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1、一种内动力气压式自动间歇循环器在厌氧反应器中的应用 方慧敏 南京大学工程管理学院 摘 要： 目前, 在生物能源的生产、城市垃圾、污水处理以及养殖业粪便处理等多方面都要用到厌氧消化器来进行消化处理, 在厌氧消化过程中对料液进行适当的循环、搅拌是提高厌氧消化器效能的有效办法。本文综述了专利号为201410321407.4 的发明专利, 以厌氧反应器内产生的气体 (沼气) 产生的气压为内动力, 通过控制气阀的开启和关闭, 以达到减小进料泵动力消耗以及实现无外动力自动间歇循环的目的。该技术以厌氧反应器内产生的气体 (沼气) 为动力, 首创了使用内动力气压使厌氧反应器内料液不需要外来动力达到循环的目地。
2、关键词： 厌氧反应器; 内动力气压; 自动间歇循环器; 近年来, 随着世界范围内的化石能源的日渐枯楬及人类生存环境的日益恶化, 厌氧反应工艺在环境治理、再生生物能源的循环利用、污水处理的节能降耗中有着十分广泛的应用前景和市场。目前, 在生物能源的生产、城市垃圾、污水处理以及养殖业粪便处理等多方面都要用到厌氧消化器来进行消化处理1在厌氧消化过程中对料液进行适当的循环、搅拌是提高厌氧消化器效能的有效办法45。厌氧反应工艺经过近百年来的不断发展, 厌氧反应器从第一代的常规式厌氧反应器, 第二代 UASB (升流式厌氧反应器) , 到目前以 IC (内循环厌氧反应器) 为代表的第三代厌氧反应器, 生产
3、效率得到极大提高, 生产周期大为缩短。但是, 由于 IC (内循环厌氧反应器) 采用的气提式内循环, 反应器高度-般在 16-25 米高, 使得 IC 反应器进料泵的动力消耗是 UASB 反应器的 1-2.5 倍, 并且其内、外部结构复杂, 反应器材料利用率低5。本文通过阐述 IC 气提式内循环厌氧反应器的工作原理及优缺点, 针对其缺点与存在问题开发了一种内动力气压式自动间欲歇循环器, 并阐明其工作原理与优缺点, 以及其在厌氧反应器中的应用前景。1 IC 气提式内循环厌氧反应器1.1 IC 气提式内循环厌氧反应器的工作原理如图 1 所示:进水由反应器底部进入反应器下部的第一反应室与厌氧颗粒污泥
4、均匀混合, 产生的沼气被第一反应室的集气罩收集, 大量沼气携带第一反应室的泥水混合液沿着集气罩收集管上升至反应器顶的气液分离器, 被分离出的沼气从气液分离器顶部的沼气排出管排走, 分离出的泥水混合液沿回流管返回到第一反应室的底部, 实现混合液的内部循环, IC 厌氧工艺的称号由此得来。废水经过处理后, 自动进入反应器中部的第二厌氧反应室。第二厌氧反应室产生的沼气由集气罩收集, 通过集气管进入气液分离器。1第二厌氧反应室的泥水混合液在沉淀区进行固液分离, 处理过的上清液由出水管排走, 沉淀的污泥可自动返回第二厌氧反应室。1.2 IC 气提式内循环厌氧反应器的优缺点IC 气提式内循环厌氧反应器的优
5、点在于有机负荷高、抗冲击负荷能力强、基建投资省、占地面积少;且只需要较少的外动力, 可实现内循环, 节能效果显著。其缺点在于, 进料泵的动力消耗是 UASB 反应器的 1-2.5 倍, 并且其内、外部结构复杂, 反应器材料利用率低, 不适用中小企业, 循环量不可调控。2 内动力气压式自动间欲歇循环器2.1 内动力气压式自动间欲歇循环器在厌氧反应器中的工作原理:如图 2 所示:进水由反应器底部进入反应室与厌氧颗粒污泥均匀混合, 产生的沼气被反应器中上部的集气罩收集, 大量沼气携带反应室的泥水混合液沿着集气罩、进气/水管, 进入集气箱内实现气水分离, 随着沼气不断汇集到集气箱内 (这时水位控制气阀
6、处于关闭状态) 并产生气压 (称为内动力气压) 迫使原集气箱内的料液经回流管进入到反应器底部。当集气箱内的料液被压到设定低水位时, 水位控制气阀被自动开启, 集气箱内的沼气被不断排出, 这时消化区上部的料液经进气/水管不断的被吸入到集气箱内, 同时, 部分沼气经无压出/进气管回流到无压气室内以避免消化器负压。当集气箱内的料液面高度达到设定值时, 水位控制气阀被关闭。随着水位控制气阀的关闭、开启, 使反应区内料液间歇循环, 达到节省进料泵动力消耗以及实现无外动力间歇循环的目的。2图 1 1.进气管, 2.集气罩, 3.集气罩收集管, 4.气液分离器, 5.回流管, 6.沉淀区, 7.气封, 8.
7、沼气排出管, 9.第一反应室, 10.第二反应室图 2 无压气室, 2.沉淀回流区, 3.进气/水管, 4.气封, 5.回流管, 6.水位控制气阀, 7.手动调节气阀, 8.无压出/进气管, 9.溢流口, 10.有压气室, 11.集气箱, 12.集气罩, 13.消化区, 14.逆止阀, 15.进料管。2.2 内动力气压式自动间欲歇循环器的优缺点内动力气压式自动间欲歇循环器的优点在于有机负荷高、抗冲击负荷能力强、基建投资省、占地面积少;节能效果而言, 相比 IC 气提式内循环厌氧反应器减少了进料泵的动力消耗, 反应器材料利用率高。适用中小企业, 循环量可调控。其缺点在于:沉淀回流区料液处于间歇上
8、下波动状态, 有可能不利于料液沉淀分离而产生跑泥现象。3 内动力气压式自动间欲歇循环器在厌氧反应器中的技术应用前景目前, 中国的厌氧反应主要针对的事果菜加工、啤酒生产、造纸以及生活污水处理等行业, 在处理固体物含量较高的有机原料时 (例如果菜加工的废弃物、城市生活垃圾) , 需要将废弃物粉碎, 水解酸化沉淀后再泵如厌氧反应器中进行厌氧消化, 因此, 内动力气压式自动间歇循环器在厌氧反应器中的运用可以让厌氧反应器在节能增效效果方面有显著的提升和优化, 具体可以总结为以下三点。1) 内动力气压式自动间欲歇循环器在己有的 UASB 厌氧反应器的升级改造中适用, 具有投资少、易改造、易扩容等特点。3-
9、52) 采用内动力气压式自动间欲歇循环器的技术, 通过技术改造可采用卧式或将反应器设置于地下, 以减少循环动力消耗, 节省使用土地。3) 内动力气压式自动间欲歇循环器在对厌氧反应器的技术创新和沼气的可持续推广应用, 调整中国的能源结构, 提高有机废弃物资源化、能源化利用具有十分重要的意义。综上所述, 厌氧反应工艺在环境治理、果菜加工的废弃物减量化以及达标排放方面有着广泛的应用前景。4 结束语随着对第三代气提式厌氧反应器 IC 研究的不断深入, 它将遂步替代 UASB 反应器。但是由于第三代厌氧反应器主要技术集中在荷兰等国家, 我国尚无开创性的研究报道, 如何缩短与世界先进水平的差距是摆在我们面
10、前的-个挑战性课题。本文提出的内动力气压式自动间歇循环器采用内气压为循环动力, 为厌氧反应器的无外动力循环的创新与发展提供一种新思路。参考文献1周孟津, 蔺金印.沼气实用技术M.北京:化学工业出版社出版, 2009. 2吴静, 赵鹏娟, 田磊, 史琳, 施汉昌, 姜艳.高温污泥厌氧消化器的启动J.环境科学, 2011, (02) :520-523. 3王飞, 蔡亚庆, 仇焕广.中国沼气发展的现状、驱动及制约因素分析J.农业工程学报, 2012, (01) :184-189. 4苏宜虎, 陈晓东, 马洪儒.搅拌对沼气发酵的影响J.安徽农业科学, 2007, (28) :8961-8962+9004. 5刘刈, 王智勇, 孔垂雪, 邓良伟.沼气发酵过程混合搅拌研究进展J.中国沼气, 2009, (03) :26-30.
