废水厌氧反应器工艺的未来发展方向王健

第巧卷第2期污染防治技术2002年6月·专论与综述·废水厌氧反应器工艺的未来发展方向王健`,沈耀良2(1.苏州市吴中区环境保护局,江苏苏州21500;02.苏州城建环保学院环保系,江苏苏州215011)摘要:结合厌氧生物处理的特点及工艺运行要求,分析了废水厌氧生物处理工艺设计和运行的技术关键,介绍了两相和多级(SMP)A工艺的特点及其优越性,提出了今后的研究发展方向关键词:废水厌氧处理;两相工艺、多级工艺;发展中图分类号:X703.3文献标识码:A文章编号:1以)4一695x(2oo2102一0013一03TrendsofAnaerobicWastewaterTreatmentReactorintheFutureWANGJian’,SHENYao一liangZ(1.环公之内。咭D砧rrictEn:iornmental尸八,teetionZ了uerau,S“名六ou,iJa门gsu215〔尤旧,China;2.5二hoonsItiruteofl丫占anConsrr`t`o;`a,;dE二`orn,ntalPorteetion.Sohou,iJa月gsu215011,Chi、A加traet:hTekey一即intsfor幸hedesigna”doperatjonofanaerobjowa、tewatertreatmentproeesseswasanalyzedbasedonthe(、haraeter-istiesofanaerobieproeess,andthentheeharaeteristiesand:,dvantagesoftwophaseandSMpAporeesswasalsoinrordueedtogetherwiththede、elopmentterndsinthefuture,Keywords:Anaeorbiewastewatertreatment;wTophaseproeess:SMPAproeess;1丫ends1废水厌氧生物处理技术发展概况强的生物固体截留能力和良好的水力混合条件是高效厌氧反应器有效运行的两个基本前提因而确保反应器中泥水的良好接触、避免短流是反应器设计中须考虑的重要问题。厌氧反应器内可实现混合进水(或出水回流)和产气,但当在常温或低温下无法采用高负荷时,往往由于反应器内混合效果差以致产生严重的短流问题。目前所应用的第二代厌氧反应器中,AF运行的关键是高效、稳定和易操作管理的填料的使用,高效的填料成本高,而廉价的填料则易造成反应器堵塞;而UASB运行的关键是三相分离器的合理设计和培养性能良好的颗粒污泥,三相分离器的设计在国内尚无成熟的方法,而颗粒污泥的培养虽在国外已有成功的经验,但国内则尚处于探索和深入研究的阶段。同时,颗粒污泥的形成需时长、操作要求严格。这些问题使第二代厌氧处理工艺的应用受到了一定的限制,并由此促进了第三代厌氧反应器的研究和开发。第三代厌氧反应器的开发研究始于20世纪80年代中后期,开发的主要反应器有荷兰Wageinngen农业大学的厌氧颗粒污泥膨胀床反应器(EGSB)及厌氧内循环反应器(IC)、美荷iBothane系统国际公司的厌氧升流式流化床(UFBBIOBED)和美国Mcca}rt’等人`’一3、的厌氧折流板反应器(ABR)等。这些反应器的应用发展较快,在10多年里,其在实际工程中的应用占厌氧处理工艺的比例已达6%左右。2废水厌氧生物处理技术的发展方向1997年由德国联邦经济合作和发展部开展的为期两年的“城市和工业废水处理厌氧处理技术的发展”调查表明:目前全世界有1066座厌氧处理装置在运行之中,其中:956座用于工业废水的处理,占98.7%;78座用于城市生活污水的处理,占7.3%;32座用于有机固体废物的处理,占3.0%!’。eLittnga教授在展望未来厌氧反应器发展方向时指出,在现有的各类第二代厌氧反应器中,UASB具有一系列其他厌氧反应器所缺乏的优良特性而受收稿日期:2002一。1一09墓金项目:中国博士后基金资助课题作者简介:王健(l%1一),女,工程师,江苏苏州人,主要从事环境工程和环境管理工作,已发表学术论文10余篇l3第15卷第2期王健等.废水厌氧反应器工艺的未来发展方向2002年6月到世界各国的普遍重视:4[。uAsB的优点之一是反应器内的水流方向与产气上升方向相一致,一方面减少了堵塞的机率,另一方面则加强了对污泥床的搅拌混合作用而利于微生物与进水基质间的混合接触及颗粒污泥的形成5[一。但uAsB反应器的应用,仍有需要改进的方面。如除前述存在的不足以外,尚需要在如何改进颗粒污泥的机械强度及沉降性能、如何通过工艺构造的合理设计创造不同种群微生物的适宜生长环境条件、如何合理控制反应器的流态以进一步提高和稳定处理效果等方面深人的研究6[。为此,玩ittnga教授提出了分阶段多相厌氧反应器技术(SMPA一Sta罗dMulti一hPaseAnaeorbi。ReaC-otr)的概念,应该说SMPA将是今后厌氧工艺技术研究和应用发展的主导方向。SMPA并非特指某个反应器,而是新型高效废水厌氧处理工艺研究和开发应用的新思路,是一种极具前途的新工艺。该工艺将适用于各种温度条件(从or℃一55℃)和不同进水基质类型(如含抑制性化合物的废水)的处理。SMPA的基本点为:(l)在各级分隔的空间中培养适宜的厌氧微生物种群,以适应相应的底物组分及环境因子(如pH、HZ分压等;)(2)防止在各个单独空间中独立发展形成的污泥相互混合;(3)各个单独空间所产生的气体相互隔开;(4)各个单独空间的流态趋于完全混合而工艺流程更接近于推流(即具有复合流态),使系统具有更高的处理效果,提高出水水质。目前,根据厌氧处理过程中参与有机物降解的不同微生物种群的生理特性及其组成的微生态系统对环境条件的要求,进行两相及多相工艺研究,以及根据反应器的混合要求进行复合流态工艺的研究,已成为开发和研制第三代新型厌氧处理工艺技术的关键技术。3两相或多级厌氧处理技术20世纪70年代初,Ghosh和oPhland根据厌氧微生物分解机理和微生物类群的理论研究,开发了适应两大类微生物种群生理生化及生态特性的两相厌氧处理工艺,而20世纪90年代中期,eLittnga则进一步提出了分阶段多相厌氧反应器技术(SMPA)的概念。两相厌氧处理工艺包括以下含义:在厌氧处理过程中水解与酸化过程不可能单独进行,因这两个过程是由同种群的微生物完成,而产乙酸和产甲烷l4过程因产乙酸过程需要嗜甲烷菌的活动才能保持较低的氢分压而不能分开进行。这意味着厌氧降解过程的相分离只有一种情况,即发酵产酸和产乙酸阶段的分离。由此产生了进行水解和发酵产酸的酸化相与产乙酸和产甲烷的产气相分别在不同反应器或反应器不同空间完成的两相工艺。通过相的分离,不仅可大大削弱传统工艺中因酸的积累而导致的反应器“酸化”问题,同时因各相可在各自适宜的条件下运行,因而处理系统中污泥的比酸化活性和比产甲烷性均高于单相工艺,从而运行的稳定性和处理效果均可得到有效地提高。多级工艺是从微生物的生态和反应器或反应器空间的混合要求出发,将厌氧处理过程控制在一个反应器的多个空间隔室或多个反应器中依此完成的工艺过程,它不仅利于创造和保证不同微生物所需要的生理生态条件,而且可利用提高处理过程中基质的推动力及泥水的混合接触,从而不仅提高处理过程的运行稳定性,同时可有效提高设备的处理能力和处理效果,增强处理过程对废水水质(如高的55和有害有毒物冲击等)和水量变化的适应性。传统的单相厌氧处理工艺将产酸菌和产甲烷菌这两类生长特性极为不同的菌群置于同一空间,因而难以发挥各自的最优效能。两相工艺则可较好地解决这个问题,该工艺自20世纪70年代问世以来,已在欧洲广泛应用于酿酒、制糖、淀粉加工、饮料生产和造纸等工业废水的处理。该工艺具有处理效率高、运行稳定及处理能力强等一系列优点。产酸菌和产甲烷菌分开培养可避免不同种群微生物间的相互干扰和代谢产物转化不均衡而造成的抑制作用,从而易获得不同微生物生长所需的最优环境条件,提高处理效果。产酸相对进水水质或负荷变化有较强的适应能力和缓冲作用,可大大削弱运行条件变化对产甲烷菌的影响,因而可提高系统的运行稳定性。由于产酸速率快,产酸阶段所需的容积小(HRT短),其对COD的去除率通常在10%-25%,因而不仅因进人产甲烷阶段的有机负荷减少而使处理所需的总容积减小,而且因相的分离使不同分隔空间或串联反应器内的传质推动力及混合状况得到有效改进(下面将进一步分析讨论)而提高了有机物的去除速率,导致所需反应器总容积减小。由于两相工艺具有上述特性,使其具有比单相工艺有更广的适用范围。(l)适用于处理富含碳水化合物而有机氨含量低的高浓度有机废水。如制糖、酿酒、淀粉加工及柠檬酸等工业废水。在单相厌氧反应器中,产酸菌和第巧卷第2期王健等.废水庆氧反应器工_艺的未来发展方向2002年6月产甲烷菌的数量大体相等,但两者的生长速率相差悬殊(通常产酸速率为产甲烷速率的14倍),单相工艺中往往易在高进水负荷下因过快的产酸速率使产甲烷菌完全处于低pH值环境,而使产甲烷菌受到抑制出现需要较长时间才能恢复的“酸败”问题,但在两相_L艺中,因产酸和产甲烷菌分别处于反应器或同一反应器的不同空间,因而一旦负荷升高,产酸阶段出水pH较低并含有高浓度的VFA,但由于产甲烷阶段主体溶液的pH较高而VFA相对较低,因而具有良好缓冲能力,必要时也可采取将产甲烷段出水回流至其进水等措施在短期内得到恢复,而不至于发生“酸败”现象。(2)适用于处理含高浓度SS废水。含高浓度55的有机工业废水难以直接用AF或UASB等第二代厌氧处理工艺处理,废水中较多的SS易引起AF的堵塞,而uAsB虽然允许进水中含有一定数量的55,但当污泥床中积累大量的原废水中的55时,将影响颗粒污泥的絮凝和沉淀性,降低污泥的产甲烷活性,降低混合液的pH,而使反应难以正常进行。采用两相或多级工艺处理这类废水时,废水中的55一方面经污泥床的截留作用并在产酸相的水解和酸化作用下,使其大大降低,从而可保证其后续产甲烷相的正常运行、(3)适用于含难降解有机物废水的处理。造纸、焦化工业废水及城市垃圾卫生填埋场渗滤液中含有难于被生物降解的芳香族物质,采用相分离工艺处理这些废水时,可通过水解产酸菌的作用使这些物质裂解为易降解的小分子有机物并从中获得能源和碳源,为后续产甲烷反应创造有利的条件。采用ABR处理城市污水与渗滤液的研究表明,将ABR控制在产酸阶段,处理后出水的BoDS/coD得到明显的改善7。(4)适用于处理有毒有害工业废水。工业废水含有如硫酸盐、苯甲酸、氰、酚、重金属、引噪、蔡等对产甲烷菌有毒害作用的物质,若直接进人单相反应器处理,则会因这些物质直接与产甲烷的接触而使其中毒,抑制其功能的发挥。在两相工艺中,废水首先与产酸菌接触,而有很多种类的产酸菌本身或通过其产生的产物具有通过多种途径改变毒物结构或将其分解并削弱或消除毒性的功能。如产酸反应的产物HZS可以与废水中的重金属离子形成不溶性的金属硫化物沉淀,解除重金属离子对产甲烷菌的毒害作用。4结语实践表明,良好的厌氧反应器应至少满足以下要求:(l)良好的污泥截留能力,以保证反应器内足够的生物量;(2)具有生物污泥与进水基质充分接触的条件,以充分发挥微生物对有机物的降解能力;(3)具有提供微生物适宜的生长环境条件的功能,以使不同种群的厌氧微生物在其最优环境条件下发挥功能、稳定运行。为此,必须根据有机物厌氧降解的途径、反应动力学及反应器的混合流态等分析提高处理效果和保持反应器运行稳定性的措施,并与反应器的工艺设计相结合,全面提高反应器的性能。[参考文献]王凯军.厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器「J].环境科学,1998,19(l):94一96.MUI」DERR,KRIJLERSC.IntegratingDenitrilieationfO门ndust厅〔J〕.Water,2侧洲),21(2):19一21GHOSH5.AnaerobicTernds「J」.Water仁,ualityIntenr,1997