UASB反应器及其应用王德成

1990年第3期代化主.53.UASB反应器及其应用王德成(四川化工总厂)生物反应器技术是生物化工的关键技术,一种新型反应器的出现便意味着一种新工艺的诞生,甚至可以推动整个生物化工技术的进步。这里要介绍的上流厌氧污泥层反应器(UpflowAnaerobics一udgeBlanketeRacot)r便是一个给人们带来启发,并将生物催化剂固定化技术和废水处理技术向前推进一步的例子。一、uAsB反应器的出现70年代末人们开始普遍采用曝气法处理工业废水,但流量调节困难,所产生的大量污泥难以处理和操作费用高等明显缺点迫使人们研究更好的方法。仍然是中国文化启发了现代科学家,中国很早便开始采用厌氧发酵技术处理人畜排泄物和农业废弃物生产沼气(主要成分是甲烷)作为撇料使用。用厌氧发酵法处理废水能耗低,每消化一摩尔基质比通气发酵法所获得的热能低,所产生的污泥也少。因此,不少工业国家逐步转向用厌暇消化法处理工业废水。初级阶段普遍采用浮游增殖型反应器,但甲烷菌增殖十分缓慢,菌体浓度不可能很高,而复杂有机物的消化是一个由液化、酸化和甲烷化过程组成的多步反应,引起了停留时间长(2。一30日),设备容积效率低、体积庞大、投资大等弊病。为了克服这些困难,人们开发了固定床,流化床和施转圆盘琳水式反应器,使菌体附着在载体表面生长紧殖,以提高反应器内菌体浓度。荷兰址ttinga(Agraeuztuerunivesrstyofwagveingen)博士设想了一个接触式反应器,认为污泥应该在反应器内沉淀下来而不应该是在出了反应器之后,并制造了一个实验室规模的反应器。反应器顶部设有三相分离器,轻软疏松分散的污泥降沉到反应器底部形成污泥层,称它为上流厌氧污泥层反应器。在中间实验装置上取得了比实验室规模反应器更好的结果。在反应器的底部产生了沉降性极好的直径为1一3mm的污泥顺粒,这些颗粒不断积累便形成了类似固定床反应器中催化剂床层的污泥颗粒床层(garnulssludgobed),沉降性稍差的松软物质在污泥颗粒床层之上形成污泥层。这些颗粒和污泥层主要由甲烷菌组成,这就是生物催化剂。由于污泥顺粒的良好的沉降性能大大提高了污泥浓度(菌体浓度),从而提高了反应器的负荷力。由于顾粒的形成使水力学停留时间HRT(hydraulicersidecneti:ne)和污泥停留时间SRT(sludgeerside~time)相互独立,可分别控制,适应性强,易于操作。更有意义的是这种生物反应器的出现提出了一种新的生物催化剂固定化方法。我们知道提高生物催化剂浓度和生物催化剂的反复使用,是提高生物反应器生产能力和实现连续生产的重要途径,生物催化剂固定化技术是实现这种途径的方法之一。与以往的固定化方法不同,在uAsB反应器,中积极利用微生物凝聚、结块机能(Aggregation),使微生物集聚成顺粒,不要人为地加入固定化载体,所以叫做自己固定化(self一immob”盼,tlon),这是一种崭新的生物他化剂固定化方法。虽然微生物自己固定化的机理尚不清楚,但却引起了人们极大兴趣。可以预料微生物自己固定化方法,将成为生物化学工程研究的一个重要课题。二、uAsB反应器的基本原理如图l所示,UASB反应器装置底部是能保持高浓度菌体的污泥床层和其上面菌体浓度较低的污泥层,顶部是能够分离污泥—处理水—生成气体三相物踌踌澎澎图1UASB反应器原理图DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.1990.03.015化1990年第3期质的分离器,叫做GSs(Gas一solids一seParator)。usAB反应器必须具备4个条件:①废水能够自下而上地在反应器流动,②反应器顶部必须配备Gss装t,⑧废水能够从底部均匀地流入污泥床层,④产生的气体能够温和地搅动污泥层。其中最重要的是GSSo为了抑制增殖很慢收率甚低的甲烷菌冲出并保证反应器内积蓄充分的菌体,GsS装置必须具备三种机能:①在污泥进入沉淀室之前使之与气体分离,②能抑制沉淀室内的流动状态促进污泥絮凝,③防止污泥在沉淀室内滞留使之迅速返回到污泥床层。此外,UABS反应器内没有设置机械搅拌器,完全靠生成气来搅拌,所以反应器底部的废水进口分配系统是重要的设计因素。特别是起动低浓度废水和低负荷情况下生成气体不足以搅拌污泥床层。为了防止沟流,提高菌体与基质接触效率,可以根据污泥床层的性状在反应器底部设多个喷嘴`实际运行中的UABS反应器的高度多为5一6。,最高的有10二。三、UASB反应器的应用1.废水处理因为UASB反应器是在解决废水处理间题过程中提出来的,所以首先在废水处理工程中获得了广泛应用。现在世界各地有150多个废水处理装置采用了uAsB反应器,反应器容积达6o00m,,这些技术多出于荷兰的Decthengieenringfirmso典型的厌氧消化废水处理装置如图2所示,它由5个单元组成:①缓冲槽从工厂排出的废水流入该槽储存以保持进入uAsB反应器流量稳定,废水在排水沟渠系统和缓冲槽内会发生液化和酸化反应,所以要向级冲槽加入Na0H或ca(0H):,同时伴以轻微搅拌来控制废水PH,缓冲槽容积为uASB反应器容积的20%一100%,出缓冲槽的废水的酸化度大致为20%一70%,这要决定于废水种类和废水在缓冲糟内的停留时间。②uAsB反应器废水和部分酸化的污泥由缓冲槽送到UAsB反应器,水力停留时间主要取决于cOD浓L||段缓缓冲槽槽槽槽槽槽槽眼气后后UUUUUUUASBBBBB’处理单元’’过剩护引尼图2用UABS反应器处理废水的流程图度,大致为4一48小时。反应器内的生物质平均浓度为可以不断生长,直径可达5mm左右,并且可通过调15一30gk/m,,实际活性可高达。.2kgc0D/kgvvSD。节过剩污泥量使之从反应器中卸出。菌体平均停留时反应器负荷率在处理低强度废水时由水力条件决定,间为120一300日,污泥顺粒直径分布可以作为污泥在处理高强度废水时取决于生成气体的上升流速。超负反应器内停留时间分布。荷运行会发生污泥层被冲浪的危险。③爆气后处理单元从uAsB反应器流出的废反应器一般情况下不需加热,只要保温就可以维水进入好气后处理单元。持正常操作温度。④最终沉淀池由厌氧和好气处理生成的污泥在处理高强度废水时,如果进口流速太低会产生在污泥处理装置中沉淀分离。过剩污泥顺粒可以出沟流,这可以采用部分循环法加强混合,防止在污泥售给其它新开工的水处理装置作为菌种使用,每m,售床层引起沟流。价高达500美元。酸化的污泥在UASB反.应器中被无机化和消化成.⑤气柜消化过程中产生的气体送到气柜或放甲烷。因为酸化菌的增殖受到基质的限制,同时也容空。易溶菌消失,污泥顺粒主要是甲烷菌组成,污泥颗粒用UASB反应器处理废水有如下优点:1990年第3期化①负荷率高达ZokgCoD/m,`d,②水力学停留时间可低到`4h,⑧因负荷率高,装置占地面积小,④能生产富能沼气,⑧因设计简单、操作费用低和能耗低,所以总投资低,⑥过刹污泥少而且沉降性好,性能稳定。⑦反应器开工容易,因为可从其它装置获得污泥种,只有处理特殊废水时需要较长的驯养时间,⑧因为负荷率高,在建设时可以减少或无需容积余蚤,也能简单应付偶然的COD与水力学冲击,⑧基本上不存在有毒化合物毒害问题,因为所有工业规模的反应器都是在实验室和中间实验装置上实验之后才设计的。有毒物质应在进入水处理之前处理。L因为甲烷菌不容易产生溶菌现象,污泥可以在环境温度下无基质也能保存1年,几个星期之内便可以恢复正常负荷,季节性的农产品加工工厂可以方便地使用uA写B反应器。2.维生素B一12的生产甲烷菌是维生素B一12的产生菌,近年来有不少研究者进行着利用甲烷菌厌氧发酵生产维生素B一12的研究,uAsB反应器的出现为这些研究者提供了一种新的研究手段。在原理上仍然是使纯培养或混合培养的菌体自己固定形成顺粒或絮凝沉积在反应器底部,增大反应器内部菌体浓度,并且可反复长期培养,从而提高B一12的浓度和实现连续生产。3.其它应用菌体自己固定化现象并不只限于厌氧菌,也不限于废水处理过程。好氧菌和其它发醉生产过程仍然可以应用微生物自己固定化方法达到特殊的目的。·UASB技术从开发到工业化的历史还很浅,还有很多需要今后逐渐解决的问题。特别是使uAsB技术成立的厌氧污泥自己固定化的机理的探明和利用,是进一步发展这项技术不可缺少的。梦粉粉粉粉粉,翻御如如翻翻翻如翻如翻粉翻翻粉粉粉翻嘴超强酸及其应用___~__.,.`___._.书粉冲翻钊`益队吸上冷石油化工总厂塑料厂)如御如御岭仲嘴.,`.`..,各一、超强酸超强酸是指比100%硫酸酸性更强的酸,是一种连蜡烛都能溶解的强酸。超强酸对有机化合物具有非常强的作用能力。一些必须在高温下才能进行的饱和烃的反应,在超强酸的作用下,可在室温条件下进行,它甚至可以使对离子反应无甚活性的甲烷发生离子型反应。我们知道,固体酸可以作为催化剂用于有机催化反应中,例如烃类的裂化、烯烃的异构化、芳烃的烷基化、聚合等。自从70年代超强酸作为有机化工的催化剂使用以来,由于反应物和产物易于分离、催化剂可以反复使用、对反应设备无腐蚀、废催化剂无严重公害,利用它进行反应,可以使生产达到节能、增产的目的,因此它在有机催化反应领域中发挥的作用日趋增大,用途相当广泛,尤其是固体超强酸更具有实用价值,已经越来越引起人们的关注。固体超强酸大体可以分为两大类。一类是含卤素的,例如将SbF.、BF。附载在510广Al:0.、510犷Tio:、Tio:一zro:或石星上,将s叨。一HF附载在Pt、lA上,将卜附载在TbIA:、ErIA。上等。另一类是非卤素的,例如在Zr:O,、Tio:、Fe:0.中添加少t的50.,一,再在500一600℃般烧而成。.作为催化剂使用的超强酸,它的作用机理不同于以往酸催化剂的阳碳离子机理、碱催化剂的阴碳离子机理,也不同于热和光的游离基机理,而是H+攻击:CH的口键,生成5配位碳红化合物中间体的机理(非古典阳碳离子机理)。近年来,有关超强酸的研究、应用的开发发展很快,新的品种逐渐增加,并且在煤液化和化工生产中的应用也不断地扩大。二、超强酸在煤液化上的应用石油危机后,煤的液化再度受到重视。研究结果表明,超强酸是一种很有发展前途的煤液化催化剂。用超强酸HF:BF:(酸强度H。。一16)在105℃、4小时的条件下进行煤的分解、组化液化,毗吮的抽提率90%。若在更高的温度(15。一170℃)下反