新型内循环污泥浓缩消化反应器

新型内循环污泥浓缩消化反应器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Table1ConstructionparametersofICSTD项目功能分区有效容积（L）过水面积（m2）功能总体2200.1764污泥浓缩与消化第一反应室600.0864污泥浓缩与消化第二反应室800.09污泥浓缩与消化污泥压缩区250.09污泥浓缩沉淀区400.1764上清液澄清出水区150.1764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.2Theresultsoftheexperiment进泥量(L/d)3244587085HRT(d)6.953.83.12.6SRT(d)120.6135.675.654.841有机负荷（KgVS/m3·d）3.086.148.389.6811.25有机物去除率（%）86.382.78079.154.1进泥浓度（%）98.998.498.398.398.4排泥含水率（%）87.488.889.89094.6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。3.2.3TS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1.17m3/m3泥。3.3反应器影响因素分析3.3.1pH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300mgHAc/L[4]。乙酸浓度在200mgHAc/L～400mgHAc/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300mgHAc/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1.17m3/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。