高效厌氧反应器流态与颗粒污泥流体力学特性研究进展刘永红

2010年第29卷第1期CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS·163·化工进展高效厌氧反应器流态与颗粒污泥流体力学特性研究进展刘永红1,2，周孝德1，贺延龄3（1西安理工大学水利工程博士后流动站，陕西西安710048；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）摘要：近年来，废水的厌氧生物处理工艺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。本文评述了当前国内外厌氧生物反应器研究以及应用方面的现状，对高效厌氧反应器流态以及颗粒污泥流体力学特性的一些最新研究进展作了综述并分析了我国此方面研究工作存在的问题。认为发挥多学科交叉互补的优势展开对工业规模厌氧污泥颗粒化现象的研究是今后研究工作努力的一个重要方向。关键词：高效厌氧反应器；颗粒污泥；水力特性中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000–6613（2010）01–0163–05Researchprogressinthehydrodynamicsofhigh-rateanaerobicreactorsandsludgegranulesLIUYonghong1,2，ZHOUXiaode2，HEYanling3（1Post-doctorateresearchstationofWaterConservancyEngineering，Xi'anUniversityofTechnology，Xi’an710048，Shaanxi，China；2DepartmentofChemicalEngineering，Xi’anPolytechnicUniversity，Xi’an710048，Shaanxi，China；3DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，Shaanxi，China）Abstract：High-rateanaerobictreatmenthasbecomeoneofthemostpopulardesignsforeffluenttreatmentinrecentyearsowingtoitsinherentpriorityinapplication.Thispapersummarizesthecurrentsituationinthestudyandapplicationofanaerobicreactors，andthenprovidesareviewonthelatestresearchprogressinthehydrodynamicsofthesereactorsandsludgegranules.Finally，someproblemsintherelatedresearchareaexistedinChinaareanalyzed.Itissuggestedthataninterdisciplinarycooperationisanimportantdirectionforthestudyandapplicationofanaerobictreatment.Keywords：high-rateanaerobicreactor;sludgegranules;hydrodynamics厌氧处理技术作为一种实现污水资源化的生物处理工艺，以其高效的处理能力，同时产生生物能源沼气，近二十年来引起了国内外学者的普遍关注，成为未来废水处理技术发展的一个重要趋势[1]。其发展经历了以厌氧消化池为代表的第一代（1896年）、以升流式厌氧污泥床（UASB）反应器为代表的第二代（20世纪70年代，水力上升流速0.5～2m/h）和以厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器为代表的第三代反应器技术（80年代，水力上升流速3～7m/h）。截至2001年[2]，世界上已有2000多个不同类型的高效厌氧反应器在啤酒、造纸、淀粉、化工、酒精等高浓度工业废水处理中得到了广泛应用，其中UASB和EGSB反应器所占比例高达75%。厌氧反应器技术的迅速发展，为解决当前环境恶化和污染治理、实现我国经济的可持续发展提供了强有力的、经济有效的技术手段。目前厌氧反应进展与述评收稿日期：2009–04–15；修改稿日期：2009–06–05。基金项目：国家自然科学基金（20946001，50579061）、国家水专项项目（2009ZX07212-002-002）、国家博士后一等科学基金（20080440192）及陕西省科学技术研究发展计划（2008k07-14）资助项目。第一作者简介：刘永红（1967—），男，博士，副教授，主要研究领域为废水的厌氧生物处理及高效厌氧反应器开发。电话[phone]；E–[e-mail]。DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2010.01.030化工进展2010年第29卷·164·器技术的研究和开发主要集中在欧美等发达国家。但到目前为止，第三代厌氧反应器技术在我国仍未能广泛应用，其根本原因有如下方面。首先，国外厌氧反应器应用技术壁垒。目前全球三大主要水处理公司Paques、Biothane、Biotim公司的UASB与EGSB反应器占到国际市场份额的74%以上。三大公司UASB与EGSB反应器技术对外严格保密。例如Biothane公司专利产品Biobed®EGSB反应器，该反应器稳定运行情况下10～15m/h水力上升流速远远超出了国内外实验室与一般工业规模EGSB反应器的3～7m/h的数值，但到目前为止向外披露的相关技术资料仍极为缺乏[3]。其次，国内研究工作未能体现多学科交叉互补的优势。虽然国内一些学者对生产性规模的EGSB反应器的启动与运行特性进行了研究，但研究工作未能体现多学科尤其是环境科学与化学工程学科交叉的优势。Biothane公司成功开发工业Biobed®EGSB反应器就是与荷兰Delft水力学院运用流态化理论合作完成的研发范例，这无疑对我国研究工作来讲是一个明显的提示。再次，国内极少对源自工业规模厌氧颗粒污泥的自固定化现象展开相关理论研究工作。国内大批在实验室规模上从物理、化学及生物学方面对颗粒污泥形成机理以及培养方法的研究工作虽然加深了人们对厌氧生物技术的认识，但针对工业厌氧颗粒污泥样品生化、物化、水力学特性等基本参数的测定以及其与反应器运行状况内在关联的研究极度缺乏。而国外学者则仍然非常重视针对工业反应器长时间运行过程中厌氧颗粒污泥样品性质方面的基础研究工作[4-9]。可以说，目前此方面理论和应用基础研究的缺乏已严重制约我国厌氧生物技术在应用领域的进一步拓展，开展相关基础研究具有现实的迫切性。因此本文作者对国内外高效厌氧反应器流态与颗粒污泥流体力学特性研究方面的现状作一回顾和介绍，分析了其存在问题，并对今后的研究方向提出建议。1高效厌氧反应器流态近年来为解决以上工程实践中出现的问题，国内外研究学者针对厌氧反应器内流体力学状况的研究工作取得了相当的进展。国外学者Singhal等[10]建立了UASB反应器的轴向扩散模型；Kalyuzhnyi等[11]讨论了UASB反应器基于污泥床高度动态变化的分散推流式模型；Batstone等[12]总结了实验室与工业厌氧反应器在水力学、流态方面的差异；DeCarvalho等[13]对流量不断变化的UASB反应器（160L）进行了流态示踪研究；Narayanan等[14]使用了2个多参数程序包对UASB反应器的流态进行了模拟研究。近期国内研究人员王卫京等[15]也运用计算机对UASB反应器内流场进行了数值模拟。王凯军等[16]对于275m3工业厌氧复合循环悬浮颗粒反应器，分别在不同水力停留时间和容积负荷条件下进行了6次脉冲示踪实验并利用组合流态模型进行了模拟与分析，在此基础上该国家863计划“高效厌氧生物反应器研制与应用课题”课题组（2002AA601190）开发成功了沼气循环和出水回流循环联合应用、将颗粒污泥床的膨胀率控制在25%～30%范围内的新型厌氧反应器（反应器结构见图1所示）。该反应器在一年的运行时间内平均负荷达40kgCOD/(m3·d)，昀高负荷达到了60kgCOD/(m3·d)。出水沼气气液分离器内回流沼气循环内循环三相分离器外回流布水系统颗粒污泥进水沉淀区图1厌氧复合循环悬浮颗粒（污泥）反应器结构示意图2厌氧颗粒污泥流体力学特性国内外从事厌氧生物处理技术的学者，对厌氧颗粒污泥的研究都十分重视，但研究工作大都集中在颗粒污泥的生化特性上，很少对厌氧颗粒污泥的流体力学特性进行系统研究。可喜的是这种情况近期有了较大的变化，国外Saravanan等[17]研究了厌氧复合床反应器中颗粒污泥床的膨胀规律，国内清华大学吴静等[18]在实验室IC反应器中发现了碰撞型厌氧颗粒污泥，并在国家自然科学基金的支持下开始进行不同水力条件下颗粒污泥发育过程的定量研究工作。第1期刘永红等：高效厌氧反应器流态与颗粒污泥流体力学特性研究进展·165·国家863计划“颗粒污泥特性与厌氧反应器流态研究”子课题组（2002AA601190）也从厌氧颗粒污泥与废水的各项物理参数的角度对于厌氧颗粒污泥的流体力学特性进行系统研究，在厌氧颗粒污泥沉降与膨胀这两方面的流体力学特性这两方面取得了以下重要的研究进展。2.1厌氧颗粒污泥的沉降特性沉降性能良好的颗粒污泥的形成和保持是高效厌氧反应器能够高负荷运行的关键，污泥颗粒化过程的成功与颗粒污泥沉降速度的确定密切相关[19]。传统研究中一般认为厌氧颗粒污泥的沉降过程属于层流（Ret0.2），其平均沉降速度应采用Stokes公式进行计算[20－21]；极少数学者采用过渡区的Allen公式对厌氧颗粒污泥的沉降速度进行计算[22]。但在相关研究中这些学者均未对颗粒污泥的雷诺数予以验正，从而支持自身的观点。厌氧颗粒污泥的沉降过程到底是属于层流区还是过渡区或其它情况，Liu等[23]对这一问题进行了理论分析与实验研究，得到了以下结论：厌氧颗粒污泥的流动状态属于过渡区（1Ret100）而非层流区，其平均沉降速度可按式（1）计算。()t1.60.40.6pp0.7140.781duρρµρ=−⎡⎤⎣⎦（1）式中，µ为废水黏度，Pa·s；ρ为废水密度，kg/m3；ρp为颗粒污泥密度，kg/m3；dp为颗粒污泥筛分直径，m。研究过程中本文作者采用荷兰Paques公司测定厌氧颗粒污泥沉降速度的标准沉降柱方法，对源自4个生产实例厌氧颗粒污泥的沉降速度测定的结果与文献[20]的数据以及使用公式（1），对这9组颗粒污泥样品的计算结果进行对比，见表1所示。表1中9组样品平均速度与雷诺数的平均相对误差分别为4.04%和1.68%，很明显，实验与理论分析结果表明厌氧颗粒污泥的流动状态属于过渡区（0.2Ret100）。表19组颗粒污泥样品平均速度与雷诺数理论计算值与实测值的对比[23]废水类型颗粒污泥直径/mm密度/kg·m－3测定平均沉降速度/m·h－1测定雷诺数模型计算平均沉降速度值/m·h－1计算雷诺数山东诸城玉米淀粉加工厂EGSB0.7424103025.335.2222.754.69甜菜制糖废水Ⅱ0.80108253.6011.9150.8111.29山东沂水淀粉加工厂EGSB1.19105054.6018.0556.1718.56山东沂水淀粉加工厂UASB1.30104055.2419.9552.9919.14山东诸城玉米淀粉加工厂UASB1.40104060.5023.5357.6722.42酒精厂废水1.50103952.9022.0461.2825.53土豆加工废水1.76105797.8047.8196.4547.16甜菜制糖废水Ⅰ1.89103883.3043.7378.3341.13废纸造纸废水2.20104298.9060.44100.861.16Gupta等[21]在不同有机负荷下对UASB、Hybridreac