污水處理高效厭氧反應(yīng)器開發(fā)應(yīng)用與展望

1、污水處理高效厭氧反應(yīng)器開發(fā)應(yīng)用與展望     摘要： 概括總結(jié)了近三十年來厭氧處理過程由于水力停留時間（HRT）與生物固體停留時間（SRT）分離的實現(xiàn)而導(dǎo)致多種類型高效反應(yīng)器的研制和推廣；分析了當前高效厭氧反應(yīng)器的特點和影響其降解污染物的重要因素；提出了今后高效厭氧反應(yīng)器在系統(tǒng)優(yōu)化、難降解污染物的轉(zhuǎn)化、污水再生利用和在數(shù)學(xué)模型與工藝控制方面的發(fā)展前景。 關(guān)鍵詞： 厭氧 高效反應(yīng)器 污水處理 應(yīng)用 展望污水厭氧處理技術(shù)與其它污水處理技術(shù)相比無疑是生態(tài)的和綠色的技術(shù)，同時更具有成本-效果優(yōu)勢。上世紀70年代以來，厭氧反應(yīng)器在研究和應(yīng)用方面取得了長足進步。特別

2、是水力停留時間（HRT）與生物固體停留時間（SRT）的分離而導(dǎo)致高效反應(yīng)器的研制和推廣，使污水厭氧處理技術(shù)成為污水生物處理兩大技術(shù)之一。從已開發(fā)的反應(yīng)器系統(tǒng)來看，升流式厭氧污泥床（UASB）、膨脹顆粒污泥床（EGSB）、內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器、厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）及其衍生的其它系統(tǒng)應(yīng)用最廣。這些反應(yīng)器內(nèi)部能自然生成具有出色降解有機物能力的和優(yōu)越沉降性能的厭氧顆粒污泥。本文回顧了厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，并進一步探討厭氧反應(yīng)器的發(fā)展前景。1.現(xiàn)狀1.1厭氧生物污泥反應(yīng)器提高厭氧反應(yīng)器負荷潛力在于：污水性質(zhì)，系統(tǒng)可保持的單位容積厭氧污泥量，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

3、正UASB系統(tǒng)特征參數(shù)已提高UASB負荷和UASB對各類污水（工業(yè)廢水）的應(yīng)用能力。對于各類污水，由于系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)阻力和濃度梯度問題，傳統(tǒng)的UASB的應(yīng)用參數(shù)表現(xiàn)出嚴格的限制。例如對于低濃度和低溫污水，沼氣產(chǎn)率下降。同時混合程度從流體動力學(xué)角度證明了質(zhì)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(xiàn)限制了富含蛋白質(zhì)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23。對于有毒化合物只能在污水被有效稀釋下、反應(yīng)器內(nèi)部混合狀況好的情況下采用高負荷厭氧反應(yīng)器處理。厭氧流化床（AFB）反應(yīng)器在原理上克服了污染物傳質(zhì)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(tǒng)難于有效

4、>' target='_blank' class='infotextkey'>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(yōu)越的沉降性能，膨脹顆粒污泥床（EGSB）被開發(fā)，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(huán)能量。與傳統(tǒng)UASB比較，膨脹顆粒污泥床系統(tǒng)沒有內(nèi)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(wǎng)組成或經(jīng)過修改過的夾層分離器56。內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器是一種基于氣提概念的膨脹床系統(tǒng)，這種反應(yīng)器的特點是內(nèi)部裝有兩部氣-固分離器。膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的主要特點是：

5、高有機負荷率，達20-40kg/m3·d；較小的橫截面積；較大的反應(yīng)器高度，大12-20m；較高的上升流速，大8-30m/h。因此，膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器適用于：污水水溫低于20；稀釋污水，COD1000mg/L；有毒性可生物降解的化工污水；在UASB里產(chǎn)生嚴重泡沫問題的污水；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(yīng)器時易發(fā)生運行問題。厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）是分階段多相厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，被認為具有第三代厭氧反應(yīng)器的特征。它適應(yīng)了厭氧處理過程中不同種群微生物對基質(zhì)利用的不同生理和生態(tài)原理，具有比傳統(tǒng)的兩級（或兩相）厭氧處理工藝更靈活、易&

6、gt;' target='_blank' class='infotextkey'>管理的特點，反應(yīng)器易高效、穩(wěn)定地運行7，但目前仍處于試驗研究階段，實際應(yīng)用較少，其反應(yīng)器構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計和參數(shù)有待于進一步深入研究。1.2.厭氧膜生物反應(yīng)器有效的固液分離是高效厭氧生物反應(yīng)器賴以存在的基礎(chǔ)。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(yīng)器（AMBR）系統(tǒng)能在極限SRT下運行，以獲得出水污染物濃度非常低的結(jié)果。同時考慮到厭氧微生物的低增值速率，這種反應(yīng)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(yīng)用前

7、景在于，對于某些污水采用UASB系統(tǒng)出現(xiàn)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(yīng)器具有非常好的前景。在日本和南非已出現(xiàn)生產(chǎn)性運行實例。結(jié)果顯示，采用膜系統(tǒng)易具有良好的水力狀態(tài)，膜的耐久性、抗堵性較好，膜自身易于優(yōu)化。如果在反應(yīng)器里采用沼氣循環(huán)以加強傳質(zhì)效果和提高膜表面活性的技術(shù)方案，可以使系統(tǒng)運行能量很低。但膜反應(yīng)器的缺點是膜表面經(jīng)較長時間運行后易產(chǎn)生碳酸鈣沉積910。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(huán)境和有毒化合物的存在。2.1溫度厭氧反應(yīng)器適于中溫（30-40）或高溫（50-60）運行。然而，最近的研

8、究證實了厭氧處理溫度能夠上升到8011。雖然在高溫下能產(chǎn)生甲烷，但溫度過高易產(chǎn)生系統(tǒng)運行不穩(wěn)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(tài)下分子態(tài)的氨氮（NH3）的分數(shù)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(yīng)器處理糞便或固體廢物時，系統(tǒng)水溫高于60將導(dǎo)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

9、活性和微生物的種群變化。高溫厭氧處理的優(yōu)點是反應(yīng)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(yīng)用。在低PH條件下觀察到的毒性與不溶性揮發(fā)性脂肪酸（VFA）有關(guān)。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(chǎn)性應(yīng)用如采取PH調(diào)整是一件既費錢又>' target='_blank' class='infotextkey'>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(wěn)定性良好，COD去除率高13。2.3毒性

10、、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(yōu)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(shù)種專性降解有機鹵化物的微生物，并且發(fā)現(xiàn)這種專性微生物的數(shù)量在不斷的增加。已有數(shù)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(yīng)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(tǒng)被降解14。對于偶氮染料可以在厭氧-好氧反應(yīng)器系統(tǒng)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(yīng)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

11、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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為N2脫除17。該工藝具有非常良好的前景,因為它可以節(jié)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(yīng)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(yīng)器，而污泥直接進入脫氮除磷反應(yīng)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(yè)污水含有高濃度的硫酸鹽。硫酸鹽經(jīng)厭氧過程

12、后轉(zhuǎn)化為硫化氫（H2S）。由于H2S的產(chǎn)生引發(fā)許多問題，例如毒性、腐蝕、增加出水COD、降低沼氣的質(zhì)和量。過去的研究是如何控制硫酸鹽的轉(zhuǎn)化18。進一步的研究表明，結(jié)合生物、物理化學(xué)技術(shù)的富硫酸鹽污水的處理可以使污水中的硫酸鹽轉(zhuǎn)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(shù)的發(fā)展前景4.1優(yōu)化反應(yīng)器系統(tǒng)許多研究和設(shè)計致力于改善顆粒污泥床反應(yīng)器，目標是減小傳質(zhì)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(tǒng)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(yīng)器。應(yīng)將現(xiàn)有的相關(guān)成熟技術(shù)最大程度地集成和整合，突破整合過程中的技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)，開

13、發(fā)出具有實際應(yīng)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(yīng)器懸浮物的流失和低溫條件下的低水解率。隨著反應(yīng)器對污水、固體廢物、污泥中所含復(fù)雜有機物處理極限的逼近，提高厭氧微生物對復(fù)雜有機物水解性能是一項重要的任務(wù)。傳統(tǒng)的污泥和固體厭氧消化經(jīng)常需要長停留時間以完成反應(yīng)過程?？s短反應(yīng)時間將是厭氧技術(shù)發(fā)展的動力。4.2利用厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)厭氧技術(shù)能夠有效地降解數(shù)種有機微污染物質(zhì)特別是有機鹵化物、取代芳香族化合物和偶氮交聯(lián)物。組合的厭氧/好氧技術(shù)對于工業(yè)污水和含有工業(yè)污水的市政污水有愈來愈大的吸引力。厭氧技術(shù)的特殊能力決定了厭氧技術(shù)具有其它技術(shù)所無法比擬的地位。要求最終產(chǎn)

14、物是綠色、安全的目標使厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)被進一步利用。遵循農(nóng)業(yè)土地循環(huán)的污泥消化是厭氧工藝在世界范圍內(nèi)最大的應(yīng)用。制定出重金屬和殘留污染物的精確規(guī)則將使在消化污泥上進行食品生產(chǎn)成為可能。隨著對“殘留污染物”的重視，對消化污泥研究設(shè)計出控制其有機污染物和重金屬的清潔污泥的厭氧/好氧的新理論是十分重要的。4.3作為污水再生利用的核心技術(shù)對于污水處理系統(tǒng)的產(chǎn)物（包括處理出水），將來工藝的主要進展是預(yù)處理和提高處理效率，包含結(jié)合物理、化學(xué)、生物處理單元的工藝。顯然厭氧技術(shù)是有機物礦化的可持續(xù)的處理方法，該技術(shù)將成為污水處理回用的核心技術(shù)。因此，厭氧處理技術(shù)在原材料工業(yè)、加工工業(yè)、農(nóng)業(yè)加工業(yè)污水處理回用的水處理有望發(fā)揮主要作用。4.4完善反應(yīng)數(shù)學(xué)模型和工藝控制過程將來在模型和運行控制的進展將導(dǎo)致厭氧處理技術(shù)在污水處理工程中更廣泛的應(yīng)用。目前模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形理論都已成功地應(yīng)用于數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)控制，具有縮短啟動時間和優(yōu)化系統(tǒng)運行效果的特點20。精確描述厭氧生化動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型促進了人們對厭氧過程的深入認識，解釋厭氧處理過程在將來繼續(xù)發(fā)展