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第一章 绪 论
厌氧反应器的发展经过了一个比较漫长的过程。从第一批厌氧反应器应用于污水处理到现在已经有百余年的历史了。1896年英国建成了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池,并且利用其产生的沼气进行照明。随后,20世纪初美国和澳大利亚也相继出现了连续搅拌式的厌氧消化池,这就是第一代厌氧生物反应器[1]。第一代厌氧生物废水处理反应器采用的是废水和污泥完全混合的运行方式,反应器内的污泥停留时间(SRT)与水力停留时间(HRT)几乎是完全相同的。因此,反应器内的固体停留时间不是很长,从而导致微生物浓度较低,污水的处理效果和耐冲击能力较差。随着人们对厌氧生物和厌氧消化机理的深入研究,人们逐渐认识到污水厌氧生物处理过程并不是一种较慢的生物处理过程。研究者们开始以提高反应器内生物浓度和缩短反应器的水力停留时间为基础的一系列研究。20世纪60年代出现了以AF(Anaerobic Filter简称AF)、厌氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed简称AFB)、上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Bed简称UASB)为代表的第二代厌氧反应器[2]。第二代厌氧反应器广泛采用了生物固定化技术,反应器的生物量较第一代反应器更大。AF、AFB、UASB等各种工艺的有机负荷较第一代反应器有了几倍到十几倍的提高,与此同时反应器的水力停留时间却大大缩短。UASB工艺充分利用相与相之间的接触,把厌氧反应器处理效率提高到一个新的阶段。另外研究者在对UASB处理过程论述中还首次提出了生物固体颗粒化概念。自此污泥颗粒化技术成为研究厌氧反应器运行技术中的热点。UASB反应器内污泥颗粒化,使该反应器成为负荷高、无泥水回流、无搅拌设备的高效厌氧反应器。所以,UASB在厌氧发酵工艺中的应用越来越广泛。第二代厌氧反应器中AF、UASB等工艺在实际运行中也出现了一些问题,诸如反应器存在死容积、进水短流等问题。研究者们在前者基础上,进一步强化反应器内相与相之间的传质过程,研制开发出第三代厌氧反应器。EGSB(Expanded Granular Sludge Bed)IC(Internal Circulation React)ABR(Anaerobic Baffled Reactor)ASBR(Anaerobic Sequencing Batch Reactor)[3]等都属于第三代生物厌氧处理工艺。作为第三代厌氧反应器的内循环厌氧反应器(Internal Circulation Anaerobic Reactor),以下简称IC反应器)是荷兰PAQUEC公司于20世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功的第三代高效厌氧反应器[4], 反应器内高浓度的污泥和良好的泥水传质效果,使其在处理效率方面比UASB反应器更具优越性。PAQUES公司在1985年初建造了第一个IC中试反应器,1988年建立了第一个生产性规模的IC反应器[5]。我国于1996年开始引进IC反应器技术[6],该反应器以其启动周期短、处理量大,投资少,占地面积省,运行稳定等优点而深受瞩目,并已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中。目前,进一步研究开发IC反应器、推广其应用范围已成为废水厌氧生物处理的热点之一
1.1 IC反应器的工作原理
IC反应器可以看作是由两个UASB反应器串联而成的,具有很大的高径比,一般为 4~8,其高度可达16~25m。IC反应器由5个基本部分组成:混合区、污泥膨胀床区、内循环系统,精处理区和沉淀区。其中内循环系统是IC反应器工艺的核心构造,它由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管组成(见图1—1)。
图1-1 IC反应器构造原理图
1—进水;2—一级三相分离器;3—沼气提升;4—气液分离器;5—沼气排出管;6—回流管;7—二级三相分离器;8—集气管;9—沉淀区;10—出水管;11—气封
经过调节pH值和温度后的废水进入反应器底部混合区,与从反应器上部返回的厌氧污泥颗粒水均匀混合,由此对进水进行了稀释和均质作用,从而大大减轻了冲击负荷及有害物质的不利影响。废水和颗粒污泥混合物在进水与循环水的共同推动下,进入污泥膨胀床区,由于回流的影响,此部分产生较大的上升流速,最大可达10~20m/h[7],废水中的大部分有机物在这里被转化成沼气,沼气被一级三相分离器收集,沿着提升管并携带着混合液提升至气液分离器,分离出的沼气从气液分离器的顶部沼气排出管排出。分离出的泥水混合液将沿着泥水下降管返回到反应器底部的混合区,并与底部的颗粒污泥和进水充分混合,实现了混合液的内环。实现内循环的气提动力来自于上升的和返回的泥水混合物中气体含量的差别,因此,泥水混合物的内循环不需要外加动力。反应器内液体内循环促进了基质和颗粒污泥
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