Классификация и принцип действия анаэробных реакторов. Реакторы со взвешенно-седиментирующей и прикрепленной биомассой.

4.1.Реакторы со взвешенно-сендиментирующей биомассой (илом):

а) реакторы со взвешенно-сендиментирующей биомассой (илом), контактный биореактор.

б) реактор с восходящем потоком с.в. через слой анаэробного ила.

Перегородочные реакторы.

Реакторы с прикрепленной биомассой

а) реакторы с восходящем потоком.

б) реакторы с нисходящем потоком.

в) реакторы с псевдоожиженным /расширенным/ слоем носителя.

Реакторы со взвешенно-сендиментирующей биомассой (илом)

По классификации, основанной на форме макроструктур метаногенной биомассы в реакторах все конструкции анаэробных реакторов можно разделить на реакторы со взвешенно-сендиментирующей биомассой (илом) и прикрепленной биомассой (биопленкой).

К первой группе реакторов относятся:

1. Анаэробные лагуны,
2. Контактный реактор,
3. Реактор с восходящим потоком сточных вод через слой анаэробного ила (UASB-реактор),
4. Перегородочный реактор,

Ко второй группе относятся:

1. Биофильтр с нисходящим потоком сточных вод и неподвижно закрепленной биопленкой (DSFF-реактор),
2. Реакторы с расширенным и взвешенным слоем частиц носителя, традиционно ко второй группе относятся также биофильтры с восходящим потоком. Еще ближе к реакторам со взвешенно –седиментирующей биомассой находится гибридный реактор, представляющий собой анэбиофильтр с восходящим потоком, в котором загрузочный материал расположен в верхней части.

Однако разработки последних лет указывают на отсутствие четких границ между различными конструкциями реакторов.

Использование принципа удержания биомассы является основным классификационным признаком, отличающим анаэробные реакторы второго поколения от реакторов первого поколения.

Остановимся кратко на реакторах первого поколения. Большинство их устроены просто и представляют собой герметичную емкость, в которою непрерывно или периодически загружается сбраживаемая масса.

Б

Наиболее известная конструкция реактора такого типа – традиционный метантенк приминяюшийся для сбраживания навоза. Эти реакторы иногда имеют 2 и более секции, отличаются друг от друга гидравлическим режимом, способами перемешивания.

В

А

Метантенк

А – исходная сточная вода (inflicut), Б – биогаз, В – очищенная сточная вода (eflucut).

Эти реакторы весьма специфичны и практически не применяются для анаэробной очистки сточных вод.

Термин реакторы первого поколения /РПП/ не является синонимом технической отсталости. Они и сегодня являются оптимальными для стабилизации полужидких отходов. Наличие осадка в с/в и навозе большого кол-ва грубодисперсных примесей не позволяет эффективно использовать для их обработки реакторы второго поколения /РВП/ из-за вытеснения примесями флоккул и гранул анаэробного ила и т. д.

К РПП можно отнести анаэробные лагуны:

Б

А

Г

В

1. покрытие, 2. мешалка, 3 насос. А - исходная СВ, Б - биогаз, В – очищенная СВ, Г – рециркуляционный поток.

Первоначально они представляли собой открытые земляные емкости – накопители, рассчитанные на очень длительное пребывание сточных вод (5 – 300 суток) в зависимости от климатических условий. Более совершенные конструкции анаэробных лагун предусматривают применение синтетических покрытий для сбора биогаза, поддержания Т, рН, осторожное перемешивание, рециркуляцию активного ила. Для удержания биомассы внутри лагуны и лучшего ее контакта с очищаемым стоком часто устанавливаются направляющие пересадки. В таких лагунах может быть достигнута производительность до 1-2 кг ХПК/м³ сут. При времени пребывания 6-20 суток. Преимущества лагун – простота, доступность, низкая чувствительность к высокому содержанию взвешенных веществ в сточной воде. Недостатки – потребность в больших площадях, большие потери тепла в зимнее время.

а) анаэробный контактный реактор:

Существует много модификаций анаэробных контактных реакторов. В общем случае анаэробный контактный реактор состоит из непрерывно загружаемого перемешиваемого резервуара и наружного устройства (отстойника) для отделения биомассы.

Контактный реактор

А

Б

В

1 – ферментативная емкость, 2 – отстойник, 3 – насос, 4 – газоотделитель, 5 – мешалка.

А – исходная сточная вода, Б – биогаз, В – очищенная сточная вода.

Бактерии находящейся в контактном реакторе в виде флоккул (хлопьев ила), поддерживаются во взвешенном состоянии за счет перемешивания. Итоговая смесь разделяется в отстойнике, удержанная биомасса возвращается в реактор, где вновь смешивается (контактирует) с поступающим субстратом.

Неотъемлемой частью процесса, определяющей производительность этого типа реакторов, является отделение ила от очищенной воды. Седиментационные свойства ила зависят в основном от состава и концентрации загрязнений в сточной воде, а так же нагрузки на реактор по ОВ.

Для исключения пузырьков газа вызванных дображиванием и мешающих седиментации, часто перед подачей в отстойник применяют дегазацию стока под вакуумом или резкое охлаждение до 15ºС.

Разделение иловой смеси улучшается также при использовании тонкослойных уплотнителей.

Концентрация биомассы редко превышает 5 – 10 г/л. Производительность контактного реактора составляет до 8 кг ХПК/м³ сут. Минимальное время обработки воды – 0,5-2,0 сут.

В конце 70-х годов за рубежом разработан ряд усовершенствованных конструкций. Целью всех модификаций являлось повышение эффективности удержания биомассы. Одна из них CASBER(Carried assisted sludge bead reactor) предусматривает добавление в реактор в кол/ве нескольких процентов от его объема мелких (5-25мм) частиц инертного носителя (песок, дробленый антрацит и др.) способных удерживаться во взвешенном состоянии при слабом перемешивании. Включение этих частиц в состав флоккул ила приводит к улучшению их седиментационных свойств. В результате концентрация биомассы в таком реакторе может составлять 5-15 кг/м³, что значительно повышает его производительность при обработке стоков с легко гидрализуемыми загрязнениями. Максимальная нагрузка достигает 20 кг ХПК/м³ сут, минимальное достигнутое время 5 часов.

б) реактор с восходящем потоком сточных вод через слой анаэробного ила. Перегородчатые реакторы.

В 80-х годах было обнаружено (Леттинг), что м/о входящие в состав метановых биоценозов, способны при росте образовывать агрегаты: плотные легкооседающие гранулы размером 1-3 мм. Гранулы в основном состоят из метаногенов рода Methonothirix образующих плотные хворосто и клубкообразные структуры. На основе этих наблюдений была предложена новая конструкция реактора UASB (Up flow anaerobic sludge blanket reactor) реактор с восходящем потоком сточной воды через слой анаэробного ила. В этой конструкции удержание ила производиться за счет 2-х факторов: высокой седиментационной способности гранул (флокул) ила и применения специально встроенного газоотделительного устройства, расположенного в верхней части реактора.

Явление гранулообразование самопроизвольно происходит в анаэробных реакторах с восходящим потоком сточных вод, содержащих легкоразлагаемые ОВ. В другом случае реактор инокулирует гранулированным илом (5-20% по объему) и это приводит к росту гранул. Формирование гранулированного ила не является обязательным условием работы. Очистка может эффективно производиться с флоккулированным илом. Однако у реакторов с гранулированным илом выше метаногенная активность и допустимая гидравлическая нагрузка. В зоне сбраживания UASB-реактора выделяют 2 области, различающиеся свойствами и концентрацией ила, а так же гидравлическими условиями. Первый – лежащий на дне плотный слой частиц ила с концентрацией СВ 50-100 кг/м³ (Sludge beat). В этом слое происходит очистка сточной воды поступающей по распределительной системе со дна реактора. Образующиеся пузырьки биогаза проталкиваются через слой частиц ила, обеспечивая его перемешивание.

Над нижним слоем ила располагается область интенсивного турбулентного движения трехфазной смеси: жидкости, газа и ила. Концентрация ила в ней составляет 3-10 кг СВ/м³. Между верхними и нижними слоями существует интенсивный обмен частицами ила за счет газолифтного – эффекта. Восходящий поток эффективно разделяется в газоотделительном устройстве.

Рассмотрим простую конструкцию UASB-реактора с газоотделителем.

Газоотделитель состоит из конических колпаков – газосборников и направляющих перегородок – дефлекторов, отделяющих зону сбраживания реактора от зоны отстаивания. На поверхности раздела фаз под газосборным колпаком происходит отделение пузырьков биогаза от восходящего потока иловой смеси. Дегазационный поток в основном возвращается в зону сбраживания. Сточная вода проходит в щели между газосборными колпаками и дефлекторы и попадает во встроенные отстойники, образованные наружными поверхностями газосборных колпаков. Благодаря коническому вертикальному сечению отстойника скорость восходящего потока сточных вод уменьшается, при этом происходит активная седиментация и флокуляция частиц биомассы во взвешенном слое. Уловленные частицы биомассы оседают через щели и возвращаются в рабочий объем реактора. Направляющие перегородки предохраняют зону отстаивания от попадания в нее строго вертикально воплощающих комплексов “пузырек – частица биомассы”.Высокая

концентрация активной биомассы накапливаемой в UASB-реакторах, обеспечивает производительность до 30 кг ХПК/м³ сут.

Существуют многочисленные более сложные UASB-реакторы.

Перегородчатый реактор был предложен в 80-е годы. Он представляет собой прямоугольную емкость, разделенную параллельными вертикальными перегородками на ряд отделений. Обрабатываемый сток поочередно двигается снизу вверх, проходя в каждом отделении через формирующийся там слой гранул (флокул) биомассы. Набольшее кол/во биомассы накапливается в секциях с восходящем потоком, убывая от начала к концу реактора.

Б

В

А

Г

1 – перегородки, 2 – насос, А – исходная сточная вода, Б – биогаз, В – очищенная сточная вода,Г – рециркуляция ила.

Преимущество – простота конструкции, возможность очистки сточных вод с высокой концентрацией взвешенных веществ.