流态研究推动下的高效厌氧生物反应器的发展_朱晓玲

收稿日期:2008-09-04作者简介:朱晓玲(1966-),女,陕西榆林人,工程师,从事水处理等工作。通讯作者:刘永红(1968-),男,陕西西安人,博士,副教授,主要从事水处理及其资源化的研究工作。流态研究推动下的高效厌氧生物反应器的发展朱晓玲1,刘永红2,刘宗宽3,雷朝红4(1.榆林市自来水公司,陕西榆林719000;2.西安工程大学化工系,陕西西安710048;3.西安交通大学环境科学与工程系,陕西西安710049;4.神木化学工业有限公司,陕西神木719319)摘要:近年来以膨胀颗粒污泥床反应器、内循环厌氧反应器等为代表的第三代高效厌氧反应器以其独特的技术优势在各种废水处理领域得到了广泛的应用。从反应器内流动状态研究的角度,分析并总结了几种典型的高效厌氧反应器的流态特征,探讨及回顾了当代高效厌氧反应器设计思路及其发展历史,指出高效厌氧反应器的流态研究成为进行新型厌氧反应器开发与应用的理论基础与研究重点之一。关键词:高效厌氧反应器;流态;厌氧生物处理中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:1008-3871(2008)06-0063-041引言近20年来,厌氧生物处理技术以其高效的处理能力,同时产生生物能源-沼气,引起了国内外学者的普遍关注。该技术作为一种实现污水资源化的成熟处理工艺,显示出了良好的产业发展前景,成为未来废水处理技术发展的一个重要趋势[1]。经过二十多年的实践和理论研究后,上世纪90年代中后期厌氧生物技术在欧洲出现了突破性的进展。其主要标志是:①荷兰Wageningen农业大学的莱廷格教授发明的目前在全世界3/4的厌氧污水处理厂中应用的上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器(UpflowAnaerobicSludgeBlanketReactor,简称UASB),2007年莱廷格教授因此荣获泰勒环境成就奖;②Biothane公司与荷兰Delft水力学院合作开发的工业厌氧膨胀颗粒污泥床反应器(ExpandedGranularSludgeReactor,简称EGSB)[2]。在废水厌氧生物处理过程中,反应器的设计和运行性能除与参与反应过程的微生物类群特性有密切的关系外,还与反应物料在反应器内的流动与混合状况有极大的关系。这是因为:①反应器中物料的流动与混合状况不仅影响反应或处理过程中底物的转化效率,而且与工艺的运行稳定性、所需的反应时间及设备的投资有关,因而流态类型是决定反应进行状况的重要工程因素;②在废水生物处理工程中,厌氧反应器或反应器系统中液体介质的流态对产物的转化率有着重要的影响。CSTR反应器(con-tinuous-flowstirredtankreactor)虽可满足确保反应介质间均匀的混合接触,提高反应器有效容积的利用率及设备的运行稳定性,但难以满足创造高的浓度梯度,促进介质间的传质,以获得高的产物转化率。而PFR反应器(continuousplugflowreactor)则相反。因此,应通过工艺运行方式的改进使反应器既具有完全混合的优点又具有推流即复合流态的优点[3]。近年来国内外研究学者已纷纷开始重视厌氧反应器内的流态的研究并取得了一定的进展。Singhal研究并建立了UASB反应器的轴向扩散模型[4]。Kalyuzhnyi建立了UASB反应器基于污泥床高度动态变化的分散推流式模型[5]。Batstone研究了实验室与工业厌氧反应器在水力学、流态方面的差异[6]。王卫京等运用计算机对UASB厌氧反应器内的流场进行了数值模拟[7]。王凯军等在对反应器流态深入研究的基础上开发成功了我国首个具有知识产权-厌氧复合循环颗粒污泥悬浮床反应器,使得我国在新型厌氧生物反应器领域内实现了跨越式发展[8]。2稳态厌氧颗粒污泥反应器流态特征与厌氧反应过程之间的关系随着微生物学、生物化学等学科的发展以及人们对厌氧生物处理技术的研究不断深入,大大地推动了以微生物固定化和提高污泥与污水混合效率为基础的一系列高速厌氧反应的研究和发展。高速率2008年11月第18卷第6期榆林学院学报JOURNALOFYULINCOLLEGENov.2008Vol.18No.6厌氧处理系统应该满足能够保持大量的活性厌氧污泥和取得进水和污泥之间的充分接触两个基本条件。在厌氧反应器这个特殊生态环境下,颗粒污泥的形成是微生物自然优选生存条件的必然结果,微生物的自然选择应使生长环境对自己有利。对于稳态反应器而言,绝大部分厌氧颗粒污泥的大小维持在一定范围内,不在此范围的颗粒污泥将逐渐解体。故颗粒污泥的大小和结构是以维持颗粒内外的菌体最大程度的接近各自的最佳微环境为前提而自然确立的,即在厌氧颗粒污泥床中传质阻力明显的厌氧颗粒污泥是很少的[9]。同时在废水的处理过程中,颗粒污泥内部同时存在着传质和生化反应两个过程。由于水处理过程中化学反应速