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最全厭氧反應(yīng)器匯總及其優(yōu)劣探析

發(fā)布時(shí)間:2017-03-29 來源 :沼氣工程及測(cè)控技術(shù)

食品、生物、化工等行業(yè)排放大部分廢水都屬于高濃度有機(jī)廢水,僅利用常規(guī)的物化、生化處理較難達(dá)到處理目的,同時(shí)存在投資大,操作管理難,運(yùn)行成本高等一系列問題。隨著科研的不斷深入,厭氧反應(yīng)器作為一種高效的生物膜處理方法漸漸登上舞臺(tái),它主要是利用微生物與污水中的有機(jī)物接觸吸附分解有機(jī)物,以達(dá)到有效處理有機(jī)廢水、廢棄物的目的。

目前厭氧反應(yīng)器的發(fā)展已經(jīng)歷了三代,對(duì)這三代最具代表性的厭氧反應(yīng)器及其優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行梳理,望對(duì)從事有機(jī)廢水、廢棄物處理及大中型沼氣工程的建設(shè)有所幫助!

第一代厭氧反應(yīng)器

第一代反應(yīng)器以厭氧消化池為代表,廢水與厭氧污泥完全混合,屬低負(fù)荷系統(tǒng)。包括:常規(guī)厭氧反應(yīng)器(CADT)、全混式反應(yīng)器(CSTR)、厭氧接觸消化器(ACP)等。

1、常規(guī)厭氧反應(yīng)器(CADT

常規(guī)厭氧反應(yīng)器也叫常規(guī)沼氣池,是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的工藝類型。

該消化器無(wú)攪拌裝置,原料在其中呈自然沉淀狀態(tài),一般分為4層,自上而下依次為浮渣層、上清液層、活性層和沉渣層,其中易于消化、活動(dòng)旺盛的場(chǎng)所只限活性層,因而效率較低。我國(guó)農(nóng)村較為常見。

2、全混式反應(yīng)器(CSTR

全混式消化器是在常規(guī)消化器中安裝了攪拌裝置,使得原料處于完全混合狀態(tài),因而,使得活性區(qū)域遍布于整個(gè)消化區(qū),效率相比于常規(guī)消化器明顯提高,故又稱高效消化器。該消化器常采用恒溫連續(xù)投料或半連續(xù)投料運(yùn)行,適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理。

工藝優(yōu)點(diǎn)

、原料適應(yīng)性廣。適用于畜禽糞便等各種有機(jī)垃圾,城市污水廠污泥穩(wěn)定化處理及高濃度、高懸浮物、難降解有機(jī)廢水的處理。 

、消化池具有完全混合的流態(tài),原料與底物接觸充分,發(fā)酵速率高,容積產(chǎn)氣率較高。

、消化器內(nèi)溫度分布均勻。

、厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個(gè)池內(nèi)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、運(yùn)行管理方便。

、由于有強(qiáng)制機(jī)械攪拌,在高濃度狀態(tài)可有效控制原料的沉淀、分層以及表層浮渣結(jié)殼、氣體溢出不暢和短流等問題。

工藝缺點(diǎn)

、工藝池體體積較大,負(fù)荷較低。

、無(wú)法分離水力停留時(shí)間和固體停留時(shí)間,污泥停留時(shí)間等于水力停留時(shí)間,反應(yīng)器內(nèi)不能累計(jì)足夠濃度的污泥,不能滯留微生物。

3、厭氧接觸消化器(ACP

厭氧接觸工藝反應(yīng)器是完全混合式的,是在CSTR基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)的一種較高效率的厭氧反應(yīng)器。反應(yīng)器排出的混合液首先在沉淀池中進(jìn)行固液分離,污水由沉淀池上部排出,沉淀池下部的污泥被回流至厭氧消化池內(nèi)。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

、保證污泥不流失,提高厭氧消化池內(nèi)污泥濃度。

、反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷率和處理效率較高。

、易啟動(dòng)。

、與普通厭氧消化池相比,水力停留時(shí)間大大縮短

、適用于SS濃度較高的廢水處理,如生活污水和工業(yè)廢水。

、耐沖擊負(fù)荷。

工藝缺點(diǎn)

、去除率相對(duì)較低,增加好氧負(fù)擔(dān)。

、需污泥回流,固液分離相對(duì)困難。

、出水水質(zhì)也相對(duì)較差,對(duì)后序處理工藝產(chǎn)生影響。

第二代厭氧反應(yīng)器

第二代反應(yīng)器可以將固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分離,能保持大量的活性污泥和足夠長(zhǎng)的污泥齡,并注重培養(yǎng)顆粒污泥,屬高負(fù)荷系統(tǒng)。包括:厭氧濾池(AF)、厭氧流化床和膨脹床反應(yīng)器(AFBR)、升流式厭氧污泥床(UASB)、厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)等。

1、附著膜型消化器

附著膜型消化器的特征是在反應(yīng)器內(nèi)安裝有惰性支持物(又稱填料)供微生物附著,并形成生物膜。進(jìn)料中的液體和固體在穿過填料時(shí),滯留微生物附著在生物膜內(nèi),并且在HRT相當(dāng)短的情況下,可阻止微生物沖出。因其具有短的SRT而影響固體物的轉(zhuǎn)化,這類反應(yīng)器只適用于處理低濃度、低SS有機(jī)廢水。這種消化器主要有厭氧濾器、流化床和膨脹床兩種。

1)厭氧濾器(AF

AF是采用填充材料作為微生物載體的一種高速厭氧反應(yīng)器,厭氧菌在填充材料上附著生長(zhǎng),形成生物膜。生物膜與填充材料一起形成固定的濾床。厭氧濾床可分為上流式厭氧濾床和下流式厭氧濾床二種。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

、處理能力高,濾池內(nèi)可以保持較高的微生物濃度。

、不需另設(shè)泥水分離設(shè)備,出水SS較低。

、低操作費(fèi)用,無(wú)需攪拌、效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定、可承受負(fù)荷變化。

、出泥少,能耗低。

工藝缺點(diǎn)

、填料費(fèi)用高。

、易發(fā)生堵塞和短路。

、啟動(dòng)期較長(zhǎng)。

、微生物積累,增加了運(yùn)轉(zhuǎn)期間料液的阻力。

2)厭氧流化床和膨脹床反應(yīng)器(AFBR

流化床和膨脹床反應(yīng)器屬于附著生長(zhǎng)型生物膜反應(yīng)器,在其內(nèi)部填有像砂粒一樣大小的(半徑0.20.5mm)惰性顆粒供微生物附著,如焦炭粉、硅藻土、粉炭灰和合成材料等,當(dāng)有機(jī)污水自下而上穿過細(xì)小的顆粒層時(shí),污水和所產(chǎn)氣體的升流速度足以使介質(zhì)顆粒呈膨脹或流動(dòng)狀態(tài),每一個(gè)顆粒表面都被生物膜所覆蓋,能支持更多的微生物附著,使MRTHRT更長(zhǎng),因而使消化器具有更高的效率。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、有較大表面積供微生物附著。

②、可以達(dá)到更高的負(fù)荷。

③、高濃度的微生物使運(yùn)行更穩(wěn)定。

④、能承受負(fù)荷的變化。

⑤、在長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)后可更快地啟動(dòng)。

⑥、消化器內(nèi)混合狀態(tài)較好。

工藝缺點(diǎn)

①、使顆粒膨脹或流態(tài)化需較高能耗和維持費(fèi)。

②、支持介質(zhì)易被沖出,損壞泵或其他設(shè)備。

③、有時(shí)需要脫氣裝置從出水中有效地分開介質(zhì)顆粒和懸浮固體。

2上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB

UASB是目前發(fā)展最快的消化器之一,其特征是自下而上流動(dòng)的污水流過膨脹的顆粒狀的污泥床。消化器分為三個(gè)區(qū),即污泥床、污泥層和三相分離器。分離器將氣體分流并阻止固體物漂浮和沖出,使MRTHRT大大增長(zhǎng),產(chǎn)甲烷效率明顯提高,污泥床區(qū)平均只占消化器體積的30%,但80~90%的有機(jī)物在這里降解。

三相分離器是UASB厭氧消化器的關(guān)鍵設(shè)備,主要功能是氣液分離、固液分離和污泥回流,但均由氣封、沉淀區(qū)和回流縫組成。

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、消化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,沒有攪拌裝置及填料(除三相分離器)。

②、較長(zhǎng)的SRTMRT使其實(shí)現(xiàn)了很高負(fù)荷率。

③、顆粒污泥的形成使微生物天然固定化,增加了工藝的穩(wěn)定性。

④、出水SS含量低。

工藝缺點(diǎn)

①、需安裝三相分離器。

②、需要有效的布水器,使進(jìn)料均勻分布。

③、要求浸水SS含量低。

④、在水力負(fù)荷較高或SS負(fù)荷較高時(shí)易流失固體和微生物。

⑤、運(yùn)行技術(shù)要求高。

3、厭氧折流板反應(yīng)器(ABR

在這種消化器里,由于擋板的阻隔使污水上下折流穿過污泥層。這樣每個(gè)單元就相當(dāng)于一個(gè)反應(yīng)器,反應(yīng)器的總數(shù)等于各反應(yīng)器之和。我國(guó)前些年曾引起該型消化器,用來處理酒精廢醪的丙酮丁醇廢醪,但在實(shí)際應(yīng)用過程中其效果一直欠佳。同時(shí)由于要造成折流,使得消化器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難、造價(jià)高。目前難以在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。

第三代厭氧反應(yīng)器

第三代反應(yīng)器在將固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間相分離的前提下,使固、液兩相充分接觸,既能保持大量污泥又能使廢水和活性污泥之間充分混合、接觸,以達(dá)到真正高效的目的。包括:膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)、上流式污泥床過濾器(UBF)等。

1、膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器(EGSB

EGSBUASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)相似,不同的是EGSB反應(yīng)器采用相當(dāng)高的上流速度,因此,在EGSB反應(yīng)器中顆粒污泥處于完全或部分“膨脹化”的狀態(tài),即污泥床的體積由于顆粒之間平均距離的增加而擴(kuò)大。為了提高上升速度,EGSB反應(yīng)器采用較大的高度與直徑比和很大的回流比。

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、在高速上升速度和產(chǎn)氣的攪拌作用下,廢水與顆粒污泥接觸更充分。

②、水力停留時(shí)間短,反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷和處理效率高,高負(fù)荷有利于顆粒長(zhǎng)大,高的剪切力有利于形成更光滑和更密實(shí)的生物膜。

③、高徑比大,占地面積大大縮小。

④、均勻布水,污泥處于膨脹狀態(tài),不易產(chǎn)生溝流和死角。

⑤、三相分離器工作狀態(tài)和條件穩(wěn)定。

⑥、ICOD有機(jī)負(fù)荷率高,污泥截留能力強(qiáng)。

⑦、顆粒污泥活性高,沉降性能好,顆粒大,強(qiáng)度較好,處理低濃度有機(jī)廢水優(yōu)勢(shì)明顯。

⑧、適用于中低濃度有機(jī)廢水的處理。

工藝缺點(diǎn)

①、氣溫和水溫的大幅降低會(huì)影響EGSB的運(yùn)行穩(wěn)定性。

②、投資相對(duì)較大,對(duì)廢水SS含量要求嚴(yán)格。

③、由于采用高的升流速度運(yùn)行,運(yùn)行條件和控制技術(shù)要求高。

2、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器,是目前世界上效率最高的厭氧反應(yīng)器。該反應(yīng)器集UASB反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器于一身,利用反應(yīng)器內(nèi)所產(chǎn)生沼氣的提升力實(shí)現(xiàn)發(fā)酵料液的內(nèi)循環(huán)。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、通過內(nèi)循環(huán)自動(dòng)稀釋進(jìn)水,保證反應(yīng)室進(jìn)水濃度的穩(wěn)定性。

②、僅需要較短的停留時(shí)間,適用于可生化性較好的廢水處理。

③、運(yùn)行穩(wěn)定,抗沖擊負(fù)荷效果好,容積負(fù)荷高,投資成本少。

④、上升流速大,SS不會(huì)在反應(yīng)器內(nèi)大量積累,可保持污泥較高活性。

工藝缺點(diǎn)

①、在污水可生化性不是太好的情況下,由于水力停留時(shí)間較短,去除率遠(yuǎn)沒有UASB高,增加了好氧的負(fù)擔(dān)。

②、由于氣體內(nèi)循環(huán),特別是對(duì)進(jìn)水水質(zhì)不太穩(wěn)定的廠,易導(dǎo)致出水水量不穩(wěn)定,出水水質(zhì)也相對(duì)不穩(wěn)定,有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)短暫不出水現(xiàn)象,對(duì)后序處理工藝產(chǎn)生影響。

3、上流式污泥床反應(yīng)器(UBF

UBF反應(yīng)器是有UASBAF結(jié)構(gòu)的復(fù)合式反應(yīng)器。反應(yīng)器的下面是高濃度顆粒污泥組成的污泥床,上部是填料及其附著的生物膜組成的濾料層。其突出優(yōu)勢(shì)是反應(yīng)器上部空間所架設(shè)的填料,不但在其表面生長(zhǎng)微生物,且在其空隙截留懸浮微生物,利用原有的無(wú)效容積增加了生物總量,防止生物量的突然洗出,且由于填料的存在,夾帶污泥的氣泡在上升過程中與之碰撞,加速了污泥與氣泡的分離,從而降低了污泥的流失。

其它幾種厭氧消化器

1、升流式固定床反應(yīng)器(USR

USR是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用于高懸浮固體原料的反應(yīng)器。原料從底部進(jìn)入消化器內(nèi),與消化器里的活性污泥接觸,使原料得到快速消化。未消化的生物質(zhì)固體顆粒和沼氣發(fā)酵微生物靠自然沉降滯留于消化器內(nèi),上清液從消化器上部溢出,這樣可以得到比水力滯留期高得多的固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT),從而提高了固體有機(jī)物的分解率和消化器的效率。在當(dāng)前畜禽養(yǎng)殖行業(yè)糞污資源化利用方面,有較多的應(yīng)用。許多大中型沼氣工程,均采用該工藝。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、反應(yīng)器內(nèi)不設(shè)三相分離器和其它構(gòu)件。

②、比重較大的固體物累積使反應(yīng)器內(nèi)保持較高的固體量和生物量,保證較長(zhǎng)的微生物和固體滯留時(shí)間。

③、浮渣層不易堵塞,產(chǎn)氣效率高。

④、沼氣隨水流上升具有攪拌混合作用,促使有機(jī)固體與厭氧微生物充分接觸反應(yīng)。

⑤、當(dāng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí),污泥沉降性能變差,出水COD升高,但一般不會(huì)造成酸化。

⑥、RT較長(zhǎng),出水帶出的污泥不需回流,固體物可得到較徹底的消化,SS去除率60%70%

工藝缺點(diǎn)

①、進(jìn)料固形物懸浮物濃度控制不好,易出現(xiàn)堵塞布水管、單管布水易短流等問題。

②、對(duì)含纖維素較高的料液,表面易結(jié)殼。

③、沼渣沼液COD濃度含量較高,不適宜達(dá)標(biāo)排放,一般用于農(nóng)田施肥進(jìn)行生態(tài)化處理。

2、塞流式反應(yīng)器(PFR

塞流式反應(yīng)器也稱推流式反應(yīng)器,是一種長(zhǎng)方形的非完全混合式反應(yīng)器。高濃度懸浮固體發(fā)酵原料從一端進(jìn)入,從另一端排出。消化器內(nèi)沼氣的產(chǎn)生可以為料液提供垂直的攪拌作用,料液在沼氣池內(nèi)無(wú)縱向混合,發(fā)酵后的料液借助于新鮮料液的推動(dòng)作用而排走。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、不需要攪拌,池形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能耗低。

②、適用于高SS廢水的處理。

③、運(yùn)行方便,故障少,管理簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好。

工藝缺點(diǎn)

①、固體物易沉淀,影響反應(yīng)器有效體積,使HRTSRT降低,效率較低。

②、需要固體和微生物的回流作為接種物。

③、因反應(yīng)器面積、體積較大,反應(yīng)器內(nèi)難以保持一致的溫度。

④、易產(chǎn)生厚的結(jié)殼,堵塞反應(yīng)器。

3、纖維填料生物膜消化器

纖維填料固定床生物膜消化器實(shí)質(zhì)上是 AF 結(jié)構(gòu)形式的一種。采用維綸制成的纖維填料。

 

工藝優(yōu)點(diǎn)

①、維綸具有較好的耐腐蝕性能,在一般有機(jī)溶劑及石油等溶劑內(nèi)均不溶解,是一種理想的填料。

②、孔隙率大、理論比表面積大、不易堵塞。

③、因生物膜的表面積大,具有極強(qiáng)的消化能力。

工藝缺點(diǎn)

①、若進(jìn)料濃度過高,會(huì)造成進(jìn)料量超負(fù)荷,導(dǎo)致消化器底部物料酸化,影響消化器的穩(wěn)定運(yùn)行。

②、纖維填料若間距設(shè)計(jì)不合理,長(zhǎng)期使用易發(fā)生粘連和堵塞。

4單元混合塞流式厭氧消化器(RPR

RPR是在高濃度、塞流及攪拌三結(jié)合厭氧消化器(HCPF)基礎(chǔ)上根據(jù)厭氧發(fā)酵的不同階段,將消化器分解成若干個(gè)單元,并通過厭氧單元內(nèi)的不同攪拌強(qiáng)度及單元之間的料液混合,實(shí)現(xiàn)高效厭氧消化的過程。

目前較為常見的幾種厭氧消化反應(yīng)器優(yōu)劣勢(shì)及適用范圍對(duì)比總結(jié)如下:

 

優(yōu)    點(diǎn)

    點(diǎn)

   

CADT

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,投資小

水力停留時(shí)間長(zhǎng),管理不便

高濃度、高懸浮物的有機(jī)廢水

CSTR

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資小、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單

容積負(fù)荷率低,效率較低,出水水質(zhì)較差

適用于高SS含量的污泥處理

ACP

投資較省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單,容積負(fù)荷率較高,耐負(fù)荷能力強(qiáng)

停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),出水水質(zhì)相對(duì)較差

適用于高濃度、高懸浮物的有機(jī)廢水

AF

處理效率高,耐負(fù)荷能力強(qiáng),出水水質(zhì)相對(duì)較好

投資較大,反應(yīng)器容易短路和堵塞

適用于SS含量較低的有機(jī)廢水

AFBR

內(nèi)部混合狀態(tài)好,耐負(fù)荷能力強(qiáng),啟動(dòng)速度快

投資較大,設(shè)備維護(hù)成本高

適用于SS含量較低的有機(jī)廢水

UASB

處理效率高,耐負(fù)荷能力強(qiáng),出水水質(zhì)相對(duì)較好,工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

投資相對(duì)較大,對(duì)廢水SS含量要求嚴(yán)格

適用于SS含量適低的有機(jī)廢水

EGSB

處理效率高,耐負(fù)荷能力強(qiáng),出水水質(zhì)相對(duì)較好

投資相對(duì)較大,對(duì)廢水SS含量要求嚴(yán)格

適用于SS含量較少和濃度相對(duì)較低的有機(jī)廢水

IC

處理效率高,不易堵塞,投資較省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單,容積負(fù)荷率較高,抗沖擊負(fù)荷效果好

停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),出水水質(zhì)相對(duì)較差

適用于SS含量適低的有機(jī)廢水

USR

處理效率高,不易堵塞,投資較省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單,容積負(fù)荷率較高

結(jié)構(gòu)限制相對(duì)嚴(yán)格,單體體積較小

適用于高含固量的有機(jī)廢水

PFR

投資較省、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單,能耗低

容積負(fù)荷率低,效率較低,反應(yīng)器易堵塞,溫度不穩(wěn)定

適用于SS含量較高的污泥處理

以上就是目前較為常見的厭氧消化反應(yīng)器,每一種反應(yīng)器都有其優(yōu)缺點(diǎn),但針對(duì)不同反應(yīng)器的缺點(diǎn),國(guó)內(nèi)外都會(huì)有相應(yīng)的解決方案,以實(shí)現(xiàn)厭氧消化的高效化,故以上優(yōu)劣勢(shì)的分析與梳理,僅供大家參。

 

 

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