第五节-厌氧法系列工艺与设备

2020/3/251第五节厌氧法系列工艺与设备第一代厌氧反应器第二代厌氧反应器第三代厌氧反应器第四代新型厌氧反应器•厌氧发酵的原理•厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法•优点与缺点复杂有机物1水解2发酵脂肪酸乙酸H2+CO23产乙酸CH4+CO2H2S+CO2硫酸盐还原硫酸盐还原4产甲烷4产甲烷硫酸盐还原厌氧反应器的性能评价基准反应器中维持高浓度生物量(污泥）生物膜填料颗粒污泥反应器中生物与废水充分接触合理的布水系统适宜的液体表面上升流速大量沼气(高浓度有机物)12微生物的固定及活性维持反应器传质第一代反应器特点通过厌氧产生沼气的作用能使待处理废水与厌氧污泥完全混合；能有效降解废水中的有机污染物；反应器内污泥停留时间与水力停留时间无法分开；处理废水或有机废物需要较长的时间（长达几十天），属低负荷系统。反应器代表类型普通厌氧消化池（ConventionalAnaerobicDigesterTank）厌氧接触工艺(AnaerobicContactProcess)普通厌氧消化池示意普通厌氧消化池示意厌氧接触工艺厌氧接触工艺是在连续搅拌反应器基础上于出水沉淀池中增设污泥回流装置和填料，增大了反应器内厌氧污泥的浓度，使得反应器中厌氧污泥的停留时间大于水力停留时间，提高了负荷与处理效率。一般容积负荷在4～5kgCOD/(m3·d)。气泡附着在污泥上导致污泥上浮加强搅拌抑制厌氧菌活性随着生物发酵工程中固定化技术的发展，人们认识到高效率厌氧系统必须满足的条件之一是，反应器内能够保持大量的活性厌氧污泥。第一个突破性的发展出现于60年代末，Young和McCarty发明了厌氧滤池(AnaerobicFilter，简称AF)。1974年，荷兰农业大学环境系Lettinga等发明了上流式厌氧污泥床(Up-flowAnaerobicSludgeBed，简称UASB)，标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。高效厌氧反应器的条件•保证大量的厌氧活性污泥，•进水与污泥保持良好的接触第二代厌氧反应器特点可以将污泥停留时间和水力停留时间分离，能保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄；注重培养颗粒污泥，属高负荷系统。厌氧滤池（AnaerobicFilter，简称AF）厌氧附着膜膨胀床反应器（AnaerobicAttachedFilmExpandedBed，简称AAFEB）厌氧流化床（AnaerobicFluidizedBed，简称AFB）厌氧生物转盘（AnaerobicRotatingBiologicalContactorProcess，简称ARBCP）上流式厌氧污泥床(Up-flowAnaerobicSludgeBed，简称UASB)。两相厌氧生物反应器（TwophaseanaerobicbioreactorAF反应器示意升流式AF底部易堵塞且污泥沿池深分布不均厌氧滤池（AF）在相同的温度下，厌氧滤池的负荷是厌氧接触工艺2～3倍容积负荷由一般反应器的4～5KgCOD/ｍ3·d以下提高到10～15KgCOD/ｍ3·d。但AF在运行中常出现堵塞和短流现象，且需要大量的填料和对填料进行定期清洗，增加了处理成本。厌氧膨胀床该反应器内通过填充颗粒细小（φ1mm）的载体，以增加供微生物附着生长介质的比表面（3000～3300m2/m3）,并使之流动，疏散，改善了水力运动和传质状况，从而使活性微生物数量得以提高，故具有较强运行效能。其膨胀率一般为5～20％。对有机污水的处理过程，实质上是其中以生物膜形成存在的厌氧微生物对有机质的降解过程。厌氧膨胀床是利用废水的内循环来实现反应器内填料的膨胀。膨胀率10-20%厌氧膨胀床膨胀率20-70%，特点：•细颗粒载体比表面积大，床内微生物浓度很高（30g.VSS/L），有机负荷较高（10-40kgCOD/m3.d），水力停留时间短，耐冲击负荷，运行较稳定。•载体处于膨胀或流化状态，堵塞可能性小，•固体停留时间长，剩余污泥量小•处理高浓废水和低浓废水均可取得较好效果缺点：•载体选择不好膨胀和流化耗能大，（粒径，上升流速、比表面积）•对系统设计运行要求高，AFB内部稳定的流化态难以保证，且反应器需大量回流水来取得高的上升流速。•该工艺控制较难，投资和运行成本高。AFB的改进思路•生物气循环减少回流水用量；•磁性载体提高生物挂膜速度和挂膜量；•与膜生物反应器的结合减少污泥流失的机会。AFB反应器改进的形式磁性载体提高生物挂膜速度和挂膜量0102030405060708090100木屑磁性木屑活性炭磁性活性炭载体种类苯酚去除率（%）载体挂膜载体污泥1234567891011121314150.000.020.040.060.080.100.12SDMSDACMAC生物膜量(g/g载体)挂膜时间(d)厌氧UASB反应器工作原理influentSludgebed污泥沉降沼气阻挡收集effluentUASB反应器UASB反应器污泥床区主要有沉降性能良好的厌氧污泥组成，浓度可达到50～100g/L或更高。三相分离器配水系统颗粒污泥特点：可形成沉淀性能非常好的颗粒污泥，利用污泥颗粒化实现了HRT与污泥停留时间的分离延长了污泥龄具有有机负荷高，水力停留时间短，且无填料、无污泥回流装置、无搅拌装置，大大降低了运行成本允许较大的上流速度，而且处理率高，运行稳定缺点：污泥颗粒化过程较难控制上流速度较难控制，易造成污泥流失。UASB反应器分离器系统形式UASB反应器和颗粒污泥示意污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/L以上，污泥龄一般为30天以上；颗粒污泥直径为0.1-0.5cm，具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。2.4UASB反应器的缺点高径比小，占地面积大；增加截面积的放大方式难实现均匀布水；三相分离器难以实现稳定操作。启动时间较长；液体上升流速较小，液固混合较差（特别在低温、低浓度条件下）；负荷较高时，污泥易流失；易造成有毒难降解化合物、非活性物质的吸附和积累。1231234结构设计方面操作控制方面两相厌氧生物反应器第三代厌氧反应器特点：•良好的污泥截留能力；•具有生物污泥与进水基质充分接触的条件；•具有提供微生物适宜的生长环境条件的功能。第三代反应器的改进通过增加反应器的高径比；对反应器进行分段在反应器内部增加三相分离器等改进手段，使进水和污泥之间能始终保持良好地接触。第三代反应器在将污泥停留时间和水力停留时间相分离的前提下，使固、液两相充分接触，从而既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的。•微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高；•能承受更高的水力负荷，并具有较高有机污染物净化效能；•具有较大的高径比，一般在5～10以上；•占地面积小，动力消耗少。主要反应器类型膨胀颗粒污泥床(ExpandedGranularSludgeBed，EGSB)厌氧内循环反应器(InternalCirculationAnaerobicReactor，IC)上流式污泥床—过滤器(UpflowBlanketFilter，UBF)复合式厌氧反应器厌氧序批式间歇反应器(AnaerobicSequencingBatchReactor，ASBR)厌氧折流板反应器（AnaerobicBaffledReactor，ABR）上流式分段污泥床反应器（UpflowStageSludgeBed，USSB）厌氧迁移式污泥床反应器（AnaerobicMigratingBlanketReactor,AMBR）厌氧膜生物反应器(AnaerobicMembraneBiosystem,AMBS)第三代厌氧生物反应器厌氧膨胀颗粒污泥床内循环反应器升流式污泥床过滤器填料EGSBICUBF厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)20世纪90年代初，荷兰Wageningen农业大学开始了厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器的研究EGSB反应器与UASB的区别EGSB反应器主要由配水系统、反应区、三相分离器、沉淀区、出水系统和出水循环系统等构成。与UASB的差别主要有：三相分离器的结构与UASB有着很大差别，增加了出水循环系统。参数EGSBUASB高度(m)上升流速(m/h)循环比生物量(gSS/l)出水SS12-162.5-1220-30050-10010-602-60.05-1.5--5-4520-100EGSB特点：上升流速大Vup(2.5～10m/h，UASB0.5～1.5m/h)；CODcr有机负荷率高(5～35kg/m3.d)；高径比大，污泥床处于膨胀状态；出水回流，适合处理低浓度废水；颗粒污泥接种，活性高，沉降性能好，粒径大；Vup大，废水与污泥接触状态良好；可应用于含悬浮固体和有毒物质的废水处理。EGSB反应器工程化应用内循环反应器（IC）内循环式厌氧反应器(ＩＣ)是由荷兰Paques公司于20世纪80年代中期开发成功的高效厌氧反应器，并在1986年以后迅速把该项技术应用于生产中。由于严格的技术保密，直到20世纪90年代以后才在有关杂志上见到IC反应器的研究报道。内循环反应器（IC）IC反应器实际上是由底部和上部两个UASB反应器串联叠加而成，高径比一般为4～8，高度可达16m～25m。包括5个组成部分:混合区、第一厌氧反应区、第二厌氧反应区，内循环系统和出水区。•特点•具有高容积负荷率。进水有机负荷率比普通的UASB反应器高出约3倍。•IC反应器体积为普通UASB反应器1.4～1.3。•抗冲击负荷能力强。处理低浓度废水时，循环流量可达进水流量的2～3倍。处理高浓度废水时，循环流量可达进水流量10～20倍。•出水的稳定性好。IC反应器相当于两级UASB。一般说，两级处理比单级处理的稳定性好，出水水质较为稳定。IC反应器存在的主要问题内循环问题IC反应器结构较复杂，内部管路系统过多，占用了反应器的有效空间，影响了反应效率，增大了反应器的总容积。沼气提升管以及污泥回流管的设计过于复杂，难以精确控制循环量。从污泥回流管和回流缝回流的污泥和上升的泥水混合物发生碰撞，影响了污泥的回流和混合物的上升。三相分离器的结构缺陷造价较高，施工困难，日常维护复杂；在三相分离器处，回流的污泥和上升的水流发生碰撞，严重影响了出水水质的效果、污泥的回流和气液固的分离。高径比问题IC反应器实际上是由两个UASB反应器上下叠加串联构成，高径比一般为4～8，甚至有些IC反应器的顶部还须设置避雷设施。由于反应器主体较高，因此会使水泵运行费用增加，而且地基处理费用高，单位反应器体积造价也高。IC反应器工程化应用厌氧反应器的未来发展方向追求高效率的处理能力扩大适用范围提高出水水质缩短启动时间耐冲击负荷55