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厌氧反应器

厌氧反应器

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厌氧处理是近年来污水处理领域发展较快的技术,具有高效低耗、运行稳定、产生沼气、可实现资源化利用等特点,已成为中、高浓度污水处理的主流技术之一。污水经过厌氧处理后有机物大大降低,有效减轻了后续工艺的处理负荷,为废水的达标治理增加筹码。
厌氧反应是一个复杂的生化过程,微观分析表明厌氧降解过程可分为四步:水解、酸化、产氢产酸及产甲烷过程。分述如下:

1)水解阶段

高分子有机物因相对分子量巨大,不能透过细胞膜,因此不可能为细菌直接利用。故此它们在第一阶段首先被细菌胞外酶分解为小分子。例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖,淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖,蛋白质被蛋白酶水解为短肽与氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。

2)酸化阶段

水解后大的小分子化合物在发酵细菌(即酸化菌)的细胞内转化为更简单的化合物并分泌到细胞外。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸(简写作VFA)、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时,酸化细菌也利用部分物质合成新的细胞物质,因此未经酸化处理的污水厌氧处理时会产生更多的剩余污泥。
酸化菌对pH有很大的容忍性,产酸可在pH到4条件下进行,产甲烷菌则有它自己的最佳pH范围为6.5-7.5,超出这个范围转化速度将减慢。

3)产乙酸产氢阶段

在此阶段,上一阶段的产物被进一步降解为乙酸(又称醋酸)、氢和二氧化碳,这是最终产甲烷反应的反应底物。
不论是在水解阶段或是在产酸产氢阶段,COD只是形态发生转化,仅仅是一种COD转化为另一种COD,实际的COD转化发生在产甲烷阶段,在那时,COD转化为甲烷而从污水中溢出,因此,如果将酸化后的污水直接进行好氧处理,运行成本不会有明显的变化。

4)产甲烷阶段

产甲烷菌是一种严格的厌氧微生物,与其它厌氧菌比较,其氧化还原电位非常低 (<-330mv)。在此阶段,酸化产物被产甲烷菌分解合成为CH4、CO2和H2O等,甲烷的转化产率约为70-75%,故COD大为降低。

厌氧主流工艺的比对

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经过近几十年的发展,厌氧工艺不断得以改进,衍生了多种类型的厌氧反应装置,并应用于大量的工程实例中。
厌氧既有传统的反应器又有现代高效反应器,这些工艺又可分为厌氧悬浮生长和厌氧接触生长工艺。其中第一代反应器有:普通厌氧消化池、厌氧接触工艺等;在第二代的厌氧反应器中,典型代表有:厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床(UASB)、下行式固定膜反应器(DSFF)、厌氧附着膜膨胀反应器(AAFEB)、厌氧流化床(AFB);第三代厌氧反应器是内循环厌氧反应器(IC)。
目前主流厌氧有UASB、AF、IC等形态,这几种工艺极为成熟,应用十分广泛,赢得了较好的口碑。现进行详细比对,以确定最合适的厌氧反应装置。

表 主流厌氧反应器技术性能比对表

指标/工艺 IC UASB AF
设备成熟性 成熟 成熟 较成熟
设备调试时间 7~15天 20~60天 30~60天
设备二次启动时间 7~15天 10~20天 15~30天
微生物pH 范围要求 6.5~8.5 6.5~8.5 6.5~8.5
污泥要求 颗粒及絮状泥 颗粒或絮状泥 絮状污泥
容积负荷(kgCOD/m3·d) 10~30 3~5 6~9
高径比 2~8 1~3 1~2
占地面积 较大
施工难度 较大
动力消耗 较小 较小
COD去除效率 80~95% 80~95% 70~90%
毒性抑制耐受力
耐负荷冲击
上流速度 3~10m/h 0.3~1m/h 0.1~0.5m/h
颗粒污泥产量
维修维护 较复杂 适中 复杂
系统总运行成本 较低
设备投资 较高 适中 较低

其中IC厌氧反应器是由我公司联合山东大学、齐鲁工业大学、山东省轻工业设计院等知名院校和科研机构,汲取、优化并改进了国内、国际最先进的厌氧处理技术,所独创的更加适合国情的尖端技术,是UASB厌氧反应器的改进产品,属第三代厌氧反应器。
IC厌氧反应器在处理高浓度有机废水、高悬浮物及高生物毒性废水与间歇性生产废水领域有独特的优势,对COD的去除率在90%左右,产生的沼气与颗粒污泥可作为资源进行回收和出售,为企业带来可观的经济效益和社会效益。而且我公司经过多年的摸索,采用絮状污泥代替大部分颗粒泥,大大降低了建设投资成本。
由上可知, IC装置各方面优势明显,综合性能更高,且我公司在厌氧方面有丰富的实践经验和良好的运行效果,因此采用公司专有技术IC厌氧反应器。

IC反应器详解

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Ⅰ、IC的组成

IC反应器是由四个功能部分组成:即混合区、膨胀床部分、精处理区和回流部分。 如下图所示:
混合区:在反应器的底部,进入的污水与颗粒污泥及内部气体循环所带回的出水有效的混合,对原水进行充分的稀释和均质;
膨胀床部分:这一区域由包含高浓度颗粒污泥的膨胀床构成。反应产生的沼气和内循环回流引起较高的上升流速,使反应器内的颗粒污泥处于膨胀状态。颗粒污泥和污水之间有效的接触使得污泥具有高的活性,可以获得高的有机负荷和转化效率。
精处理区:这一区域的污泥负荷相对较低,水力停留时间相对较长和推流的流态相对平稳,而且沼气在精处理区产生的扰动小,使得生物可降解COD几乎全部的去除。虽然与UASB反应器条件相比,反应器总的负荷率较高,但因为内部循环体不经过精处理区,因此在精处理区的上升流速也较低,能保持最佳的固体停留。
回流系统:分外回流和内回流,内部的回流是根据气提原理,利用上层与下层的气室间存在的压力差。回流的比例由产气量(进水COD浓度)决定,是自调节的。外回流是通过外回流泵控制回流水在反应器的底部进入系统内,从而在膨胀床部分产生附加扰动,这使得系统的启动过程加快。一般在调试初期或发生冲击时启动外回流,可增加反应器的抗冲击能力。
另外IC监控系统也是厌氧反应器的重要环节,它对IC的进水量、回流量、温度、沼气产量等进行监控。IC监控系统保证了系统高效稳定运行,避免反应器因水的波动受到冲击,造成长时间不能恢复正常运行,使整个系统运行管理简单、操作方便。

Ⅱ、IC的特点

IC有如下几大特点:
a、容积负荷率高,水力停留时间短
IC反应器生物量大(可达到30~50g/L),污泥龄长。特别是由于存在着内、外循环,传质效果好。处理高浓度有机污水,进水容积负荷率可达 10~30kgCOD/m3·d。
b、抗冲击负荷强
在IC反应器中,当COD负荷增加时,沼气的产生量随之增加,内循环的气提增大。处理高浓度污水时,循环流量可达进水流量的10~20倍,污水中高浓度和有害物质得到充分稀释,大大降低有害程度,从而提高了反应器的耐冲击负荷能力;当COD负荷较低时,沼气产量也低,从而形成较低的内循环流。因此,内循环实际为反应器起到了自动平衡COD冲击负荷的作用。
c、避免了固形物沉积
有一些污水中含有大量的悬浮物质,会在 UASB 等流速较慢的反应器内发生累积,将厌氧污泥逐渐置换,最终使厌氧反应器的运行效果恶化乃至失效。而在IC反应器中,高的液体和气体上升流速,将悬浮物冲击出反应器。
d、基建投资省和占地面积小
由于IC反应器的容积负荷率比普通的UASB反应器要高3~4倍以上,所以IC 反应器的体积为普通UASB反应器的1/4~1/3 左右,而且有很大的高径比,占地面积特别省,可降低反应器的基建投资,非常使用于占地面积紧张的厂家采用。
e、依靠沼气提升实现自身的内循环,减少能耗
厌氧流化床载体的膨胀和流化,是通过内循环回流泵加压实现,因此需要消耗一部分动力。而IC反应器正常运行时是以自身产生的沼气作为提升的动力,实现混合液内循环,正常运行不必启动回用水泵实现强制循环,从而减少能耗。
f、减少药剂投量,降低运行费用
内外循环相当于第一级厌氧出水的回流,对pH起缓冲作用,使反应器内的pH保持稳定。可减少进水的投碱量,从而降低运行费用。
g、可以在一定程度上减少结垢
对于一些含盐量较高的污水,如蛋白污水、淀粉污水等,由于污水中含有超量的钙盐、同时还具有氨氮和磷酸盐,所以在厌氧出水管路上容易形成钙盐沉积和磷酸铵镁(鸟粪石)沉淀,严重的会堵塞管路。由于IC反应器采用的是内循环,沼气中的CO2可以从水中逸出,减少结垢。
h、出水的稳定性好
IC反应器相当上、下两个UASB反应器串联运行,下面一个UASB反应器具有很高的有机负荷率,起“粗”处理作用,上面一个UASB反应器的负荷较低,起“精”处理作用。多级处理比单级处理的稳定性好,出水水质稳定。
i、颗粒污泥启动,最快可30天达到满负荷生产
IC反应器之所以在污水处理中能有这么大的处理效果,除了具有上面所提到的特点外,还有一个重要的决定因素是IC 反应器能产生高质量的颗粒污泥,该颗粒污泥粒径均匀,饱满密实,能在5m/h左右的上升流速下不破碎,对IC的高处理效果起到了重要的作用。厌氧颗粒污泥在常温状态下闲置1~2个月后,IC反应器再次启动仍能达到较好的效果。颗粒污泥的这种特性,能更好的适用于不能进行连续生产的企业污水处理。

Ⅲ、IC的重要部件

① 三相分离器
三相分离器是IC反应器最具特色和最重要的装置。IC内设置了两层五级三相离器,它们同时具有以下功能:
a、能收集从分离器下的反应室产生的沼气,沼气系统排气压 3kPa~5kPa; 使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。
b、能够适应IC反应器较高的上升流速,不影响气、液、固的三相分离效果。
c、将IC反应器隔成两个反应室,使得反应器的实际处理能力大大增高,抗冲击负荷增强,保证良好的运行稳定性能。
为了保障三相分离器的使用寿命和耐腐蚀性,我公司采用耐腐性能好、刚性好、耐热性好的改性PP 板材,设备成套加工,节约安装时间。 在IC中三相分离器承受很大的沼气压力,为了防止焊接部分开裂,或者是板材鼓裂,我公司在设备加工时采用独特的承插结构加工方式,在一些关键的受力部分还安装了加强筋,这样就保障了足够的压力和强度条件下,三相分离器不开裂,不鼓裂,保障了工程施工质量和系统运行的安全。我们生产的三相分离器在出厂时都要做气密性和强度试验,保证使用寿命。
② 立体旋流布水系统
布水系统是厌氧反应器的关键配置,它对于形成污泥与进水间充分的接触、最大限度地利用反应器的污泥是十分重要的。布水系统兼有配水和水力搅动作用,为了保证这两个作用的实现,需要满足如下原则:
a、进水装置的设计使分配到各点的流量相同;
b、进水管不易堵塞;
c、尽可能满足污泥床水力搅拌的需要,保证进水有机物与污泥迅速混合,防止局部产生酸化现象。
同时为保障布水系统的耐腐蚀性,延长使用寿命,我公司采用304不锈钢进行制作。布水方式采用立体旋流布水方式,具有布水均匀性好、不易堵塞。
③ 汽水分离器
汽水分离器位于罐顶,是气体、液体、固体快速分离的装置,在结构上采用旋流分离原理,独特的分离角度,能非常好地保障系统的高效稳定运行。

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