提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径及如何实现bd6aa928581b6bd97f19eaa7

提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径及实现途径由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故维持足够长的停留时间是厌氧消化工艺成功的关键条件。高效厌氧处理系统必须满足的原则：1能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄。2保持进入的废水和污泥之间的充分接触。为了满足第一条原则，可以采用固定化（生物膜）或培养沉降性能良好的厌氧污泥（颗粒污泥）的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有机和水力负荷时不会发生严重的厌氧污泥流失。依据第一条原则，在20实际70年代末期人们成功地开发了各型新型的厌氧工艺（统称为第二代厌氧反应器），例如：厌氧滤池（AF），上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,厌氧接触膜膨胀床反应器（AAFEB）,（FB）等。这些反应器的一个共同特点是可以将固体停留时间和水力停留时间相分离，固体停留时间可长达上百天。为了满足第二条原则，应该确保反应器布水的均匀性，这样才能避免短流。这一问题的关键至于改进布水系统的设计。从另一方面来讲，厌氧反应器的混合源于进水的混合和产气的扰动。但是对进水在无法采用高的有机和水力负荷的情况下（例如在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床的混合强度太低，以致无法抵消短流效应）UASB反应器的应用负荷和产气率受到限制，为获得很高的搅拌强度，必须采用高的反应器或者采用出水回流，获得高的上升流速。正式对于这一问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用，例如，厌氧颗粒污泥床反应器（EGSB）和内循环厌氧反应器（IC），厌氧复合床反应器UBF（AF+UASB），水解工艺和两阶段消化（水解+EGSB）工艺。提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径主要有如下几种方式：1.加速UASB中颗粒污泥形成影响UASB颗粒污泥形成的因素有废水性质，营养元素和微量元素，水力负荷率和产气负荷率，有机负荷率和污泥负荷率，接种污泥和环境条件等因素。加速污泥颗粒化有如下几种方法：(1)投加无机絮凝剂或高聚物投加无机絮凝剂或高聚物可以保证反应器内的最佳生长条件,可改变废水的成分,其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。王林山等人向厌氧接种污泥中投加膨润土和聚丙烯酰胺,采用常温间歇式进料,在一个月内获得了颗粒污泥。其余的投加剂包括吸水性聚合物(WAP)，壳聚糖等物质。(2)投加细微颗粒物向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等惰性物质,利用颗粒物的表面性质,加快细菌在其表面的富积,使之形成颗粒污泥的核心载体,有利于缩短颗粒污泥的出现时间。(3)投加金属离子适量惰性物如Ca2+、Mg2+等,能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。据研究:二价金属离子能挤压污泥的双层结构,使细胞间的范德华力增强,同时与污泥有机质中的阴离子之间存在较强的相互吸引作用。据研究，适量添加Fe2+、Zn2+、Co2+和Ni2+等对厌氧微生物生长有促进作用的离子可大大缩短UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的时间。2.强化UASB处理UASB反应器成功地使SRT与HRT分离，但其传质过程并不理想。由于污泥与有机物传质过程主要依赖于进水与产气的搅动，因此强化传质过程最有效的方法就是提高表面水力负荷和产气负荷。但高负荷产生的剧烈搅拌会使UASB反应器中的污泥处于完全的膨胀状态，从而使大量的颗粒污泥被洗出，导致污泥过度流失。为了避免出现过高的水力负荷与产气负荷，UASB反应器一般的进水上流速率控制在1～2m/h。微生物保有与传质的矛盾，从根本上制约着UASB进一步提高有机负荷。在实际工程应用中，UASB反应器容易发生短流，污泥流失现象较为严重。究其原因，是因为UASB反应器中的关键技术三相分离器属于保密技术，其最佳设计参数很难把握，实际应用中的三相分离器并不能起到将气、液、固完全分离的作用，且容易因为设计不当而产生短流，因此造成污泥流失现象。优化进水和三相分离系统是强化UASB处理的主要途径（1）设计出符合流体力学和生物反应的合理的进水布水系统,，也是改善UASB处理效率的有效途径。进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，目前，工程中常用的进水方式大致可以分为：连续流（如：一管一孔配水，一管多孔配水，分支式配水），间歇式（脉冲式）（如：脉冲进水，连续式进水（间歇布水）），连续流与间歇流相结合的布水方式。布水均匀可以避免反应器内部出现死区，充分利用池体空间。良好的设计形式可以有效地降低布水器孔口的堵塞，提高布水质量，稳定UASB处理效率。在UASB底部采用环状管网布水器可以有效改进布水的均匀性。它在平面上成对称分布，由彼此相交60°的6根布水干管与外、中和内环管组成。污水沿UASB底部管道进入中心配水罐，经干管到环管，再从环管上的孔口流出。该种布水器由于对称布置，而且各干管、环管均为等直径管道，出水孔口大小也相同，在不考虑水头损失的情况下，理论上可以达到均匀配水的目的。据研究，布水系统采用双向进水的纯水力搅拌方式,流向90s切换一次,可提供柔和的水力搅拌效果,促进污泥和污水之间的良好接触,使污泥上附着的气泡有效分离,有利于水力筛分,提高反应器的负荷,加速污泥颗粒化的形成。（2）UASB反应器在实验室小试阶段可采用简单的漏斗制成的三相分离系统，各种类型的三相分离器，如下图。中试装置采用的相应的三相分离器与实验室装置没有本质的差异，但是生产性装置需要考虑三相分离器的型式和一些水力学的问题，以及一些工程放大问题。通过对大量的中试和生产性项目的总结，有大致四种不同类型的三相分离器基本构造。见下图。其中，（a）的构造简单，由于在回流缝同时存在上升和下降两股流体相互干扰，泥水分离的情况不佳，污泥回流不通畅。（b）与前者十分相似，其特点是利用上一层分离器作为其中的公用的组件，这一构思可以形成多层的三相分离器。（c）在泥水分离上也是与前者存在类似的情况。（d）式的构造较为复杂，但污泥回流和水流上升互不相扰，污泥回流通畅，泥水分离效果比较好，气体分离效果也较好。在分离器中，进水或者进入的水流彼此分开。气体分离后，在吸附固体和液体进入的部分因膨胀作用而释放出的溶解气体可能溢出，而使来自反应器的紊流在那里可以得到缓冲。最后，在沉淀区污泥与出水分离，那里的水流为层流，在其下部形成污泥层。浓缩的污泥从这里可沉入反应器。沉淀器重浓缩的悬浮液与反应器内三相（气，液和污泥）悬浮液之间的密度存在差异，利用这种密度的差异所产生的循环液流，使浓缩的悬浮液不断地返回反应器。回流速度取决于产气的速率和系统的阻力。UASB反应器的三相分离器的产业化涉及两个问题，一是三相分离器的放大问题，另一个问题是产品化。三相分离器必须走设备化的道路。郭永福，郭维华等利用改良型的UASB三相分离器进行的豆制品废水的试验研究，取得了很好的实验效果。改良型的三相分离器具有以下优点：（1）可以避免污泥的回流与上升的水流、气流之间的互相干扰，保证进入沉降区的污泥能够顺利返回，防止污泥流失现象的发生；（2）包含高浓度污泥的污泥一区、二区容积增大，从污泥区底部到反应器顶部的整个垂直断面上，都能够保持较高污泥浓度，这为泥水的充分接触提供了良好的条件，从而能够保持较高的产气率，以及污泥的较高生物活性；（3）在一定程度上降低了UASB反应器的总高度。但在实验中也存在一些缺陷，如在沉降区仍有个别厌氧现象的发生，另外，能否不使用搅拌器而完全利用气流水流的推动，以及反应器中混合液的密度差来实现污泥区的高度膨胀，并形成良好的内部循环等。3.EGSB厌氧反应器EGSB是在UASB的基础上发展起来的,为了达到颗粒污泥的膨胀，必须提高液体升流速度，其速度一般可达到5-10m/h,远高于UASB的0.6-0.9m/h。要达到这样高的升流速度，即使是低浓度废水也难以达到，必须采取出水回流的方法。EGSB反应器运行的可行性很大程度上取决于反应器在高的液体表面升流速度下的污泥滞留。为了防止污泥流失，对三相分离器的固液分离要求特别高，近来开发的高效液相分离器多为专利，是EGSB反应器的关键技术。虽然EGSB反应器液体表面流速很大，但颗粒污泥的沉降速度也很大，并有专门的三相分离器，所以颗粒污泥不会流失，使反应器内仍维持很高的生物量。大部分高效厌氧反应器（如：AF,UASB,AFB等）一般只作为处理高浓度工业废水。用这些反应器处理低浓度废水时存在一些问题，如进水COD较低，反应器的负荷较低，甲烷产量少，因此混合强度低，使基质与微生物接触不。在某些情况下，低浓度废水常常含有DO，而产甲烷菌是严格的厌氧微生物。自从EGSB反应器产生以后,大部分的研究都集中于低温低浓度污水的处理。一般认为,在利用厌氧技术处理低浓度污水时,通常会遇到三个问题,即溶解氧的影响、低的基质浓度和低的水温。由于产甲烷菌通常被认为是严格厌氧菌,因此溶解氧的存在会抑制产甲烷菌的活性;低的基质浓度和低的反应温度则会导致微生物活性降低。EGSB反应器采用了较高的液体上升流速,污水与污泥之间可以充分接触,传质效果良好,且颗粒污泥的形成和大量兼性菌的存在,使得其在处理低浓度污水方面具有很大的优势。EGSB反应器不仅适于处理低浓度废水，而且也可以处理高浓度有机废水。但在处理高浓度有机废水时，为了维持足够的液体升流速度，是污泥床有足够大的膨胀率，必须加大出水的回流量。EGSB通过出水回流，使其具有抗冲击负荷的能力。使进水中的毒物浓度稀释至对微生物不再具有毒害作用，所以EGSB可处理处理有毒性、难降解废水。当废水中含有对微生物有毒害作用的物质或是难于生物降解的物质时,采用传统的厌氧反应器或UASB反应器都很难获得较好的效果。由于EGSB反应器具有很高的出水循环比率,它可以将原水中毒性物质的浓度稀释到微生物可以承受的程度,从而保证反应器中的微生物能良好生长;同时还由于反应器中液体上升流速大,废水与微生物之间能够充分接触,可以促进微生物降解基质。因此,采用EGSB反应器处理毒性或难降解的废水可以获得较好的效果。4.IC厌氧反应器IC反应器(InternalCirculationAnaerobicReactor)是荷兰PAQUES公司在第二代厌氧反应器(UASB)的基础上于20世纪80年代中期开发成功的第三代高效厌氧反应器。IC反应器主要有两大工艺思想：A.利用己有的工艺成果。包括：（1）利用微生物细胞固定化技术——污泥颗粒化。一方面,污泥颗粒化使微生物细胞更适应水中温度与pH值的变化,减轻不利因素如重金属离子对污泥活性的影响;另一方面,颗粒污泥为提高污泥浓度和污泥回流创造了条件。（2）采用污泥回流,进一步加大生物量,延长泥龄。IC反应器是在高的COD容积负荷条件下,依据气体提升原理,利用沼气膨胀作功在无需外加能源的条件下实现了内循环污泥回流。（3）引入分级处理,并赋与其新的功能。IC反应器通过膨胀床去除大部分进水中的COD,通过精处理区降解剩余COD及一些难降解物质,提高出水水质。更重要的是,由于污泥内循环,精处理区的水流上升速度(2～10m/h)远低于膨胀床区的上升流速(10～20m/h),而且该区只产生少量的沼气,创造了污泥颗粒沉降的良好环境,解决了在高COD容积负荷条件下污泥被冲出系统的问题。此外,精处理区为膨胀污泥床区由于高的进水负荷导致的过度膨胀提供缓冲空间,保证运行稳定。B.采用内循环技术IC反应器通过采用内循环技术,大幅度提高了COD容积负荷,实现了泥水间的良好接触。由于采用了高的COD负荷,所以沼气产量高,加上内循环液的作用,使颗粒污泥处于膨胀流化状态,强化了传质效果,达到了泥水充分接触的目的。据有关研究报道,处理高浓度有机废水(5000～9000mg/L),相应COD容积负荷达35～50kgCOD/(m3.d),膨胀床区水流上升速度可达10～20m/h。可见内循环技术不但增加了生物量,也改善了泥水接触,尽力挖掘了生化处理能力,体现了从根本上提高生化反应速率这一原则,实现了大幅度提高处理容量的目的。应当指出,目前许多IC反应器进水必须经过温度和pH值调节也是为提高生化反应速率、充分利用生化处理潜力创造条件。IC反应器有如下特点：1容积负荷率高,水力停留时间短.2节省基建投资和占地面积3.抗冲击负荷能力