廣義升流式污泥床反應(yīng)器與相分離反應(yīng)器的開發(fā)與應(yīng)用

廣義升流式污泥床反應(yīng)器與相分離反應(yīng)器的開發(fā)與應(yīng)用

摘要討論了UASB反應(yīng)器、污泥顆?；腿喾蛛x器的特征，并將其引入好氧生物處理領(lǐng)域，從廣義的角度定義了升流式污泥床反應(yīng)器和相分離反應(yīng)器。介紹了好氧污泥床反應(yīng)器和好氧相分離反應(yīng)器的研究及應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞廣義升流式污泥床反應(yīng)器相分離反應(yīng)器

提高反應(yīng)器中生物濃度以提高處理能力是新型反應(yīng)器的重要特點之一。微生物的固定化是提高微生物濃度和反應(yīng)效率的重要方式之一，在工程上微生物的自固定化——污泥顆?；热斯す潭ɑ鼮橛行?，即高密度顆粒污泥的形成，能導(dǎo)致工程上的高效率，能促進難以生物降解有機污染物的進一步生物降解。工程上顆粒污泥的形成與反應(yīng)器的型式構(gòu)造、負荷等因素密切相關(guān)，無論是厭氧還是好氧的升流式污泥床已被證實可形成顆粒污泥。這類反應(yīng)器的特點是污水上向流，水、污泥和氣三相分離是借助反應(yīng)器內(nèi)的相分離器完成。所以，微生物顆?；谏魇轿勰啻卜磻?yīng)器中的形成規(guī)律是一個重要的研究課題。

1UASB反應(yīng)器

三相分離器

UASB反應(yīng)器是70年代由Lettinga等人開發(fā)的[1]，其最重要的設(shè)備是相分離器。這一設(shè)備安裝在反應(yīng)器的頂部，并將反應(yīng)器分為下部的消化區(qū)和上部的沉淀區(qū)(圖1)。由于分離器的斜壁沉淀區(qū)的過流面積在接近水面時增加，因此上升流速在接近排放點降低而產(chǎn)生絮凝和沉淀。根據(jù)氣、固、液三相分離的要求，分離器設(shè)計要點:

①從沉淀角度考慮，沉淀器的斜角(集氣器的傾角)應(yīng)該在45°～60°；

②集氣室隙縫部分的面積應(yīng)該占反應(yīng)器全部面積15%～20%；

③在集氣室內(nèi)應(yīng)該保持氣液界面以釋放和收集氣體和阻止浮渣層的形成；

④反射板與隙縫之間的遮蓋應(yīng)該在100～200mm，以避免上升氣泡進入沉淀室；

⑤在出水堰之間應(yīng)該設(shè)置浮渣擋板。

污泥顆?；?/p>

高速率厭氧生物處理系統(tǒng)，必須滿足兩個基本條件，一是能夠保持大量的厭氧活性污泥，二是使進入廢水和保持的污泥之間充分接觸。在成功運轉(zhuǎn)的UASB反應(yīng)器中，厭氧污泥往往形成顆粒狀結(jié)構(gòu)，顆粒污泥的存在大大改善了污泥的沉降性能，提高了厭氧微生物的濃度，因此滿足高效反應(yīng)器的第一個條件。同時向上流的水流方式，在此過程中形成的污水與污泥的接觸以及產(chǎn)生沼氣的擾動，更加促進了廢水與污泥之間的充分接觸，從而滿足了上述的第二個條件。這使得傳統(tǒng)厭氧工藝的處理時間從幾十天縮短為一天甚至幾小時。有機負荷從幾千克提高到幾十千克，使反應(yīng)效率提高幾倍乃至上百倍。

Lettinga等人認為，UASB系統(tǒng)的選擇壓是顆?；闹匾蛩兀x擇壓來源于系統(tǒng)的水力負荷(上升流速)，另外是沼氣負荷。在UASB反應(yīng)器內(nèi)逐漸增加的選擇壓，使得松散的沉降性能差的污泥顆粒被沖出系統(tǒng)，而沉降性能較好的附著和相互附著生長的絮體被保持在反應(yīng)器中。逐漸淘汰的結(jié)果使得沉降性能良好的細菌絮凝體得到不斷地發(fā)展，最終形成直徑約～2mm的厭氧顆粒污泥。厭氧顆粒污泥主要有三種類型:桿型顆粒、由疏松的纖絲狀細菌所形成的球形團粒和致密球形顆粒。雖然，顆粒污泥的形成尚未完全認識，但是UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式所造成的流態(tài)特點，無疑是最重要的因素之一。

事實上，微生物的自固定化是帶有普遍意義的現(xiàn)象，在脫氮工藝、好氧SBR工藝、流化床反應(yīng)器和利用硫細菌的工藝中，都曾有微生物自固定化形成高微生物群體的顆粒污泥報道。在多級升流式生物反應(yīng)器(MRB)的研究中，利用厭氧細菌(硫酸鹽還原菌)和微氧菌(硫的氧化菌)的共生關(guān)系同樣產(chǎn)生了顆粒污泥。污水中的有機物滲透進入顆粒污泥內(nèi)部，被厭氧菌轉(zhuǎn)化為有機酸，然后被硫酸鹽還原菌所利用。雖然供氧十分有限，但是在顆粒污泥表層的硫氧化菌仍然可以競爭獲取到溶解氧。

2升流式好氧污泥床反應(yīng)器

筆者根據(jù)UASB反應(yīng)器的成功經(jīng)驗，將其概念推廣到好氧處理領(lǐng)域。在厭氧后處理中采用的微需氧升流式(MUSB)污泥床工藝，完全利用實驗室的UASB反應(yīng)器在好氧條件下運行，水力停留時間為h(圖2)，進水被引入反應(yīng)器的底部，通過水力混合和最低程度的曝氣(氣水比為1∶1)使污泥床保持懸浮并處于微氧條件。MUSB系統(tǒng)運行的實驗結(jié)果列于表1。

實驗發(fā)現(xiàn)，雖然升流速度超過m/h，但建立的活性污泥層很好地保持在反應(yīng)器內(nèi)，培養(yǎng)的微需氧污泥沉淀性能良好，MUSB反應(yīng)器還可承受由于更強的曝氣或水力條件引起高上升流速或更強的擾動。因此，升流式污泥床的概念原則上也可以應(yīng)用于微需氧系統(tǒng)和好氧處理。

3好氧相分離流化床反應(yīng)器的應(yīng)用

構(gòu)造和原理

好氧相分離反應(yīng)器(簡稱相分離反應(yīng)器)的命名，主要是從與UASB反應(yīng)器具有共同的三相分離器這一特征考慮。如果根據(jù)這一原則分類，還包括厭氧與好氧流化床反應(yīng)器，這樣的分類在一定程度上反映了這類反應(yīng)器的共性，被稱為反應(yīng)器或三相內(nèi)循環(huán)流化床或者CIRCOX等商品名，但這并不能反映反應(yīng)器本質(zhì)特性。相分離反應(yīng)器是由以下各個部分組成:曝氣區(qū)、升流區(qū)、降流區(qū)和氣、固、液三相分離器(圖3)。其工作原理為:通過底部曝氣頭曝氣，造成升流區(qū)與降流區(qū)之間出現(xiàn)一定的密度差，進而推動液體(包括載體)在升流區(qū)與降流區(qū)間循環(huán)流動。大多數(shù)載體進行循環(huán)流化，少數(shù)載體隨氣泡上升至分離器，氣體在此得到釋放。分離器的工作和設(shè)計原理與厭氧三相分離器是一致的，但是不用回收釋放的氣體。隨著氣體釋放，分離固體顆粒得以沉淀進入到降流區(qū)，繼續(xù)參與循環(huán)流動。分離后的液體從出水堰流出。

相分離反應(yīng)器不僅具有一般好氧流化床的特點，還兼有:

①流化性能好，反應(yīng)器處于完全混合狀態(tài):反應(yīng)器內(nèi)大部分載體都參與循環(huán)流動，因此不存在床中載體分層現(xiàn)象，載體流化具有良好的均勻性，這為生物膜形成提供了條件；

②氧的轉(zhuǎn)移效率高:由于反應(yīng)器構(gòu)造特征造成大量液體循環(huán)流動，在此過程中會夾帶一些細小的氣泡，這樣使氣——液接觸時間延長，從而提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。實測表明，空氣利用率可達30%～50%；

③載體流失量小，不需專門的脫膜設(shè)備:由于反應(yīng)器獨特的三相分離器可以在不增加脫膜設(shè)備的情況下，保證反應(yīng)器中生物載體的膜不會過度增長，同時又不會流失載體，這樣就大大簡化了原來流化床處理污水所需的輔助設(shè)備。

相分離反應(yīng)器的應(yīng)用

相分離反應(yīng)器是一種高效新型污水處理裝置，特別適宜于處理高、中等濃度的有機廢水。國內(nèi)在80年代末開始進行相分離反應(yīng)器的研究，并基本解決了其設(shè)計問題。筆者1993年首次在國內(nèi)生產(chǎn)性裝置上，采用相分離反應(yīng)器處理油脂污水，處理水量500m3/d，反應(yīng)器容積20m3。并于1997年在某染料廠的污水處理工程中，采用了單體容積達120m3的相分離反應(yīng)器4座，這是目前國內(nèi)同類設(shè)備中最大的反應(yīng)器(圖4)。

以下結(jié)合油脂廢水工程實際運行情況(表2)，討論相分離反應(yīng)器的工程應(yīng)用。

由于在運行初期油脂生產(chǎn)不正常，酸油回收率較低時，進水濃度為設(shè)計值的幾倍，導(dǎo)致超高負荷。隨著負荷的增加出水濃度增加，但是去除率同時也有提高，顯示相分離反應(yīng)器具有很好的耐沖擊負荷能力。這是由于相分離生物反應(yīng)器具有巨大的生物量，一般可達20～40g/L，同時反應(yīng)器是典型的完全混合型反應(yīng)器，可以稀釋進水，這對于有毒和難降解廢水處理十分有利。相分離生物反應(yīng)器運行在中等負荷區(qū)域(8～10kgCOD/m3·d)時，雖然由于進水濃度較低，去除率在55%～60%之間，但是出水穩(wěn)定性較好。表2油脂廢水不同負荷處理效果

4結(jié)論

①實踐證明，厭氧升流式污泥床反應(yīng)器是一種高效的污水處理裝置。這是由于反應(yīng)器中保持污泥的三相分離器、升流式的結(jié)構(gòu)特點以及其中形成高密度的顆粒污泥所造成；

②在好氧升流式污泥床(MUSB)反應(yīng)器的實驗中，三相分離器分離效果和污泥床的保持得到驗證，這說明升流式污泥床的概念也可以擴大到好氧處理領(lǐng)域；

③好氧相分離反應(yīng)器具有負荷高、耐沖擊負荷的特點，特別適用于有毒和難降解廢水，是一種很有發(fā)展前途的反應(yīng)器。

參考文獻

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