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            無需三相分離器的新一代高速厭氧發酵技術 原創 IWA IWA國際水協會

            放大字體  縮小字體 發布日期:2020-09-02  來源:IWA國際水協會   瀏覽次數:273
            核心提示:無需三相分離器的新一代高速厭氧發酵技術 ICX的全稱是IC Experience,顧名思義,這是基于IC反應器的新一代高效厭氧生物反應器技術。下圖是ICX反應器的結構圖: 污水通過布水系統進入反應器 有機物轉化為甲烷和二氧化碳(沼氣),通過頂部6號口離開反應器 經降解處理的污水進入脫氣單元(一級分離器,3號) 污水和污泥顆粒在下方的二級分離器完成分離 出水通過5號口排出反應器
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             中國給水排水2022年中國城鎮污泥處理處置技術與應用高級研討會(第十三屆)邀請函暨征稿啟事
             

            無需三相分離器的新一代高速厭氧發酵技術

             IWA IWA國際水協會 今天

            談起污水處理的厭氧消化技術,大家比較熟悉的是UASB、EGSB和IC三種工藝技術。它們分別是升流式厭氧污泥床反應器(Upflow Anaerobic Sludge Bed)、膨脹式顆粒污泥床反應器(Expanded Granular Sludge Bed)和內循環厭氧反應器(Internal Circulation)的英文簡稱。UASB工藝由荷蘭瓦赫寧根大學榮譽教授Gatze Lettinga在1970年代初發明。因Lettinga教授沒有申請專利設置壁壘,這項技術得以快速推廣普及。后進的EGSB和IC反應器都是基于UASB的改良優化,所以它們的反應器里都有經典的三相分離器。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器引起了業界的關注,因為它聲稱能對各種老式厭氧反應器進行升級,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。這種新工藝技術究竟有何特別之處?

            ICX演示視頻 | 視頻來源:YouTube @PaqueTV
            ICX反應器
            ICX的全稱是IC Experience,顧名思義,這是基于IC反應器的新一代高效厭氧生物反應器技術。下圖是ICX反應器的結構圖:
            1. 污水通過布水系統進入反應器
            2. 有機物轉化為甲烷和二氧化碳(沼氣),通過頂部6號口離開反應器

            3. 經降解處理的污水進入脫氣單元(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號口排出反應器

            圖1. ICX反應器結構圖

            正如上述所說,與UASB和IC反應器相比,ICX最大的特點在于沒有使用經典的三相分離器。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的優勢在于更高的靜水壓力(hydrostatic pressure)減少了污泥顆粒的浮力:反應器中的顆粒物一般會帶有沼氣殘留,如果在反應器頂部進行氣、水、泥的分離,在接近大氣壓力的環境下,這些污泥顆粒常常會浮在頂部,因此有些生物質會隨出水留出反應器。將泥水分離移回反應器底部,提高了靜水壓力,增加了生物質的截留效率。

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

            這種反應器設計另一大優點是單位體積負荷率(VLR)的進一步提升。UASB的VLR約為10–15kg-COD/m3/d,IC是UASB的兩倍,即20–30 kg-COD/m3/d,但ICX可以高達 20–35 kg-COD/m3/d。這意味著但相同體積的反應器和相同時間內,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反應器里要在上方留出第二厭氧區(內循環區),用于進一步凈化,生物質濃度很低。ICX的反應器則不需要這么一個區間,膨脹床體積比更大,填充了更多的活性顆粒污泥。

            測試方法和內容

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

            表1. 兩個ICX反應器的參數比較

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

            測試結果

            85m³反應器的表現

            他們對該反應器進行了接近400天的跟蹤觀察。下圖4和表2的結果顯示,該反應器的VLR可以超過50 kg COD/m3/d ,而且COD去除率平均超過70%。如果將VLR降至18 kg-COD/m3/d,COD去除率則可升至81%。圖5顯示,COD的去除量和顆粒污泥的生長有相關性,而且這顯示了大部分新增的生物質都以顆粒污泥的形式得以截留。
            圖3 . 示范反應器在超過350天的反應時間里的VLR和COD去除率表現。A到E五個階段和下表2的A-E相對應。
            表2. A-E五個階段的VLR、總COD去除率和出水乙酸鹽濃度情況

            圖4. D階段的累計COD去除量和累計顆粒污泥生長量對比

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

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

            350m³反應器的表現

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

            圖5. 全尺寸ICX反應器的外觀以及與IC反應器的外觀對比(左);顆粒污泥外觀(右)

            下圖7的結果顯示,在244天的連續運行里,反應器會接收所有進來的污水,可以看到進水COD是有波動的,但COD的去除率穩定地維持在80%以上,平均值為84.8%), VLR平均為28 kg COD/m3/d。

            圖6. 全尺寸ICX反應的VLR (上) 和COD 去除率 (下) 的情況

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

            圖7. 顆粒污泥累積流失量和COD去除率的情況

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

            小結

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

            圖8. 位于法國Allard Emballages紙廠的ICX改造項目 | 圖源:YouTube @PaqueTV
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