技術(shù)文章
Technical articles長(zhǎng)期以來(lái)好氧生物處理技術(shù),尤其是活性污泥法一直是我國(guó)城市污水處理廠的主體工藝,它具有處理效率高、出水水質(zhì)好的特點(diǎn),但它也存在能耗高、運(yùn)行費(fèi)用大、剩余污泥產(chǎn)量多等缺點(diǎn)。隨著大批城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,急需開發(fā)能耗低、剩余污泥產(chǎn)量少、適合中小型污水處理廠的新工藝。厭氧生物處理技術(shù)因其具有能耗低、污泥產(chǎn)量少的特點(diǎn),在許多發(fā)展中國(guó)家的城市污水處理中得到廣泛應(yīng)用。廢水厭氧生物處理是環(huán)境工程與能源工程中的一項(xiàng)重要技術(shù),是有機(jī)廢水強(qiáng)有力的處理方法。過(guò)去它多用于城市污水處理廠的污泥、有機(jī)廢料以及部分高濃度有機(jī)廢水的處理。厭氧氧化時(shí)僅能釋放出少量的能量,因此細(xì)胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少??衫么颂匦詫⒑醚鹾腿毖踹^(guò)程產(chǎn)生的污泥通過(guò)厭氧分解加以穩(wěn)定。很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣發(fā)電,如北京高碑店污水處理廠。
目前,厭氧生化法不僅可用于處理有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水,也用于處理中、低濃度有機(jī)廢水,包括城市污水。厭氧生物處理方法和基本功能有二:(1)酸發(fā)酵,目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物降解的基質(zhì);(2)甲烷發(fā)酵,目的是為進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料。
二、厭氧生物處理的機(jī)理
廢水厭氧生物處理是指在無(wú)分子氧條件下通過(guò)厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物)的作用,將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物質(zhì)的過(guò)程,也稱為厭氧消化(anaerobic digestion) 。與好氧過(guò)程的根本區(qū)別在于不以分子態(tài)氧作為受氫體,而以化合態(tài)氧、碳、硫、氮等作為受氫體。厭氧生物處理是一個(gè)復(fù)雜的微生物化學(xué)過(guò)程,依靠三大主要類群的細(xì)菌,即水解產(chǎn)酸細(xì)菌(fermentative bacteria)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌(acetogenic bacteria)和產(chǎn)甲烷細(xì)菌(methanogenic bacteria)的聯(lián)合作用完成。厭氧消化過(guò)程劃分為三個(gè)連續(xù)的階段,即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。
*階段為水解酸化階段。復(fù)雜的大分子、不溶性有機(jī)物先在細(xì)胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機(jī)物,然后滲入細(xì)胞體內(nèi),分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸、醇類、醛類等。這個(gè)階段主要產(chǎn)生較脂肪酸。
第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下,*階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H2、CO2。
第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、CO2和H2等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過(guò)程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成,一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷,另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷,前者約占總量的l/3后者約占2/3。
上述三個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水性質(zhì)而異,在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中,水解易成為速度限制步驟;簡(jiǎn)單的糖類、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解,對(duì)含這類有機(jī)物為主的廢水,產(chǎn)甲烷易成為限速階段。
有機(jī)物厭氧分解的三個(gè)階段
三、影響厭氧生物處理的主要因素
控制厭氧處理效率的基本因素有兩類:一類是基礎(chǔ)因素,包括微生物量 (污泥濃度)、營(yíng)養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機(jī)負(fù)荷等;另一類是環(huán)境因素,如溫度、pH值、有毒物質(zhì)等。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物,產(chǎn)甲烷階段是厭氧過(guò)程速率的限制步驟。
1、溫度條件
各類微生物適宜的溫度范圍是不同的,一般認(rèn)為,產(chǎn)甲烷菌的溫度范圍為5-60℃。在35℃和53℃上下可以分別獲得較高的消化效率,溫度為40-45℃時(shí),厭氧消化效率較低。據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同,厭氧法可分為常溫消化、中溫消化和高溫消化三種類型。
溫度對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響
溫度的急劇變化和上下波動(dòng)不利于厭氧消化作用。短時(shí)內(nèi)溫度升降5℃,沼氣產(chǎn)量明顯下降,波動(dòng)的幅度過(guò)大時(shí),甚至停止產(chǎn)氣。
溫度的波動(dòng),不僅影響沼氣產(chǎn)量,還影響沼氣中甲烷的含量,尤其高溫消化對(duì)溫度變化更為敏感。溫度的暫時(shí)性突然降低不會(huì)使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞,溫度一經(jīng)恢復(fù)到原來(lái)水平時(shí),處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復(fù)
2、pH值
每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動(dòng),產(chǎn)酸細(xì)菌對(duì)酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感,其適宜的pH值范圍較廣,在4.5-8.0之間。產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近,適宜pH值為7.0-7.2,pH6.6-7.4較為適宜。在厭氧法處理廢水的應(yīng)用中,由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行,故為了維持平衡,避免過(guò)多的酸積累,常保持反應(yīng)器內(nèi)的pH值在6.5-7.5(在6.8-7.2)的范圍內(nèi)。在厭氧消化過(guò)程中,pH值的升降變化除了外界因素的影響之外,還取決于有機(jī)物代謝過(guò)程中某些產(chǎn)物的增減。產(chǎn)酸作用產(chǎn)物使有機(jī)酸的含量增加,會(huì)使pH值下降。含氮有機(jī)物分解產(chǎn)物氨的增加,會(huì)引起pH值升高。在厭氧處理中,pH值除受進(jìn)水的pH影響外,主要取決于代謝過(guò)程中自然建立的緩沖平衡,取決于揮發(fā)酸、堿度、CO2、氨氮、氫之間的平衡。
3、有機(jī)負(fù)荷
在厭氧法中,有機(jī)負(fù)荷通常指容積有機(jī)負(fù)荷,簡(jiǎn)稱容積負(fù)荷,即消化器單位有效容積每天接受的有機(jī)物量(kgCOD/m3·d)。對(duì)懸浮生長(zhǎng)工藝,也有用污泥負(fù)荷表達(dá)的,即kg CODcr/(kg污泥·d)。在污泥消化中,有機(jī)負(fù)荷習(xí)慣上以投配率或進(jìn)料率表達(dá),即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分?jǐn)?shù)。由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致,投配率不能反映實(shí)際的有機(jī)負(fù)荷,為此,又引入反應(yīng)器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù),即kgMLVSS/m3·d。有機(jī)負(fù)荷值因工藝類型、運(yùn)行條件以及廢水中污染物的種類及其濃度而異。
在通常的情況下,常規(guī)厭氧消化工藝中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機(jī)負(fù)荷為2-3 kgCODcr/(m3·d),在高溫下為4-6 kgCODcr /(m3·d)。
上流式厭氧污泥床反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下為5-15 kgCODcr/(m3·d),可高達(dá)30kgCODcr/(m3·d)。在處理具體廢水時(shí),通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定其適宜的有機(jī)負(fù)荷。
4、厭氧活性污泥
厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關(guān)系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎(chǔ)保證。厭氧活性污泥的性質(zhì)主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉降性能。故在一定的范圍內(nèi),活性污泥濃度愈高,厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。
5、攪拌和混合
通過(guò)攪拌可消除池內(nèi)梯度,增加食料與微生物之間的接觸,避免產(chǎn)生分層,促進(jìn)沼氣分離。在連續(xù)投料的消化池中,還使進(jìn)料迅速與池中原有料液相混勻。在傳統(tǒng)厭氧消化工藝中,也將有攪拌的消化器稱為消化器。攪拌程度與強(qiáng)度要適當(dāng)。攪拌的方法有:
(1)機(jī)械攪拌器攪拌法;(2)消化液循環(huán)攪拌法;(3)沼氣循環(huán)攪拌法等。其中沼氣循環(huán)攪拌,還有利于使沼氣中的CO2作為產(chǎn)甲烷的底物被細(xì)菌利用,提高甲烷的產(chǎn)量。
厭氧濾池和上流式厭氧污泥床等新型厭氧消化設(shè)備,雖沒(méi)有專設(shè)攪拌裝置,但以上流的方式連續(xù)投入料液,通過(guò)液流及其擴(kuò)散作用,也起到一定程度的攪拌作用。
6、廢水的營(yíng)養(yǎng)比
厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷比例,因?yàn)槠渌麪I(yíng)養(yǎng)元素不足的情況較少見(jiàn)。厭氧法中碳:氮:磷控制為200-300:5:1為宜。在碳、氮、磷比例中,碳氮比例對(duì)厭氧消化的影響更為重要。研究表明,合適的C/N為10-18:1。
7、有毒物質(zhì)
包括有毒有機(jī)物、重金屬離子和一些陰離子等。對(duì)有機(jī)物來(lái)說(shuō),帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結(jié)構(gòu),往往具有抑制性。有毒物質(zhì)的高容許濃度與處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關(guān)。
四、厭氧法的工藝和設(shè)備
按微生物生長(zhǎng)狀態(tài)分為厭氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厭氧生物膜法(anaerobic slime);按投料、出料及運(yùn)行方式分為分批式(batch)、連續(xù)式(continuous)和半連續(xù)式(semi-continuous);厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等;厭氧生物膜法包括厭氧濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等。
根據(jù)厭氧消化中物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的總過(guò)程是否在同一反應(yīng)器中并在同一工藝條件下完成,又可分為一步厭氧消化(one stage digestion)與兩步厭氧消化(two stage digestion)等。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等。
1、普通厭氧消化池
普通消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池(conventional digester)。消化池常用密閉的圓柱形池,廢水定期或連續(xù)進(jìn)入池中,經(jīng)消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出,所產(chǎn)沼氣從頂部排出。池徑從幾米至三、四十米,柱體部分的高度約為直徑的1/2,池底呈圓錐形,以利排泥。為使進(jìn)水與微生物盡快接觸,需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種:(a)池內(nèi)機(jī)械攪拌;(b)沼氣攪拌;(c)循環(huán)消化液攪拌。
普通消化池的特點(diǎn)是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個(gè)池內(nèi)實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。缺乏持留或補(bǔ)充厭氧活性污泥的特殊裝置,消化器中難以保持大量的微生物細(xì)胞。對(duì)無(wú)攪拌的消化器,還存在料液的分層現(xiàn)象嚴(yán)重,微生物不能與料液均勻接觸的問(wèn)題。溫度不均勻,消化效率低。
2、厭氧接觸法
在消化池后設(shè)沉淀池,將沉淀污泥回流至消化池,形成了厭氧接觸法(anaerobic contact process)。
厭氧接觸法的特點(diǎn):
(1)通過(guò)污泥回流,保持消化池內(nèi)污泥濃度較高,一般為10-15g/L,耐沖擊能力強(qiáng);
(2)消化池的容積負(fù)荷較普通消化池高,中溫消化時(shí),一般為2-l0kgCODcr/m3·d,水力停留時(shí)間比普通消化池大大縮短,如常溫下,普通消化池為15-30天,而接觸法小于10天;
(3)可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液,不存在堵塞問(wèn)題;
(4)混合液經(jīng)沉降后,出水水質(zhì)好,
(5)但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設(shè)備
(6)厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進(jìn)行固液分離的缺點(diǎn)。
幾種脫氣方法:
(1)真空脫氣,由消化池排出的混合液經(jīng)真空脫氣器(真空度為0.005 MPa),將污泥絮體上的氣泡除去,改善污泥的沉降性能;
(2)熱交換器急冷法,將從消化池排出的混合液進(jìn)行急速冷卻。
(3)絮凝沉降,向混合液中投加絮凝劑,使厭氧污泥易凝聚成大顆粒,加速沉降;
(4)用超濾器代替沉淀池,以改善固液分離效果。
3、厭氧濾池
厭氧濾池(anaerobic filter)又稱厭氧固定膜反應(yīng)器,是上世紀(jì)60年代末開發(fā)的新型厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形,池內(nèi)裝放填料,池底和池頂密封。厭氧微生物附著于填料的表面生長(zhǎng),當(dāng)廢水通過(guò)填料層時(shí),在填料表面的厭氧生物膜作用下,廢水中的有機(jī)物被降解,并產(chǎn)生沼氣,沼氣從池頂部排出。廢水從池底進(jìn)入,從池上部排出,稱升流式厭氧濾池;廢水從池上部進(jìn)入,以降流的形式流過(guò)填料層,從池底部排出,稱降流式厭氧濾池。
厭氧生物濾池的特點(diǎn)及改進(jìn):
在厭氧生物濾池中,厭氧微生物大部分存在于生物膜中,少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。厭氧微生物總量沿池高度分布是很不均勻的,在池進(jìn)水部位高,相應(yīng)的有機(jī)物去除速度快。當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高時(shí),特別是進(jìn)水懸浮固體濃度和顆粒較大時(shí),進(jìn)水部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。對(duì)厭氧生物濾池采取如下改進(jìn):
(1)出水回流;
(2)部分充填載體;
(3)采用軟性填料。
厭氧生物濾池的特點(diǎn)是:
(1)由于填料為微生物附著生長(zhǎng)提供了較大的表面積,濾池中的微生物量較高,又因生物膜停留時(shí)間長(zhǎng),平均停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100天左右,因而可承受的有機(jī)容積負(fù)荷高,COD容積負(fù)荷為2-16kgCODcr/(m3·d),且耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng);
(2)廢水與生物膜兩相接觸面大,強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程,因而有機(jī)物去除速度快;
(3)微生物固著生長(zhǎng)為主,不易流失,因此不需污泥回流和攪拌設(shè)備;
(4)啟動(dòng)或停止運(yùn)行后再啟動(dòng)比前述厭氧工藝法時(shí)間短。
(5)處理含懸浮物濃度高的有機(jī)廢水,易發(fā)生堵塞,尤以進(jìn)水部位更嚴(yán)重。因此,進(jìn)水懸浮物濃度不應(yīng)超過(guò)200mg/L。
4、厭氧流化床
厭氧流化床特點(diǎn):
(1)載體顆粒細(xì),比表面積大,可高達(dá)2000-3000m2/m3左右,使床內(nèi)具有很高的微生物濃度,因此有機(jī)物容積負(fù)荷大,一般為10-40kgCODcr/m3·d,水力停留時(shí)間短,具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力,運(yùn)行穩(wěn)定;
(2)載體處于流化狀態(tài),無(wú)床層堵塞現(xiàn)象,對(duì)高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能;
(3)載體流化時(shí),廢水與微生物之間接觸面大,同時(shí)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快,強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程,從而具有較高的有機(jī)物凈化速度;
(4)床內(nèi)生物膜停留時(shí)間較長(zhǎng),剩余污泥量少;
(5)結(jié)構(gòu)緊湊、占地少以及基建投資省等。
(6)但載體流化耗能較大,且對(duì)系統(tǒng)的管理技術(shù)要求較高。
為了降低動(dòng)力消耗和防止床層堵塞,可采取如下措施:
(1)間歇性流化床工藝,即以固定床與流化床間歇**替操作。固定床操作時(shí),不需回流,在一定時(shí)間間歇后,又啟動(dòng)回流泵,呈流化床運(yùn)行;
(2)盡可能取質(zhì)輕、粒細(xì)的載體,如粒徑20-30mm、相對(duì)密度1.05-1.2g/cm3的載體。保持低的回流量,甚至免除回流就可實(shí)現(xiàn)床層流態(tài)化。
5、厭氧生物轉(zhuǎn)盤和擋板反應(yīng)器
厭氧生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造與好氧生物轉(zhuǎn)盤相似,不同之處在于盤片大部分 (70%以上)或全部浸沒(méi)在廢水中,為保證厭氧條件和收集沼氣,整個(gè)生物轉(zhuǎn)盤設(shè)在一個(gè)密閉的容器內(nèi)。厭氧擋板反應(yīng)器是從研究厭氧生物轉(zhuǎn)盤發(fā)展而來(lái)的,生物轉(zhuǎn)盤不轉(zhuǎn)動(dòng)即變成厭氧擋板反應(yīng)器。擋板反應(yīng)器與生物轉(zhuǎn)盤相比,可減少盤的片數(shù)和省去轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。
厭氧生物轉(zhuǎn)盤的特點(diǎn):
(1)厭氧生物轉(zhuǎn)盤內(nèi)微生物濃度高,因此有機(jī)物容積負(fù)荷高,水力停留時(shí)間短;
(2)無(wú)堵塞問(wèn)題,可處理較高濃度的有機(jī)廢水;
(3)一般不需回流,所以動(dòng)力消耗低;
(4)耐沖擊能力強(qiáng),運(yùn)行穩(wěn)定,運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便。但盤片造價(jià)高。
6、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器
上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflow anaerobic sludge blanket reactor),簡(jiǎn)稱UASB反應(yīng)器,是由荷蘭的G. Lettnga等人在上世紀(jì)70年代初研制開發(fā)的。UASB厭氧反應(yīng)器以其的特點(diǎn),成為世界上應(yīng)用為廣泛的厭氧生物處理方法。從UASB反應(yīng)器建立生產(chǎn)性裝置以來(lái),*已有超過(guò)600座UASB反應(yīng)器投入使用,其處理的廢水幾乎囊括了所有有機(jī)廢水。污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有載體,是一種懸浮生長(zhǎng)型的消化器。其主要的特點(diǎn)有:反應(yīng)器負(fù)荷高,體積小,占地少;可以不添加或少添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);能耗低,產(chǎn)生的甲烷可以作為能源利用;不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少的剩余污泥;規(guī)??纱罂尚?,操作靈活方便。
UASB反應(yīng)器的機(jī)構(gòu)可以分為污泥床,污泥懸浮層,三相分離器和沉淀區(qū)四個(gè)部分。廢水由底部進(jìn)入反應(yīng)器,UASB能去除的有機(jī)物70%在污泥床中完成,剩下的30%在污泥懸浮層內(nèi)去除,被氣泡挾帶的污泥在三相分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣固分離,一些沉降性能好,活性高的污泥由沉淀區(qū)返回反應(yīng)器,而沉降性能差,活性低的污泥則被沖洗出反應(yīng)器,保證了活性高的污泥的基質(zhì)利用,從而實(shí)現(xiàn)淘劣存優(yōu)的效果。
上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形,底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設(shè)置氣、液、固三相分離器,則一般為矩形,高度一般為3-8m,其中污泥床1-2m,污泥懸浮層2-4m,多用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。
UASB反應(yīng)器良好的污染物去除效果(一般80%以上)依靠反應(yīng)器中形成的厭氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)的。厭氧顆粒污泥性狀各異,大多數(shù)具有相對(duì)規(guī)則的球形或橢球形,直徑在0.15~5mm之間,顏色通常四黑色或灰色,沉降性能良好,文獻(xiàn)報(bào)道其沉降速度的典型范圍在18~100m/h。顆粒污泥本質(zhì)上是多種微生物的聚集體,主要是由厭氧微生物組成,顆粒污泥中參與分解復(fù)雜有機(jī)物,
顆粒污泥的形成過(guò)程即顆粒化過(guò)程是單一分散厭氧微生物聚集生長(zhǎng)成顆粒污泥的過(guò)程,是一個(gè)復(fù)雜而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)程,可以看成是一個(gè)多階段的過(guò)程。首先是細(xì)菌與基體(可以是細(xì)菌,也可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料)相互吸引粘連,這是污泥形成的開始階段,也是決定污泥結(jié)構(gòu)的重要階段。細(xì)菌與基體接近后,通過(guò)細(xì)菌的附屬物如菌絲和菌毛等,或通過(guò)多聚物的粘連,將細(xì)菌粘接到基體上。隨著粘接到基體上的細(xì)菌的數(shù)目的增多,就開始形成具有初步代謝作用的微生物聚集體。微生物聚集體在適宜的條件下,各種微生物大量繁殖,后形成沉降性
能良好,產(chǎn)甲烷活性高的顆粒污泥。
上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的特點(diǎn):
(1)反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高,一般平均污泥濃度為30-40g/L,其中底部污泥床(sludge bed)污泥濃度60-80g/L,污泥懸浮層(sludgeblanket)污泥濃度5-7g/L;污泥床中的污泥由活性生物量占70-80%的高度發(fā)展的顆粒污泥(sludge granules)組成,顆粒的直徑一般在0.5-5.0mm之間,顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的一個(gè)重要特征。
(2)有機(jī)負(fù)荷高,水力停留時(shí)間短,中溫消化,COD容積負(fù)荷一般為10-20kg COD/(m3·d);
(3)反應(yīng)器內(nèi)設(shè)三相分離器,被沉淀區(qū)分離的污泥能自動(dòng)回流到反應(yīng)區(qū),一般無(wú)污泥回流設(shè)備;
(4)無(wú)混合攪拌設(shè)備。投產(chǎn)運(yùn)行正常后,利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來(lái)攪動(dòng);
(5)污泥床內(nèi)不填載體,節(jié)省造價(jià)及避免堵塞問(wèn)題。
(6)反應(yīng)器內(nèi)有短流現(xiàn)象,影響處理能力。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多,特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高,以免對(duì)污泥顆粒化不利或減少反應(yīng)區(qū)的有效容積,甚至引起堵塞;
(7)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。
7、厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器(EGSB)和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)
上世紀(jì)七、八年代開發(fā)的厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器(EGSB)、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC),已成功應(yīng)用于多項(xiàng)工程實(shí)踐。
厭氧顆粒污泥膨脹床(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)反應(yīng)器雖然在結(jié)構(gòu)形式、污泥形態(tài)等方面與UASB非常相似,但其工作運(yùn)行方式與UASB顯然不同,主要表現(xiàn)在EGSB中一般采用2.5-6m/h的液體表面上升流速(高可達(dá)10m/h),高COD負(fù)荷(8-15kgCODcr/m3•d)。高的液體表面上升流速使顆粒污泥床層處于膨脹狀態(tài),不僅使進(jìn)水能與顆粒污泥能充分接觸,提高了傳質(zhì)效率,而且有利于基質(zhì)和代謝產(chǎn)物在顆粒污泥內(nèi)外的擴(kuò)散、傳送,保證了反應(yīng)器在較高的容積負(fù)荷條件下正常運(yùn)行。EGSB反應(yīng)器實(shí)質(zhì)上是固體流態(tài)化技術(shù)在有機(jī)廢水生物處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用。EGSB反應(yīng)器的工作區(qū)為流態(tài)化的初期,即膨脹階段(容積膨脹率約為10-30%),在此條件下,進(jìn)水流速較低,一方面可保證進(jìn)水基質(zhì)與污泥顆粒的充分接觸和混合,加速生化反應(yīng)進(jìn)程,另一方面有利于減輕或消靜態(tài)床(如UASB)中常見(jiàn)的底部負(fù)荷過(guò)重的狀況,增加反應(yīng)器對(duì)有機(jī)負(fù)荷,特別是對(duì)毒性物質(zhì)的承受能力。EGSB反應(yīng)器 適用范圍廣,可用于SS含量高和對(duì)微生物有抑制性的廢水處理,在低溫和處理低濃度有機(jī)廢水時(shí)有明顯優(yōu)勢(shì)。
內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation,IC)構(gòu)造的特點(diǎn)是具有很大的高徑比,一般可達(dá)4-8,反應(yīng)器的高度達(dá)到20m左右。整個(gè)反應(yīng)器由*厭氧反應(yīng)室和第二氧反應(yīng)室疊加而成。每個(gè)厭氧反應(yīng)室的頂部各設(shè)一個(gè)氣、固、液三相分離器。*級(jí)三相分離器主要分離沼氣和水,第二級(jí)三相分離器主要分離污泥和水,進(jìn)水和回流污泥在*厭氧反應(yīng)室進(jìn)行混合。*反應(yīng)室有很大的去除有機(jī)能力,進(jìn)入第二厭氧反應(yīng)室的廢水可繼續(xù)進(jìn)行處理。去除廢水中的剩余有機(jī)物,提高出水水質(zhì)。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器具有COD負(fù)荷(15-25kgCODcr/m3•d),結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省占地面積,借沼氣內(nèi)能提升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán),不必外加動(dòng)力,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),具有緩沖pH的能力,出水穩(wěn)定性好,可靠性高,基建投資低。
五、兩相厭氧處理系統(tǒng)
厭氧消化反應(yīng)分別在兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器中進(jìn)行,每一反應(yīng)器完成一個(gè)階段的反應(yīng),比如一為產(chǎn)酸階段,另一為產(chǎn)甲烷階段,故又稱兩段式厭氧消化法。按照所處理的廢水水質(zhì)情況,兩步可以采用同類型或不同類型的消化反應(yīng)器。*步反應(yīng)器可采用簡(jiǎn)易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值范圍條件下運(yùn)行;第二步反應(yīng)器則要求嚴(yán)格密封、嚴(yán)格控制溫度和pH值范圍。接觸消化池-上流式污泥床兩步消化工藝如下圖:
1、熱交換器;2、接觸消化池;3、沉淀池;4、上流式厭氧污泥床
兩步厭氧法具有如下特點(diǎn):
(1)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),運(yùn)行穩(wěn)定,避免了一步法不耐高有機(jī)酸濃度的缺陷;
(2)兩階段反應(yīng)不在同一反應(yīng)器中進(jìn)行,互相影響小,可更好地控制工藝條件;
(3)消化效率高,尤其適于處理含懸浮固體多、難消化降解的高濃度有機(jī)廢水。
(4)但兩步法設(shè)備較多,流程和操作復(fù)雜。
六、厭氧制氫技術(shù)
制氫技術(shù)有:(1)基于化石燃料的方法,如天然氣的蒸氣氣化、石油碳?xì)浠衔镏亟M分的部分氧化、煤的氣化等占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的90%以上。(2)基于以水為原料的方法:電解、光解、直接熱分解等占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的4%左右。(3)基于生物技術(shù)的方法,如:藻類和藍(lán)細(xì)菌光解水、光合細(xì)菌光分解有機(jī)物、有機(jī)物的發(fā)酵制氫、光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運(yùn)用制氫等等。
由于厭氧生物發(fā)酵制氫具有產(chǎn)氫能力大、無(wú)需光源、底物來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到人們青睞。厭氧制氫根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物不同分為以下兩種:
• (1)當(dāng)乙酸為終產(chǎn)物時(shí):
C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH +4H2 + 2CO2
(2)當(dāng)丁酸為終產(chǎn)物時(shí):
C6H12O6→ CH3CH2CH2COOH +2H2 + 2CO2
當(dāng)H2、CO2分壓增加,產(chǎn)氫速率明顯降低,合成更多與產(chǎn)氫競(jìng)爭(zhēng)的底物。氫氣產(chǎn)生速率與:pH、水力停留時(shí)間、氫分壓等有很大關(guān)系。研究表明:碳水化合物具有厭氧生物產(chǎn)氫可行性,而在碳水化合物中,溶解性糖類比溶解性差的淀粉等更具有產(chǎn)氫可行性。在碳水化合物中。對(duì)于溶解性好的糖,生物產(chǎn)氫穩(wěn)定運(yùn)行的PH值工程控制參數(shù)為4. 5左右,對(duì)于溶解性較差的淀粉廢水,其控制參數(shù)為PH值4. 0左右。
厭氧制氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn):耗能低、效率高;清潔、節(jié)能和可再生;原料成本低,制氫過(guò)程不污染環(huán)境。利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分子有機(jī)物,具有很強(qiáng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。
厭氧制氫技術(shù)還有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究,如:(1)研究氣體快速分離技術(shù),減少因氫、二氧化碳分壓增加抑制產(chǎn)氫速率———膜技術(shù)的使用;(2)誘變高產(chǎn)氫能力的菌株;(3)優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)—如固定床的使用等等。生物制氫技術(shù)總體上還處在初步研究階段,但其在原料來(lái)源、能源消耗、環(huán)境方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),所以仍是值得深入研究的領(lǐng)域。
七、各種厭氧與好氧技術(shù)的比較和聯(lián)合運(yùn)用
1、、各種厭氧和好氧技術(shù)的比較
厭氧工藝與好氧工藝相比較,各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
厭氧工藝與好氧工藝相比較,優(yōu)點(diǎn)如下:
(1)、應(yīng)用范圍廣
因供氧限制,好氧法一般只適用于中、低濃度有機(jī)廢水的處理,而厭氧法既適用于高濃度有機(jī)廢水,又適用于中、低濃度有機(jī)廢水。有些有機(jī)物對(duì)好氧生物處理法來(lái)說(shuō)是難降解的,但對(duì)厭氧生物處理是可降解的,如固體有機(jī)物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。
(2)、能耗低
好氧法需要消耗大量能量供氧,曝氣費(fèi)用隨著有機(jī)物濃度的增加而增大,而厭氧法不需要充氧,而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機(jī)物達(dá)一定濃度后,沼氣能量可以抵償消耗能量。研究表明,當(dāng)原水BOD5達(dá)到1500mg/L時(shí),采用厭氧處理即有能量剩余。有機(jī)物濃度愈高,剩余能量愈多。一般厭氧法的動(dòng)力消耗約為活性污泥法的1/10。理論上每去除1kgCOD可生產(chǎn)0.35m3純甲烷(0℃,1atm)。
(3)、負(fù)荷高
通常好氧法的有機(jī)容積負(fù)荷為0.7-1.2 kgBOD/(m3·d),而厭氧法為2-10 kgCODcr/(m3·d),高的可達(dá)30-50kgCODcr/(m3·d)。
(4)、剩余污泥量少,且其濃縮性、脫水性良好
好氧法每去除l kgCODcr將產(chǎn)生0.4-0.6 kg生物量,而厭氧出去除l kgCODcr只產(chǎn)生0.02-0.l kg生物量,其剩余污泥量只有好氧法的5%-20%。同時(shí),消化污泥在衛(wèi)生學(xué)上和化學(xué)上都是穩(wěn)定的。因此,剩余污泥處理和處置簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低,甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。
(5)、氮、磷營(yíng)養(yǎng)需要量較少
好氧法一般要求BOD:N:P為l00:5:1,而厭氧法的BOD:N:P為l00:2.5:0.5,對(duì)氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營(yíng)養(yǎng)鹽量較少。
(6)、有殺菌作用
厭氧處理過(guò)程有一定的殺菌作用,可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲卵、病毒等。
(7)、污泥易貯存
厭氧活性污泥可長(zhǎng)期貯存,反應(yīng)器能季節(jié)性或間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)。
厭氧工藝與好氧工藝相比較,缺點(diǎn)如下:
(1)、厭氧微生物增殖緩慢,因而厭氧設(shè)備啟動(dòng)和處理所需時(shí)間比好氧設(shè)備長(zhǎng)(活性污泥法15℃培養(yǎng)7-10天,生物膜法20℃培養(yǎng)30天左右);
(2)、出水往往達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn),需要進(jìn)一步處理,故一般在厭氧處理后串聯(lián)好氧處理;
(3)、厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復(fù)雜;
(4)、厭氧過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氣味對(duì)空氣有污染。
2、厭氧和好氧技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用
實(shí)際工業(yè)廢水中有機(jī)物的濃度較高,COD 可以達(dá)到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)。高濃度有機(jī)廢水用一種方法很難處理到要求的水平,所以需要用厭氧和好氧處理方法聯(lián)合應(yīng)用才能達(dá)到好的效果。厭氧-好氧工藝的可能比沒(méi)有厭氧的單獨(dú)好氧工藝有一些特別的優(yōu)勢(shì)?,F(xiàn)以UASB加一個(gè)活性污泥工藝來(lái)分析厭氧-好氧工藝的特點(diǎn)。
厭氧-好氧工藝的特點(diǎn):
(1)由于UASB反應(yīng)器會(huì)去除大量有機(jī)物和懸浮物,其后的好氧工藝污泥量會(huì)少得多,因此,在實(shí)踐中,厭氧-好氧工藝的總?cè)莘e常不到單獨(dú)好氧工藝容積的一半。
(2)由于好氧部分的剩余污泥可以循環(huán)至UASB反應(yīng)器,并在那里消化和增濃,因此,厭氧-好氧工藝可以省掉污泥穩(wěn)定所需的操作單元,剩余污泥量也比單獨(dú)好氧工藝少得多,且更易處理。
(3)由于厭氧反應(yīng)器已去除大分子有機(jī)物,所以在好氧部分的需氧量大為減少,由此可以節(jié)約能源。同時(shí)由于UASB反應(yīng)器實(shí)際起到一種均衡作用,它減少了好氧部分的需氧量穩(wěn)定。
由以上分析,厭氧-好氧工藝是非常有吸引力的工藝。采用厭氧與好氧工藝相結(jié)合的工藝,還可以達(dá)到生物脫氮、脫磷的目的。目前厭氧與好氧聯(lián)合的工藝較多,有些仍處在研究階段,具體見(jiàn)第五節(jié),此處僅以某啤酒廠廢水的處理流程(見(jiàn)多媒體課件)舉例。
3、應(yīng)用實(shí)例
(1)、某啤酒廠廢水水質(zhì)情況如下:
廢水水量:Q=3000m3/d
進(jìn)水水質(zhì):COD=2500mg/L;BOD5=1600mg/L;SS=500mg/L
出水水質(zhì):處理后的廢水達(dá)到GB8978-1996一級(jí)標(biāo)準(zhǔn),即COD≤100mg/L;BOD5≤20mg/L;SS≤70mg/L。
(2)、UASB反應(yīng)器的形狀和尺寸、水力停留時(shí)間(HRT)和水力負(fù)荷率(Vr)
對(duì)于中等濃度和高濃度的有機(jī)廢水,一般情況下,有機(jī)容積負(fù)荷率是限制因數(shù),反應(yīng)器的容積與廢水量、廢水濃度和允許的有機(jī)物容積負(fù)荷去除率有關(guān)。
設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為NV=4.0kgCOD/(m3?d),COD去除率為80%,則UASB反應(yīng)器的有效容積為:
V有效=Q(C0-Ce)/NV
式中:Q-設(shè)計(jì)處理量,m3/d;
C0、Ce-進(jìn)、出水COD濃度,mg/L;
NV-COD容積負(fù)荷,kgCOD/(m3?d)。
V有效=3000×(2500-500)×10-3/4.0=1500(m3)
據(jù)資料,經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)器高度一般為4~6m之間,并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)優(yōu)化的運(yùn)行范圍。升流式厭氧污泥床的池型有矩形、方形和圓形。圓形反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的特點(diǎn),但是建造圓形反應(yīng)器的三相分離器要比矩形和方形的要復(fù)雜的多,因此本次設(shè)計(jì)采用矩形池。從布水均勻性和經(jīng)濟(jì)性考慮,矩形池長(zhǎng)寬比為2:1左右為合適。
設(shè)計(jì)反應(yīng)器有效高度為h=6m,則橫截面積S=V有效/h=1500/6=250(m2)。
設(shè)池長(zhǎng)L約為池寬B的兩倍,則可取B=12m,L=21m。 一般應(yīng)用時(shí)反應(yīng)器裝液量為70~90%,本工程中設(shè)計(jì)反應(yīng)器總高H=7.5m,其中超高0.5m。
反應(yīng)器的總?cè)莘eV=BLH=12×21×(7.5-0.5)=1764m3,有效容積為1500m3,則體積有效系數(shù)為85.0%,符合有機(jī)負(fù)荷要求。
對(duì)于顆粒污泥,水力負(fù)荷Vr=0.1~0.9m3/(m2?h),符合要求。
由于有機(jī)負(fù)荷較高,產(chǎn)氣量大,因此設(shè)置一個(gè)水封罐,水封罐出來(lái)的沼氣先通入氣水分離器,然后再進(jìn)入沼氣貯柜。氣水分離器起到對(duì)沼氣干燥的作用,選用直徑500mm×H1800mm鋼制氣水分離器一個(gè),氣水分離器中預(yù)裝鋼絲填料,在氣水分離器前設(shè)置過(guò)濾器以凈化沼氣,在分離器出氣管上裝設(shè)流量計(jì)及壓力表。
4、思考題:
(1)、玉米酒精廠廢水處理方案
淀粉質(zhì)原料(玉米) 酒精發(fā)酵產(chǎn)生廢糟液,糟液污染重要指標(biāo)是總固體,它包括溶解性固體、懸浮固體和膠體,它是由有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和生物菌體所組成。廢糟液固液分離后,濾渣組分經(jīng)過(guò)烘干后可以制成蛋白質(zhì)飼料。廢水CODcr大約9400—12000mg/ L,BOD5大約8300mg/ L ,SS達(dá)到3000 mg/L,且pH值較低。請(qǐng)對(duì)450 t/d酒精廢水設(shè)計(jì)一處理方案。
參考方案如下:
工藝流程說(shuō)明:廢水進(jìn)入調(diào)節(jié)沉淀池,去除大部分SS,調(diào)節(jié)池中的廢水經(jīng)泵提升進(jìn)入U(xiǎn)SBA反應(yīng)器,經(jīng)厭氧反應(yīng)后重力自流進(jìn)水解酸化池,其中UASB中反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)三相分離器收集后通過(guò)水封、氣水分離器,脫硫罐等裝置進(jìn)入氣柜存放,以便加以利用。水解酸化池出水進(jìn)入好氧接觸氧化池,處理水經(jīng)過(guò)二沉池經(jīng)固液分離后達(dá)標(biāo)后排放。UASB和二沉池中排放出的剩余污泥與調(diào)節(jié)池的污泥一起排入污泥濃縮池進(jìn)行濃縮,隨后經(jīng)壓濾機(jī)處理后外運(yùn)。
(2)、肉聯(lián)廠綜合廢水處理方案選擇
某肉聯(lián)廠綜合廢水量3000 t/d ,CODcr為800 mg/ L,BOD5大約500mg/ L ,SS為150mg/L,氨氮60mg/L。要求出水處理后水質(zhì)達(dá)到GB8978-1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn),請(qǐng)針對(duì)此種廢水提出一處理方案。
參考方案:
細(xì)格柵機(jī)
|
水解酸化池 |
SBR池
|
砂濾池 |
廢水 |
粗格柵機(jī) |
清水池 |
工藝流程說(shuō)明:肉聯(lián)廠綜合廢水屬于易于生物降解的高懸浮有機(jī)廢水,含有大量血污、毛皮、碎肉等,廢水經(jīng)兩道格柵,進(jìn)入水解酸化池,經(jīng)泵提升進(jìn)入SBR反應(yīng)器,然后重力自流進(jìn)入砂濾池,出水經(jīng)過(guò)二沉池經(jīng)固液分離后出水。
SBR集厭氧和好氧兩類特征各異的微生物于一體,充分發(fā)揮各類微生物降解污染物的能力和潛力。此種廢水中氮磷含量較高,SBR生化反應(yīng)池具有良好的脫氮除磷的效果。水解酸化池出水經(jīng)配水井分配給兩個(gè)SBR池,第二個(gè)SBR池進(jìn)水比*個(gè)池進(jìn)水滯后兩個(gè)小時(shí),這樣*池在沉淀階段停止進(jìn)水,剛好第二個(gè)SBR池進(jìn)水處理,而整個(gè)好氧系統(tǒng)宏觀上表現(xiàn)為連續(xù)進(jìn)水,進(jìn)水閥門采用電磁閥控制。
15101169516