(yuǎn)比普通的 UASB 反應(yīng)器高 ,一般可高出 3 倍左右。處理低濃度有機(jī)廢水 ,如啤酒廢水 ,當(dāng) COD2 000~3 000 mg/L 時(shí) ,進(jìn)水容積負(fù)荷率可達(dá) 20~25 kgCOD/(),HRT 僅為 2~3 h,COD 去除率可達(dá) 80%。由于 IC 反應(yīng)器不僅體積小 ,而且有很大的高徑比 ,所以占地面積特別省 ,非常適用于占地面積緊張的廠(chǎng)礦企業(yè)采用。而 IC 反應(yīng)器是以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)混合液的內(nèi)循環(huán) ,不必另設(shè)水泵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán) ,從 而可節(jié)省能耗。處理高濃度廢水 (如土豆加工廢水 )時(shí) ,循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水流量的 10~20 倍。 5. 具有緩沖 pH 的能力 內(nèi)循環(huán)流量相當(dāng)于第一級(jí)厭氧出水的回流 ,可利用 COD轉(zhuǎn)化的堿度 ,對(duì) pH起緩沖作用 ,使反應(yīng)器內(nèi)的 pH 保持穩(wěn)定。 6. 出水的穩(wěn)定性好 因?yàn)?IC反應(yīng)器相當(dāng)于上下兩個(gè) UASB反應(yīng)器的串聯(lián)運(yùn)行 ,下面一個(gè) UASB反應(yīng)器具有很高的有機(jī)負(fù)荷率 ,起“粗”處理作用 ,上面一個(gè) UASB 反應(yīng)器的負(fù)荷較低 ,起“精”處理作用。一般說(shuō) ,兩級(jí)處理比單級(jí)處理的穩(wěn)定性好 ,出水水質(zhì)較為穩(wěn)定。上升管中的氣持率 （ 可通過(guò)上升管中氣體(Ugr)和液體 (Ulr)表面上 升流速間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表達(dá)式估算 ： gr? = )(lrgrgr uuu ?? (1— 1) 當(dāng)氣體表面上升流速和液體表面上升流速分別在 m/s 一 m/s m/。 Chisti 等 [9]根據(jù)能量守衡得出 r 升管中的液體表面上升流速 (U lr) , Pereboom結(jié)合 IC 反應(yīng)器實(shí)際情況對(duì) Ulr進(jìn)行了修正，結(jié)果見(jiàn)下式 ： IC 反應(yīng)器 具有 UASB 反應(yīng)器容積負(fù)荷的 3 倍 6 倍，液體上升流速增大 8 倍一 20 倍。 ulr= 222]])1( 1[][])1([)([2[gddrBgrTgdgrDAAKKhhg?????????? (1— 2) 2. 生物量滯留 由于顆粒污泥的沉降速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液體上升流速，因此顆粒污泥的洗出在正常范圍之內(nèi)，可忽略。 3. 顆粒污泥性質(zhì)研究 通過(guò)對(duì)處理相同廢水的大規(guī)模 UASB 和 IC 反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥性質(zhì)的比較， Pereboom[910]考察了顆粒污泥的生長(zhǎng)及影響顆粒污泥生長(zhǎng)和生物量 ( biomass)滯留的因素。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， IC 反應(yīng)器中的顆粒污 泥比 UASB 反應(yīng)器中顆粒污泥大，強(qiáng)度則相對(duì)低，這可能是由于 IC 反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷高 [1012]，見(jiàn)表 11 表 11 UASB和 IC反應(yīng)器顆粒污泥特性 同時(shí)， Pereboom[10]還對(duì)大型 UASB 反應(yīng)器和 IC 反應(yīng)器中產(chǎn)甲烷顆粒污泥的粒徑分布分階段進(jìn)行了比較研究，根據(jù)這些數(shù)據(jù)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模反應(yīng)器的研第一章 緒論 6 究，建立了粒徑分布模型。剪切力對(duì)于顆粒粒徑的分布沒(méi)有影響。相反，如果進(jìn)水中的懸浮顆粒兒乎很少或沒(méi)有，則顆粒 的粒徑分布范圍大。產(chǎn)甲烷顆粒污泥的密度與灰分含量密切相關(guān)。 此外，王林山等 [12]對(duì)生產(chǎn)性 IC 反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行進(jìn)行了研究，啟動(dòng)周期約 65d。 IC 反應(yīng)器在國(guó)外的應(yīng)用情況見(jiàn)表 1— 2。 1996 年我國(guó)引進(jìn)第 1 套 IC 技術(shù) [1214](華潤(rùn)雪花啤酒有限公司 )，該套 IC 反應(yīng)器高 16m，有效容積 70時(shí)，并已投產(chǎn)成功，每日能處理含 COD 濃度為 4 300 mg/ L ,BOD 濃度為 2300 mg/l 的啤酒廢水 400 噸 。在解決生產(chǎn)廢水處理問(wèn)題的同時(shí) ,經(jīng)濟(jì)上也得到較大收益 ,每年節(jié)省排污費(fèi) 75 萬(wàn)元 ,沼氣回收利用價(jià)值45萬(wàn)元 ,相比之下 ,反應(yīng)器的年 運(yùn)行費(fèi)用僅為 62 萬(wàn)元。 實(shí)踐表明 [15],富含纖維、鈣離子的造紙、檸檬酸等生產(chǎn)廢水 ,在 UASB 等慢速反應(yīng)器中易沉積 ,使得厭氧污泥逐漸被置換 ,導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行惡化乃至失效 , IC反應(yīng)器因?yàn)楦叩纳仙魉俸吞厥獾牟妓髟O(shè)計(jì) ,使這一問(wèn)題能迎刃而解 ,這無(wú)疑拓寬了 IC 反應(yīng)器的應(yīng)用領(lǐng)域。其它如菊粉 (inuline)生產(chǎn)等高鹽量廢水也有成功應(yīng)用的報(bào)道 [16]。表 1— 4給 出了同等條件下 ,采用 IC工藝和采用 UASB工藝處理相同廢水時(shí)運(yùn)行參數(shù)的比較 ,可以看出 , IC 反應(yīng)器很大程度上解決了 UASB 反應(yīng)器的不足 ,大大提高了單位反應(yīng)器的處理容量。為適應(yīng)較高的生化降解速率 ,許多厭氧反應(yīng)器的進(jìn)水需調(diào)節(jié) pH 值和溫度 ,為微生物的厭氧降解創(chuàng)造最佳條件 , IC 反應(yīng)器也不例外 。這都會(huì)增加 IC 反應(yīng)器以外的處理設(shè)施 ,增加工程造價(jià)。由于采用內(nèi)循環(huán)技術(shù) ,反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 ,這無(wú)疑會(huì)增加施工安裝和日常維護(hù)的難度 。 ③出水需后處理。 IC 反應(yīng)器的發(fā)展前景 隨著對(duì)第 三 代厭氧反應(yīng)器研究的不斷深人，新的工藝設(shè)計(jì)概念和綜合生物法處理工藝 (產(chǎn)酸、產(chǎn)乙酸、產(chǎn)甲烷、硫酸鹽還原 )及綜合生物一物理一化學(xué)法處理工藝 FPRP 概念的發(fā)展 [18]，包括 IC 反應(yīng)器在內(nèi)的新型超高效厭氧反應(yīng)器在工業(yè)上處理有機(jī)污染物所具有的廣闊前景，將越來(lái)越多地代替 UASR 反應(yīng)器。 在我國(guó)第 二 代厭氧反應(yīng)器還不能很好應(yīng)用于實(shí)踐中，第 三 代 IC 反應(yīng)器的研究幾乎是空白。 就 IC厭氧反應(yīng)器技術(shù)而言 ,現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)應(yīng)為 : ①顆粒污泥培養(yǎng)技術(shù)。研究表明 [1920],相對(duì)于 UASB 反應(yīng)器 ,由于不同的水力條件和反應(yīng)器結(jié)構(gòu) , IC 反應(yīng)器培養(yǎng)的顆粒污泥顆粒大、結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低 ,對(duì) IC反應(yīng)器中顆粒污泥的研究可能會(huì)成為現(xiàn)有顆粒污泥理論的有力證據(jù)或有益補(bǔ)充 ,具有較大的學(xué)術(shù)價(jià)值。 ② IC 反應(yīng)器水力模型的研究 [21]。對(duì)切合 IC 厭氧反應(yīng)器實(shí)際、運(yùn)算簡(jiǎn)便的水力模型的研究開(kāi)發(fā)是當(dāng)前 IC反應(yīng)器技術(shù)亟待解決的問(wèn)題之一。研究表明 [23],厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)厭氧消化過(guò)程有很大的影響 ,國(guó)內(nèi)外在 IC 反應(yīng)器的工藝和設(shè)備等方面作了很多研究 ,但在反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方面還缺乏理論指導(dǎo) ,許多投入生產(chǎn)運(yùn)行的反應(yīng)器都是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的 ,反應(yīng)器內(nèi)空間利用率低。 ④應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展。目前 ,有關(guān) IC反應(yīng)器的應(yīng)用報(bào)道多在易降解廢水的啤酒、檸檬酸等領(lǐng)域 ,其它行業(yè)僅有如造紙及其它含高鹽量廢水的報(bào)道 [2427],應(yīng)用領(lǐng)域有待進(jìn)一步拓展。 本設(shè)計(jì)的目的和手段 IC 作為新型高效厭氧 消化器，在國(guó)內(nèi)外的研究時(shí)間并不算很長(zhǎng)，尤其是國(guó)內(nèi)在 IC 方面的研究還落