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        北京中科晶碩玻璃鋼技術有限公司

        BEIJING ZHONGKEJINGSHUO FIBERGLASS TECHNOLOGY LTD.

        提高厭氧生物反應器厭氧處理效能的途徑

        提高厭氧生物反應器厭氧處理效能的途徑及實現途徑

        由于厭氧微生物生長緩慢,世代時間長,故維持足夠長的停留時間是厭氧消化工藝成功的關鍵條件。高效厭氧處理系統必須滿足的原則:1 能夠保持大量的厭氧活性污泥和足夠長的污泥齡。2 保持進入的廢水和污泥之間的充分接觸。

        為了滿足第一條原則,可以采用固定化(生物膜)或培養沉降性能良好的厭氧污泥(顆粒污泥)的方式來保持厭氧污泥。從而在采用高的有機和水力負荷時不會發生嚴重的厭氧污泥流失。依據第一條原則,在20實際70年代末期人們成功地開發了各型新型的厭氧工藝(統稱為第二代厭氧反應器),例如:厭氧濾池(AF),上流式厭氧污泥床反應器(UASB),厭氧接觸膜膨脹床反應器(AAFEB),(FB)等。這些反應器的一個共同特點是可以將固體停留時間和水力停留時間相分離,固體停留時間可長達上百天。

        為了滿足第二條原則,應該確保反應器布水的均勻性,這樣才能避免短流。這一問題的關鍵至于改進布水系統的設計。從另一方面來講,厭氧反應器的混合源于進水的混合和產氣的擾動。但是對進水在無法采用高的有機和水力負荷的情況下(例如在低溫條件下采用低負荷工藝時,由于在污泥床的混合強度太低,以致無法抵消短流效應)UASB反應器的應用負荷和產氣率受到限制,為獲得很高的攪拌強度,必須采用高的反應器或者采用出水回流,獲得高的上升流速。正式對于這一問題的研究導致了第三代厭氧反應器的開發和應用,例如,厭氧顆粒污泥床反應器(EGSB)和內循環厭氧反應器(IC),厭氧復合床反應器UBF(AF+UASB),水解工藝和兩階段消化(水解+EGSB)工藝。

        提高厭氧生物反應器厭氧處理效能的途徑主要有如下幾種方式:


        1.       加速UASB中顆粒污泥形成

        影響UASB顆粒污泥形成的因素有廢水性質,營養元素和微量元素,水力負荷率和產氣負荷率,有機負荷率和污泥負荷率,接種污泥和環境條件等因素。加速污泥顆?;腥缦聨追N方法:

        (1)        投加無機絮凝劑或高聚物

        投加無機絮凝劑或高聚物可以保證反應器內的最佳生長條件,可改變廢水的成分, 其方法是向進水中投加養分、維生素和促進劑等。王林山等人向厭氧接種污泥中投加膨潤土和聚丙烯酰胺, 采用常溫間歇式進料, 在一個月內獲得了顆粒污泥。其余的投加劑包括吸水性聚合物(WAP),殼聚糖等物質。

        (2)        投加細微顆粒物

        向反應器中投加適量的細微顆粒物如粘土、陶粒、顆?;钚蕴康榷栊晕镔|, 利用顆粒物的表面性質, 加快細菌在其表面的富積, 使之形成顆粒污泥的核心載體, 有利于縮短顆粒污泥的出現時間。

        (3)        投加金屬離子

        適量惰性物如Ca2+ 、Mg2+, 能夠促進顆粒污泥初成體的聚集和粘結。研究: 二價金屬離子能擠壓污泥的雙層結構, 使細胞間的范德華力增強, 同時與污泥有機質中的陰離子之間存在較強的相互吸引作用。據研究,適量添加Fe2+ 、Zn2+ 、Co2+ Ni2+ 對厭氧微生物生長有促進作用的離子可大大縮短UASB反應器中厭氧污泥顆?;臅r間。

        2.       強化UASB 處理

        UASB 反應器成功地使SRT HRT 分離,但其傳質過程并不理想。由于污泥與有機物傳質過程主要依賴于進水與產氣的攪動,因此強化傳質過程最有效的方法就是提高表面水力負荷和產氣負荷。但高負荷產生的劇烈攪拌會使UASB 反應器中的污泥處于完全的膨脹狀態,從而使大量的顆粒污泥被洗出,導致污泥過度流失。為了避免出現過高的水力負荷與產氣負荷,UASB 反應器一般的進水上流速率控制在12m/h。微生物保有與傳質的矛盾,從根本上制約著UASB 進一步提高有機負荷。

        在實際工程應用中,UASB 反應器容易發生短流,污泥流失現象較為嚴重。究其原因,是因為UASB 反應器中的關鍵技術三相分離器屬于保密技術,其最佳設計參數很難把握,實際應用中的三相分離器并不能起到將氣、、固完全分離的作用,且容易因為設計不當而產生短流,因此造成污泥流失現象。

        優化進水和三相分離系統是強化UASB處理的主要途徑

         (1)設計出符合流體力學和生物反應的合理的進水布水系統,,也是改善UASB 處理效率的有效途徑。進水系統兼有配水和水力攪拌的功能,目前,工程中常用的進水方式大致可以分為:連續流(如:一管一孔配水,一管多孔配水,分支式配水),間歇式(脈沖式)(如:脈沖進水,連續式進水(間歇布水)),連續流與間歇流相結合的布水方式。

        布水均勻可以避免反應器內部出現死區,充分利用池體空間。良好的設計形式可以有效地降低布水器孔口的堵塞,提高布水質量,穩定UASB 處理效率。

        在UASB底部采用環狀管網布水器可以有效改進布水的均勻性。它在平面上成對稱分布,由彼此相交60°6根布水干管與外、中和內環管組成。污水沿UASB 底部管道進入中心配水罐,經干管到環管,再從環管上的孔口流出。該種布水器由于對稱布置,而且各干管、環管均為等直徑管道,出水孔口大小也相同,在不考慮水頭損失的情況下,理論上可以達到均勻配水的目的。

        據研究,布水系統采用雙向進水的純水力攪拌方式, 流向90s 切換一次, 可提供柔和的水力攪拌效果, 促進污泥和污水之間的良好接觸, 使污泥上附著的氣泡有效分離, 有利于水力篩分, 提高反應器的負荷, 加速污泥顆?;男纬?。


        (2)UASB反應器在實驗室小試階段可采用簡單的漏斗制成的三相分離系統,各種類型的三相分離器,如下圖。

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        中試裝置采用的相應的三相分離器與實驗室裝置沒有本質的差異,但是生產性裝置需要考慮三相分離器的型式和一些水力學的問題,以及一些工程放大問題。通過對大量的中試和生產性項目的總結,有大致四種不同類型的三相分離器基本構造。見下圖。

        img2

        其中,(a)的構造簡單,由于在回流縫同時存在上升和下降兩股流體相互干擾,泥水分離的情況不佳,污泥回流不通暢。(b)與前者十分相似,其特點是利用上一層分離器作為其中的公用的組件,這一構思可以形成多層的三相分離器。(c)在泥水分離上也是與前者存在類似的情況。(d)式的構造較為復雜,但污泥回流和水流上升互不相擾,污泥回流通暢,泥水分離效果比較好,氣體分離效果也較好。在分離器中,進水或者進入的水流彼此分開。氣體分離后,在吸附固體和液體進入的部分因膨脹作用而釋放出的溶解氣體可能溢出,而使來自反應器的紊流在那里可以得到緩沖。最后,在沉淀區污泥與出水分離,那里的水流為層流,在其下部形成污泥層。濃縮的污泥從這里可沉入反應器。沉淀器重濃縮的懸浮液與反應器內三相(氣,液和污泥)懸浮液之間的密度存在差異,利用這種密度的差異所產生的循環液流,使濃縮的懸浮液不斷地返回反應器?;亓魉俣热Q于產氣的速率和系統的阻力。UASB反應器的三相分離器的產業化涉及兩個問題,一是三相分離器的放大問題,另一個問題是產品化。三相分離器必須走設備化的道路。

        郭永福,郭維華等利用改良型的UASB三相分離器進行的豆制品廢水的試驗研究,取得了很好的實驗效果。改良型的三相分離器具有以下優點:(1)可以避免污泥的回流與上升的水流、氣流之間的互相干擾,保證進入沉降區的污泥能夠順利返回,防止污泥流失現象的發生;(2)包含高濃度污泥的污泥一區、二區容積增大,從污泥區底部到反應器頂部的整個垂直斷面上,都能夠保持較高污泥濃度,這為泥水的充分接觸提供了良好的條件,從而能夠保持較高的產氣率,以及污泥的較高生物活性;(3)在一定程度上降低了UASB反應器的總高度。但在實驗中也存在一些缺陷,如在沉降區仍有個別厭氧現象的發生,另外,能否不使用攪拌器而完全利用氣流水流的推動,以及反應器中混合液的密度差來實現污泥區的高度膨脹,并形成良好的內部循環等。


        3.       EGSB厭氧反應器

         EGSB 是在UASB 的基礎上發展起來的, 為了達到顆粒污泥的膨脹,必須提高液體升流速度, 其速度一般可達到5-10m /h, 遠高于UASB 0.6- 0.9m /h。要達到這樣高的升流速度,即使是低濃度廢水也難以達到,必須采取出水回流的方法。EGSB反應器運行的可行性很大程度上取決于反應器在高的液體表面升流速度下的污泥滯留。為了防止污泥流失,對三相分離器的固液分離要求特別高,近來開發的高效液相分離器多為專利,是EGSB反應器的關鍵技術。雖然EGSB反應器液體表面流速很大,但顆粒污泥的沉降速度也很大,并有專門的三相分離器,所以顆粒污泥不會流失,使反應器內仍維持很高的生物量。

        大部分高效厭氧反應器(如:AF,UASB,AFB等)一般只作為處理高濃度工業廢水。用這些反應器處理低濃度廢水時存在一些問題,如進水COD較低,反應器的負荷較低,甲烷產量少,因此混合強度低,使基質與微生物接觸不。在某些情況下,低濃度廢水常常含有DO,而產甲烷菌是嚴格的厭氧微生物。

        自從EGSB 反應器產生以后, 大部分的研究都集中于低溫低濃度污水的處理。一般認為, 在利用厭氧技術處理低濃度污水時, 通常會遇到三個問題, 即溶解氧的影響、低的基質濃度和低的水溫。由于產甲烷菌通常被認為是嚴格厭氧菌, 因此溶解氧的存在會抑制產甲烷菌的活性; 低的基質濃度和低的反應溫度則會導致微生物活性降低。EGSB 反應器采用了較高的液體上升流速, 污水與污泥之間可以充分接觸, 傳質效果良好, 且顆粒污泥的形成和大量兼性菌的存在, 使得其在處理低濃度污水方面具有很大的優勢。

        EGSB反應器不僅適于處理低濃度廢水,而且也可以處理高濃度有機廢水。但在處理高濃度有機廢水時,為了維持足夠的液體升流速度,是污泥床有足夠大的膨脹率,必須加大出水的回流量。EGSB通過出水回流,使其具有抗沖擊負荷的能力。使進水中的毒物濃度稀釋至對微生物不再具有毒害作用,所以EGSB可處理處理有毒性、難降解廢水。當廢水中含有對微生物有毒害作用的物質或是難于生物降解的物質時, 采用傳統的厭氧反應器或UASB 反應器都很難獲得較好的效果。由于EGSB 反應器具有很高的出水循環比率, 它可以將原水中毒性物質的濃度稀釋到微生物可以承受的程度, 從而保證反應器中的微生物能良好生長; 同時還由于反應器中液體上升流速大, 廢水與微生物之間能夠充分接觸, 可以促進微生物降解基質。因此, 采用EGSB 反應器處理毒性或難降解的廢水可以獲得較好的效果。


        4. IC厭氧反應器

        IC 反應器( Internal Circulation Anaerobic Reactor) 是荷蘭PAQUES 公司在第二代厭氧反應器(UASB) 的基礎上于20 世紀80 年代中期開發成功的第三代高效厭氧反應器。

        IC 反應器主要有兩大工藝思想A. 利用己有的工藝成果。包括:

        (1)利用微生物細胞固定化技術——污泥顆?;?。一方面, 污泥顆?;刮⑸锛毎m應水中溫度與pH 值的變化, 減輕不利因素如重金屬離子對污泥活性的影響; 另一方面,顆粒污泥為提高污泥濃度和污泥回流創造了條件。

        (2)采用污泥回流, 進一步加大生物量, 延長泥齡。IC 反應器是在高的COD 容積負荷條件下, 依據氣體提升原理, 利用沼氣膨脹作功在無需外加能源的條件下實現了內循環污泥回流。

        (3)引入分級處理, 并賦與其新的功能。IC 反應器通過膨脹床去除大部分進水中的COD, 通過精處理區降解剩余COD 及一些難降解物質, 提高出水水質。更重要的是, 由于污泥內循環, 精處理區的水流上升速度( 210m/h )遠低于膨脹床區的上升流速( 1020 m/h) , 而且該區只產生少量的沼氣, 創造了污泥顆粒沉降的良好環境,解決了在高COD 容積負荷條件下污泥被沖出系統的問題。此外,精處理區為膨脹污泥床區由于高的進水負荷導致的過度膨脹提供緩沖空間, 保證運行穩定。

        B. 采用內循環技術

        IC 反應器通過采用內循環技術, 大幅度提高了COD 容積負荷, 實現了泥水間的良好接觸。由于采用了高的COD 負荷,所以沼氣產量高, 加上內循環液的作用, 使顆粒污泥處于膨脹流化狀態, 強化了傳質效果, 達到了泥水充分接觸的目的。據有關研究報道, 處理高濃度有機廢水( 50009000 mg/L) ,相應COD 容積負荷達3550kgCOD/ (m3.d), 膨脹床區水流上升速度可達1020 m/h??梢妰妊h技術不但增加了生物量, 也改善了泥水接觸, 盡力挖掘了生化處理能力,體現了從根本上提高生化反應速率這一原則, 實現了大幅度提高處理容量的目的。應當指出, 目前許多IC 反應器進水必須經過溫度和pH值調節也是為提高生化反應速率、充分利用生化處理潛力創造條件。

           IC 反應器有如下特點:1 容積負荷率高,水力停留時間短. 2節省基建投資和占地面積 3. 抗沖擊負荷能力強,且具緩沖pH 能力. 4 沼氣提升實現內循環,不必外加動力 5.出水的穩定性好 6.啟動期短。

        但IC反應器也存在一些新的問題:

        (1) 污泥分析表明, IC 反應器比UASB 反應器內含有較高濃度的細微顆粒污泥( 形成大顆粒污泥的前體) , 加上水力停留時間相對短和較大的高徑比, 所以與UASB 反應器相比IC 反應器出水中含有更多的細微固體顆粒, 這不僅使后續沉淀處理設備成為必要, 還加重了后續設備的負擔。

        (2) 由于采用內循環技術和分級處理, 所以IC反應器高度一般較高, 而且內部結構相對復雜,不但增加了施工安裝和日常維護的困難, 對水泵動力消耗也存在負面影響。當然, 由于IC 反應器水力負荷較高, 所以動力消耗還需結合實際綜合考察。

        (3) 前已述及,為適應較高的生化降解速率, 許多IC 反應器的進水需調節pH 值和溫度, 為微生物的厭氧降解創造條件。從強化反應器自身功能的程度看, 這無疑增加了IC 反應器以外的附屬處理設施, 盡管目前大多數厭氧工藝也需要調節進水的溫度和pH 值。


        5.兩相厭氧消化

            有機物的厭氧消化一般經歷發酵細菌、產氫產乙酸菌、產甲烷菌三類細菌的縱向接替轉化以及向同產乙酸細菌的橫向轉化。從生物學角度來看,由于產氫產乙酸菌和產甲烷菌是共生互營菌,因而把他們劃為一相,即產甲烷相,而把發酵細菌劃為另一相,即產酸相。人們經過研究發現,產酸菌種類繁多,生長快,對環境條件變化不太敏感,而產甲烷菌則恰恰相反,專一性強,對環境條件要求苛刻,繁殖速度緩慢?;诖死碚撘罁?,兩相厭氧消化工藝把產酸菌和產甲烷菌分別置于兩個串聯的反應器內并提供各自所需的最佳條件,以避免不同種群生物間的相互干擾和代謝產物轉化不均衡而造成的抑制作用,產酸相對進水水質和負荷的變化有較強的適應能力和緩沖作用,可大大削減運行條件的變化對產甲烷菌的影響,因而可提高系統的處理效率和運行穩定性。

            兩相厭氧消化工藝效率高,兩相分離后,各反應器的分工更明確,產酸反應器對污水進行預處理,不僅為產甲烷反應器提供了更適宜的基質,還能夠解除或降低水中的有害物質,如硫酸根、重金屬離子的毒性,改變難降解有機物的結構,減少對產甲烷菌的毒害作用和影響,增強了系統運行的穩定性。而且,為了抑制產酸相中的產甲烷菌的生長而有意識地提高產酸相的有機負荷率,提高了產酸相的處理能力。產酸菌的緩沖能力較強,因而沖擊負荷造成的酸積累不會對產酸相有明顯的影響。也不會對后續的產甲烷相造成危害,能夠有效地預防在單相厭氧消化工藝中常出現的酸敗現象,出現后易于調整與恢復,提高了系統的抗沖擊能力。由于產酸菌的世代時間遠遠短于產甲烷菌,產酸菌的產酸速度高于產甲烷菌降解酸的速率,在兩相厭氧消化工藝中產酸反應器的體積總是小于產甲烷反應器的體積。對于不同水質的污水,體積比有所不同。


        6.       厭氧反應器結構的改良

        從厭氧反應器的發展歷程看,提高污泥濃度、增強泥水接觸、優化生態環境是拉動厭氧反應器創新的主要抓手,也將繼續成為推動高效厭氧反應器發展的主要動力。

        厭氧反應器的結構改良是提高污泥濃度、增強泥水接觸、優化生態環境的重要途徑。厭氧反應器通常包括布水單元、反應單元和分離單元。其中,反應單元是厭氧反應器的主體,反應單元的結構改良對于反應器效能的提高具有舉足輕重的作用。反應單元的結構改良主要借助內構件實現。根據結構形式,內構件可分為生物膜填料、橫向內構件和縱向內構件等。

        (1)生物膜填料

        生物膜填料是形成生物膜的載體,是微生物的棲息地。以生物膜填料作為內構件,可為微生物附著生長提供巨大的比表面積,持留高濃度的微生物細胞。常見的生物膜填料有卵石、多孔玻璃珠、軟性填料和半軟性填料。

        (2)橫向內構件

        橫向內構件是指在反應器內某一部位設置的,具有特定功能的結構組件,用于持留污泥、改善流態、強化傳質。常用的橫向內構件有三相分離擋板、懸掛式擋板等。KhursheedKarim等通過設置懸掛式擋板,借助擋板的導流作用,加速了局部區域的流動循環,有效遏制了該區域的短流減少了污泥流失,增強了泥水傳質。

        (3)縱向內構件

        縱向內構件是指在反應內縱向設置的,具有特定功能的若千結構組件,旨在促進持留污泥、遏制物料短流、優化功能菌生態。常用的縱向內構件有垂直折流板、交又擋板等。

        傳統UASB反應器在高負荷下運行時,通常會因氣泡累積而導致反應單元上部劇烈攪動,一方面導致污泥被洗出反應器而降低污泥濃度,另一方面導致新鮮基質被直接帶至上部而影響反應器效能。VanLier等在污泥床中縱向設置了若干交叉檔板(圖1.12),開發了一種上流式分段污泥流化床反應器(USSB)。經交叉檔板分隔后,整個反應器相當于若干UASB反應器的縱向串聯組合,反應單元被分割成幾個區室,每個區室產生的氣體分別收集導出。USSB反應器通過分段收集產氣,緩解了下部產氣對上部泥水分離的干擾,反應器內的物料流態也趨向平推流,它為各微生物生理群的生長和代謝提供了適宜的環境。

        McCarty等人通過在反應器中設置若干垂直折流板,開發了厭氧折流板反應器(ABR)。添加折流板后,ABR相當于若干UASB反應器的橫向串聯,就每個串聯的UASB反應器而言,因沼氣的攪拌作用,水流流態基本上呈全混流,但各反應器之間的返混受到限制,基本上呈平推流,優化了微生物生長和代謝的環境。添加折流板后,還使該反應器在體積不變的情況下延長了廢水流程,減小了因產氣攪拌所致的死區。

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        2019年12月30日 19:20