無需三相分離器的新一代高速厭氧發(fā)酵技術(shù) 原創(chuàng) IWA IWA國際水協(xié)會

談起污水處理的厭氧消化技術(shù)，大家比較熟悉的是UASB、EGSB和IC三種工藝技術(shù)。它們分別是升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(Upflow Anaerobic Sludge Bed)、膨脹式顆粒污泥床反應(yīng)器(Expanded Granular Sludge Bed)和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation)的英文簡稱。UASB工藝由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)榮譽(yù)教授Gatze Lettinga在1970年代初發(fā)明。因Lettinga教授沒有申請專利設(shè)置壁壘，這項技術(shù)得以快速推廣普及。后進(jìn)的EGSB和IC反應(yīng)器都是基于UASB的改良優(yōu)化，所以它們的反應(yīng)器里都有經(jīng)典的三相分離器。而最近5年，一種基于兩步式分離理念的厭氧顆粒污泥反應(yīng)器引起了業(yè)界的關(guān)注，因為它聲稱能對各種老式厭氧反應(yīng)器進(jìn)行升級，性能甚至高于IC。它在2013年完成小試，并在過去積累了超過70個全尺寸的工程案例。這種新工藝技術(shù)究竟有何特別之處？

1. 污水通過布水系統(tǒng)進(jìn)入反應(yīng)器

2. 有機(jī)物轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳(沼氣)，通過頂部6號口離開反應(yīng)器

3. 經(jīng)降解處理的污水進(jìn)入脫氣單元(一級分離器，3號)

4. 污水和污泥顆粒在下方的二級分離器完成分離

5. 出水通過5號口排出反應(yīng)器

圖1. ICX反應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖

正如上述所說，與UASB和IC反應(yīng)器相比，ICX最大的特點在于沒有使用經(jīng)典的三相分離器。相反，沼氣和顆粒污泥的分離分成兩步完成。有研究表明，在底部分離顆粒生物質(zhì)的優(yōu)勢在于更高的靜水壓力(hydrostatic pressure)減少了污泥顆粒的浮力：反應(yīng)器中的顆粒物一般會帶有沼氣殘留，如果在反應(yīng)器頂部進(jìn)行氣、水、泥的分離，在接近大氣壓力的環(huán)境下，這些污泥顆粒常常會浮在頂部，因此有些生物質(zhì)會隨出水留出反應(yīng)器。將泥水分離移回反應(yīng)器底部，提高了靜水壓力，增加了生物質(zhì)的截留效率。

圖2. ICX更充分地利用了反應(yīng)器的空間 | 圖源：YouTube @PaqueTV

這種反應(yīng)器設(shè)計另一大優(yōu)點是單位體積負(fù)荷率(VLR)的進(jìn)一步提升。UASB的VLR約為10–15kg-COD/m³/d，IC是UASB的兩倍，即20–30 kg-COD/m³/d，但I(xiàn)CX可以高達(dá) 20–35 kg-COD/m³/d。這意味著但相同體積的反應(yīng)器和相同時間內(nèi)，ICX可以處理比IC更多的污水。為什么ICX會有更高的VLR？其中一個原因可能是因為IC反應(yīng)器里要在上方留出第二厭氧區(qū)(內(nèi)循環(huán)區(qū))，用于進(jìn)一步凈化，生物質(zhì)濃度很低。ICX的反應(yīng)器則不需要這么一個區(qū)間，膨脹床體積比更大，填充了更多的活性顆粒污泥。

研究人員選取了第一個示范項目(85m³)和另外一個350m³的全尺寸反應(yīng)器作為考察對象，對它們的運(yùn)行表現(xiàn)進(jìn)行了考察。前者高12米，直徑3米；后者高16.9米，直徑5.1米。兩個反應(yīng)器的主要參數(shù)情況如下：

主要考察參數(shù)有兩個，一個是顆粒污泥濃度，研究人員通過在反應(yīng)器的不同高度進(jìn)行取樣來測量，單位是mL-顆粒/L-樣品。第二個參數(shù)是單位產(chǎn)甲烷活性(SMA)，采用Soto等人(1993)基于乙酸鹽為底物的OxiTop方法來跟蹤沼氣產(chǎn)率。

85m³反應(yīng)器的表現(xiàn)

這個示范項目主要考察了在特定條件下系統(tǒng)的水力和生物極限。實驗得到的結(jié)果有助于工程師在日后升級至全尺寸的工程應(yīng)用，例如大至5000m³的反應(yīng)器。

由于這是示范項目，所以只選用了部分的造紙廠廢水，以便排除進(jìn)水水質(zhì)的干擾。但在實際生產(chǎn)中，進(jìn)水和負(fù)荷率難免會有波動，例如平均的負(fù)荷率會相對降低，所以研究團(tuán)隊還對一個全尺寸的反應(yīng)器進(jìn)行考察。

350m³反應(yīng)器的表現(xiàn)

這個ICX反應(yīng)器建于兩個IC反應(yīng)器旁邊。進(jìn)水在這3個反應(yīng)器中分配。ICX反應(yīng)器的顆粒污泥的外觀如下圖5b所示

下圖7的結(jié)果顯示，在244天的連續(xù)運(yùn)行里，反應(yīng)器會接收所有進(jìn)來的污水，可以看到進(jìn)水COD是有波動的，但COD的去除率穩(wěn)定地維持在80%以上，平均值為84.8%), VLR平均為28 kg COD/m³/d。

下圖8則顯示，反應(yīng)器的顆粒污泥在持續(xù)地增加。雖然可能有約207m³的剩余污泥排除反應(yīng)器，但COD去除率還維持在一個較高的水平。單位產(chǎn)泥量為 12 kg VSS/ton COD，與示范反應(yīng)器的水平相當(dāng)。這說明，即使在面對進(jìn)水水質(zhì)波動的實際沖擊下，ICX兩段式的設(shè)計還是能夠出色地保留足夠的顆粒污泥在反應(yīng)器里。

計算顯示，該反應(yīng)器的單位產(chǎn)甲烷活性(SMA)為1.1 g COD/gVSS/d。這數(shù)值高于此前各種處理造紙廢水的厭氧反應(yīng)器的SMA值(0.19–0.62 g COD/g VSS/d)。ICX優(yōu)異的單位產(chǎn)甲烷活性，連同出眾的顆粒污泥保留能力，是它可以在高速率運(yùn)行同時保持較高的COD去除率的原因。

小結(jié)

上述的兩個反應(yīng)器的測試結(jié)果顯示：ICX可以有很高的單位體積負(fù)荷率，而且在進(jìn)水有波動的情況下，仍能維持可觀而穩(wěn)定的COD去除率，還能有效地留住生物質(zhì)，在反應(yīng)器里能清晰地看到顆粒污泥。它最大的亮點在于可以對現(xiàn)有的UASB或者EGSB反應(yīng)器進(jìn)行升級改造。可以根據(jù)實際需求放入2個甚至更多的二級分離器。這對于已經(jīng)有厭氧消化器的用戶，似乎是一個不錯的選擇。

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