新型内循环污泥浓缩消化反应器
摘要：本文 研究 开发了新型内循环污泥浓缩消化反应器(ICSTD)，实现了污泥浓缩消化一体化，并进行了城市污水厂污泥处理的试验研究。结果表明，当有机负荷9.68KgVS/m3.d，平均水力停留时间3.1日，污泥固体停留时间为54.8d时，污泥有机物分解率可达到79.1%，排泥含水率达到90%，且上清液清澈，污泥消化与浓缩过程起到了相互促进的作用。
关键词：内循环 厌氧消化 浓缩消化 反应器
Study on Sludge Internal Circulation Thickening and Digestion (ICSTD) Reactor
Abstract：A new kind of Internal Circulation Sludge Thickening and Digestion reactor (ICSTD) was developed, and the process of sludge treatment of municipal wastewater treatment plant was studied in this paper. The results shows that the 79.1% VS removal rate can be obtained, and the 90% containing water rated of discharged sludge can be obtained also, while influent organic loading rate 9.68KgVS/m3.d, and HRT3.1d. The thickening process will benefit for the digestion, and digestion process will benefit for the thickening process.
Key works：Internal Circulation ; anaerobic digestion; sludge thickening and digestion process; reactor
1 前言
随着我国 社会 经济 和城市化的 发展 ，城市污水的数量在不断增长。据预测[1]，2010年我国城市污水排放量将达到440亿m3/d;2020年将达到536亿m3/d。 目前 我国污水处理量和处理率虽然不高，但城市污水处理厂每年排放干污泥大约30万吨，而且还以每年10%的速度增长[2]。我国现有污水处理厂，有很大一部分污泥处理设施没有有效运行，污泥没有得到妥善处理，致使城市污水处理的最终 问题 落到了污泥处理处置上。因此，如何有效处理污水厂污泥是国际范围内污(废)水处理领域中所面临的最为重要而复杂的问题[3]。本研究基于内循环反应器的 理论 与设计，开发了一种新型污泥浓缩消化反应器(STDR)，将浓缩和消化集成在一个反应器的不同反应室，并使其相互促进，提高了反应器效率。
2 试验流程与 方法
2.1 试验流程
本试验在重庆城南污水处理厂进行。试验流程如图1所示，反应器有效容积为220L，其中起消化作用的主要是第二反应室，容积约80L。反应器高度为1.8米，其中污泥压缩区为0.4米，反应室区高度为1.2米，沉淀区为0.2米。反应器构造参数见表1，构造如图2所示。
试验污泥来
自二沉池底部，经自吸式排污泵抽至高位配泥箱，配泥箱中安装有恒流装置，起调节和恒定流量的作用，进泥采用半连续方式。污泥经配泥箱进入ICSTD反应器进行浓缩并消化处理，消化污泥由反应器底部排出，沼气由气液分离器顶部经洗气瓶和湿式气体流量计计量后排至室外，上清液由反应器出水区排出，由水箱计量上清液体积，采用沼气内循环进行连续搅拌。
表1 反应器的构造参数
Table1 Construction parameters of ICSTD
|
项目 功能分区 |
有效容积 （L） |
过水面积 （m2） |
功能 |
|
总体 |
220 |
0.1764 |
污泥浓缩与消化 |
|
第一反应室 |
60 |
0.0864 |
污泥浓缩与消化 |
|
第二反应室 |
80 |
0.09 |
污泥浓缩与消化 |
|
污泥压缩区 |
25 |
0.09 |
污泥浓缩 |
|
沉淀区 |
40 |
0.1764 |
上清液澄清 |
|
出水区 |
15 |
0.1764 |
上清液排出 |
|
固气液分离器 |
8 |
气液分离 |
2.2 试验过程与方法
试验包括启动期与负荷运行期，其运行温度在20℃～35℃之间。
启动时取重庆市唐家桥污水厂消化池污泥作为接种污泥，污泥接种量为50L，与二沉池底部污泥混合后装满反应器，关闭沼气收集计量装置，开动循环气泵，密闭运行2天，反应器在35天左右达到设计负荷并稳定运行，完成启动。
运行期主要是考察反应器在不同有机负荷下的浓缩消化效果，并寻求反应器的最大设计负荷。
3 试验结果与 分析
3.1试验结果
反应器在设计负荷下运行的试验结果如表2所示。
3.2 结果分析
3.2.1有机负荷对VS去除率的 影响
反应器有机负荷对VS去除率的影响如图3所示：
表2 试验结果
Tab.2 The results of the experiment
|
进泥量(L/d) |
32 |
44 |
58 |
70 |
85 |
|
HRT(d) |
6.9 |
5 |
3.8 |
3.1 |
2.6 |
|
SRT(d) |
120.6 |
135.6 |
75.6 |
54.8 |
41 |
|
有机负荷（KgVS/m3·d） |
3.08 |
6.14 |
8.38 |
9.68 |
11.25 |
|
有机物去除率（%） |
86.3 |
82.7 |
80 |
79.1 |
54.1 |
|
进泥浓度（%） |
98.9 |
98.4 |
98.3 |
98.3 |
98.4 |
|
排泥含水率（%） |
87.4 |
88.8 |
89.8 |
90 |
94.6 |
从图3可以看出，反应器有机物去除率与有机负荷呈一定 规律 性。随着反应器有机负荷的增大，有机物去除率逐渐减小，但当反应器的有机负荷达到9.68KgVS/m3.d时，反应器里的有机物去除率急剧下降，当负荷达到11.25KgVS/m3.d时，去除率降至54.07%。可见要取得较高的有机物去除率，反应器有机负荷拟控制在9.68KgVS/m3.d以内。
3.2.2 水力停留时间对VS的去除率影响
水力停留时间与VS去除率的关系如图4所示。
从图4可以看出，随着反应器水力停留时间的加大，有机物分解率加大，但可以看出在水力停留时间为3.1天时，有机物分解率达到79.08%，而水力停留时间达到6.9天时，有机物去除率为86.27%，比3.1天时大7%左右，但反应器的容积将加大一倍。
由此可见，水力停留时间为3.1天(负荷9.68KgVS/m3.d)时，有机物去除率达到79.08%，此工况点为反应器的较佳工况。
3.2.3 TS与VS随时间的变化
ICSTD反应器作为污泥浓缩消化一体的反应器，其底流排泥含水率反映了剩余污泥在其中的浓缩效果。而厌氧消化的主要目的之一在于降解有机物，使处理基质达到稳定状态，其中总固体TS与TS中有机物组分VS是厌氧消化的两个重要指标。通过VS/TS可以看出剩余污泥在反应器里的消化程度。
图5为试验过程中VS/TS的变化图(涵盖了所有负荷段)。由图5可以看出，进泥的VS/TS比较稳定，保持在0.63～0.69左右，经过ICSTD反应器后VS/TS降至0.2～0.33左右，其有机物降解率达到71.1%～85.9%，表明ICSTD反应器具有较好且稳定的消化效果。
3.2.4 含水率的变化
通过对反应器排泥含水率的测定可以看出ICSTD反应器的浓缩效果。图5为试验过程中含水率的变化图(涵盖了所有负荷段)。
由图6可以看出，反应器进泥浓度在98.3%左右，而稳定运行后排泥含水率在90%左右，浓缩效果良好。主要原因是反应器内污泥的厌氧消化过程中，有机物不断减少，而污泥不断无机化，在重力的作用下加速污泥的下沉，使之与污泥浓缩相互促进，可见ICSTD反应器较好地达到了浓缩消化相互促进的效果。
3.2.5日产气量的变化
图7为试验过程的产气量变化曲线。
从图7可以看出，随着试验的稳定和负荷的增加，反应器产气量总体呈上升趋势，但有时出现下降，主要是因为反应器进泥量波动出现冲击负荷，导致产气量下降，但经过两天左右，产气量又会上升。本研究中反应器里产甲烷活性较高平均产气率为1.17 m3 /m3泥。
3.3反应器 影响 因素 分析
3.3.1 pH值
pH值是厌氧消化处理最重要的影响因素之一。在本试验pH值变化情况如图8所示：
由图8可以看出,进泥和上清液的pH值变化较大，没有一定的 规律 性，但pH值的范围都在7.0～8.0之间。从第一反应室中部和第二反应室中部的pH值来看，反应器内部的pH值变化不大，曲线比较平缓，其值范围在7～7.8之间，大部分值在7.4～7.6之间波动，该值处于产甲烷菌生长的最佳pH范围，说明该反应器内污泥厌氧消化状况良好。
3.3.2 有机酸VFA(以乙酸计)的影响
有机酸(VFA)是厌氧消化过程中另一项重要性能指标。有资料表明，运行良好的厌氧消化反应器，其VFA浓度应小于500mgHAc/L，最好是低于300 mgHAc/L[4]。乙酸浓度在200 mgHAc/L～400 mgHAc/L通常认为是正常的良好消化[5]。本试验中对反应器的进泥、第一反应室中部、第二反应室中部、上清液的VFA值进行测定。如图9所示。
从图9可以看出，反应器内的有机酸浓度变化较大，反应器内的有机酸浓度明显比进泥的有机酸浓度大，从第一反应室中部和第二反应室中部的曲线走向来看趋于一致，只是第一反应室中部的有机酸浓度变化趋势大于第二反应室中部，主要是前者取样口位于第一反应室中部，在进泥口上方，受进泥的影响较大。总体上反应器的有机酸浓度基本在300 mgHAc/L以内，反应器内从未出现过酸化现象，并运行良好。
4 结论
①内循环污泥浓缩消化反应器(ICSTD)提出了污泥浓缩消化一体化的新工艺，实现了污泥在浓缩过程中消化，在消化过程中浓缩，且浓缩功能与消化功能相互促进，是污泥浓缩与污泥厌氧消化领域的一个突破。
②ICSTD反应器的消化效果良好，温度在20℃～35℃之间。试验结果表明，污泥中有机物含量由进泥的63%～69%降低到排泥的20%～33%，有机物分解程度达到了71.1%～85.9%。较佳运行参数为有机负荷9.68KgVS/m3.d，水力停留时间3.1天，有机分解率79%，达到并超过了高负荷消化池的有机分解率。
③ICSTD反应器具有较好的浓缩效果，进泥含水率98.3%左右，在水力停留时间3.1d条件下，污泥浓缩停留时间为54.8d，排泥含水率在90%左右，浓缩效果优于普通的浓缩池。
④STDR各反应室的pH值均在7.0～8.0之间，VFA一般在300mg/L左右,产气率为1.17 m3 /m3泥，反应器结构较为合理，具有良好的厌氧消化和浓缩的条件。
参考 文献 ：
[1] 李季, 吴为中. 国内外污水处理厂污泥产生、处理及处置分析. 徐强主编《污泥处理处置技术及装置》. 北京: 化学 工业 出版社, 2003.7: 1~11
[2] 金儒霖, 刘永龄. 《污泥处置》. 北京: 中国 建筑工业出版社, 1982.8
[3] K-H. Linder. Anforderungen an die Klarschlammentsorgung in Europa. Korres-pondenz Abwasser,1993,40(1),80～84
[4] C.P.LEislie Grady Jr & Herry C.Lim 著，李献文、杨西昆等译.废水生物处理 理论 与 应用 .北京：中国建筑工业出版社，1989
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