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污水處理高效厭氧反應器開發應用與展望

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標簽:給水排水設計規范,建筑給水排水, 污水處理高效厭氧反應器開發應用與展望,http://www.tljciu.live

  污水厭氧處理技術與其它污水處理技術相比無疑是生態的和綠色的技術,同時更具有成本-效果優勢。上世紀70年代以來,厭氧反應器在研究和應用方面取得了長足進步。特別是水力停留時間(HRT)與生物固體停留時間(SRT)的分離而導致高效反應器的研制和推廣,使污水厭氧處理技術成為污水生物處理兩大技術之一。從已開發的反應器系統來看,升流式厭氧污泥床(UASB)、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內循環(IC)反應器、厭氧折流板反應器(ABR)及其衍生的其它系統應用最廣。這些反應器內部能自然生成具有出色降解有機物能力的和優越沉降性能的厭氧顆粒污泥。本文回顧了厭氧反應器工藝技術,并進一步探討厭氧反應器的發展前景。

  1.現狀

  1.1厭氧生物污泥反應器

  提高厭氧反應器負荷潛力在于:①污水性質,②系統可保持的單位容積厭氧污泥量,③厭氧污泥與污水的混合程度。

  在過去的十年里,若干研究者潛心于修正UASB系統特征參數已提高UASB負荷和UASB對各類污水(工業廢水)的應用能力。對于各類污水,由于系統內傳質阻力和濃度梯度問題,傳統的UASB的應用參數表現出嚴格的限制。例如對于低濃度和低溫污水,沼氣產率下降。同時混合程度從流體動力學角度證明了質量傳遞在微生物降解有機物中的重要作用[1].進一步地,濃度梯度的出現限制了富含蛋白質和長鏈脂肪酸的污水處理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛[2][3].對于有毒化合物只能在污水被有效稀釋下、反應器內部混合狀況好的情況下采用高負荷厭氧反應器處理。

  厭氧流化床(AFB)反應器在原理上克服了污染物傳質速率限制,但由于生物膜流失和惰性支撐材料破碎問題,流化床系統難于有效管理。并且為了混合液完全流化,厭氧流化床的能量要求較高[4].

  為充分利用顆粒污泥優越的沉降性能,膨脹顆粒污泥床(EGSB)被開發,一般以8m/h升流速度運行,但增加了高度-直徑比和額外循環能量。與傳統UASB比較,膨脹顆粒污泥床系統沒有內部沉淀裝置,但在床外裝備了一種先進的固液分離裝置。這種裝置由篩網組成或經過修改過的夾層分離器[5][6].

  內循環(IC)反應器是一種基于氣提概念的膨脹床系統,這種反應器的特點是內部裝有兩部氣-固分離器。膨脹顆粒污泥床和內循環反應器的主要特點是:①高有機負荷率,達20-40kg/立方米.d;②較小的橫截面積;③較大的反應器高度,大12-20m;④較高的上升流速,大8-30m/h.因此,膨脹顆粒污泥床和內循環反應器適用于:①污水水溫低于20℃;②稀釋污水,COD<1000mg/L;③有毒性可生物降解的化工污水;④在UASB里產生嚴重泡沫問題的污水;⑤出水含有脂肪和長鏈脂肪酸(LCFA)。一般具有上述特征污水在采用UASB反應器時易發生運行問題。

  厭氧折流板反應器(ABR)是分階段多相厭氧反應器工藝技術,被認為具有第三代厭氧反應器的特征。它適應了厭氧處理過程中不同種群微生物對基質利用的不同生理和生態原理,具有比傳統的兩級(或兩相)厭氧處理工藝更靈活、易管理的特點,反應器易高效、穩定地運行[7],但目前仍處于試驗研究階段,實際應用較少,其反應器構造的優化設計和參數有待于進一步深入研究。

  1.2.厭氧膜生物反應器

  有效的固液分離是高效厭氧生物反應器賴以存在的基礎。采用膜生物處理工藝可顯著改善固液分離效果。對于低負荷的活性生物固體,厭氧膜生物反應器(AMBR)系統能在極限SRT下運行,以獲得出水污染物濃度非常低的結果。同時考慮到厭氧微生物的低增值速率,這種反應器的概念就特別適用于處理拮抗化合物,如生物難降解的有機污水。它的應用前景在于,對于某些污水采用UASB系統出現顆粒污泥成粒非常困難時或SS非常高的有機污水,采用膜生物反應器具有非常好的前景。在日本和南非已出現生產性運行實例。結果顯示,采用膜系統易具有良好的水力狀態,膜的耐久性、抗堵性較好,膜自身易于優化。如果在反應器里采用沼氣循環以加強傳質效果和提高膜表面活性的技術方案,可以使系統運行能量很低。但膜反應器的缺點是膜表面經較長時間運行后易產生碳酸鈣沉積[9][10].

  2.影響因素

  在最近10年中大量的研究探索了極限條件下厭氧處理的能力,如高溫和低溫、低PH和高PH、含鹽環境和有毒化合物的存在。

  2.1溫度

  厭氧反應器適于中溫(30-40℃)或高溫(50-60℃)運行。然而,最近的研究證實了厭氧處理溫度能夠上升到80℃[11].雖然在高溫下能產生甲烷,但溫度過高易產生系統運行不穩定的問題,因此厭氧高溫處理一般采用50-60℃。對于高溫厭氧處理來說,50-60℃是適宜的。在同樣氨氮濃度下,高溫厭氧處理有時比中溫厭氧處理效果差,這是由于在高溫狀態下分子態的氨氮(NH3)的分數比中溫時高,因此毒性問題更加突出。一般來說,當采用完全混合反應器處理糞便或固體廢物時,系統水溫高于60℃將導致脂肪酸的顯著增加。就厭氧微生物而言,高溫一般能提高微生物的水解活性,但某些微生物種群的活性卻隨溫度的上升(>60℃)而下降。例如降解丙酸鹽和乙酸鹽的微生物種群在水溫>60℃時顯著減少。因此,水溫強烈地影響微生物的水解活性和微生物的種群變化。高溫厭氧處理的優點是反應器容積較小、SRT較短、出水病原菌少。

  2.2酸堿條件

  厭氧處理一般在中性PH條件(PH=6.5-8)下應用。在低PH條件下觀察到的毒性與不溶性揮發性脂肪酸(VFA)有關。最近的研究證明在PH=4.5-5的低PH下厭氧過程可以較好的進行[12].當處理大量污水時,生產性應用如采取PH調整是一件既費錢又管理不方便的事。已報道有某食品加工污水在PH=9-9.5時UASB的顆粒污泥形成及運行穩定性良好,COD去除率高[13].

  2.3毒性、難降解有機化合物

  用厭氧方法處理毒性或難降解的化工污水是厭氧處理比好氧具有優勢的一個特點。厭氧處理對于象有機鹵化物的消除具有很大的潛力。近10年來已分離出數種專性降解有機鹵化物的微生物,并且發現這種專性微生物的數量在不斷的增加。已有數種在過去被認為不適于生物處理的生物難降解化工污水成功地采用厭氧反應器進行了有效處理。最新研究顯示各種拮抗化合物如氯化脂肪族、氯化芳香族、硝化芳香族可以在厭氧條件下或厭氧-好氧組合系統被降解[14].對于偶氮染料可以在厭氧-好氧反應器系統里被幾乎完全去除[15].對于高濃度有毒性生物可降解污水,通過進入反應器前的稀釋可獲得滿意的處理效果。

  3.去除氮磷硫的特點

  3.1氮磷的去除

  對于市政污水的處理,含有厭氧過程的ANANOX工藝具有很好的脫氮效果,同時將硫酸鹽轉化為硫[16].同樣含有厭氧過程的ANAMMOX工藝使用特殊的微生物能直接將氨氮轉化為N2脫除[17].該工藝具有非常良好的前景,因為它可以節約大量的能量。

  磷的生物去除采用組合工藝,微生物在交替的厭氧-好氧使聚磷酸鹽菌群增長。在DEPHANOX工藝里,為同時脫氮除磷而采用了特殊的裝置。這種反應器將氨氮從污泥里富集于的污泥上清液而進入生物膜硝化反應器,而污泥直接進入脫氮除磷反應器。

  3.2硫的控制

  在厭氧處理的研究里,控制硫酸鹽濃度一直引起重視。因為許多污水里含有硫酸鹽,特別是某些工業污水含有高濃度的硫酸鹽。硫酸鹽經厭氧過程后轉化為硫化氫。由于硫化氫的產生引發許多問題,例如毒性、腐蝕、增加出水COD、降低沼氣的質和量。過去的研究是如何控制硫酸鹽的轉化[18].進一步的研究表明,結合生物、物理化學技術的富硫酸鹽污水的處理可以使污水中的硫酸鹽轉化成不溶的元素硫而從污水中完全去除硫[19].

  4.厭氧理論和技術的發展前景

  4.1優化反應器系統

  許多研究和設計致力于改善顆粒污泥床反應器,目標是減小傳質阻力和提高有機負荷率。進一步的期望在于如采用分級污泥床系統處理特殊污水,如化工污水。對于毒性、難降解有機化合物的處理,有意義的期望在于厭氧反應器。應將現有的相關成熟技術最大程度地集成和整合,突破整合過程中的技術難點和關鍵技術,開發出具有實際應用價值的多級多相厭氧處理工藝。

  出于對生活污水的重視,必須集中注意力解決反應器懸浮物的流失和低溫條件下的低水解率。隨著反應器對污水、固體廢物、污泥中所含復雜有機物處理極限的逼近,提高厭氧微生物對復雜有機物水解性能是一項重要的任務。

  傳統的污泥和固體厭氧消化經常需要長停留時間以完成反應過程。縮短反應時間將是厭氧技術發展的動力。

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