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(diǎn)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——污泥顆粒化要比人工固定化更為有效，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(jìn)難以生物降解有機(jī)污染物的進(jìn)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(fù)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(shí)可形成顆粒污泥。這類反應(yīng)器的特點(diǎn)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(gè)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(shí)增加，因此上升流速在接近排放點(diǎn)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(jì)要點(diǎn):

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(jìn)入沉淀室；

⑤在出水堰之間應(yīng)該設(shè)置浮渣擋板。

污泥顆粒化

高速率厭氧生物處理系統(tǒng)，必須滿足兩個(gè)基本條件，一是能夠保持大量的厭氧活性污泥，二是使進(jìn)入廢水和保持的污泥之間充分接觸。在成功運(yùn)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(gè)條件。同時(shí)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(dòng)，更加促進(jìn)了廢水與污泥之間的充分接觸，從而滿足了上述的第二個(gè)條件。這使得傳統(tǒng)厭氧工藝的處理時(shí)間從幾十天縮短為一天甚至幾小時(shí)。有機(jī)負(fù)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(rèn)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(fù)荷(上升流速)，另外是沼氣負(fù)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(xì)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(xì)菌所形成的球形團(tuán)粒和致密球形顆粒。雖然，顆粒污泥的形成尚未完全認(rèn)識(shí)，但是UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)型式所造成的流態(tài)特點(diǎn)，無疑是最重要的因素之一。

事實(shí)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(xì)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(bào)道。在多級(jí)升流式生物反應(yīng)器(MRB)的研究中，利用厭氧細(xì)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(jī)物滲透進(jìn)入顆粒污泥內(nèi)部，被厭氧菌轉(zhuǎn)化為有機(jī)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(yàn)，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(shí)驗(yàn)室的UASB反應(yīng)器在好氧條件下運(yùn)行，水力停留時(shí)間為h(圖2)，進(jìn)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(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的曝氣或水力條件引起高上升流速或更強(qiáng)的擾動(dòng)。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(gè)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(jìn)而推動(dòng)液體(包括載體)在升流區(qū)與降流區(qū)間循環(huán)流動(dòng)。大多數(shù)載體進(jìn)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(jì)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(jìn)入到降流區(qū)，繼續(xù)參與循環(huán)流動(dòng)。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(diǎn)，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(dòng)，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(dòng)，在此過程中會(huì)夾帶一些細(xì)小的氣泡，這樣使氣——液接觸時(shí)間延長，從而提高了氧的轉(zhuǎn)移效率。實(shí)測表明，空氣利用率可達(dá)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(dú)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(huì)過度增長，同時(shí)又不會(huì)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(jī)廢水。國內(nèi)在80年代末開始進(jìn)行相分離反應(yīng)器的研究，并基本解決了其設(shè)計(jì)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(dá)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(shí)際運(yùn)行情況(表2)，討論相分離反應(yīng)器的工程應(yīng)用。

由于在運(yùn)行初期油脂生產(chǎn)不正常，酸油回收率較低時(shí)，進(jìn)水濃度為設(shè)計(jì)值的幾倍，導(dǎo)致超高負(fù)荷。隨著負(fù)荷的增加出水濃度增加，但是去除率同時(shí)也有提高，顯示相分離反應(yīng)器具有很好的耐沖擊負(fù)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(dá)20～40g/L，同時(shí)反應(yīng)器是典型的完全混合型反應(yīng)器，可以稀釋進(jìn)水，這對(duì)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(yùn)行在中等負(fù)荷區(qū)域(8～10kgCOD/m3·d)時(shí)，雖然由于進(jìn)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(fù)荷處理效果

4結(jié)論

①實(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，三相分離器分離效果和污泥床的保持得到驗(yàn)證，這說明升流式污泥床的概念也可以擴(kuò)大到好氧處理領(lǐng)域；

③好氧相分離反應(yīng)器具有負(fù)荷高、耐沖擊負(fù)荷的特點(diǎn)，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(xiàn)

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