常温厌氧生物处理技术肖本益

常温民权生物处理技*肖本益l,2曲久辉`林信侃2l(东莞宝丽美化工有限公司,东莞523581;2中国科学院生态环境研究中心,北京100085)摘要常温厌氧生物处理技术是一种有机废弃物处理技术,具有低能耗、微生物生长速度慢、污泥产量少等优.点。对常温厌氧生物处理技术从温度、工艺和生物相进行了总结和分析。分析表明,虽然常温厌氧生物处理技术由于受到温度的影响,存在一些不足,如处理效率不穗定,沼气产童相时较少等,但由于不需加热、保温系统,并可从工艺、操作等方面进行调整改进,因此日益受到人们的关注,其研究和应用也趋增多。关键词厌氧生物处理常温生物相AnaeorbicbiologiealtreatmentatambienttemPeratuerXiaoBenyi,,“,QuJiuhui`,LinJikanZ(1.ODngguanPoraminehCenziealsoC.LTD,Dongguan523581,hCian;2.ReseacrheCnterforcEo一nEviornmentalScienees,hCineseAcadenz少ofSeiences,Beijing100085,hCina)Abstacrt:Anaerobiebiologiealtreatmentatambienttemperature15atreatmentteehnologyfororganiewaste.Itsadvantagesineludelowenergyeonsumption,lowmieroorganismgrowthrateandlowsludgeproduetio.nTheanaerobiebiologiealtreatmentweresystemieallyanddetailedlyanalyzedandsummarizedinthispaperfromtemPerature,teehniqueandbiotie一phase.Althoughtherearesomedisadvantagesinanaerobiebiologiealtreatmentatambienttemperatureduetotheeffeetoftemperature,forexample,instabilityoftreatmenteffieieneyandlowbiogasproduetion,itdonotneedthesystemofheati飞and~keeni飞汕dcanbeimPorvedinthetechnolo盯阴doperatio几Tihstechon10gyhasattaretedornerandmoerattentionsandthestudyanditsapPlication15icneasri.gnKeywo心:Anaerobiebiologiealtreatment;Ambienttemperature;Bioti--cphase0引言厌氧生物处理技术是利用厌氧微生物达到有机废弃物处理及获得沼气过程的统称,是一种低成本的有机废弃物(包括有机废水和固体有机废弃物)处理技术,又是一种把废弃物的处理和能源回收利用有机结合的技术。由于厌氧生物处理技术的效率低,需时长,受各种因素影响大,其应用受到较大的限制。直到20世纪60年代后期,由于环境污染的加剧和能源问题的出现,人们才对厌氧生物处理进行了较深人的研究,并于20世纪70年代取得了突破性进展,使厌氧生物处理成为具有十分广阔应用前景的一种有机废弃物处理技术l[,幻。通常根据采用温度,厌氧生物处理技术可以分为高温(42一75oC)、中温(20一42oC)和低温(5~20℃)厌氧处理三种类型.lt’〕。常温厌氧生物处理通常是指在常温下进行的厌氧生物处理,根据地区不同,常温厌氧生物处理的温度有很大差异,常见温度在18~28℃,但也有15℃左右甚至10一12℃的。另外,由于受到气温的影响,常温通常不会骤然升高或下降,但会有些变化。尽管常温厌氧生物处理存在着一定不足,如沼气产量相对较少、处理效率稍低等,但是由于其具有成本低、微生物生长速度慢、污泥产生量少等优点,常温厌氧生物处理日益受到人们的关注。因此,对常温厌氧生物处理的研究174给水排水vol.33增刊200,DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2007.s1.077.................日.二日月.口口..目.目丫犷现状、发展趋势等进行归纳、总结和分析十分必要。1常温对厌权生物处理的影响温度是影响厌氧生物处理的重要因素之一。厌氧生物处理主要依赖厌氧微生物对有机物进行降解、矿化,达到无害化的目的。温度主要是通过影响厌氧微生物细胞内酶的活性,从而影响微生物的生长速率和微生物对基质的代谢速率,达到影响厌氧生物处理过程中有机物的去除速率、反应器所能达到的处理负荷等l[,’〕。温度降低会影响产酸菌和产甲烷菌的活性,从而影响污泥的产甲烷活性、反应器的容积负荷和单位容积产气率。相比较而言,产甲烷菌的活性受到温度的影响更大3j[。同时,微生物的净产率(生物量/基质转化)随着温度的降低而升高,这可能是由于微生物的内源呼吸减弱所致[’]。这对于反应器在常温下,尤其是低温下运行、维持较大的生物量非常有利,从而可以提高反应器的负荷率和去除率。温度偏低是常温条件的一个重要特点。由于常温温度受到气候条件及周围环境的影响,通常在20~30℃,夏季要稍高一些,而北方的冬季,虽然气温较低,但室内通常都有暖气,常温温度可能反而比中部和南方要高。偏低的温度会影响废水的物理性质,如废水的粘度、表面张力、溶解气体量等l[,’〕。废水的粘度与水温成负相关关系,也就是说,当温度偏低时,废水的粘度会变大,这样就增加了搅拌混合的难度,使有机物在废水中的扩散及颗粒沉降缓慢。随着废水温度的降低,废水的表面张力会增加,从而会降低物质在废水中的扩散速率l[,,,5〕。温度的变化是常温条件的另一个重要特点。不同地区在不同季节、同一季节的不同时期、甚至同一天的白天和晚上,常温温度都会有差异,存在着温度变化或温度波动。通常温度高的夏季的厌氧处理效果比冬季好,白天比晚上好。另外研究表明,产酸菌对温度波动的耐受力比甲烷菌高得多闭。因此,对于单相厌氧工艺而言,在合适范围内,温度的微小波动(如1~3℃)对整个厌氧工艺不会有明显影响,但是如果温度变化幅度过大,则会由于污泥活力下降,过负荷而引起反应器出现酸积累;而对于两相厌氧工艺而言,温度的波动只会影响作为产甲烷相的第二相,而对于第一相(酸化、水解相)的影响很少6[J.温度的变化会影响气体在水中溶解度,温度降低,气体在水中的溶解度会增加,从而使废水中溶解的气体量增加:①废水溶解氧的增加不利于厌氧菌的生长繁殖而有利于兼性厌氧菌的生长,兼性厌氧菌的大量繁殖可能会导致污泥上浮;②甲烷溶解量的增加,使得能收集到的甲烷减少,不利用于能源回收,同时也可能导致更多的气泡粘附在污泥表面,引起污泥上浮;③水中溶解氢的增加会导致气相中氢分压提高,从而使丙酸盐的降解受到抑制,导致出水中V下A和COD增加〔`,’,5〕。温度的变化还会影响毒性物质对厌氧微生物的毒害作用。例如,厌氧处理过程中时发现,当温度由中温(35℃)降到常温(15℃)时,添加4mmol/L癸酸对颗粒污泥产甲烷活性的抑制作用从51%降低到45%图,这说明降低温度可以降低癸酸的毒性。2常温厌叙生物处理采用的主要工艺由于采用常温条件,与中温和高温相比,常温使微生物的活性降低,要达到理想的处理效果,厌氧反应器必须满足一定的要求:足够的污泥停留时间、充分的搅拌、足够的单位容积容纳的生物量和相对较高的负荷。目前常温厌氧生物处理工艺主要有上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)、厌氧折流板反应器(ABR)、厌氧序批式反应器(ABSR)、厌氧流化床(AFB)和两相厌氧系统等。UASB反应器是常温厌氧生物处理中十分常用的一种工艺,这主要是由于UASB反应器具有一些自身独特的优点:如产气可起到搅拌作用,没有任何填料使反应器可以有更大的空间容纳污泥、具有较高的负荷能力,投资和运行成本上更节省、更节能,且操作相对简单易于控制等l[,’〕。陈学民等sj[采用UASB工艺在常温下处理生活污水时,发现在巧℃以上时,UASB反应器的启动和运行均没有问题。李东伟等图在采用两个UASB的两相厌氧工艺处理中药废水时,比较了25℃和35℃下UASB反应器的酸化情况,结果发现两者的酸化率相差很小,在常温25℃下,UASB反应器中产酸菌的活性虽然有所降低,但仍能维持较高的酸化率。他们认为温度对产酸菌的影响不如对甲烷菌的那么明显,对整个酸化过程影响不大,因此在常温下进行厌氧酸化处给水排水vd.33增刊200,175.目.`.妞..厄.....目...........丫犷理完全是可行的。陆正禹等〔lj0成功地在常温下启动处理啤酒废水的生产性AUSB反应器,容积负荷可达7一10kgC()反r/(m,·d),HRT为5~6h,出水CO玖r500mg/L,CO联r去除率75%。但是,国内外的研究表明,应用UABS反应器在常温下处理低浓度城市污水时,由于产气量少,反应器内混合强度低,很容易形成短流和死角,导致反应器的处理效率降低,甚至难以正常运行。另外,由于产酸菌与产甲烷菌的活性不同,导致产酸菌大量繁殖,引起污泥上浮,同样会导致反应器的处理效率大大降低[“,”]。针对UASB反应器在应用于常温处理时的这些问题,Letitnga等开发了更适宜于常温、低浓度污水处理的EGSB工艺,该工艺主要是通过加大上升流流速(5一10m/h)来增加混合搅拌强度,从而促进反应器中颗粒污泥粒径的增加,并提高污泥的沉降性能,同时通过三相分离器的良好运行,截留足够的污泥在反应器内,可以弥补温度降低的影响l[`一l’]。尽管在厌氧处理中,常温,尤其是低温,通常意味着反应器性能低,但是利用EGBS工艺在15~20℃下处理进水CO反r为6“~886mg/L的低浓度啤酒废水时,发现当HRT2.4h、负荷为10kgCO反r/(m3·d)时,CO及r的去除率为70%一91%。这说明,EGSB工艺在常温下也具有较高的处理能力[“〕。厌氧析流板反应器(ABR)是由Meearty等[`5〕于20世纪80年代初提出的一种新型高效厌氧反应器,相当于多个串联的完全混合反应器。在反应器内设置若干导流板,将反应器分隔成串联的几个反应室,每个反应室都可以看成是一个相对独立的上流式反应器,从而将反应器分隔成酸化区、缓冲区和产甲烷区l[,2〕。对常温,尤其是低温下ABR中流态分析表明,尽管废水的粘度变大、产气量下降,但其死角区域与中温没有差别。温度下降,会使ABR中产酸阶段向后阶段移动,使反应器后阶段的产甲烷菌活性得到激发,从而可以部分抵消温度的不利影响,因而ABR对温度有很强的抵抗力l6[〕。研究表明,当温度从35℃降至20℃时,ABR两周后即可重新达到稳定,其CO氏去除率无明显下降vl[〕。李便琴l8[〕采用ABR研究啤酒废水的处理,发现在22℃、最短水力停留时间为sh、容积负荷为10.37kgCO块r/(耐·d)时,处理效率可达85.35%,这说明了ABR常温下处理废水的可行性和高效性。厌氧流化床(AF)B在常温下能保持较好的混合状态,因此在传质方面具有优势,有报道说常温下AFB可以取得更高更稳定的处理效率,但需要大量的回流来实现流态化,且较难取得完全的流态化[,,〕。就厌氧序批式反应器(ASBR)来说,当温度从而35℃降到25℃时,温度降低所造成的冲击可以由生物量的增加来补偿。在15℃,进水CO及r为400~600mg/L时,ASBR对溶解性COD的去除率达到85%以上[5〕。oBdik等[,,1对常温条件下(9~23℃)三种厌氧反应器处理城市污水进行了比较,结果发现上流厌氧滤床和厌氧悬浮反应器的处理效率均高于UASB反应器。由于常温下,尤其是低温时,酸化菌和产甲烷菌的活性通常不同,另外,两种微生物对温度波动的抵抗力也存在着差异,因此,在同一个反应器中