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        解析厭氧序批式反應器ASBR的基本原理

        更新時間:2018-07-24 10:54 來源:水博網 作者: 閱讀:8564 網友評論0

        厭氧序批式反應器是20世紀90年代美國Iowa州立大學RidRDague教授提出并發展起來的一種新型高效厭氧反應器,它能使污泥在反應器內的停留時間SRT大大延長,增加反應的污泥濃度,并能夠進行充分的泥水混合,從而提高了厭氧污泥的處理能力,越來越受到各國學者的關注。  

        ASBR的基本操作  

        厭氧序批式反應器的操作過程包括進水、反應、沉淀、排水4個階段。也有設置空轉階段,系指本周起出水結束到下一周期進水開始質檢的時間間隔,可根據具體水質及處理要去進行取舍。  

        進水階段:廢水進入ASBR反應器,同時由生物氣、液體再循環攪拌或機械進行攪拌,基質濃度迅速增加,根據Monod動力學方程,微生物代謝速率也相應增大,直到進水完畢達到最大值。進水體積由下列因素決定:設計的HRT、有機負荷OLR及預料的污泥床沉降特性等。  

        反應階段:該階段是有機物轉化為生物氣的關鍵步驟,所需時間由下列參數決定:基質特征及濃度,要求的出水質量、污泥的濃度,反應的環境溫度等,其中攪拌對COD去除率及甲烷產量的影響,在顆粒成長過程中的有重要作用。  

        沉淀階段:停止攪拌,讓生物團在禁止的條件下沉降,形成低懸浮固體的上清液。反應器此時變成澄清器,沉降時間可根據生物團的沉降特性確定,典型時間在10~30min間變化,沉降時間不能過長,否則因生物氣繼續產出會造成沉降顆粒重新懸浮。混合液懸浮固體濃度(MLSS)、進料量與生物團量之比(F/M)是影響生物團沉降速率及排除液清澈程度的重要可變因素。  

        排水階段:充分的液固分離完成后,將上清液排出,排水體積等于進水體積。排水時間由每次循環排水的總體積和排水速率決定。排水結束后,反應器將進入下一個循環,對于的生物團定期排出。  

        ASBR的基本特征  

        ASBR相對于其他厭氧反應器來說有如下優點:  

        (1)工藝簡單,占地面積少,建設費用低  

        ASBR法的主題工藝設備,只有一個或幾個間歇反應器,同傳統的厭氧工藝相比,此反應器集混合、反應、沉降等功能于一體,不需額外的澄清沉淀池,不需要液體或污泥回流裝置,同UASB和AF相比,該反應器的地步不需要昂貴的進水系統,具有工藝簡單、結構緊湊,占地面積少,建設費用低等優點。  

        (2)耐沖擊、適應性強  

        完全混合式反應器比推流式反應器具有較強耐沖擊負荷及處理有毒或高濃度有機廢水的能力。ASBR反應器在反應期內本身的混合狀態屬典型的完全混合式,加之反應器內有較高MLSS濃度,進而使F/M值降低,因此具有反應推動力大、耐沖擊負荷及適應性強的優點。  

        (3)布局簡單、易于設計、運行  

        在UASB、AF等工藝中,布水設計的好壞直接影響到厭氧工藝的成功與否,因為設計難度大,而ASBR工藝中水是批式進水,無需復雜的布水系統,也就不會產生斷流、短流的問題,降低了設計難度,保證了處理的效果。  

        (4)運行操作靈活  

        ASBR反應器在運行操作過程中,可根據廢水水量、水質的變化,通過調整一個運行周期中各個工序的運行時間及HRT、SRT而滿足出水水質的要求,具有很強的操作靈活性。  

        (5)固液分離效果好,出水澄清  

        固液分離在反應器內部進行,是ASBR工藝不同于其他厭氧工藝的一個顯著特征。首先,厭氧生物團絮凝同好氧活性污泥法的模式類似,是由細菌對基質的有限濃度引起,F/M值對其有重要影響。低F/M值,有利于生物絮凝,沉降快,出水懸浮固體低。一個連續進料完全混合的厭氧反應器穩態操作時,F/M是一定值,而間歇操作的ASBR反應器進水后為高F/M,隨著反應的進行,F/M逐漸降低,反應結束排水時,F/M最低,且產氣量最小,易于固液分離。因此,從固液分離效果講,ASBR法的間歇操作模式要優于其他厭氧法的連續操作模式。  

        (6)污泥性能好,處理能力強  

        由于ASBR出水時容易將沉淀性能不好的污泥隨水排出,而將沉淀性能較好的污泥保留下來,所以系統中的污泥整體沉降性能較好。同時,顆粒化過程較短,大大提高了處理廢水的能力。  

        前言  

        在高效的廢水處理工藝方面,各國學者相繼開發了各種高效厭氧生物反應器,如厭氧生物濾池(AF)上流式厭氧污泥床(UASB)和厭氧流化床(AFB)等。美國教授Dague等人把好氧生物處理的序批式反應器(SBR)運用于厭氧處理,開發了厭氧序批式反應器(AnaerobicSequencingBatchReactor),簡稱為ASBR。Dague等人發現在ASBR中可以形成顆粒污泥,污泥沉降快且易于保留在反應器內,具有高SRT,低HRT。雖然ASBR運行上類似于厭氧接觸法,但ASBR的固液分離在反應器內部進行,不需另設澄清池,不需真空脫氣設備。出水時反應器內部生物氣的分壓使沉淀污泥不易上浮,沉降性能良好。另外,ASBR中不需UASB中的復雜的三相分離器。ASBR具有工藝簡單、運行方式靈活、生化反應推動力大并耐沖擊負荷等優點。本文將介紹ASBR的特點,運行條件及ASBR運行中各階段所需時間的確定。  

        1形成顆粒污泥是ASBR的基本特征  

        顆粒污泥中厭氧微生物鄰近程度遠小于絮狀體污泥。厭氧消化成功的關鍵在于反應器中保持多種微生物之間的平衡,特別是能夠保持低氫分壓。從熱力學上考慮,產乙酸菌把長鏈揮發酸轉化為乙酸的反應只有在氫分壓-5低于101.325×10kPa情況下才能發生,這說明利用CO2和H2的產甲烷菌對產乙酸菌關系重大。厭氧顆粒污泥中不同菌種之間鄰近的共生關系有利于厭氧消化過程的順利進行,中間產物及H2及時被不同菌種消耗掉可以使反應繼續進行,這是顆粒污泥在機理上的優勢。絮狀體污泥盡管也發生H2及中間產物的轉化,但顆粒污泥中的微生物固定在顆粒上,使中間產物所需傳送的距離遠遠要近于離散的絮狀污泥。Mecart和Smith發現顆粒污泥與分散的絮狀體污泥相比較,前者的氫分壓低對。利用速率快,Thide等人對比研究了顆粒污泥與懸浮污泥運行的情況,結果發現以乙醇為基質時,顆粒污泥較懸浮污泥的基質轉化率高75%,以甲酸為基質時,在顆粒污泥中基質轉化速率為0.275/min。這充分證明顆粒污泥中厭氧微生物鄰近度近于絮狀體污泥,可以提高污泥活性。由于在ASBR中形成了顆粒污泥,使處理效果好,運行穩定,能夠處理高濃度有機廢水。  

        在接種成熟的顆粒污泥時,ASBR啟動所需時間可以大大縮短,這就克服了普通厭氧法啟動慢的缺點。  

        2ASBR能在常溫下處理低濃度廢水  

        大多數高效厭氧反應器主要為中溫消化。ASBR能夠在常溫時處理廢水,溫度低時基質去除率低,但ASBR出水中微生物流失量少,使反應器內可保持高的生物量,這可以抵消由于低溫造成的基質去除率低的影響。  

        低濃度有機廢水在總污水排放量中占很大的比重,甲烷化能力低,采用常規的厭氧消化處理技術難于奏效,好氧生物處理成本昂貴,ASBR能有效地處理低濃度有機廢水。Ndon和Dague[3]1997年研究了ASBR處理CODCr為1000、800、600和400mg/L的人工合成廢水,當溫度為35-15℃、HRT為48h和24h時,各種進水濃度CODcr去除率超過了90%,在15℃低溫下進水CODcr為600和400mg/L時,ASBR對CODcr的去除率仍然超過了85%。同時可以查看中國污水處理工程網更多技術文檔。  

        3影響ASBR運行的因素  

        3.1進水時間(tf)與反應時間(tr)之比  

        ASBR藝過程是一個非穩定過程,反應器中有機物濃度是時間的函數。進水結束時達最高值,這說明充水時間影響著ASBR的工藝的處理效果。AS-BR工藝運行分為進水、反應、沉淀和排水4個階段。沉淀和排水時間在同一反應中一般固定且時間短,而進水時間與反應時間是工藝運行的主要參數,其比值影響ASBR藝的處理效率。過去曾有人認為快速進水可使相應的反應時間加長,且可提高反應速率。但是當基質濃度超過半飽和常數時,反應速率成零級反應,且在ASBR中不能以CODcr去除率作為唯一指標。快速進水由于產酸菌產生揮發性脂肪酸(VFA)速率高于產甲烷菌消耗有機酸的速率,使反應器中大量積累VFA,當負荷大于某一值時,甲烷化能力急劇下降。進水時間長,盡管反應速度慢,但中間產物VFA的及時消耗有利于ASBR順利進行。在低負荷時tf/tr值對反應影響較小,高負荷情況下tf/tr造成的影響大。處理有毒有害廢水時應適當控制tf/tr值。  

        3.2堿度  

        ASBR運行時要求混合液具有一定的pH緩沖能力,啟動初期顆粒污泥沒有形成時,對pH值極為敏感,一旦pH值低于7.0產氣不活躍。把pH值調為7.0-7.5時,產氣明顯增加,說明進水堿度對形成的顆粒污泥作用很關鍵,特別在低溫時,混合液粘滯性大,使生物氣泡附著于污泥上不容易釋放,當附著的生物氣泡越集越多時,容易造成污泥上浮使污泥大量流失。出現這種情況時不應增加污泥負荷,而應加人適當堿度使生物氣泡釋放出來,使沉降性能變好。操作穩定時,適于增大負荷,此時顆粒污泥生長加快,當顆粒污泥形成并穩定一段時間后,操作適當時不易解體。此時堿度可比啟動階段有所降低,但要保持足夠的堿度,處理以碳水化合物為主的廢水時,進水堿度與CODcr之比應大于3。  

        3.3溫度  

        ASBR能在5~65℃范圍內處理多種廢水,為在低溫和常溫下廉價處理廢水提供了可能性。但恒溫對ASBR保持系統的穩定性有重要作用,不同種群產甲烷菌對生長的溫度范圍均有嚴格要求,從而需要保持恒溫。不論何種原因導致溫度的短期突變,均會對厭氧發酵過程產生明顯的影響,高溫發酵時最為敏感。  

        4ASBR各階段所需時間的確定  

        ASBR運行時每周期包括4個階段,依次為進水、反應、沉淀和排水階段。各個階段的停留時間由操作條件和所需出水水質來決定。一個周期所需最短時間tmin是進水時間扒反應時間tr、沉淀時間ts和出水時間td的和,即  

        tmin=tf+tr+ts+td(1)  

        4.1進水時間  

        進水時間由進水體積和進水速度決定,同時須考慮有毒有害物質的抑制影響進水速度視進水水質而定。進水體積由設計的HRT有機負荷及預定的沉淀特征確定。進水時間由下式求出:  

        tf=Vf/Qf(2)  

        式中:Vf--進水體積,L;  

        Qf--進水速度,L/h。  

        4.2反應時間  

        反應所需時間由廢水水質和濃度、污染物的降解速率、所需出水水質、生物固體濃度和水溫等因素決定。反應器中混合液體積從進水開始不斷增加,直到進水結束達最大值門預定反應器總有效體積人進水時反應器中基質濃度不斷增加,而反應階段反應器中基質濃度不斷減少,這表明ASBR是間歇進行的非穩態厭氧生物處理過程人SBR反應器在時間上為推流式反應器,在空間上為完全混合式反應器。從另一個角度出發,可以認為進水階段為完全混合反應,反應階段為推流式反應。  

        采用莫諾德動力學方程來描述反應器中基質濃度的變化情況時,基質去除率是按一級反應進行的:  

        dS/dt=-KXS/Ks+S(3)  

        式中:  

        S--基質濃度,mg/L;  

        X--污泥濃度,mg/L;  

        K--最大比基質利用速率,l/d;  

        Ks--半飽和常數,mg/L。  

        由于在厭氧反應器ASBR中污泥產率很低,同時反應器中保持有高污泥濃度,從而可以認為在進水階段和反應階段污泥量的變化可忽略不計,進水階段完全混合時的物料平衡為下式:  

        dS/dt=Q/[(Vmin+Vf)](S0-S)-KXS/Ks+S(4)  

        式中:Vf為某時打共進水體積,為時間的函數。  

        聯合(4)式和(5)式可得出進水結束時的基質濃度,通常采用迭代法可解出,開始進水時間為t時的基質濃度由下式給出:  

        S=(反應器中基質量)t/(反應器中混合液總體積)t(6)  

        在時間為t+△t時基質濃度為:  

        式中:  

        St---時間為t時的基質濃度,mg/L;  

        Vt----時間為t時的反應器中總體積,L;  

        △t---計算時取得時間間隔;  

        Vmin--進水開始時反應器中混合液體積,L。  

        在△t足夠小時,t+△t時的基質濃度可認為與時間為t時基質濃度幾乎相等把St代人(7)式可預測在進水結束時的基質濃度Sf,結合式(3)可取出反應所需時間如下:  

        tr=Ks/KX[ln(Sf/Se+(Sf-Se)/Ks](8)  

        式中:Se---設計的出水基質濃度,mg/L。  

        4.3沉淀時間  

        沉淀階段停止攪拌,為理想的靜止沉淀。沉淀所需時間是污泥沉淀速度出所需排水體積Vd及反應器橫截面積(A)的函數,即  

        ts=Vd/vA(9)  

        但沉淀時間不宜過長,通常為10-30min。沉淀時間過長時繼續產出的生物氣使已沉降的污泥重新懸浮起來。混合液懸浮固體濃度MLSS,進料量與污泥量之比(F/M)是影響污泥沉淀速率及出水濃度的重要因素。  

        4.4節水時間  

        排水所需時間由所排放水的體積及出水流量Qd決定,通常為了保持反應器中混合液恒定體積,排水體積等于該周期進水體積,排水時間可由下式得出:  

        td=Vd/Qd(10)  

        5結語  

        ASBR同其它厭氧反應器比較有如下特點:  

        ①ASBR能形成顆粒污泥,同UASB和AF相比,在反應器底部不需要復雜且昂貴的配水系統,也不需要復雜的三組分離器。  

        ②ASBR在動力學上有顯著的優越性,F/M值高低交替變化,既保證了反應階段的高去除率,又保證了沉淀階段的良好沉淀效果。  

        ③ASBR能夠在較大的溫度范圍內(5~65℃)運行,可在低溫和常溫下處理各種高濃度、低濃度和特種有機廢水。


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