第三节厌氧处理技术的发展 上世纪末,人们已认识到沼气的产生是一个微生物学过 程。1896年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池, 所产生的沼气用于街道照明。至1914年,美国有14座城市建立了 厌氧消化池。二战结束后,厌氧处理技术的发屐又掀起了一个高 潮。40年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池,改善了厌 氧污泥与废水的混合,提高了处理效率但在本质上,反应器中的 微生物(即厌氧污泥)与废水或废料是完全混合在一起的,污泥在 反应器里的停留时间SRT)与废水的停留时间(HRT)是相同的, 因此污泥在反应器里浓度较低,处理效果差。废水在反应器里要 停留几天到几十天之久。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪 肥的消化,它尚不能经济地用于工业废水的处理 50年代中期出现了厌氧接触反应器(见图12)这种反应器是 在连续搅拌反应器的基础上于出水沉淀池中增设了污泥回流装 置,使部分厌氧污泥又重新返回到反应器中,从而增大了反应器 中厌氧污泥的浓度,使厌氧污泥在反应器中的停留时间第一次大 于水力停留时间,因此其处理效率与负荷显著提高。这是厌氧处理 技术的一个重要发展。就反应器中污泥浓度通过液固分离、回流而 提髙这一点来说厌氧接触工艺与好氧活性污泥工艺颇为类似 随着生物发酵工程中固定化技术的发展,人们认识到提高反 应器中污泥浓度的重要性。于是基于微生物固定化原理的高速厌 氧反应器得以发展。第一个突破性的发展出现于60年代 末, Young和 McCarty2b发明了厌氧滤器( Anaerobic filter,简 称AF)70年代以来,厌氧处理的最大突破是荷兰农业大学环境系 Lettinga等)发展的上流式厌氧污泥床Up- flow Anaerobic Sludge Bed,称UASB)反应器,UASB反应器发明后,引起广泛 注意,目前已成为应用最广泛的厌氧处理方法。AF与UASB的发
,推动了以微生物固定化和提高污泥和废水混合效率为基础的 系列新的高速厌氧反应器的研究和发展。例如厌氧流化 床( Anaerobic Fluidiged Bed)、膨胀颗粒污泥床( Expanded Granular Sludge Bed,简称EGSB)以及在此基础上的…些改良 的反应器类型(见图1.2)。 高速厌氧反应器的发展大大提高了厌氧反应器的负荷和处 理效率,使废水在反应器内的停留时间缩短到几小时,反应器容 积得以大大缩小,从而利于厌氧技术用于工业化的废水处理。污 泥停留时间的延长与污泥浓度的提高使厌氧系统更具有稳定性, 有效增强了对不良因素例如有毒物质)的适应性,因此20年来,厌 氧废水处理技术得以很快推广,成为水污染防治领域里一项有效 的新技术 图12是主要的厌氧反应器示意图。简要介绍如下 (1)厌氧滤器(AF 厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氢 反应器,厌氧菌在填充材料上附着生长,形成生物膜。生物膜与填 充材料一起形成固定的滤床。因此其结构与原理类似于好氧生物 滤床。图12中的B图为上流式厌氧滤器示意图,废水进入反应器 底部并均匀布水,在向上流动的过程中,废水中的有机物被生物 膜吸附并分解,进面通过微生物的代谢作用将有机物转化为甲烷 和二氧化碳。沼气和出水由反应器上部分别排出。填料表面的生 物膜不断生长,部分老化的生物膜剥落随出水排出,在反应器后 设置的沉淀池中分离成为剩余污泥 厌氧滤器也可以采用下流式(图12中的C图)下流式厌氧滤 器有利于解决上流式中出现的悬浮物堵塞问题和可能形成的短 路,但是其膜的形成较慢,反应器的容积负荷也较低 厌氧滤器采用的填充材料是多种多样的,通常使用孔隙度 大价格便宜的材料,例如多孔陶瓷与塑料。据 Bonastre和 Paris10 报道,至1989年至少有30多个厌氧滤器用于工业规模的废水处 0
沼气 沼气 出水 进水 水 淀池 填料 发酵饉 回流污泥量剩余污泥 进水 沼气 诏气 集气室 进水 出水 沉降区 沼气 沼气 出水 出水 环 水 环 进水 进水 E F 图1.2典型的厌氧反应器示意图 A-厌氧接触工艺B—上流式厌氧滤器C一下流式厌氧滤器D一UASB反应器 E—厌氧流化床反应器 F--EGSE反位器 理,其COD负荷通常在5~12kg/(m·d)厌氧滤器特别适用于低 相对分子质量溶解性废水,悬浮物较高的废水易于引起堵塞。对 于未酸化的废水,预酸化有利于厌氧滤器的运行。 Seyfried1)在 用厌氧滤器处理酒厂废水和小麦、土豆淀粉废水时认为预酸化几
乎是必须的至少是非常有益的。 Wheatly等在处理糖果厂废水(主 要含碳水化合物)中,发现COD负荷达到kg/m)时,由于酸化 引起反应器的恶化(12) (2)厌氧流化床反应器 厌氧流化床反应器(如图12E)采用微粒状填料(例如沙粒)作 为微生物固定化的材料,厌氧微生物附着在这些微粒上形成生物 膜。于这些微粒粒径较小,反应器内采用一定范围的高的上流 速度,因此在反应器内的这些微粒形成流态化。为维持较高的上 流速度,流化床反应器高度与直径的比例大于其它同类的反应 器,同时它采用较大的回流比(即出水回流量与原废水进液量之 比) 厌氧流化床反应器由于使用较小的微粒,因此形成比表面积 很大的生物膜,流态化又充分改善了有机质向生物膜传递的传质 速率,同时它克服了厌氧滤器中可能出现的短路和堵塞。在这 工艺中,流态化的形成是前提条件,较轻的颗粒或絮状的污泥将 会从反应器中连续冲出,流态化的真正形成必须依赖于所形成的 生物膜在厚度、密度、强度等方面相对均一或形成的颗粒的均 但实际上,生物膜的形成与剥落是难以控制的,在反应器内将会 有各种大小和密度不同的颗粒。在-定流速下,没有形成生物膜 或生物膜剥落的颗粒会沉淀于反应器底部,而轻的、附着有絮状 污泥的颗粒会存在于反应器上部甚至被冲出反应器。在操作过程 中,不同密度和大小的颗粒必然会不断形成,因此不少研究者认 为真正的流化床系统在实践上是不可行的1-15 至今很少有生产规模的流化床反应器,其原因也还在于其工 艺控制较困难、投资和运行成本高,而且一些流化床反应器还需 要一个单独的预酸化反应器6),这使其造价更高。另一方面, 些已建造的所谓厌氧流化床实际上并未实现流态化,它们仅仅是 膨胀床”而已()。 (3)上流式厌氧污泥床(UASB反应器
图1.2中的D图为UASB反应器的示意图。如图所示,废水由 反应器底部进入,反应器主体为无填料的空容器,其中含有大量 厌氧污泥。由于废水以一定流速自下向上流动以及厌氧过程产生 的大量沼气的搅拌作用,废水与污泥充分混合,有机质被吸附分 解。所产沼气经由反应器上部三相分离器的集气室排出,含有悬 浮污泥的废水进入三相分离器的沉降区,由于沼气已从废水中分 离,沉降区不再受沼气搅拌作用的影响,废水在平稳上升过程中, 其中沉淀性能良好的污泥经沉降面返回反应器主体部分,从而保 证了反应器内高的污泥浓度。含有少量较轻污泥的废水从反应器 上方排出。UASB反应器中可以形成沉淀性能非常好的颗粒污 泥,能够允许较大的上流速度和很高的容积负荷 至今,UASB反应器在所有高速厌氧反应器中是应用最为广 泛的。从70年代末UASB反应器首次建立生产性装置以来,至1993 年已至少有400多家生产规模的UASB反应器已投入运行1),其 处理的废水包括几乎所有以有机污染物为主的废水,例如各类发 酵工业、淀粉加工、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、蔬菜加工、豆 制品、肉类加工皮革、造纸、制药及石油精炼及石油化工等各种 来源的有机废水.目前最大的UASB反应器是荷兰 Paques公司为 加拿大建造的处理造纸废水的UASB反应器,其容积15600m3,设 计能力为日处理COD185t (4)膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB) EGSB反应器(如图12F)是在UASB反应器的基础上于80年 代后期在荷兰农业大学环境系开始研究的新的厌氧反应器11 EGSB反应器与UASB反应器的结构非常相似,所不同的是在 EGSB反应器中采用高达25~6m/h的上流速度,这远远大于 UASB反应器所采用的约05~25m/h的上流速度。因此在EGSB 反应器中颗粒污泥床处于部分或全部“膨胀化”的状态,即污泥床 的体积由于颗粒之间平均距离的增加而扩大。为了提高上流速 度,EGSB反应器采用较大的高度与直径比161和大的回流比。 13