废水厌氧生物处理工艺技术及其发展.docx
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1、废水厌氧生物处理工艺技术及其发展 鉴于日益增加的当代水质难题的复杂性和广泛性以及厌氧生物技术在经济和节能方面的优点,使得深入研究并掌握厌氧生物处理工艺显得极为必要。发展中国家正面临着日益严重的环境和能源问题,厌氧处理技术恰好可以满足这样的要求,而且具有可持续发展性。厌氧处理技术处理轻度污染的工业废水和城市污水时同样有效,在甲烷的产量不足以使用的情况下也是如此。即使后续处理采用的是好氧反应, 剩余污泥的产量也会很低。另外,这种简单凑便于运行控制的厌氧反应系统还可以灵活方便地使用, 而这些又都是传统工艺无法满足的。厌氧生物处理工艺的原理是利用微生物生命过程中的代谢活动,将有机物分解为简单无机物,
2、从而去除水中有机物污染的过程,称为废水的生物处理。根据代谢过程对氧的需求,微生物又分为好氧、 厌氧和介于两者间的兼性微生物。厌氧生物处理就是利用厌氧微生物的代谢过程,在无需提供氧的情况下, 把有机物转化为无机物和少量的细胞物质,这些无机物包括大量的生物气(即沼气)和水。厌氧生物处理是一种低成本废水处理技术, 把废水治理和能源相结合, 特别适合发展中国家使用。根据厌氧消化过程的三阶段理论, 厌氧微生物主要可以分为以下三大类群, 即发酵细菌(产酸细菌)、 产氢产乙酸菌、 产甲烷菌。发酵细菌(产酸细菌)的主要功能是: (1) 水解。在胞外酶的作用下, 将不溶性有机物水解成可溶性有机物; (2) 酸化
3、。将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、 醇类等小分子有机物。 这类细菌分属梭菌属、 拟杆菌属、 丁酸弧菌属、 双岐杆菌属等, 其中大多数是厌氧菌, 但也有大量的是兼性厌氧菌。 产氢产乙酸菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和 H2。涉及到的主要反应有:乙醇:CH3CH2OH+ H2OCH3COOH+2H2丙酸:CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2丁酸:CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2O 上述各个反应只有在系统中的乙酸浓度和氢分压均很低时才能顺利进行。主要的产氢产乙酸菌分属互营单胞菌属、 互营杆菌属、 梭菌属、 暗杆菌属等; 多数是
4、严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 产甲烷菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物 乙酸、 H2 和CO2 转化为CH4和CO2,使厌氧消化过程得以顺利进行。产甲烷菌一般可以简单地分为两大类,即乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌; 一般来说, 自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少,主要只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝状菌两大类, 但在厌氧反应器中, 这两种细菌的数量一般较多,而且70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。产甲烷菌的增殖速率很慢, 繁殖的世代时间很长, 可长达 46天甚至更长, 因此, 一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。 厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点:1) 应用范围广。好氧法因供氧限制一般
5、只适用于中、 低浓度有机废水的处理, 而厌氧法既适用于高浓度有机废水, 又适用于中、 低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的,但对厌氧生物处理是可降解的, 如固体有机物。2) 能耗低。好氧法需要消耗大量能量供氧,曝气费用随着有机物浓度的增加而增大,厌氧法不需要充氧,而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达到一定浓度后, 沼气能量可以抵偿消耗能量。当原水BOD5 达到 1 500 mg/ L 时, 采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高, 剩余能量愈多,一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/ 10。3) 负荷高。通常好氧法的有机容积负荷为 2 4 kg/ m3#d COD,厌
6、氧法为2 10 kg/ m3#d COD,高的可达50 kg/ m3#dCOD。4) 剩余污泥量少, 且其浓缩性、 脱水性良好。好氧法每去除1 kg COD将产生0. 4 0. 6 kg 生物量, 而厌氧法去除1 kg COD只产0.02 0. 1 kg生物量, 其剩余污泥量只有好氧法的5% 20%。同时,消化污泥在卫生学和化学上都是稳定的。因此, 剩余污泥处理和处置简单、 运行费用低,甚至可作为肥料、 饲料或饵料利用。5) 氮、 磷营养需要量较少。好氧法一般要求BODBNBP 为100B5B1, 而厌氧法的 BODBNBP 为100B2. 5B0. 5,对氮、 磷缺乏的工业废水所需投加的营养
7、盐量较少。6) 厌氧处理过程有一定的杀菌作用, 可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、 病毒等。7) 厌氧活性污泥可以长期贮存, 厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。与好氧反应器相比, 在停止运行一段时间后,能较迅速地启动。事实上厌氧消化工艺并不是一个新的工艺,人们早在100多年前就开始采用厌氧工艺处理生活污水污泥。1860年法国工程师 Mouras 采用厌氧方法处理经沉淀的固体物质。1904年德国Imhoff将其发展成为 Imhoff 双层沉淀池(即腐化池) ,这一工艺至今仍然在有效地利用。在19101950 年,高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展, 比腐化池有明显的优势。Schroepfer在
8、50年代开发了厌氧接触工艺, 这些反应器可以称为第一代的厌氧反应器。厌氧微生物生长缓慢,世代时间长,足够长的停留时间是厌氧工艺成功的关键条件。很显然, 厌氧消化池无法分离水力停留时间和污泥停留时间,这也是污泥消化池必须保持足够长的停留时间的原因之一。一般消化工艺在中温( 30 35 e )停留时间为 20 30 d。 高效率厌氧处理系统必须满足的条件之一是能够保持大量的活性厌氧污泥。依照这一原则人们成功地开发了第二代厌氧反应器,例如厌氧滤池(AF)、 升流式厌氧污泥床反应器(UASB)和厌氧接触膜膨胀床反应器(AAFEB)等。这些反应器的一个共同特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离,其
9、固体停留时间可以长达上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。在已经开发的这些高效厌氧处理系统中, UASB工艺被广泛应用在生产性的装置上,并且一般非常成功。UASB由污泥反应区、 气液固三相分离器(包括沉淀区)和气室组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥, 具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触,污泥中的微生物分解污水中的有机物,把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出,微小气泡在上升过程中不断合并, 逐渐形成较大的气泡, 在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水
10、一起上升进入三相分离器。沼气碰到分离器下部的反射板时, 折向反射板的四周, 然后穿过水层进入气室,集中在气室沼气, 用导管导出,固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区, 污水中的污泥发生絮凝, 颗粒逐渐增大,并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内, 使反应区内积累大量的污泥, 与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出, 然后排出污泥床。基本要求有:1) 为污泥絮凝提供有利的物理、 化学和力学条件,使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能;2) 良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相,保持特定的微生态环境, 能抵抗较强的扰动力,较大的絮体具有良好的沉淀性能,从而提高设备
11、内的污泥浓度;3) 通过在污泥床设备内设置一个沉淀区, 使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀, 然后回流入污泥床内。 表 1 各种厌氧处理工艺的优缺点比较序号 123456工艺名称普通厌氧消化池 厌氧接触艺厌氧生物滤池升流式厌氧污泥床厌氧生物转盘厌氧流化床厌氧英文缩写 CADTACP(AASP)AF UASB ARBCP AFB优点结构简单,适于处理 VSS 高,颗粒大的料液负荷高,水力停留时间短,易启动,耐冲击负荷能力高,产泥少,耐冲击负荷,能耗低工艺结构紧凑,处理能力大,效果好,投资省容积负荷高,无堵塞,耐冲击,运行稳定 耐冲击负荷,效率高,产泥少,占地少 缺点水力停留时间长,管
12、理不便需污泥回流,固液分离有时较困难布水不均匀,填料昂贵,且易堵不适于处理高 VSS 废水,颗粒污泥培养困难动力消耗大,占地大,盘片造价高动力消耗大,管理较复杂 高效厌氧处理系统需要满足的第2 个条件是使得进水和污泥之间保持良好接触。为此,人们首先应该确保反应器布水的均匀性,因为这样才可以最大程度地避免短流。这一问题无疑涉及到布水系统的设计。同时可采用较高的反应器设计或采用出水回流而获得较高的搅拌强度。另外,厌氧反应器混合可来源于进水的混合和产气的扰动这两方面,但是当进水无法采用高的水力和有机负荷的情况下,例如工艺在低温条件下只得采用低负荷时,由于在污泥床内的混合强度太低以致无法抵消短流效应,
13、 这种情况使UASB反应器的应用受到限制。正是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。一、厌氧颗粒污泥床反应器( EGSB) 厌氧颗粒污泥床反应器( EGSB)是在 UASB反应器的基础上发展起来的, 因此,它们之间具有许多相似点。例如它们都要在反应器内产生沉淀性能和机械性能良好的颗粒污泥, 都需要装配高效的三相分离器来提高出水水质等。它们之间有许多不同点,在 UASB 反应器中,污泥床是静态的,反应区集中在反应器底部0. 40. 6 m 的高度, 污水通过污泥床时90%的有机物被降解,污泥床污污泥浓度 l0 30 kg/ m3VSS。而在EGSB 反应器中,可以认为反应器内厌氧
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