(好資料)2.6厭氧生物處理工藝--水處理教案(清華大學精品課程)

第六章 厭氧生物處理工藝第一節(jié) 厭氧生物處理工藝的發(fā)展概況及特征一、厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡史實際上，厭氧生物過程廣泛地存在于自然界中，但人類第一次有意識地利用厭氧生物過程來處理廢棄物，則是在1881年由法國的Louis Mouras所發(fā)明的“自動凈化器”開始的，隨后人類開始較大規(guī)模地應用厭氧消化過程來處理城市污水（如化糞池、雙層沉淀池等）和剩余污泥（如各種厭氧消化池等）。這些厭氧反應器現(xiàn)在通稱為“第一代厭氧生物反應器”，它們的共同特點是： 水力停留時間（HRT）很長，有時在污泥處理時，污泥消化池的HRT會長達90天，即使是目前在很多現(xiàn)代化城市污水處理廠內(nèi)所采用的污泥消化池的HRT也還長達2030天； 雖然HRT相當長，但處理效率仍十分低，處理效果還很不好； 具有濃臭的氣味，因為在厭氧消化過程中原污泥中含有的有機氮或硫酸鹽等會在厭氧條件下分別轉(zhuǎn)化為氨氮或硫化氫，而它們都具有十分特別的臭味。以上這些特點使得人們對于進一步開發(fā)和利用厭氧生物過程的興趣大大降低，而且此時利用活性污泥法或生物膜法處理城市污水已經(jīng)十分成功。但是，當進入上世紀50、60年代，特別是70年代的中后期，隨著世界范圍的能源危機的加劇，人們對利用厭氧消化過程處理有機廢水的研究得以強化，相繼出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的處理工藝，從此厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應用于廢水處理，真正成為一種可以與好氧生物處理工藝相提并論的廢水生物處理工藝。這些被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的厭氧生物處理工藝又被統(tǒng)一稱為“第二代厭氧生物反應器”，它們的主要特點有： HRT大大縮短，有機負荷大大提高，處理效率大大提高； 主要包括：厭氧接觸法、厭氧濾池（AF）、上流式厭氧污泥床（UASB）反應器、厭氧流化床（AFB）、AAFEB、厭氧生物轉(zhuǎn)盤（ARBC）和擋板式厭氧反應器等； HRT與SRT分離，SRT相對很長，HRT則可以較短，反應器內(nèi)生物量很高。以上這些特點徹底改變了原來人們對厭氧生物過程的認識，因此其實際應用也越來越廣泛。進入20世紀90年代以后，隨著以顆粒污泥為主要特點的UASB反應器的廣泛應用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來了同樣以顆粒污泥為根本的顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應器和厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應器。其中EGSB反應器利用外加的出水循環(huán)可以使反應器內(nèi)部形成很高的上升流速，提高反應器內(nèi)的基質(zhì)與微生物之間的接觸和反應，可以在較低溫度下處理較低濃度的有機廢水，如城市廢水等；而IC反應器則主要應用于處理高濃度有機廢水，依靠厭氧生物過程本身所產(chǎn)生的大量沼氣形成內(nèi)部混合液的充分循環(huán)與混合，可以達到更高的有機負荷。這些反應器又被統(tǒng)一稱為“第三代厭氧生物反應器”。二、厭氧生物處理的主要特征1、主要優(yōu)點 與廢水的好氧生物處理工藝相比，廢水的厭氧生物處理工藝具有以下主要優(yōu)點： 能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；因為厭氧生物處理工藝無需為微生物提供氧氣，所以不需要鼓風曝氣，減少了能耗，而且厭氧生物處理工藝在大量降低廢水中的有機物的同時，還會產(chǎn)生大量的沼氣，其中主要的有效成分是甲烷，是一種可以燃燒的氣體，具有很高的利用價值，可以直接用于鍋爐燃燒或發(fā)電； 污泥產(chǎn)量很低；這是由于在厭氧生物處理過程中廢水中的大部分有機污染物都被用來產(chǎn)生沼氣甲烷和二氧化碳了，用于細胞合成的有機物相對來說要少得多；同時，厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.150.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.250.6kgVSS/kgCOD。 厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解；因此，對于某些含有難降解有機物的廢水，利用厭氧工藝進行處理可以獲得更好的處理效果，或者可以利用厭氧工藝作為預處理工藝，可以提高廢水的可生化性，提高后續(xù)好氧處理工藝的處理效果。2、主要缺點與廢水的好氧生物處理工藝相比，廢水厭氧生物處理工藝也存在著以下的明顯缺點： 厭氧生物處理過程中所涉及到的生化反應過程較為復雜，因為厭氧消化過程是由多種不同性質(zhì)、不同功能的厭氧微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的生化過程，不同種屬間細菌的相互配合或平衡較難控制，因此在運行厭氧反應器的過程中需要很高的技術(shù)要求； 厭氧微生物特別是其中的產(chǎn)甲烷細菌對溫度、pH等環(huán)境因素非常敏感，也使得厭氧反應器的運行和應用受到很多限制和困難； 雖然厭氧生物處理工藝在處理高濃度的工業(yè)廢水時常常可以達到很高的處理效率，但其出水水質(zhì)仍通常較差，一般需要利用好氧工藝進行進一步的處理； 厭氧生物處理的氣味較大； 對氨氮的去除效果不好，一般認為在厭氧條件下氨氮不會降低，而且還可能由于原廢水中含有的有機氮在厭氧條件下的轉(zhuǎn)化導致氨氮濃度的上升。三、厭氧生物處理技術(shù)是我國水污染控制的重要手段我國高濃度有機工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等有機物；我國當前的水體污染物還主要是有機污染物以及營養(yǎng)元素N、P的污染；目前的形勢是：能源昂貴、土地價格劇增、剩余污泥的處理費用也越來越高；厭氧工藝的突出優(yōu)點是： 能將有機污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用； 運行能耗低； 有機負荷高，占地面積少； 污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費用低；等等；厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個方面。四、厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量的估算糖類、脂類和蛋白質(zhì)等有機物經(jīng)過厭氧消化能轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2等氣體，這樣的混合氣體統(tǒng)稱為沼氣（Biogas）；產(chǎn)生沼氣的數(shù)量和成分取決于被消化的有機物的化學組成，一般可以用下式進行估算：理論上認為，1gCOD在厭氧條件下完全降解可以生成0.25 gCH4，相當于標準狀態(tài)下的甲烷氣體體積為0.35L；沼氣中CO2和CH4的百分含量不僅與有機物的化學組成有關(guān)，還與其各自的溶解度有關(guān)；由于一部分沼氣（主要是其中的CO2）會溶解在出水中而被帶走，同時，一小部分有機物還會被用于微生物細胞的合成，所以實際的產(chǎn)氣量要比理論產(chǎn)氣量小。第二節(jié) 早期的厭氧生物反應器這是厭氧消化應用于廢水處理的初級階段，是從1881年法國Mouras設(shè)計的自動凈化器開始到本世紀的20年代；主要代表有： 1881年法國Mouras的自動凈化器： 1891年英國Moncriff的裝有填料的升流式反應器： 1895年，英國設(shè)計的化糞池（Septic Tank）； 1905年，德國的Imhoff池（又稱隱化池、雙層沉淀池）；等等。這些早期的厭氧生物反應器的共同特點是： 處理廢水的同時，也處理從廢水中沉淀下來的污泥； 前幾種構(gòu)筑物由于廢水與污泥不分隔而影響出水水質(zhì)； 雙層沉淀池則有了很大改進，有上層沉淀池和下層消化池； 停留時間很長，出水水質(zhì)也較差； 后兩種反應器曾在英、美、德、法等國得到廣泛推廣，在我國目前仍有應用。第三節(jié) 厭氧消化池隨著活性污泥法、生物濾池等好氧生物處理工藝的開發(fā)和推廣應用，厭氧生物處理被認為是效率低、HRT長、受溫度等環(huán)境條件的影響大，因此處于一種被遺棄的狀態(tài)；但好氧生物處理工藝的廣泛應用，產(chǎn)生的剩余污泥也越來越多，其穩(wěn)定化處理的主要手段是厭氧消化，這是第二階段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加熱裝置，使產(chǎn)氣速率顯著提高；隨后，又增加了機械攪拌器，反應速率進一步提高；50年代初又開發(fā)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置；帶加熱和攪拌裝置的消化池被稱為高速消化池，至今仍是城市污水處理廠中污泥處理的主要技術(shù)。一、消化池的類型與構(gòu)造厭氧消化池主要應用于處理城市污水廠的污泥，也可應用于處理固體含量很高的有機廢水；它的主要作用是： 將污泥中的一部分有機物轉(zhuǎn)化為沼氣； 將污泥中的一部分有機物轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)； 提高污泥的脫水性能； 使得污泥的體積減少1/2以上； 使污泥中的致病微生物得到一定程度的滅活，有利于污泥的進一步處理和利用。1、消化池的分類：消化池可以按其形狀分為：圓柱形、橢圓形（卵形）和龜甲形等幾種形式；也可以按其池頂結(jié)構(gòu)形式的不同將其分為：固定蓋式和浮動蓋式的消化池；或者還可以按其運行方式的不同分為：傳統(tǒng)消化池和高速消化池。1) 傳統(tǒng)消化池：傳統(tǒng)消化池又稱為低速消化池，在池內(nèi)沒有設(shè)置加熱和攪拌裝置，所以有分層現(xiàn)象，一般分為浮渣層、上清液層、活性層、熟污泥層等，其中只有在活性層中才有有效的厭氧反應過程在進行，因此在傳統(tǒng)消化池中只有部分容積有效；傳統(tǒng)消化池的最大特點就是消化反應速率很低，HRT很長，一般為3090天。2) 高速消化池與傳統(tǒng)消化池不同的是，在高速消化池中設(shè)有加熱和/或攪拌裝置，因此縮短了有機物穩(wěn)定所需的時間，也提高了沼氣產(chǎn)量，在中溫（3035C）條件下，其HRT可以為15天左右，運行效果穩(wěn)定；但攪拌使高速消化池內(nèi)的污泥得不到濃縮，上清液與熟污泥不易分離。3) 兩級串聯(lián)消化池兩級串聯(lián)，第一級采用高速消化池，第二級則采用不設(shè)攪拌和加熱的傳統(tǒng)消化池，主要起沉淀濃縮和貯存熟污泥的作用，并分離和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1 : 11 : 4，一般為1 : 2。2、消化池的構(gòu)造消化池一般由池頂、池底和池體三部分組成；消化池的池頂有兩種形式，即固定蓋和浮動蓋，池頂一般還兼做集氣罩，可以收集消化過程中所產(chǎn)生的沼氣；消化池的池底一般為倒圓錐形，有利于排放熟污泥。1) 消化池內(nèi)的攪拌：在高速消化池內(nèi)均設(shè)有攪拌裝置，可以分為機械攪拌和沼氣攪拌兩種形式。其中的機械攪拌又分為： 泵攪拌：從池底抽出消化污泥，用泵加壓后送至浮渣層表面或其它部位，進行循環(huán)攪拌，一般與進料和池外加熱合并一起進行； 螺旋漿攪拌：在一個豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳； 水射器攪拌：利用污泥泵從消化池中抽取污泥后通過水射器噴射進入消化池，可以起到循環(huán)攪拌的作用。而沼氣攪拌又可以分為： 氣提式攪拌； 豎管式攪拌； 氣體擴散式攪拌。2) 消化池內(nèi)的加熱：在高速消化池內(nèi)一般需要將反應溫度控制在中溫范圍內(nèi)，即約為35C左右，因此必須考慮對進入消化池的污泥或直接在消化池內(nèi)部進行加熱。消化池內(nèi)的加熱方式主要有： 池內(nèi)蒸汽直接加熱，其優(yōu)點是設(shè)備簡單，但容易造成局部污泥過熱，會影響厭氧微生物的正?；顒?，而且蒸氣直接通入池內(nèi)會增加污泥的含水率； 池外加熱：將進入消化池的污泥預熱后再投配到消化池中，所需預熱的污泥量較少，易于控制；預熱溫度較高，有利于殺滅蟲卵；不會對厭氧微生物不利；但設(shè)備較復雜。二、消化池的設(shè)計計算消化池的設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括： 消化池體積的計算與池體設(shè)計； 消化池內(nèi)攪拌設(shè)備的設(shè)計與計算； 消化池所需要的加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計與計算；等。1、消化池的池體設(shè)計目前，國內(nèi)一般按污泥投配率來計算所需的消化池容積，即：式中：V消化池的有效容積，m3； V每天需要處理的新鮮污泥的統(tǒng)計，m3/d；p 污泥投配率。一般當采用高速消化池來處理來自城市生活污水處理長的剩余污泥時，在消化溫度為3035C時，投配率p可取618%；在實際工程中，一般要求消化池不少于2個，以便輪流檢修。而國外則多按固體負荷率來計算消化池的有效容積，即：式中：Gs每日需要處理的污泥干固體量，kgVSS/d； Lv單位容積消化池固體負荷率，kgVSS/m3.d。一般認為固體負荷率Lv值與污泥的含固率、消化池內(nèi)的反應溫度等有關(guān)，下表中的數(shù)據(jù)可供參考：污泥含固率（%）固體負荷率（kgVSS/m3.d）24C29C33C35C41.532.042.553.0651.912.553.193.8362.303.063.834.5972.683.574.465.362、消化池的結(jié)構(gòu)尺寸在確定了所需的消化池的有效容積后，就可計算消化池各部的結(jié)構(gòu)尺寸，其一般要求如下： 圓柱形池體的直徑一般為635m； 柱體高徑之比為1：2； 池總高與直徑之比為0.81.0； 池底坡度一般為0.08； 池頂部的集氣罩，高度和直徑相同，一般為2.0m； 池頂至少設(shè)兩個直徑為0.7m的人孔。3、消化池的工藝管道在消化池中還需要設(shè)置多種工藝管道，其中主要包括： 污泥管：進泥管、出泥管、循環(huán)攪拌管； 上清液排放管； 溢流管； 沼氣管； 取樣管；等。三、沼氣的收集與利用污泥和高濃度有機廢水進行厭氧消化時均會產(chǎn)生大量沼氣；沼氣的熱值很高（一般為2100025000 kJ/m3，即50006000 kCal/m3），是一種可利用的生物能源。1、污泥消化過程中沼氣產(chǎn)量的估算：沼氣成分：一般認為CH4 5070%，CO2 2030%，H2 25%，N2 10%，微量H2S等；沼氣產(chǎn)率是指每處理單位體積的生污泥所產(chǎn)生的沼氣量，即m3沼氣/m3生污泥；產(chǎn)氣率與污泥的性質(zhì)、污泥投配率、污泥含水率、發(fā)酵溫度等有關(guān)；當污泥來自城市污水處理廠，生污泥含水率為96%時：中溫消化，投配率為68%，產(chǎn)氣率可達1012 m3沼氣/m3生污泥；高溫消化，投配率為68%，產(chǎn)氣率可達2226 m3沼氣/m3生污泥；投配率為1315%，產(chǎn)氣率可達1315 m3沼氣/m3生污泥2、沼氣的收集：在沼氣管道沿程上應設(shè)置凝結(jié)水罐；注意安全；設(shè)置阻火器；為防止在冬季結(jié)冰引起堵塞，有時在沼氣管上還應采取保溫措施。3、沼氣的貯存與利用：一般需要采用沼氣柜來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量與用氣量之間的平衡；調(diào)節(jié)容積一般為日平均產(chǎn)氣量的2540%，即610h的產(chǎn)氣量；注意防腐、防火。第四節(jié) 現(xiàn)代高速厭氧生物反應器厭氧消化技術(shù)發(fā)展上的第三個時期；1955年，Schroepter提出了厭氧接觸法，主要是在參考好氧活性污泥法的基礎(chǔ)上，在高速消化池之后增設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng)，并將其應用于有機廢水的處理；處理能力提高，應用于食品包裝廢水的處理；標志著厭氧技術(shù)應用于有機廢水處理的開端。隨后又相繼出現(xiàn)了厭氧生物濾池AF(Anaerobic Filter)、上流式厭氧污泥床反應器UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)、厭氧附著膜膨脹床反應器AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、厭氧流化床AFB(Anaerobic Fluidized Bed)等高效厭氧反應器，在這些厭氧反應器中，主要具有如下特點：微生物不呈懸浮生長狀態(tài)，而是呈附著生長；有機容積負荷大大提高，水力停留時間顯著縮短；首先應用于高濃度有機工業(yè)廢水的處理，如食品工業(yè)廢水、酒精工業(yè)廢水、發(fā)酵工業(yè)廢水、造紙廢水、制藥工業(yè)廢水、屠宰廢水等；也有應用于城市廢水的處理；如果與好氧生物處理工藝進行串聯(lián)或組合，還可以同時實現(xiàn)脫氮和除磷；并對含有難降解有機物的工業(yè)廢水具有較好的處理效果。一、厭氧接觸法（Anaerobic Contact Process）1、工藝流程與特點從上述的工藝流程圖中可看出，厭氧接觸法工藝的最大的特點是污泥回流，由于增加了污泥回流，就使得消化池的HRT與SRT得以分離，即整個系統(tǒng)的污泥齡可以用下式進行計算：在厭氧生物處理工藝中，由于厭氧細菌生長緩慢，基本可以作到不從系統(tǒng)中排放剩余污泥，則Qw = 0，則有：對于普通高速厭氧消化池，由于其Xe = X，所以其qc = HRT，因此在中溫條件下，為了滿足產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，SRT要求2030d，因此高速厭氧消化池的HRT為2030d。對于厭氧接觸法，由于X Xe，所以HRT8000或12000mg/l)時，應采用出水回流的措施：減少堿度的要求；降低進水COD濃度；增大進水流量，改善進水分布條件。與傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝相比，厭氧濾池的突出優(yōu)點是： 生物固體濃度高，有機負荷高； SRT長，可縮短HRT，耐沖擊負荷能力強； 啟動時間較短，停止運行后的再啟動也較容易； 無需回流污泥，運行管理方便； 運行穩(wěn)定性較好。而主要缺點是易堵塞，會給運行造成困難。2、厭氧生物濾池的組成厭氧生物濾池主要由以下幾個重要部分組成的，即：濾料、布水系統(tǒng)、沼氣收集系統(tǒng)。分述如下：1) 濾料：濾料是厭氧生物濾池的主體，其主要作用是提供微生物附著生長的表面及懸浮生長的空間，因此，應具備下列條件： 比表面積大，以利于增加厭氧生物濾池中的生物量； 孔隙率高，以截留并保持大量懸浮微生物，同時也可防止堵塞； 表面粗糙度較大，以利于厭氧細菌附著生長； 其它方面，如：機械強度高；化學和生物學穩(wěn)定性好；質(zhì)量輕；價格低廉；等。很多研究者對多種不同的濾料進行過研究，但所得出的結(jié)論也不盡相同，如有人認為濾料的孔隙率更重要，即他們認為厭氧生物濾池中是懸浮細菌所起的作用更大；也有人認為濾料最重要的特性是：粗糙度、孔隙率以及孔隙大小。在厭氧濾池中經(jīng)常使用的濾料由多種，可以簡單分為如下幾種： 實心塊狀濾料：3045mm的碎塊；比表面積和孔隙率都較小，分別為4050m2/m3和5060%；這樣的厭氧生物濾池中的生物濃度較低，有機負荷也低，僅為36 kgCOD/m3.d；易發(fā)生局部堵塞，產(chǎn)生短流。 空心塊狀濾料：多用塑料制成，呈圓柱形或球形，內(nèi)部有不同形狀和大小的孔隙；比表面積和孔隙率都較大。 管流型濾料：包括塑料波紋板和蜂窩填料等；比表面積為100200 m2/m3，孔隙率可達8090%；有機負荷可達515 kgCOD/m3.d。 交叉流型濾料： 纖維濾料：包括軟性尼龍纖維濾料、半軟性聚乙烯、聚丙烯濾料、彈性聚苯乙烯填料；比表面積和孔隙率都較大；偶有纖維結(jié)團現(xiàn)象；價格較低，應用普遍。2) 布水系統(tǒng)：在厭氧生物濾池中布水系統(tǒng)的作用是將進水均勻分配于全池，因此在設(shè)計計算時，應特別注意孔口的大小和流速。與好氧生物濾池不同的是，因為需要收集所產(chǎn)生的沼氣，厭氧生物濾池多是封閉式的，即其內(nèi)部的水位應高于濾料層，將濾料層完全淹沒。其中升流式厭氧生物濾池的布水系統(tǒng)應設(shè)置在濾池底部，這種形式在實際應用中較為廣泛，一般濾池的直徑為626m，高為313m；而降流式厭氧生物濾池的水流方向正好與之相反；升流式混合型厭氧生物濾池的特點是減小了濾料層的厚度，留出了一定空間，以便懸浮狀態(tài)的顆粒污泥在其中生長和累積。3) 沼氣收集系統(tǒng)：厭氧生物濾池的沼氣收集系統(tǒng)基本與厭氧消化池的類似。3、厭氧生物濾池的工藝計算與設(shè)計厭氧生物濾池的工藝計算與設(shè)計的主要內(nèi)容包括： 濾料的選擇； 濾料體積的計算； 布水系統(tǒng)的設(shè)計； 沼氣系統(tǒng)的設(shè)計等。但目前尚無定型的設(shè)計計算程序，所以本文中僅主要介紹濾料體積的計算方法和某些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)的選取。1) 濾料體積的計算：濾料體積的計算方法仍以有機負荷法為主，即：V = Q（Si Se）/LvCOD其中LvCOD為有機容積負荷，一般為0.512kgCOD/m3.d；需要根據(jù)具體的廢水水質(zhì)以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)或直接的小試試驗結(jié)果最終決定。2) 常用設(shè)計參數(shù)：一般來說，厭氧生物濾池的有機容積去除負荷可達0.512 kgCOD/m3.d；有機物去除率可達6095%；一般采用的濾料層的高度為25m；相鄰進水孔口距離12m（不大于2m）；污泥排放口距離不大于3m。3) 出水水質(zhì)關(guān)于Se：Se取決于對處理后出水的水質(zhì)要求；Se還取決于厭氧生物濾池一般能達到的有機物去除率；Se還取決于所采用的有機負荷的高低。4) 關(guān)于有機容積負荷，其影響因素主要有：廢水水質(zhì)，包括有機物的種類和濃度；濾料性質(zhì)；溫度；其它，如：pH值、營養(yǎng)物、有毒物質(zhì)濃度等。一般，當廢水性質(zhì)較特殊，無可靠資料可借鑒時，應通過小試或中試試驗結(jié)果來確定。4、厭氧生物濾池的應用實例厭氧生物濾池在美、加已被廣泛應用；處理對象包括多種不同類型的廢水，如生活污水及COD為300024000mg/l的各種工業(yè)廢水；處理規(guī)模也大小不等，最大的厭氧生物濾池為12500m3；COD的去除率在6194%之間；有機負荷為0.115 kgCOD/m3.d。三、升流式厭氧污泥層(床)(UASB)反應器UASB反應器的英文全稱為Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed) Reactor, 中文為上（升）流式厭氧污泥床（層）反應器，是由荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學的Gatze Lettinga教授于上世紀70年代初開發(fā)出來的。1、UASB反應器的基本原理與特征UASB反應器的工作原理可用下圖表示：從上圖中可以看出，UASB反應器具有如下的主要工藝特征： 在反應器的上部設(shè)置了氣、固、液三相分離器； 在反應器底部設(shè)置了均勻布水系統(tǒng)； 反應器內(nèi)的污泥能形成顆粒污泥，所謂的顆粒污泥的特點是：直徑為0.10.5cm，濕比重為1.041.08；具有良好的沉降性能和很高的產(chǎn)甲烷活性。上述工藝特征使得UASB反應器與前面已經(jīng)述及的兩種厭氧工藝厭氧接觸法以及厭氧生物濾池相比，具有如下的主要特點： 污泥的顆?；狗磻鲀?nèi)的平均濃度50gVSS/l以上，污泥齡一般為30天以上； 反應器的水力停留時間相應較短； 反應器具有很高的容積負荷； 不僅適合于處理高、中濃度的有機工業(yè)廢水，也適合于處理低濃度的城市污水； UASB反應器集生物反應和沉淀分離于一體，結(jié)構(gòu)緊湊； 無需設(shè)置填料，節(jié)省了費用，提高了容積利用率； 一般也無需設(shè)置攪拌設(shè)備，上升水流和沼氣產(chǎn)生的上升氣流起到攪拌的作用； 構(gòu)造簡單，操作運行方便。2、UASB反應器的組成 UASB反應器的主要組成部分包括：進水配水系統(tǒng)、反應區(qū)、三相分離器、出水系統(tǒng)、氣室、浮渣收集系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等，下面將分別敘述：1) 進水配水系統(tǒng)：其功能主要有兩個方面： 將廢水均勻地分配到整個反應器的底部； 水力攪拌；一個有效的進水配水系統(tǒng)是保證UASB反應器高效運行的關(guān)鍵之一。2) 反應區(qū)：反應區(qū)是UASB反應器中生化反應發(fā)生的主要場所，又分為污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū)，其中的污泥床區(qū)主要集中了大部分高活性的顆粒污泥，是有機物的主要降解場所；而污泥懸浮區(qū)則是絮狀污泥集中的區(qū)域。3) 三相分離器：三相分離器由沉淀區(qū)、回流縫和氣封等組成；其主要功能有： 將氣體(沼氣)、固體(污泥)、和液體(出水)分開； 保證出水水質(zhì)； 保證反應器內(nèi)污泥量； 有利于污泥顆?；?) 出水系統(tǒng)：出水系統(tǒng)的主要作用是將經(jīng)過沉淀區(qū)后的出水均勻收集，并排出反應器。5) 氣室：氣室也稱集氣罩，其主要作用是收集沼氣。6) 浮渣收集系統(tǒng)：浮渣收集系統(tǒng)的主要功能是清除沉淀區(qū)液面和氣室液面的浮渣。7) 排泥系統(tǒng)：排泥系統(tǒng)的主要功能是均勻地排除反應器內(nèi)的剩余污泥。3、UASB反應器的型式一般來說，UASB反應器主要有兩種型式，即開敞式UASB反應器和封閉式UASB反應器，分述如下。1) 開敞式UASB反應器開敞式UASB反應器的頂部不加密封，或僅加一層不太密封的蓋板；多用于處理中低濃度的有機廢水；其構(gòu)造較簡單，易于施工安裝和維修。2) 封閉式UASB反應器封閉式UASB反應器的頂部加蓋密封，這樣在UASB反應器內(nèi)的液面與池頂之間形成氣室；主要適用于高濃度有機廢水的處理；這種形式實際上與傳統(tǒng)的厭氧消化池有一定的類似，其池頂也可以做成浮動蓋式。在實際工程中，UASB的斷面形狀一般可以做成圓形或矩形，一般來說矩形斷面便于三相分離器的設(shè)計和施工；UASB反應器的主體常為鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；UASB反應器一般不在反應器內(nèi)部直接加熱，而是將進入反應器的廢水預先加熱，而UASB反應器本身多采用保溫措施。反應器內(nèi)壁必須采取防腐措施，因為在厭氧反應過程中肯定會有較多的硫化氫或其它具有強腐蝕性的物質(zhì)產(chǎn)生。4、UASB反應器的設(shè)計計算由于UASB反應器在一定程度上還屬于較新的廢水處理工藝技術(shù)，在實際應用過程中還存在著許多不確定因素，因此到目前為止，還沒有形成完整的工程設(shè)計的計算方法。UASB反應器設(shè)計計算的主要內(nèi)容有： 池型選擇、有效容積以及各主要部位尺寸的確定； 進水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、三相分離器等主要設(shè)備的設(shè)計計算； 其它設(shè)備和管道如排泥和排渣系統(tǒng)等的設(shè)計計算。下面將分別進行敘述。1) 有效容積及主要構(gòu)造尺寸的確定：UASB反應器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應區(qū)的總?cè)莘e作為反應器的有效容積進行考慮，多采用進水容積負荷法確定，即：式中：Q廢水流量，m3/d；Si進水有機物濃度，mgCOD/l；Lv COD容積負荷，kgCOD/m3.d。UASB反應器的容積負荷與反應溫度、廢水性質(zhì)和濃度以及是否能夠在反應器內(nèi)形成顆粒污泥等多種因素有關(guān)，如果對于食品工業(yè)廢水或與之性質(zhì)相近的廢水，一般認為是可以在反應器內(nèi)形成顆粒污泥的，在不同的反應溫度下的進水容積負荷的選擇可參考如下數(shù)據(jù)： 溫度 （0C）設(shè)計容積負荷（kgCOD/m3.d）高溫（5565）2030中溫（3538）1020常溫（2025）510低溫（15）252) 進水配水系統(tǒng)的設(shè)計：3) 三相分離器的設(shè)計：三相分離器的基本原理與構(gòu)造如下圖所示：一般來說，在UASB反應器中三相分離器可以有以下幾種布置形式：三相分離器的設(shè)計要點： 沉淀區(qū)的設(shè)計：要求表面負荷應小于1.0m3/m2.d；集氣罩斜面的坡度應為5560；沉淀區(qū)的總水深應不小于1.5m，廢水在沉淀區(qū)的停留時間應在1.52.0h之間； 回流縫的設(shè)計； 氣液分離效果的計算與校核；等?；疽鬄椋?；其中根據(jù)Stocks公式有：4) 出水系統(tǒng)的設(shè)計：5) 浮渣清除系統(tǒng)的設(shè)計：6) 排泥系統(tǒng)設(shè)計：7) 其他設(shè)計中應考慮的問題：加熱和保溫；沼氣的收集、貯存和利用；防腐；等5、UASB反應器中的顆粒污泥1) 顆粒污泥的性質(zhì)與形成能在反應器內(nèi)形成沉降性能良好、活性高的顆粒污泥是UASB反應器的重要特征，顆粒污泥的形成與成熟，也是保證UASB反應器高效穩(wěn)定運行的前提，因此有許多研究者都對UASB反應器中的顆粒污泥進行多方面的研究，下面將分別進行簡單敘述。 顆粒污泥的外觀：顆粒污泥的外觀實際上是多種多樣，有呈卵形、球形、絲形等；其平均直徑為1 mm,一般為0.12 mm,最大可達35 mm；反應區(qū)底部的顆粒污泥多以無機粒子作為核心，外包生物膜；顆粒的核心多為黑色，生物膜的表層則呈灰白色、淡黃色或暗綠色等；反應區(qū)上部的顆粒污泥的揮發(fā)性相對較高；顆粒污泥質(zhì)軟，有一定的韌性和粘性。 顆粒污泥的組成在顆粒污泥中主要包括：各類微生物、無機礦物以及有機的胞外多聚物等，其VSS/SS一般為7090%；顆粒污泥的主體是各類為微生物，包括水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、和產(chǎn)甲烷菌，有時還會有硫酸鹽還原菌等，細菌總數(shù)為141012個/gVSS；常見的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌有：索氏甲烷絲菌、馬氏和巴氏甲烷八疊球菌等；一般顆粒污泥中C、H、N的比例為C約為4050%、H約為7%、N約為10%；灰分含量因接種污泥的來源、處理水質(zhì)等的不同而有較大差距，一般灰分含量可達8.855%；灰分含量與顆粒的密度有很好的相關(guān)性，但與顆粒的強度的相關(guān)性不是很好；灰分中的FeS、Ca2+等對于顆粒污泥的穩(wěn)定性有著重要的作用，一般認為在顆粒污泥中鐵的含量比例特別高。胞外多聚物是另一重要組成，在顆粒污泥的表面和內(nèi)部，一般可見透明發(fā)亮的粘液狀物質(zhì)，主要是聚多糖、蛋白質(zhì)和糖醛酸等；含量差異很大，以胞外聚多糖為例，少的占顆粒干重的12%，多的占2030%；有人認為胞外多聚物對于顆粒污泥的形成有重要作用，但現(xiàn)在仍有較大爭議；但至少可以認為其存在有利于保持顆粒污泥的穩(wěn)定性。2) 顆粒污泥的類型有人將顆粒污泥分為以下三種類型，即：A型、B型、C型，分述如下： A型顆粒污泥：這種顆粒污泥中的產(chǎn)甲烷細菌以巴氏甲烷八疊球菌為主體，外層常有絲狀產(chǎn)甲烷桿菌纏繞；比較密實，粒徑很小，約為0.10.1 mm。 B型顆粒污泥：B型顆粒污泥則以絲狀產(chǎn)甲烷桿菌為主體，也稱桿菌顆粒；表面規(guī)則，外層繞著各種形態(tài)的產(chǎn)甲烷桿菌的絲狀體；在各種UASB反應器中的出現(xiàn)頻率極高；密度為1.0331.054 g/cm3 ，粒徑約為13 mm。 C型顆粒污泥： C型顆粒污泥由疏松的纖絲狀細菌繞粘連在惰性微粒上所形成的球狀團粒，也稱絲菌顆粒；C型顆粒污泥大而重，粒徑一般為15 mm，比重為1.011.05，沉降速度一般為510 mm/s。研究表明，不同類型顆粒污泥的形成與廢水中化學物質(zhì)（營養(yǎng)基質(zhì)和無機物）以及反應器的工藝條件（水力表面負荷和產(chǎn)氣強度）等的不同有關(guān)；當反應器中乙酸濃度高時，易形成A型顆粒污泥；當反應器中的乙酸濃度降低后，A型顆粒污泥將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锽型顆粒污泥；當存在適量的懸浮固體時，易形成C型顆粒污泥。3) 顆粒污泥的生物活性通過多種研究手段對多種顆粒污泥的研究都表明，顆粒污泥中的細菌是成層分布的，即外層中占優(yōu)勢的細菌是水解發(fā)酵菌，而內(nèi)層則是產(chǎn)甲烷菌；顆粒污泥實際上是一種生物與環(huán)境條件相互依存和優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)，各種細菌形成了一條很完整的食物鏈，有利于種間氫和種間乙酸的傳遞，因此其活性很高。4) 顆粒污泥的培養(yǎng)條件在UASB反應器種培養(yǎng)出高濃度高活性的顆粒污泥，一般需要13個月；可以分為三個階段：啟動期、顆粒污泥形成期、顆粒污泥成熟期。影響顆粒污泥形成的主要因素有以下幾種： 接種污泥的選擇； 維持穩(wěn)定的環(huán)境條件，如溫度、pH值等； 初始污泥負荷一般為0.050.1 kgCOD/kgSS.d，容積負荷一般應小于0.5 kgCOD/m3.d； 保持反應器中低的VFA濃度； 表面水力負荷應大于0.3 m3/m2.d，以保持較大的水力分級作用，沖走輕質(zhì)的絮體污泥； 進水COD濃度不宜大于4000 mg/l，否則可采取水回流或稀疏等措施； 進水中可適當提供無機微粒，特別可以補充鈣和鐵，同時應補充微量元素(如Ni、Co、Mo)。6、UASB反應器的應用實例四、其它厭氧生物處理工藝1、厭氧膨脹床和厭氧流化床Anaerobic (Attached Film) Expanded Bed & Anaerobic Fluidized Bed Reactors 1) 基本原理：在厭氧反應器內(nèi)添加固體顆粒載體，常用的有石英砂、無煙煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒徑一般為0.21mm。一般需要采用出水回流的方法使載體顆粒在反應器內(nèi)膨脹或形成流化狀態(tài)；一般將床體內(nèi)載體略有松動，載體間空隙增加但仍保持互相接觸的反應器稱為膨脹床反應器；將上升流速增大到可以使載體在床體內(nèi)自由運動而互不接觸的反應器稱為流化床反應器。2) 主要特點：細顆粒的載體為微生物的附著生長提供了較大的比表面積，使床內(nèi)的微生物濃度很高（一般可達30gVSS/l）；具有較高的有機容積負荷（1040kgCOD/m3.d），水力停留時間較短；具有較好的耐沖擊負荷的能力，運行較穩(wěn)定；載體處于膨脹或流化狀態(tài)，可防止載體堵塞；床內(nèi)生物固體停留時間較長，運行穩(wěn)定，剩余污泥量較少；既可應用于高濃度有機廢水的處理，也應用于低濃度城市廢水的處理。膨脹床或流化床的主要缺點是：載體的流化耗能較大；系統(tǒng)設(shè)計運行的要求也較高。3) 影響生物濃度的主要因素：厭氧膨脹床或流化床中的微生物濃度與載體粒徑和密度、上升流速、生物膜厚度和孔隙率等有關(guān)；在一定的上升流速、生物膜厚度、不同載體粒徑時，微生物濃度也不同；對于不同生物膜厚度，有一個污泥量最大的載體粒徑；載體的物理性質(zhì)對流化床的特性也有影響：如：顆粒粒徑過大時，顆粒自由沉降速度大，為保證一定的接觸時間必須增加流化床的高度；水流剪切力大，生物膜易于脫落；比表面積較小，容積負荷低；但過小時，則操作運行較困難。4) 應用實例 城市廢水：Jewell等人，美國：進水COD平均為186mg/l，SS平均為88mg/l；厭氧消化池污泥作為接種污泥，反應溫度為20C；啟動期為50天，之后連續(xù)運行100天，COD負荷為0.6535kgCOD/m3.d；當水力停留時間在1h以上時，出水SS在10mg/l以下，COD為4045mg/l。 工業(yè)廢水序號12345公司名稱EcolotrolDorr-OliverGist-BrocadesGist-BrocadesEnso-Gutyeit流化床所在地Birmingham(英國)Muscatine(美國)Delft(荷蘭)Drouvy(法國)Kaukapaa-Will(芬蘭)投產(chǎn)時間1984.41984.81985.101984廢水種類清涼飲料大豆加工酵母發(fā)酵酵母發(fā)酵KP紙漿漂白廢水量(m3/d)38077043201200COD濃度(mg/l)69001200032003600700pH值6.77.16.87.463厭氧消化相數(shù)單相兩相兩相兩相單相流化床容積(m3)120360380125有效容積30022580流化床高度(m)12.52117流化部分1312流化床直徑(m)6.14.73.0系列數(shù)222水力停留時間(h)6162.43.2312消化溫度(C)353737352COD去除負荷(kgCOD/m3.d)9.6122220微生物濃度(kg/m3)122020殘余脂肪酸(mg/l)600100100COD去除率(%)7776707550602、厭氧生物轉(zhuǎn)盤1) 基本原理：厭氧生物轉(zhuǎn)盤的基本原理與好氧生物轉(zhuǎn)盤類似，只是，在厭氧生物轉(zhuǎn)盤中，所有轉(zhuǎn)盤盤片均完全浸沒在廢水之中，處于厭氧狀態(tài)。2) 主要特點：微生物濃度高，有機負荷高，水力停留時間短；廢水沿水平方向流動，反應槽高度小，節(jié)省了提升高度；一般不需回流；不會發(fā)生堵塞，可處理含較高懸浮固體的有機廢水；多采用多級串聯(lián)，厭氧微生物在各級中分級，處理效果更好；運行管理方便；但盤片的造價較高。3) 應用情況：厭氧生物轉(zhuǎn)盤目前還多處于小試階段。在國外有研究者針對多種廢水如：牛奶廢水、奶牛糞、生活污水等，在進水TOC為1106000mg/l的范圍內(nèi)，進行了研究，結(jié)果表明，厭氧生物轉(zhuǎn)盤對遠廢水中TOC的去除率可達6080%，有機負荷可達20gTOC/m3.d；在國內(nèi)也有研究者對于玉米淀粉廢水和酵母廢水進行了研究，結(jié)果表明，其COD去除率可達7090%，有機容積負荷可高達3070 gCOD/m3.d。3、厭氧擋板反應器1) 基本原理：在反應器中設(shè)置多個垂直擋板，將反應器分隔為數(shù)個上向流和下向流的小室，使廢水循序流過這些小室；有人認為，厭氧擋板式反應器相當于多個UASB反應器的串聯(lián)；當廢水濃度過高時，可將處理后的出水回流。2) 主要特點：與厭氧生物轉(zhuǎn)盤相比，可省去轉(zhuǎn)動裝置；與UASB相比，可不設(shè)三相分離器而截流污泥；反應器啟動運行時間較短，遠行較穩(wěn)定；不需設(shè)置混合攪拌裝置；不存在污泥堵塞問題。3) 應用情況：厭氧擋板式反應器目前還多處于小試階段；美國McCarty的研究結(jié)果如下表所示：數(shù)據(jù)組1234進水COD濃度(g/l)7.37.68.18.3水力負荷(m3/m3.d)0.51.11.11.3回流比0.00.42.32.0有機物負荷(kgCOD/m3.d)3.58.39.010.6COD去除率(%)90827891產(chǎn)氣率(m3/m3.d)2.34.54.36.9甲烷含量(%)70565653出水揮發(fā)酸濃度(g/l)0.340.80.70.4美國夏威荑大學應用平流式擋板厭氧反應器處理養(yǎng)豬場廢水，當溫度為30C，進水COD為1190 4580 mg/l，容積負荷為2.58.5kgCOD/m3.d，HRT為0.255d，COD去除率可達80%。4、兩相厭氧消化工藝1) 基本原理與工藝流程：產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷相出水進水 兩相厭氧消化工藝的基本工藝流程如下圖所示。兩相厭氧消化工藝是在上世紀70年代后期隨著厭氧微生物學的研究不斷深入應運而生的；它著重于工藝流程的變革，而不是向上述多種現(xiàn)代高速厭氧反應器那樣著重于反應器構(gòu)造變革；其基本出發(fā)點是，在單相反應器中，存在著脂肪酸的產(chǎn)生與被利用之間的平衡，維持兩類微生物之間的協(xié)調(diào)與平衡十分不易；兩相厭氧消化工藝就是為了克服單相厭氧消化工藝的上述缺點而提出的；兩個反應器中分別培養(yǎng)發(fā)酵細菌和產(chǎn)甲烷菌，并控制不同的運行參數(shù)，使其分別滿足兩類不同細菌的最適生長條件；反應器可以采用前述任一種反應器，二者可以相同也可以不同。在兩相厭氧工藝中，最本質(zhì)的特征是實現(xiàn)相的分離，方法主要有： 化學法：投加抑制劑或調(diào)整氧化還原電位，抑制產(chǎn)甲烷菌在產(chǎn)酸相中的生長； 物理法：采用選擇性的半透明膜使進入兩個反應器的基質(zhì)有顯著的差別，以實現(xiàn)相的分離； 動力學控制法：利用產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個反應器的水力停留時間，使產(chǎn)甲烷菌無法在產(chǎn)酸相中生長。目前應用的最多的相分離的方法，是最后一種，即動力學控制法。但實際上，很難做到相的完全分離。2) 主要優(yōu)點：與常規(guī)單相厭氧生物處理工