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1、 http:/ 上流式污泥床厌氧（UASB）反应器的改造及 旋流内循环（EIC）厌氧反应器初探 陈 协 江西省科学院 330029 E-mail：C摘 要：摘 要：本文针对上流式污泥床厌氧反应器 UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed)的问题， 在 UASB 改造中，开展了改进 IC( Inner-Circulation)的研究。主要特点为利用旋流技术， 改善了布水和循环效率。在多个企业多种形式工业运行中，针对发现的问题，主要利用气泡 的聚并和破裂产生的“聚式”流态化原理，改善了颗粒污泥生长和生存的物理环境；改进设计了内循环厌氧反应器的三相前端处理器。简述了旋流内
2、循环厌氧反应器的研究现状。 关键词：关键词：上流式污泥床厌氧反应器， 内循环反应器，旋流技术，“聚式”流态化，旋流内循环厌氧反应器 一、引言一、引言 以高效、低成本为特征的现代废水处理技术首先当推先进的厌氧生物处理技术，厌氧生物反应器是其中发展最为迅速的一个领域。 1971 年荷兰瓦格宁根（Wageningen）农业大学拉丁格（Lettinga）教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床（UASB）反应器的雏型。1974 年荷兰CSM公司在其 6m3反应器处理甜菜制糖废水时， 发现了活性污泥自身固定化
3、机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥（granular sludge） 。颗粒污泥的出现，不仅促进了以UASB为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展，而且还为第三代厌氧反应器的诞生奠定了基础。 原典型的 UASB 反应器工作原理概念和工作状态模型存在三方面问题：A、高度问题，污泥床高度对反应区的水流影响较大，如太厚会加大沟流和短流；B、增加截面积的放大方式，在大规模反应器中难以实现均匀布水；C、三相分离器的稳定操作较为困难。 20 世纪 80 年代中后期到 90 年代，针对上述缺陷，国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB） 、内循环反应器（IC） 、升流式厌氧污泥床过滤器（UBF） 、厌氧折流板反应
4、器（ABR）为代表的第三代厌氧反应器相继出现。 从物理角度来看， 第三代厌氧反应器是以颗粒污泥为生化反应的基础， 主要考察固体物质在重力场作用下， 在流体中形成更为合理的微物理环境，达到固液充分接触，更快传质的这一核心目的。利用固体的流态化技术是其核心技术之一，侧重是解决典型 UASB 上述的 A、C 问题。 近来，帕克（Pagues）公司可能采用了特殊物理结构设计，以 ANAMMOX 工艺为特征的流化床反应器问世，尚未大规模应用，更未引入我国，情况不祥。因为反应器的设计，不仅要掌握生化反应规律，还要深入了解 Kolliken 为主的菌群的微生态环境，现有和可能形成-1-http:/ 的物理特
5、征， 在连续工艺过程中菌群的需氧情况和在流体中的特点， 才能设计出合理的物理结构。 我国是 1981 年引入UASB厌氧反应器的概念(1)， 由于大型UASB厌氧反应器颗粒污泥的培养，并未彻底解决；原典型UASB反应器存在的问题在工业运行中经常暴露，致使我国自行设计的UASB厌氧反应器运行数据大大低于设计值。90 年代中后期Pagues公司的IC和Biothane System公司的EGSB引进我国， 使第三代厌氧反应器的应用在我国得到开展， 与此相应的研究工作也相继展开。 二、二、EIC 厌氧反应器研究及应用现状厌氧反应器研究及应用现状 1、EIC 厌氧反应器雏型的形成 1、EIC 厌氧反应
6、器雏型的形成 我们是 2000 年开始IC的研究，2001 年进行 50m3IC的中试，中温处理酒精废水获得成功。2002 年底，巧遇安徽丰原生化股份有限公司UASB技术改造。对象是原有概念基础上典型的大型UASB反应器（1215.8m） ，该反应器曾生成过颗粒污泥，容积有机负荷也曾达到过 68kgCoD/m3.d,长期运行则在 4kgCoD/m3.d以下， 且块状漂泥流失及进水管堵塞严重。 典型的UASB三方面问题，带来了大量的无效容积。 对于这一技术改造， 丰原生化要求不动外形及原三相分离器， 考虑到费用及它们的UASB曾培养生成过颗粒污泥，故也要求改造后的厌氧反应器用城市污水处理厂厌氧消
7、化污泥启动。这种情况下，布水问题、循环效率问题及启动和运行状态有机负荷差异十分巨大,问题显现。通常IC为支管式布水和单循环方式，一般认为其径高比为 1：3 左右。仅利用重力场对物体作用力的局限性就凸现出来， 水力旋流技术的应用为该技术改造提供了可能。 中国海洋大学环境科学与工程学院采用旋流式布水口和三相分离器前回流水方式， 进行了UASB改良可行性的试验研究2。我们的技术改造则为：撤除了原布水系统，在底部设置了四个回流旋流布水器；在离底部 8m高处新增设了集气罩和对应四个循环系统的提升管，原有三相分离器的出气管分别连接到顶部新增设的四个旋流气液分离器中； 气液分离器的回流管下端开口于回流旋流布
8、水器中。这次改造总共耗费钢材 29 吨。最终形成主反应区和辅反应区有不同三相分离器， 且含四个内循环的旋流内循环厌氧反应器。 辅反应区三相分离器究竟以何种状态工作,则取决于辅反应区的产气情况。技术改造的原理和技术方案祥见专利ZL200420023281.4 和CN1562495A3。改造后，启动和运行效果极好，运行中有机负荷稳定在25kgCoD/m3.d以上。祥见中国沼气 2004 年第 4 期用旧罐改造成IC厌氧反应器处理柠檬酸废水一文4和下面的讨论。从 1.5m、3m、5m、9m四个不同高度取样口取样，发现改造后的厌氧反应器，正常运行时，主（下部）反应区运行在EGSB状态，辅（上部）反应区
9、可能工作在UASB状态。 回顾该厌氧反应器颗粒污泥培养的过程，有下述特点： -2-http:/ A、保留了三相分离器和相应的气室结构，有较大面积水平方向相对静止的气液界面。上升气泡对污泥的抬升作用，会形成有一定压强、动态的气液固三相界面层。并在其中出现“聚式”流态化，即由于颗粒表现特性所引起的内聚现象以及气泡的聚并等原因，颗粒被分群体作湍流运动，即腾涌状态。 B、有反馈机制的多循环系统在启动过程中，首先出现一个循环系统运行，逐步随着有机负荷的增大，运转循环系统数量增多，到接近设计值时，四个循环系统全部运转。在两个循环系统运行时出现了颗粒污泥，三个循环系统运转时，出现了颗粒污泥快速增长。部分循环
10、系统运行时，对应的局部水力负荷和产气负荷很大，厌氧反应器整体水力负荷相对较小，污泥流失现象相对较弱，可能对颗粒污泥产生和成长很有利。 C、瞬态负荷波动控制在很小范围，有利于颗粒污泥稳定生长。 D、变换操作参数，进行了出水污泥量的控制，保持了悬浮污泥的高浓度。四个不同高度取样口的取样，表明流体与固体粒子的混合物，处于流态化初始阶段。检测情况为：取样混合物摇动均匀，静止半小时后，混合物中污泥所占的体积为混合物总体积的 40%以上。 丰原生化移用上述厌氧反应器的全套设计， 新建三套完全类似的厌氧反应器， 并扩展应用到酒精废水处理中。用上述厌氧反应器所生成的颗粒污泥快速启动，均获得完全的成功。但此时，
11、 对大型厌氧反应器中， 活性污泥转化为颗粒污泥其自身固定化机制所需的微物理环境还是认识不足，是四个上述特点必需都具备，还是只需满足部分宏观物理环境。 四套同结构的厌氧反应器成功运行，标志着以三个专利ZL03227936.1，CN1562495A，ZL200420023281.4 为核心的EIC厌氧反应器雏型已经形成(3)，标志着水力旋流技术完全可以应用于厌氧反应器中。 它说明较好的三相分离器结构与EIC雏型结构的组合， 能解决典型UASB的缺陷，使厌氧反应器获得很好的效果。 2、EIC 厌氧反应器雏型的第二种形式的工业应用试验2、EIC 厌氧反应器雏型的第二种形式的工业应用试验。 2004 年
12、 6 月安徽华源生物药业有限公司由于原UASB处理柠檬酸废水效率过低，排污未能达标而面临停产危险。急需上马 2000m3厌氧反应器，由我们提供技术服务。 EIC厌氧反应器雏型中已有高效气液分离器，污泥也有内循环和沉降通道，通常的三相分离功能可以完成。此时，尚对上述特点A中压力气室给微物理环境带来的特点认识不足，以专利CN1562495A及ZL200420023281.4 为物理结构特征，由于对平衡负载的认识差异，从尊重生化研究人员的意见， 四个循环系统气泡上升反馈渠道进行了适度隔离， 减弱了循环系统之间的反馈，设计了 2000m3的EIC厌氧反应器。同样由于费用相差太大，企业要求用厌氧消化污泥
13、启动。但除物理结构和丰原生化有着三相分离器和循环系统间反馈强度差异之外，操作参数也有不同，企业由于流程不同，厌氧反应器进水有机负荷波动很大，不能做到丰原生化较为严格稳定的负荷操作，启动运行不再具备A、B、C 3 个特点。 -3-http:/ 厌氧反应器 2004 年 9 月底建成进行消化污泥接种启动，四个循环系统同时运行，50 天内运转正常，出水较清，有机负荷逐步达到 68kgCoD/m3.d。此时，污泥取样，用同样方法检测污泥含量。1.5m处为稠泥，39m高度污泥含量为 26%40%之间，它对应着流态化的中段。之后，出现大量污泥流失，导致有机负荷下降到 24kgCoD/m3.d，39m高度污
14、泥含量为 1523%之间，有时甚至下降到 10%以下，它对应着固体物质混合液流态化的末段或汹涌流的始段。 在此情况下， 采取了出水污泥沉淀回输补充和改变操作参数防止污泥大量流失的双重办法。但在不能有效稳定和控制有机负荷波动的情况下，始终未能生成颗粒污泥。有机负荷徘徊在 45kgCoD/m3.d之间。曾提出购入大量颗粒污泥方案，终因费用问题，和此反应器之前新建的UASB反应器有机负荷逐步上升， 使得厌氧消化已能满足排污治理需要， 缺少提高负荷的紧迫压力，而未采用。该反应器未再尝试其它提高有机负荷的途径，而一直以45kgCoD/m3.d有机负荷参数连续运行。 取样口污泥的情况： 1.5m处为始终未
15、能搅拌的稠泥，39m处，污泥含量则在 30%左右，工业运行试验尚不完全充分。 3、EIC 厌氧反应器雏型的第三种形式的工业运行试验。 3、EIC 厌氧反应器雏型的第三种形式的工业运行试验。 2005 年上半年，山东日照在816m厌氧反应器中，采用了EIC雏型技术，为单循环系统。湖南银海新建的9.616m厌氧反应器中，按华源生物药业的物理结构，采用了四循环EIC技术雏型系统。 均用粒径为 2mm左右占 80%的活性颗粒污泥接种启动。 山东日照经 2 个多月调试启动，活性污泥增长较快，但颗粒污泥由占污泥总量的 80%降为 50%左右。有机负荷上升至 13kgCoD/m3.d左右，再提高有机负荷，出
16、现污泥流失增大现象。现已运行近 5 个月，仍保持这一状况。湖南银海现启动运行一个月，有机负荷达到 10kgCoD/m3.d,估计会出现类同山东日照情况，很难达到 20 kgCoD/m3.d。但从无锡罗氏中亚引进IC启动和运行情况来看（参见江苏环境科技 13 卷第 3 期柠檬酸废水处理工艺 ） ，接近他们第一年的指标（13.1515.78 kgCoD/m3.d）5，长期运行有丰富的运行经验后，有机负荷会有提高，但显然颗粒污泥生长不很理想。 三、讨论三、讨论 本文的讨论不仅限于已有 7 套不同的EIC厌氧反应器的工业运行试验，也参考一般的看法和他人对UASB、IC、ABR厌氧反应器的研究结果(1.2)。厌氧消化是一个生化过程，是微生物生长及自适应和自组织过程。虽然，操作参数对于生化反应是更为重要的决定因素，且是决定动态微物理环境的一个重要因
