新型內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器
摘要：本文 研究 開發(fā)了新型內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器(ICSTD)，實(shí)現(xiàn)了污泥濃縮消化一體化，并進(jìn)行了城市污水廠污泥處理的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷9.68KgVS/m3.d，平均水力停留時(shí)間3.1日，污泥固體停留時(shí)間為54.8d時(shí)，污泥有機(jī)物分解率可達(dá)到79.1%，排泥含水率達(dá)到90%，且上清液清澈，污泥消化與濃縮過程起到了相互促進(jìn)的作用。
關(guān)鍵詞：內(nèi)循環(huán) 厭氧消化 濃縮消化 反應(yīng)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
隨著我國 社會 經(jīng)濟(jì) 和城市化的 發(fā)展 ，城市污水的數(shù)量在不斷增長。據(jù)預(yù)測[1]，2010年我國城市污水排放量將達(dá)到440億m3/d;2020年將達(dá)到536億m3/d。 目前 我國污水處理量和處理率雖然不高，但城市污水處理廠每年排放干污泥大約30萬噸，而且還以每年10%的速度增長[2]。我國現(xiàn)有污水處理廠，有很大一部分污泥處理設(shè)施沒有有效運(yùn)行，污泥沒有得到妥善處理，致使城市污水處理的最終 問題 落到了污泥處理處置上。因此，如何有效處理污水廠污泥是國際范圍內(nèi)污(廢)水處理領(lǐng)域中所面臨的最為重要而復(fù)雜的問題[3]。本研究基于內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的 理論 與設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種新型污泥濃縮消化反應(yīng)器(STDR)，將濃縮和消化集成在一個(gè)反應(yīng)器的不同反應(yīng)室，并使其相互促進(jìn)，提高了反應(yīng)器效率。
2 試驗(yàn)流程與 方法
2.1 試驗(yàn)流程
本試驗(yàn)在重慶城南污水處理廠進(jìn)行。試驗(yàn)流程如圖1所示，反應(yīng)器有效容積為220L，其中起消化作用的主要是第二反應(yīng)室，容積約80L。反應(yīng)器高度為1.8米，其中污泥壓縮區(qū)為0.4米，反應(yīng)室區(qū)高度為1.2米，沉淀區(qū)為0.2米。反應(yīng)器構(gòu)造參數(shù)見表1，構(gòu)造如圖2所示。
試驗(yàn)污泥來
自二沉池底部，經(jīng)自吸式排污泵抽至高位配泥箱，配泥箱中安裝有恒流裝置，起調(diào)節(jié)和恒定流量的作用，進(jìn)泥采用半連續(xù)方式。污泥經(jīng)配泥箱進(jìn)入ICSTD反應(yīng)器進(jìn)行濃縮并消化處理，消化污泥由反應(yīng)器底部排出，沼氣由氣液分離器頂部經(jīng)洗氣瓶和濕式氣體流量計(jì)計(jì)量后排至室外，上清液由反應(yīng)器出水區(qū)排出，由水箱計(jì)量上清液體積，采用沼氣內(nèi)循環(huán)進(jìn)行連續(xù)攪拌。
表1 反應(yīng)器的構(gòu)造參數(shù)
Table1 Construction parameters of ICSTD
|
項(xiàng)目 功能分區(qū) |
有效容積 （L） |
過水面積 （m2） |
功能 |
|
總體 |
220 |
0.1764 |
污泥濃縮與消化 |
|
第一反應(yīng)室 |
60 |
0.0864 |
污泥濃縮與消化 |
|
第二反應(yīng)室 |
80 |
0.09 |
污泥濃縮與消化 |
|
污泥壓縮區(qū) |
25 |
0.09 |
污泥濃縮 |
|
沉淀區(qū) |
40 |
0.1764 |
上清液澄清 |
|
出水區(qū) |
15 |
0.1764 |
上清液排出 |
|
固氣液分離器 |
8 |
氣液分離 |
2.2 試驗(yàn)過程與方法
試驗(yàn)包括啟動期與負(fù)荷運(yùn)行期，其運(yùn)行溫度在20℃～35℃之間。
啟動時(shí)取重慶市唐家橋污水廠消化池污泥作為接種污泥，污泥接種量為50L，與二沉池底部污泥混合后裝滿反應(yīng)器，關(guān)閉沼氣收集計(jì)量裝置，開動循環(huán)氣泵，密閉運(yùn)行2天，反應(yīng)器在35天左右達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷并穩(wěn)定運(yùn)行，完成啟動。
運(yùn)行期主要是考察反應(yīng)器在不同有機(jī)負(fù)荷下的濃縮消化效果，并尋求反應(yīng)器的最大設(shè)計(jì)負(fù)荷。
3 試驗(yàn)結(jié)果與 分析
3.1試驗(yàn)結(jié)果
反應(yīng)器在設(shè)計(jì)負(fù)荷下運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
3.2 結(jié)果分析
3.2.1有機(jī)負(fù)荷對VS去除率的 影響
反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷對VS去除率的影響如圖3所示：
表2 試驗(yàn)結(jié)果
Tab.2 The results of the experiment
|
進(jìn)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 |
|
有機(jī)負(fù)荷（KgVS/m3·d） |
3.08 |
6.14 |
8.38 |
9.68 |
11.25 |
|
有機(jī)物去除率（%） |
86.3 |
82.7 |
80 |
79.1 |
54.1 |
|
進(jìn)泥濃度（%） |
98.9 |
98.4 |
98.3 |
98.3 |
98.4 |
|
排泥含水率（%） |
87.4 |
88.8 |
89.8 |
90 |
94.6 |
從圖3可以看出，反應(yīng)器有機(jī)物去除率與有機(jī)負(fù)荷呈一定 規(guī)律 性。隨著反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷的增大，有機(jī)物去除率逐漸減小，但當(dāng)反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷達(dá)到9.68KgVS/m3.d時(shí)，反應(yīng)器里的有機(jī)物去除率急劇下降，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到11.25KgVS/m3.d時(shí)，去除率降至54.07%？梢娨〉幂^高的有機(jī)物去除率，反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷擬控制在9.68KgVS/m3.d以內(nèi)。
3.2.2 水力停留時(shí)間對VS的去除率影響
水力停留時(shí)間與VS去除率的關(guān)系如圖4所示。
從圖4可以看出，隨著反應(yīng)器水力停留時(shí)間的加大，有機(jī)物分解率加大，但可以看出在水力停留時(shí)間為3.1天時(shí)，有機(jī)物分解率達(dá)到79.08%，而水力停留時(shí)間達(dá)到6.9天時(shí)，有機(jī)物去除率為86.27%，比3.1天時(shí)大7%左右，但反應(yīng)器的容積將加大一倍。
由此可見，水力停留時(shí)間為3.1天(負(fù)荷9.68KgVS/m3.d)時(shí)，有機(jī)物去除率達(dá)到79.08%，此工況點(diǎn)為反應(yīng)器的較佳工況。
3.2.3 TS與VS隨時(shí)間的變化
ICSTD反應(yīng)器作為污泥濃縮消化一體的反應(yīng)器，其底流排泥含水率反映了剩余污泥在其中的濃縮效果。而厭氧消化的主要目的之一在于降解有機(jī)物，使處理基質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中總固體TS與TS中有機(jī)物組分VS是厭氧消化的兩個(gè)重要指標(biāo)。通過VS/TS可以看出剩余污泥在反應(yīng)器里的消化程度。
圖5為試驗(yàn)過程中VS/TS的變化圖(涵蓋了所有負(fù)荷段)。由圖5可以看出，進(jìn)泥的VS/TS比較穩(wěn)定，保持在0.63～0.69左右，經(jīng)過ICSTD反應(yīng)器后VS/TS降至0.2～0.33左右，其有機(jī)物降解率達(dá)到71.1%～85.9%，表明ICSTD反應(yīng)器具有較好且穩(wěn)定的消化效果。
3.2.4 含水率的變化
通過對反應(yīng)器排泥含水率的測定可以看出ICSTD反應(yīng)器的濃縮效果。圖5為試驗(yàn)過程中含水率的變化圖(涵蓋了所有負(fù)荷段)。
由圖6可以看出，反應(yīng)器進(jìn)泥濃度在98.3%左右，而穩(wěn)定運(yùn)行后排泥含水率在90%左右，濃縮效果良好。主要原因是反應(yīng)器內(nèi)污泥的厭氧消化過程中，有機(jī)物不斷減少，而污泥不斷無機(jī)化，在重力的作用下加速污泥的下沉，使之與污泥濃縮相互促進(jìn)，可見ICSTD反應(yīng)器較好地達(dá)到了濃縮消化相互促進(jìn)的效果。
3.2.5日產(chǎn)氣量的變化
圖7為試驗(yàn)過程的產(chǎn)氣量變化曲線。
從圖7可以看出，隨著試驗(yàn)的穩(wěn)定和負(fù)荷的增加，反應(yīng)器產(chǎn)氣量總體呈上升趨勢，但有時(shí)出現(xiàn)下降，主要是因?yàn)榉磻?yīng)器進(jìn)泥量波動出現(xiàn)沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降，但經(jīng)過兩天左右，產(chǎn)氣量又會上升。本研究中反應(yīng)器里產(chǎn)甲烷活性較高平均產(chǎn)氣率為1.17 m3 /m3泥。
3.3反應(yīng)器 影響 因素 分析
3.3.1 pH值
pH值是厭氧消化處理最重要的影響因素之一。在本試驗(yàn)pH值變化情況如圖8所示：
由圖8可以看出,進(jìn)泥和上清液的pH值變化較大，沒有一定的 規(guī)律 性，但pH值的范圍都在7.0～8.0之間。從第一反應(yīng)室中部和第二反應(yīng)室中部的pH值來看，反應(yīng)器內(nèi)部的pH值變化不大，曲線比較平緩，其值范圍在7～7.8之間，大部分值在7.4～7.6之間波動，該值處于產(chǎn)甲烷菌生長的最佳pH范圍，說明該反應(yīng)器內(nèi)污泥厭氧消化狀況良好。
3.3.2 有機(jī)酸VFA(以乙酸計(jì))的影響
有機(jī)酸(VFA)是厭氧消化過程中另一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。有資料表明，運(yùn)行良好的厭氧消化反應(yīng)器，其VFA濃度應(yīng)小于500mgHAc/L，最好是低于300 mgHAc/L[4]。乙酸濃度在200 mgHAc/L～400 mgHAc/L通常認(rèn)為是正常的良好消化[5]。本試驗(yàn)中對反應(yīng)器的進(jìn)泥、第一反應(yīng)室中部、第二反應(yīng)室中部、上清液的VFA值進(jìn)行測定。如圖9所示。
從圖9可以看出，反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)酸濃度變化較大，反應(yīng)器內(nèi)的有機(jī)酸濃度明顯比進(jìn)泥的有機(jī)酸濃度大，從第一反應(yīng)室中部和第二反應(yīng)室中部的曲線走向來看趨于一致，只是第一反應(yīng)室中部的有機(jī)酸濃度變化趨勢大于第二反應(yīng)室中部，主要是前者取樣口位于第一反應(yīng)室中部，在進(jìn)泥口上方，受進(jìn)泥的影響較大。總體上反應(yīng)器的有機(jī)酸濃度基本在300 mgHAc/L以內(nèi)，反應(yīng)器內(nèi)從未出現(xiàn)過酸化現(xiàn)象，并運(yùn)行良好。
4 結(jié)論
①內(nèi)循環(huán)污泥濃縮消化反應(yīng)器(ICSTD)提出了污泥濃縮消化一體化的新工藝，實(shí)現(xiàn)了污泥在濃縮過程中消化，在消化過程中濃縮，且濃縮功能與消化功能相互促進(jìn)，是污泥濃縮與污泥厭氧消化領(lǐng)域的一個(gè)突破。
②ICSTD反應(yīng)器的消化效果良好，溫度在20℃～35℃之間。試驗(yàn)結(jié)果表明，污泥中有機(jī)物含量由進(jìn)泥的63%～69%降低到排泥的20%～33%，有機(jī)物分解程度達(dá)到了71.1%～85.9%。較佳運(yùn)行參數(shù)為有機(jī)負(fù)荷9.68KgVS/m3.d，水力停留時(shí)間3.1天，有機(jī)分解率79%，達(dá)到并超過了高負(fù)荷消化池的有機(jī)分解率。
③ICSTD反應(yīng)器具有較好的濃縮效果，進(jìn)泥含水率98.3%左右，在水力停留時(shí)間3.1d條件下，污泥濃縮停留時(shí)間為54.8d，排泥含水率在90%左右，濃縮效果優(yōu)于普通的濃縮池。
④STDR各反應(yīng)室的pH值均在7.0～8.0之間，VFA一般在300mg/L左右,產(chǎn)氣率為1.17 m3 /m3泥，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)較為合理，具有良好的厭氧消化和濃縮的條件。
參考 文獻(xiàn) ：
[1] 李季, 吳為中. 國內(nèi)外污水處理廠污泥產(chǎn)生、處理及處置分析. 徐強(qiáng)主編《污泥處理處置技術(shù)及裝置》. 北京: 化學(xué) 工業(yè) 出版社, 2003.7: 1~11
[2] 金儒霖, 劉永齡. 《污泥處置》. 北京: 中國 建筑工業(yè)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，李獻(xiàn)文、楊西昆等譯.廢水生物處理 理論 與 應(yīng)用 .北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989
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