新型高效生物反应器类型和应用

2017-04-05
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摘 要 近年来高效生物反应器得到不断发展,出现了多种新型生物反应器。从厌氧升流式生物反应器发展的经验和反应器的特点出发,提出了升流式反应器的结构、三相分离器的形式和污泥颗粒化现象等3个新概念是高效新型反应器的基础,进而在广义升流式污泥床反应器概念的基础上,提出具有传质效率高、处理能力强、有机负荷高以及抗冲击负荷能力强等优点的第三代高效生物反应器概念。

关键词 生物反应器 广义升流式反应器 复合循环悬浮反应器 第三代反应器 颗粒污泥
中图分类号 X70313  文献标识码 A  文章编号 100829241 (2006) 0320120204

概 述
近年来高效反应器技术得到不断发展,出现了多种新型生物反应器。Nicolella等[ 1 ]根据厌氧和好氧反应器的进展提出颗粒型生物膜反应器的概念,强调载体颗粒(或污泥颗粒)和悬浮(或流化)的特点,认为主要的反应器有UASB、流化床、颗粒污泥膨胀床( EGSB ) 、生物膜气提悬浮反应器( biofilmairlift suspension, BAS) 和内循环( IC) 等反应器。Nicolella等[ 2 ]认为颗粒生物膜和颗粒污泥的物理与结构特性、水力特性、传质和反应特性均类似。因此可认为颗粒型生物膜和颗粒污泥属于同一个种类。按照生物膜的分类将主要的厌氧颗粒污泥反应器(UASB、EGSB和IC反应器)均可纳入生物膜反应器的类型。事实上传统意义生物膜反应器仅有流化床和气提反应器2类。
王凯军等在对升流式厌氧污泥床(UASB)反应器特性系统进行分析的基础上,将具有三相分离器结构的一类反应器称为广义的相分离反应器(简称相分离反应器) ,提出了广义升流式污泥床反应器的概念,而且这3个概念不仅可以应用到厌氧反应领域,指导厌氧反应器的开发,同时也可以扩展到好氧、缺氧领域。
从上述讨论可知,广义升流式污泥床反应器包含了升流式、相分离和颗粒污泥等3个生物反应器的新概念。这种分类可以包括UASB 反应器、流化床、EGSB、微氧升流式反应器(如MUSB 反应器) 、三相内循环流化床(气提反应器)等一大类反应器的型式和好氧颗粒污泥新的生物反应现象。
2 广义升流式反应器
211 升流式反应器的型式升流式反应器的共同特点是污水通过水的上升、外部水力循环或内部气流产生上向流,形成载体


( a)有载体生物膜颗粒(平均直径117 mm,短线1 mm) ; ( b)好氧颗粒污泥(平均直径112 mm,短线014 mm) ; ( c)厌氧颗粒污泥
图1 颗粒污泥和生物膜颗粒
Fig. 1 Particle sludge and biofilm particle
的膨胀、悬浮或流化等不同状态。在UASB、FB 和EGSB反应器内,颗粒在向上液体流速作用下始终保持悬浮状态。在气提反应器内,由于曝气(或产气)造成反应器内部升流区与降流区之间出现一定的密度差,使液体(包括载体)在升流区与降流区间循环流动,从而保持颗粒的悬浮状态,研究表明,升流式反应器的结构形式所造成的水力条件是颗粒污泥形成的驱动力,无论是根据选择压理论,还是其他颗粒污泥形成理论,水和气体的上升流速是颗粒污泥形成、更新和再生的主要原因。
212 颗粒污泥现象
无论是厌氧还是好氧升流式污泥床已被证实均可形成固定化的颗粒污泥,事实上,微生物的自固定化是带有普遍意义的现象,在厌氧UASB反应器、脱氮工艺、好氧SBR工艺、流化床反应器和缺氧(利用硫细菌)的工艺中,都曾有微生物自固定化形成高微生物群体的颗粒污泥的报道。在工程上颗粒污泥的形成与反应器的构造型式和负荷等因素密切相关,微生物的固定化是提高微生物浓度和反应效率的重要方式之一,在工程上微生物的自固定化———污泥颗粒化的应用要比人工固定化更为有效。高密度颗粒污泥的形成,能导致工程上的高效率;能促进难生物降解的有机物的进一步生物降解。
213 广义的三相分离器
不论是好氧或厌氧升流式反应器,水、污泥和气三相分离是借助反应器内的相分离器完成。大多数载体进行循环流化,少数载体随气泡上升至相分离器,气体在此得到释放,释放的气体根据需要决定是否回收利用。分离后的固体颗粒通过沉淀方式进入到降流区,继续参与循环流动。广义的升流式相分离反应器的实质是通过上向流这一行之有效的反应器的型式和三相分离器达到提高反应器中生物浓度目的。这一类反应器可以保持较高的生物量浓度(高达30 g/L )和较大的比表面积(高达3000 m2 /m3 ) ,从而保证降解过程不会受到生物膜与液体间的传质速率所限制。3 新型高效生物反应器UASB[ 6, 7 ]是在20世纪70年代末发展起来用于处理高、中浓度废水的高效厌氧处理工艺,是一种没有载体的厌氧升流式反应器。进水中的悬浮固体在UASB反应器中不断累积,减小了反应器容积和污泥停留时间;另外,进水无法采用高的水力和有机负荷(低温、低负荷时) ,污泥床内混合强度太低,以致无法抵消短流效应。以上情况给UASB反应器的运行带来了很大的问题,使UASB 反应器的应用受到限制。对上述问题的研究导致了新型厌氧反应器的
开发和应用。王凯军等[ 8, 9 ]根据反应器理论的发展提出了第三代厌氧反应器的概念,认为第三代厌氧反应器包括以下反应器的类型: ( a ) 颗粒污泥膨胀床( EGSB) ; ( b)厌氧内循环( IC)反应器; ( c)厌氧升流式流化床(B iobed EGSB) ; ( d)厌氧流化床; ( e)厌氧气提反应器等(图2) 。
311 颗粒污泥膨胀床( EGSB)反应器EGSB反应器是UASB反应器概念的最新演变,它也是一种上向流反应器(图2a) 。颗粒污泥具有
好的沉降速率(60~80 m /h) ,在水流速度(10 m /h)和气流速度(7 m /h)条件下使床体完全流化。污泥颗粒、沼气和出水在顶部的三相分离器内分离。处理后的水从出水槽流出,沼气从沼气管线排出,颗粒污泥返回颗粒污泥膨胀床内。Biothane 公司的
Biobed EGSB反应器液体上流速度要比传统UASB反应器高很多,因此消除导致惰性物质累积的限制问题。独有的三相分离器使该工艺具有比UASB反应器更高的水力负荷。
EGSB反应器能在超高有机负荷(高达30 kg2COD /m3 ·d)下处理化工和生物工程废水。同时,EGSB反应器还适合于处理低温( 10℃) 、低浓度( < 1. 0 g COD /L)和难处理有毒废水。目前已建立了许多EGSB反应器用来处理各种类型的污水(食
品、化工和制药等) 。


图2 第三代厌氧反应器类型
Fig. 2 The third generation anaerobic reactor
312 内循环( IC)反应器
IC反应器由2个上下反应室重叠组成,一个处于高负荷而另一个处于低负荷,高的反应器只占用相对很小的面积。第一个反应室包含颗粒污泥膨胀床,在此大多数的COD被转化为沼气。产生的沼气被下层相分离器收集并产生气提作用,将污泥和水混合液通过上升管带到位于反应器顶部的气液分离器。沼气在这里从泥水混合液中分离出来,并且排出系统。泥水混合液直接流到反应器的底部,造成
反应器的内部循环。在反应器较低的部分,液体的上升流速在10~20 m /h之间。经过下部反应室处理后的污水进入上部反应室,所有剩余的可生化降解的有机物(COD)将被去除。在这个反应室里的液体的上升流速一般在2~10 m /h。很多生产性规模的IC系统目前已经在欧洲运行。
313 流化床和气提反应器
在好氧处理和厌氧处理中,流化床均不能说是很成功的生物处理工艺,厌氧流化床要比好氧流化床应用的广泛一点。传统的流化床工艺是固、液两相生物流化床,主要采用载体粒径为0. 1~2. 0 mm的砂、膨胀土和颗粒活性炭等,两相流化床存在较多问题。生物膜厚度和结构控制是流化床反应器的一个难题,由于生物膜的过度生长,对颗粒进行淘洗是该系统一个主要问题。因此,近年来人们开发了以气提反应器为代表的三相流化床技术。并且采用厌氧三相流化床处理高浓度工业废水。
在气提反应器内,可以对生物膜的厚度和结构进行较好的控制,可以较容易地保持薄的、密实的生物膜。气提反应器包括一个气提柱,顶部是三相分离器。气体从气提柱底部自下而上进入反应器,推动气、液、固(生物膜)三相在反应器内循环。好氧气提反应器( air2lift reactor,ALR)技术最初开发的目的是为了对工业废水厌氧处理出水进行好氧后处理。当采用厌氧气提反应器 gas2lift reactor, GLR)时,驱动反应器循环的气体是反应器内产生的沼气。新的好氧气提反应器———C IRCOX具有高的有机负荷(4~10 kg BOD /m3 ·d) 、短的停留时间( 0. 5 ~410 h) 、污泥沉降速度快( 50 m /h) 和污泥浓度高(15~30 kg/m3 )的特点。在荷兰, C IRCOX技术已用于城市污水处理。
最近一种同时硝化2反硝化的气提工艺得到应用,该工艺是(生物膜颗粒、水和空气)在一个三相内循环气提反应器进行硝化,后增加一个两相(生物膜颗粒和水)外环同心下向流污泥床用于反硝化。液体流速能够通过曝气室内的上部空间的过压大小来控
制,因而可以控制曝气室与该部分液体回流比。
314 复合循环悬浮床反应器
最近,王凯军等在厌氧高效反应器领域提出厌氧复合循环悬浮颗粒(污泥)反应器的概念。这一工艺在升流式反应器的基础上,强调颗粒污泥和生物膜颗粒的统一作用,在流态上保持颗粒(污泥)处于充分的悬浮状态。根据进水量、水质以及反应器运行性能的变化,通过在线复合反馈调节系统采用出水内、外循环与沼气循环相结合的复合循环的方式和技术手段,以促进颗粒污泥的快速形成以及颗粒结构和活性的维持,实现反应器内基质与微生物之间充分接触和传质,加快反应速率。因此,完全不同于传统生物流化床和膨胀床概念。具体有以下特点:
(1)通过调节和控制污泥床层的悬浮程度,促进颗粒污泥形成及在反应器内的滞留和更新,同时也促进反应器内气、液、固三相之间的充分接触和传质;
(2)内、外水循环和沼气循环的比例、化学药剂的投加(量)等可以通过在线仪表进行自动调节和控制,可实现反应器系统内pH和碱度的最优控制;(3)通过调控出水内、外复合循环或沼气循环的方式和比例,可以保证整个系统的高效、低耗和稳定运行。目前,世界上已有很多新一代高负荷、高效率的生物反应器应用到生产性规模的工业废水和城市污水处理中(图3、图4和表1) 。
表1 颗粒生物膜反应器工业应用和设计范例
Table 1  Exam ples of industr ia l applica tion and design of granule b iof ilm reactor  
反应器 商业名称          流动类型 液流速度          高/径比   混合   应用实例  
EGSB   B IOBED(美国)       上流  10~15 m /h          4~5   气、液 生产甲醛(甲醇原料)
IC     IC (荷兰)            混合 10~30 m /h(底)      3~6    气体  甜菜生产安茴酰牛扁
                                4~8 m /h (顶)                     碱和果糖
ALR 或GLR   C IRCOX (荷兰)  混合 0. 4~0. 8 m / s(循环)4~5  气体  啤酒工业  


图3 Biothane公司在Delft的GistBrocades的
气提反应器和颗粒污泥膨胀床
Fig13 The biofilm airlift reactor and EGSB built
by Biothane in Gist Brocades,Delft


图4 Paques公司在巴西啤酒厂140 m3 的
CIRCOX和385 m3 的IC反应器
Fig14 The 140 m3 CIRCOX and 385 m3 IC built
by Paques in a brewhouse of Brazil
4 结 论
通过以上的讨论,可将新型生物反应器的特点归纳如下:
(1)反应器采用升流进水形式,生物膜载体或颗粒污泥随流体运动过程中,污泥床处于悬浮、膨胀或流化状态,提高污水和生物传质效率;
(2)颗粒污泥和生物膜颗粒的活性非常高、沉淀性能非常好(沉速高达50 m /h) ,通过设置内部的三相分离器,可以不设外部沉淀池;
(3)液体和气体的上升流速高(Vup ) (流速在4~10 m /h) ,利用水力剪切和颗粒间的磨损,使得生物膜薄活性高、污泥量大,从而可达到高的有机负荷(高达40 kg/m3 ·d) ;
(4)颗粒污泥和生物膜颗粒比表面积大(可高达100~3000 m2 /m3 ) ,生物浓度高和传质条件好,对溶解性有机物去除率高;
(5)反应器内泥水混合程度高,抗冲击负荷能力强。
以上这些特点使得新型生物反应器具有负荷
高、体积小、占地省;污泥龄长、污泥产量少等优点,
更适于处理低温和低浓度污水。