废水厌氧生物处理工艺技术及其发展

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,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：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；酸化。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+H2O→CH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2O→CH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O→2CH3COOH+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4～6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。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1500mg/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。负荷高。通常好氧法的有机容积负荷为2~4kg/m3#dCOD,厌氧法为2~10kg/m3#dCOD,高的可达50kg/m3#dCOD。剩余污泥量少,且其浓缩性、脱水性良好。好氧法每去除1kgCOD将产生0.4~0.6kg生物量,而厌氧法去除1kgCOD只产0.02~0.1kg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。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盐量较少。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1910~1950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(30~35e)停留时间为20~30d。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: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)AFUASBARBCPAFB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,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0.4~0.6m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l0~30kg/m3VSS。而在EGSB反应器中,可以认为反应器内厌氧污泥是完全混合的,它比UASB反应器有更高的有机负荷,因此产气量也大,这有利于加强泥水的混合程度,提高有机物处理效率。一般在常温(25e)条件下,UASB有机物负荷为10~13kg/m3#dCOD,HRT4~7h,COD去除效率为60%~80%。而在EGSB反应器中,溶解性有机物可以被高效去除,但由于水力流速很大,停留时间短,难溶解性有机物、胶体有机物、SS的去除率都不高,一般EGSB的有机物负荷可达40kg/m3#dCOD,HRT1~2h,COD去除效率为50%~70%。与UASB反应器相比,EGSB反应器特别适合于处理低温(10~25e)低浓度([1000mg/L)的泥浓度40~70kg/m3VSS,悬浮层于处理低温(10~25e)低浓度([1000mg/L)的城市废水。EGSB反应器就是为了克服以上缺点在UASB反应器的基础上发展起来的新一代更高效的反应器。（1）EGSB反应器的工作原理EGSB反应器是固体流态化技术在有机废水生物处理领域的具体应用。EGSB反应器中装有一定量的颗粒污泥载体,当有机废水及其所产生的沼气自下而上地流过颗粒污泥床层时,载体与液体间会出现不同的相对运动,导致床层呈现不同的工作状态。在废水液体表面上升流速较低时,反应器中的颗粒污泥保持相对静止,废水从颗粒间隙内穿过,床层的空隙率保持稳定,但其压降随着液体表面上升流速的提高而增大。当流速达到一定数值时,压降与单位床层的载体重量相等,继续增加流速,床层空隙便开始增加,床层也相应膨胀,但载体间依然保持相互接触;当液体表面上升流速超过临界流化速度后,污泥颗粒即呈悬浮状态,颗粒床被流态化,继续增加进水流速,床层的空隙率也随之增加,但床层的压降相对稳定;当再进一步提高进水流速到最大流化速度时,载体颗粒将产生大量的流失。从载体流态化的工作状况可以看出,EGSB反应器的工作区为流态化的初期,即膨胀阶段(容积膨胀率约为10%~30%),在此条件下,进水流速较低,一方面可保证进水基质与污泥颗粒的充分接触和混合,加速生化反应进程,另一方面有利于减轻或消除静态床(如UASB)中常见的底部负荷过重的状况,增加反应器对有机负荷,特别是对毒性物质的承受能力。（2）EGSB系统特点EGSB厌氧工艺是在UASB厌氧工艺的基础上发展起来的新工艺,污泥浓度高,具有高负荷、高去除率(COD去除率>85%)的特点;抗冲击负荷能力强,适应水质水量的大幅度变化;占地面积小,容积产气率高;可设置完全自控操作方便。（3）EGSB适用范围适用于淀粉废水、酒精废水和其他轻工食品等高浓度有机废水的处理。二、厌氧内循环反应器(IC)（1）IC反应器的概念IC工艺是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器。它由2个UASB反应器的单元相互重叠而成,特点是在高的反应器内分为2个部分。底部一个处于极端的高负荷,上部一个处于低负荷。IC反应器由4个不同的功能单元构成,即混合部分、膨胀床部分精处理部分和回流部分。（2）IC反应器的应用荷兰PAQUES公司在1985年初建造了第一个IC中试反应器,采用UASB的颗粒污泥接种,处理高浓度土豆加工废水。1988年建立了第一个生产性规模的IC反应器。目前,在啤酒行业处理废水中IC反应器由于其效率高、占地面积小,已被广泛采用,表1为IC反应器的运行结果。三、厌氧升流式流化床工艺该工艺由美荷Biothane系统国际公司所开发的一种新型反应器,它是介于流化床和UASB反应器之间一种反应器。可以在极高的水和气体的上升流速(二者都可达到5~7m/h)下产生和保持颗粒污泥,不用采用载体物下产生和保持颗粒污泥,不用采用载体物质。由于较高的液体和气体上升流速造成进水和污泥之间的良好混合状态,因此系统可以采15~303kg/m3#d的COD负荷。折流板厌氧反应器（1）工艺介绍折流式厌氧反应器(anaerobicbaffledreactor,ABR)是Bachman和McCarty在20世纪80年代中期开发研究的最新型、高效污水厌氧生物处理工艺,具有构造简单,能耗低,运行稳定可靠等优点,在水力流态,对微生物固体的去除和载流能力,及生物固体种群的分布方面亦具有其独特的优越性,运行管理方便。该反应器是用多个垂直安装的导流板,将反应室分成多个串联的反应室,每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统(USB),废水在反应器内沿导流板作上下折流流动,逐个通过各个反应室并与反应室内的颗粒或絮状污泥相接触,而使废水中的底物得以降解。（2）ABR工艺的主要特点工艺构造简单,不需三相分离器;满足SMPA的理论思路;在没有回流和搅拌的条件下,混合效果良好,死区百分率低；ABR反应器,水力流态局部为完全混合式(CSTR),整体为推流(PF)流动的一种复杂水力流态反应器。表4ABR反应器与其他类型反应器的Vd/V3比较反应器类型死区容积分数(Vd/V)(%)厌氧滤池(AF)50—93普通消化池82ABR反应7—20五、厌氧序批式反应器（1）工艺介绍厌氧序批式反应器(anaerobicsequenc2ingbatchreactor,ASBR)是由美国Dague教授及其合作者研究开发的新工艺,该工艺彻底解决了厌氧污泥容易流失的问题,具有投资省、操作灵活、稳定高效等优点。（2）工艺特点1、结构及管路简单;2、运行灵活、耐冲击、节省动力;3、运行稳定、效果好、管理方便;4、工艺适用范围广(可在低温下处理低浓度废水)。由于ASBR工艺具有简易、高效、节能、灵活的特点,且能够在常温下处理低浓度废水,所以是一种非常适合我国国情的污水处理新技术,应用前景很广阔。六、LARAN工艺（1）工艺介绍LARAN工艺是德国LINDE股份公司的ManfredR.Morper博士针对传统活性污泥法的诸多问题而研究开发的一种新的固定床厌氧循环反应器,反应器内装有波纹环型塑料填料。生长缓慢的厌氧微生物附着生长在填料上。该填料的比表面积很大,可使反应器内保持较高的污泥浓度。废水自上而下流经固定床,并将大部分废水由底部经原废水进口处的射流器循环流至反应器的上部,通过废水的循环,强化了反应器内部水流的混合效果,调节了原废水水质的波动,削弱了废水的冲击负荷,处理出水经设在反应器上中产生的沼气与废水逆向流动,并通过设在顶部的出气管流出反应器。工艺特点耐冲击负荷;产泥少、去除率高;构造简单。（3）应用目前,LARAN反应器已在欧洲和亚洲的数个国家得到实际应用,并主要用于高浓度食品工业、造纸工业、化学工业废水的厌氧处理。国内Platting肉类加工厂油脂废水采用LARAN工艺进行处理。20世纪70年代以来,废水厌氧处理技术因其具有投资少、运行费用低及能产生能量等优点,而得到较快的发展,并出现了一批以升流式厌氧污泥床反应器(UASB)为代表的能滞留大量微生物固体的第二代厌氧反应器技术。但这些技术在某些方面还存在一定的问题,有待进一步研究,如三相分离器的合理设计在国内没有一个成功的方法,颗粒污泥的培养虽在荷兰等国已有成功的经验和实际应用,但在国内则尚处于探索和不断深入的研究阶段,这在一定程度上影响了它们的推广应用,EGSB、SMPA、ABR、ASBR、LARAN等新技术、新工艺的出现,使厌氧污水处理技术重新受到人们的关注,特别是随着能源危机,水质污染日趋复杂,节能、高效的厌氧处理技术又成为人们的新一轮的研究热点。参考文献：【1】胡纪萃《废水厌氧生物处理理论与技术》【2】沈耀良《废水生物处理新技术——理论与运用》【3】赵文军滕