新型厌氧反应器处理生活污水的研究进展

yuguoqingkong · 发表于 2007-8-2 05:03:55

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新型厌氧反应器处理生活污水的研究进展 [ 本帖最后由 lvjianguo96 于 2014-2-17 10:59 编辑 ]

飞哥哥 · 发表于 2007-8-2 22:55:27

新型厌氧反应器处理生活污水的研究进展 岳敏1 , 文娟1 ,王春龙1 ,邱俊华2 ,林波1 (1. 南昌大学环境与化学工程学院,江西南昌　330029 ;2. 广东省斗门县环境监测站,广东斗门　519100)

摘　要:新型高速厌氧反应器的发展使生活污水的厌氧处理成为可能. 介绍了几种厌氧反应器的特点及其在生活污水处理中的研究现状. 关键词:新型高速厌氧反应器;生活污水;进展文献标识码:B 　　　文章编号:1006 —5776(2001) —02 —0011 —03

The Progress of Domestic Wastewater Treatment by New Anaerobic Reactors YUE Min1 WEN Juan2 ,WANG Chun - Long3 ,LIN Bo1 (1. Environment Engineering Department ,Nanchang University ,Nanchang Jiangxi 330029 China)

Abstract :The development of new high - rate anaerobic reactors has made the possible the treatment of domestic wastewater by anaerobic means. The features and recent development on the treatment of domestic wastewater of some reactors were introducde in this paper. Key words :New high - rate anaerobic reactor ;Domestic wastewater ;Development 1 　引言生活污水的排放量逐年递增,占到了我国年污水排放总量的70 % ,而其中只有10 %得到了处理. 生活污水属于低浓度有机废水,是我国一些江河湖泊富营养化的主要原因. 我国一般采用好氧二级生物处理,但占地大,基建费高,且因要曝气,运转费用高,致使许多城镇难以筹资兴建污水厂,或因成本高而难以坚持运转.随着能源危机的爆发,厌氧处理技术由于无需曝气,污泥产量少,又可回收沼气而成为国内外普遍关注的节能技术,一系列新型高速厌氧反应器相继研制出来. 对于高、中浓度有机废水的处理,厌氧技术已经较成熟. 1996 年东南亚地区厌氧处理研讨会上,将探寻高效厌氧污水处理工艺作为今后的努力方向,低浓度生活污水的厌氧处理成为人们关心的新领域. [1 ] . 2 　传统厌氧工艺的缺点及新型厌氧工艺的发展传统厌氧消化工艺的水力停留时间长达20～30 d ,主要因为: ①系统内没有足够的微生物,特别是产甲烷微生物; ②进水和生物种群没有充分接触. 厌氧微生物生长缓慢,世代时间长,使其在系统中保持足够长的停留时间是厌氧消化工艺成功的关键. 新型高速厌氧反应器通过两种途径来保持污泥浓度: ①培养出颗粒污泥,使悬浮的生物絮体有良好的凝聚性和沉降性能,不随出水流失,如UASB ; ②将生物细胞固定于载体上,如AF. 新型高速厌氧工艺成功地将固体停留时间与水力停留时间相分离,从而使固体停留时间长达上百天,水力停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天. 新型厌氧消化工艺设法改变反应器中的水力特征,改善微生物与基质之间的传质条件以加快反应速率,如AFB. 3 　高速悬浮颗粒厌氧反应器 3. 1 　上流式厌氧污泥床(UASB) 上流式厌氧污泥床(UASB) 的特点是: ①反应器中污泥呈颗粒状,生物固体浓度高,平均污泥浓度为20～40 gVSS/ L[2 ] ;②有机负荷高,水力停留时间短,中温下一般为10 kgCOD/ (m3·d) : ③无需载体,节省造价,避免填料引起的阻塞问题. UASB 在工业废水处理中应用最广泛,用于城市废水处理有广阔的发展前途. 荷兰、巴西、哥伦比亚、印度等国家已建成了生产性UASB系统处理生活污水. 我国清华大学周琪等[3 ]于1992 年用UASB反应器进行了处理生活污水的小型试验研究,成功地培养出了颗粒污泥,用颗粒化后的反应器处理生活污水时,水力停留时间不低于4～6 h ,水温不低于17 ℃的工艺条件下,出水COD 均低于100 mg/ L. 另外,中国市政工程西南设计院科研所、北京环境保护科研所单位也进行了这方面的研究工作. 总体说来,我国在这方面的工作还处于起步阶段. 3. 2 　厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB) 厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB) 实际上是改进的UASB ,通常采用较大的高径比和回流比,运行中维持高的上升流速(2. 5～6 m/ h) ,远远大于UASB 所采用的0. 5～2. 5 m/ h[4 ] ,使颗粒污泥处于膨胀悬浮状态,从而保证了进水与污泥颗粒的充分接触,运行效果比UASB 要好. EGSB 类似于厌氧流化床,只是没有填料,上升速度也小于流化闲. 一般情况下,在低温条件下采用低负荷时,沼气产率低,气体产生的混合强度会很低,UASB 的应用就会受到限制,因而EGSB 特别适于低温和浓度相对低的污水. 国外已有处理制药和食品废水的生产性装置,还未见用于低浓度生活污水的试验和生产性装置. 3. 3 　厌氧内循环( IC) 反应器荷兰PAQUES 公司在1985 年初将两个UASB 反应器单元相互重迭,建造了第一个厌氧内循环( IC) 中试反应器. 该反应器高度可达20 m以上,上升流速一般高于10 m/ h. 其特点是在一个高的反应器中将沼气的分离分为两个阶段,利用气体造成内部循环,可以采用高的有机负荷获得高的去除率. 我国沈阳华润雪花啤酒有限公司在1996 年从荷兰帕克公司引进了全国第一套IC 技术设备,已成功应用于啤酒废水处理. 但未见有针对生活污水的处理装置报导. 3. 4 　斜板上流式厌氧污泥床(UASB/ ITS) 斜板上流式厌氧污泥床(简称UASB/ ITS) ,以斜板(或斜管) 代替复杂的三相分离器,可由塑料、玻璃钢或其它材料构成,特点是提高固液分离效果,降低反应器高度,造价低. 该工艺采用了浅层沉淀原理,改善了污泥的沉降性能.胡启春等[5 ]在使用该装置处理低浓度有机废水的试验中,进行COD 浓度在660～982 mg/ L 范围,HRT 为12 h ,温度在12 ℃以上的条件下,可以获得稳定的70 %以上的去除效果. 水浸没的成组浅层斜板(或斜管) 有良好的污泥截留能力和稳定效果,在设计上较三相分离器更为简便. 4 　固定膜反应器固定膜反应器的特点是:采用固定化技术,将微生物细胞固定于反应器内的载体上,实现固体停留时间与水力停留时间的分离,载体填料的存在,对水的流动状态起到强制紊动作用,同时可促进污染物质与微生物细胞的充分接触,从实质上强化了传质过程. 采用的固定化技术有表面附着法、多孔基质包埋法、交联法、共价结合法、超过滤法等. 其中表面附着法(也称生物膜法)是水处理中的重要方法,依靠微生物吸附于多孔载体表面及微孔中,形成固定生物膜,提高污泥浓度,延长污泥停留时间. 4. 1 　厌氧滤器厌氧滤器AF(Anaerobic Filter) 是60 年代末由美国McCarty等在Coulter 等人研究的基础上发展并确立的第一个高速固定膜厌氧反应器,其特点是: ①有机容积负荷高. 滤料的表面及内部附着一层生物膜,填料间隙内也悬浮着大量的厌氧微生物(填料表面生长的膜仅占1/ 4～1/ 2[4 ] ) ,污泥在反应器内的停留时间极大地延长了(通常超过50～100d[6 ] ) ,因此,反应器内的污泥浓度很高,提高了净化效率,从而也缩短了水力停留时间,减小了反应器的体积. ②抗冲击负荷能力强,据报道,在6 倍于进水流量的水力冲击下,AF 的出水水质也未产生重大的变化[7 ] . ③有机物去除速度快,载体填料为微生物的附着提供了巨大的表面积,扩大了污水与生物膜的接触面积,强化了传质过程. ④污泥产量低,厌氧活性污泥在反应器内能较好的附着、吸附,不易随水流出,有资料报导[8 ] ,生产性AF 在600 d 的运行中没有废弃污泥. ⑤启动时间短,停运后再启动也比其它厌氧反应器时间短. AF 很适宜处理间歇排放的废水,进水暂停一段时间(1～3 d) ,系统的性能不受影响,据报道,在厌氧条件下停运半年,仍可迅速恢复生物活性[8 ] .

厌氧滤池构造简单,能耗小,运行管理方便,特别适于处理含悬浮物较低的中低浓度有机废水. 近几十年来,出现了几种新型厌氧反应器及工艺,如厌氧生物滤池两极串联工艺、两极循环工艺、变速厌氧/ 缺氧生物滤池等.

厌氧滤器的问题是有时存在死区和沟流,以及由此造成的堵塞现象. A. Pu‰ nal[9 ]等许多国外研究者认为形成的原因是:反应器内固体的积累以及气体的生成使大量的悬浮固体截留在反应器底部,造成了局部的堵塞,当承受高有机负荷或废水含难降解悬浮固体时,这一现象还会加剧. 在反应器的不同高度,生长着不同的微生物,从下到上依次是水解菌、产乙酸菌、产甲烷菌,在最上部,产生的甲烷气体阻碍了底物跟微生物的结合.解决阻塞问题,有几个办法: ①A. Pu‰ nal[9 ]等采用在填料塔不同高度进水的方式,与一个单纯底部进水的填料塔作同期比较,在进水10 kgCOD/ m3 ,有机负荷32 kgCOD/ (m3·d) 的条件下,运行410 d ,复合塔在COD 的去除、水力和有机负荷冲击下的稳定性方面均优于单塔,且它的上部和下部微生物种群相似,复合塔有效容积高达85 % ,而单塔只有65 %. ②在允许的范围内选择较大粒径的或大孔隙率的填料也利于防止堵塞的发生. ③还可以采用出水循环的办法,降低进水有机物浓度,同时AF内沿高度分布的污泥浓度差也大大减小,还可提高水流的上升流速,减少滤料空隙中的悬浮物,从而可降低堵塞的可能性. 同时,出水循环还可以对进水起到中和酸碱度的作用. 就目前的研究现状,只要进水悬浮物低于200 mg/ L ,或悬浮物是易生物降解的,堵塞问题不是很突出.

最早用AF 处理生活污水的研究是在美国进行的. 1981～1983 年在田纳西州Knoxville 建造了一座190 m3/ d 的AnFLOW中间试验装置, 两年的运行表明, 在有机负荷为0. 1～0. 4kgBOD/ (m3·d) 或0. 35～1. 2 kgCOD/ (m3·d) ,HRT9～10 h ,TSS、BOD、COD 的去除率依次可达80 %、70 %、60 %. 当环境温度降至12 ℃时,效果依旧. 能耗与活性污泥相比,可节约55 % ,污泥生成量仅占活性污泥法的20 %～25 %[10 ] . 南非、印度、日本等国家也先后进行了利用AF 处理生活污水的试验,取得了良好的效果. 90 年代中期,我国钱易等[11 ]用弹性立体填料,进行了厌氧生物滤池处理生活污水的小型试验. 结果表明,厌氧生物滤池可以在低温(9. 5 ℃～15. 5 ℃) 条件下成功启动,启动期为60 天,常温下厌氧生物滤池能有效地去除有机污染物. 何强、龙腾锐等[12 ]利用变速厌氧生物滤池进行了城市污水的处理,也取得了满意的效果. 4. 2 　厌氧滤器填料的开发填料是厌氧滤池的核心部分. 我国在研制新型填料方面,走在了世界的前列. 作为AF 的填料,种类繁多,已报道过的有砂、碎石、砖块、陶瓷、塑料、玻璃、炉渣、贝壳、珊瑚、海绵、网状塑料泡沫、塑料球、活性炭、陶粒、波尔环等等. 要求:生物膜易附着、比表面积大、孔隙率高、通水阻力小、稳定性高、寿命长、价钱便宜、货源充足. 以碎石、卵石为滤料的厌氧滤池,由于比表面积不大(一般为40～50 m2m3) ,孔隙率低(一般为50～60 %) ,易发生堵塞和短流,因此有机容积负荷不高,通常为3～6 kgCOD/ (m3·d) [2 ] .Joo - Hwa Toy 等大多数研究者认为[13 ] ,填料的孔隙率和孔径大小在发挥反应器的性能方面比比表面积影响更大,有相当部分的COD 是由填料空隙中被阻留的悬浮固体去除的,多孔填料上由于剪力而造成的生物量损失比无孔填料少,而且多孔填料的AF 在较高有机负荷时能保持较好的性能,且运行稳定. 填料表面的粗糙程度和表面孔隙率会影响细菌增值的速率,粗糙多孔的表面有助于生物膜的形成,填料表面的孔洞大小除容纳微生物个体之外,还必须留有供细胞与基质之间进行扩散和交换的空间,只有当填料表面70 %以上的孔径大小分布处于反应器内最大微生物尺寸的1～5 倍范围内时,才能获得最大生物积累[14 ] . 采用孔隙率较大的空心填料可能是有益的,因为AF 中厌氧菌大部分生长在填料之间的孔隙中,所以,大孔隙率有助于保留更多的污泥,还有利于防止堵塞. 粒状多孔填料逐渐成为人们研究的重点[15 ,16 ] .

何强等认为[12 ] ,适当地减少粒径,增大比表面积,将有利于生物膜的形成,但粒径较小,则影响水流的再分布,容易引起堵塞,2. 0～5. 0 mm是较适宜的滤料粒径. 对于含有促进剂的填料,龙腾锐等[14 ] 进行了低温缺氧挂膜试验,发现适当的促进剂含量对于填料挂膜起到明显的促进作用,在城市污水温度的下限(10 ℃～35 ℃) ,酶促生物填料历时25 d 即完成挂膜,该成果对于北方地区污水处理系统的启动极具参考价值. 但也有研究表明,采用粒状活性炭滤料,并不比其它不具有表面活性的滤料优越[2 ] . 4. 3 　厌氧流化床(AFB) 厌氧流化床(Anaerobic Fluidiged Bed) 是效率最高的厌氧反应器[17 ] . 这是由流化床的特点决定的. 流化态能使厌氧污泥与废水量最大程度地接触,避免了固定床底部负荷过重的现象;小颗粒载体(粒径一般为0. 2～0. 8 mm ,比表面积为3 300～10 000 m3) [18 ]为微生物的固定化提供了巨大的表面积,反应器内生物量可达10～14 g/ L ,去除率高;液体流速高(10～30 m/h) [18 ] 颗粒与流体相对速度高,生物膜薄,传质阻力小,传质速率快;克服了AF 的堵塞和沟流;对水质适应性强,抗冲击性强. 在AFB 中,一般用砂、玻璃球、活性炭作载体,近年来也有用陶粒、粒状塑料、沸石、方石英(矿) 等作载体的. 采用多孔高分子材料载体,可以控制其比表面积,密度小,易于流化,回流所耗能量少,近年来应用越来越多. 就固定方式而言,传统方法是在载体上吸附微生物而形成生物膜,近年来,国内外开始选取高分子材料(如聚丙烯酰胺) ,用包埋法、包络法等进行固定[18 ] . 国外对厌氧流化床的研究起步较早,但对于生活污水的处理,生产性装置不常见. 杨云霞[19 ]等人进行了厌氧流化床处理有机废水的可行性研究,采用多孔高分子载体固定厌氧微生物,试验表明,在35 ℃±1 条件下,处理COD 浓度为220～250mg/L 的城市污水, HRT 为2～2. 5 h ,容积负荷为2. 4～2. 6gCOD/ (L·d) ,远远高于活性污泥法曝气池的容积负荷,而COD去除率也达到了54 %～56 %. I. Sonz[18 ]在10 ℃下用AFB 处理城市生活污水, 当HRT 为2. 8 h , COD 容积负荷为2. 4～ 3. 3gCOD/ (L·d) 时,COD 去除率为75 % ,BOD5 去除率为85 % ,出水COD 为125 mg/ L ,TSS为25 mg/ L. 一些研究者认为流化床反应器需要有单独的预酸化反应器. 何义亮[20 ]等在20 ℃和30 ℃的温度条件下,用厌氧流化床对低浓度人工合成污水(COD 为75 ～110 mg/ L) 的酸化处理进行了试验研究,所用载体为陶粒,平均粒径0. 55 mm ,结果表明厌氧流化床在较高的容积负荷(19kgCOD/ (m3·d) 及很短的水力停留时间(6. 5 h) 下,对低浓度污水仍有较高的去除率(30 %) ,当HRT 提高1 h ,去除率可达90 %. 厌氧流化床最突出的特点是: ①需要大量的回流水取得高的上流速度以保证流态化,从而导致能耗大,成本上升; ②流化程度不易控制,必须使生物膜颗粒保持均匀的形状、大小和密度,才能实现良好的流态化,并使污泥和颗粒不致流失,这几乎是难以做到的. 这很可能是生产性厌氧流化床反应器不多见的原因. 4. 4 　厌氧附着膜膨胀床(AAFEB) Jewell 等人(1974 年) 研究和开发了厌氧附着膜膨胀床工艺(Anaerobic Attached Film Expanded Bed Process) ,其与流化床的区别在于载体的膨胀程度,以填料层高度计,膨胀床的膨胀率约为10 %～20 % ,流化床则为20 %～70 %[2 ] . 膨胀床的特点是床层有一定程度的膨胀松动,并未达到流态化. Jewell 、Switzenbaum在1976 年长达200 多天的小型试验结果:20 ℃下,经初次沉淀的城市污水,COD 为88～306 mg/ L ,HRT大于0. 5 h 的情况下,出水COD 低于40 mg/ L[2 ] . 刘双江等[21 ]在处理低浓度模拟废水的小型试验中,发现在温度为30 ℃～35 ℃,HRT 为6 小时的条件下处理300 mgCOD/ L 的污水,出水COD 约为30 mg/ L ,表明AAFEB 工艺可以高效地处理低浓度有机废水. Bruce J . Alder2man et al[22 ] 通过对比厌氧膨胀床、滴滤池、活性污泥法等工艺的费效比,发现对于小型生活污水厂而言,厌氧膨胀床加后续滴滤池的设计是最经济的选择,耗能最少,污泥产率最低. 5 　复合式厌氧反应器的开发应用 5. 1 　升流厌氧污泥床———滤层反应器(UBF)

人们综合了固定膜反应器及悬浮颗粒反应器的优点,开发出了新型升流厌氧污泥床———滤层反应器(简称UBF) ,它由上部滤层和下部污泥床两部分组成(也有在中部分层填充填料的) ,内部微生物小部分附着在填料上,绝大部分在污泥床内,结构简单,高效稳定. 孙慧修等[23 ]利用UBF 在常温下处理低浓度(COD≈500 ±50 mg/ L) 啤酒废水,得到以下结果:HRT 为19～5 h ,夏季处理效率93. 3 %～82. 5 % ,秋季为91. 8 %～63 % ,冬季为78 %～33. 3 %. 目前,还未见UBF 在实际工程中的应用实例,但前景广阔. 5. 2 　厌氧浮动生物膜反应器(HYAN) HYAN 与UBF 相似,采用比重小于水的填料,将上部滤层改为浮动床,李清雪[24 ] 等利用该反应器进行了高浓度有机废水的处理,采用聚丙烯材料制成的悬浮生物膜填料,在温度20～28 ℃,容积负荷为51. 38～201. 62 kgCOD/ (m3 ·d) , HRT 为23. 14 h ,COD 去除率在90 %以上. 6 　结束语城市生活污水的厌氧处理近年来得到人们的普遍重视,新型厌氧反应器及工艺的开发使低浓度有机废水的厌氧处理成为可能,其在节约占地和能耗方面与好氧法相比具有显著的优越性. 有机废水经过厌氧处理,通常情况下不能达到国家的排放标准,但作为好氧处理的前期处理,可大幅度地降低有机污染物的浓度和后续好氧处理的曝气量. 参考文献: [1 ] 　王凯军等. 厌氧处理技术发展现状与未来发展领域[J ] . 中国沼气,1999 ,17(4) :14～17. [2 ] 　钱易等编. 现代废水处理新技术[M] . 北京:中国科学技术出版社,1992 :175. [3 ] 　周琪等. 用生活污水在常温下培养厌氧颗粒污泥的研究[J ] . 环境科学研究,1993 ,6(3) :8～13.

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