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国外厌霞消化技术的进展吴永宝王福琴_}二海环境保护科学研究所近比年未,随着对环境公害的管制日赴严格以及对废物重新资源化及能源化的呼声不断提高,厌氧消化(发酵)技术由于能同时达到无害化和资源化而日益受到人们的重视术文将对其有关方面的进展作一概述。是:(1少起动慢,第一次起动一般需8~此周;(2)厌氧菌(特别是甲烷菌)对大部分化合物都较敏感;(3、甲烷菌生长缓慢,所需滞留时长;(4少一般需要好氧再处理。另外,因实践经验相对较少,厌氧消化器及附属设痴匆勺投资一也较大。厌氧消化的特点仔衫L废物的庆氧消化是一个复杂的生物过程,是多种不同作用的微生物群体综合反应的结果。其中包括:分解菌属对不溶性有机物的水解作用,供纤维素、淀粉、脂肪和蛋白质水解成单糖、甘油、长链脂肪酸、多从和氨基酸等水溶性物质;酸化菌属的酸化作用,供上述化合物进一步分解成短链脂肪酸、成、酮、阵、氢等简单物质;甲烷菌属将特足的中间化合物如甲酸、乙酸、甲醇和氢转化为甲烷和二氧化碳。实践证明,与好氧消化相比,厌氧消化一般具有如下优缺点①必。其优点是:(I)由于细胞生成量少,产生的污泥量少;(2)可以承受高负荷:(3)剩余污泥脱水性好;(4)对营养物的需要量少,一些有价值的化合物如氨可被保留下来,排出液可供灌溉或施肥用;(5)从复杂的有机物转化成甲烷的过程中供细菌生长利用的能量仅占5、20肠,而好氧消化需50肠;(6)珊11化后的厌氧污泥能保存一年或更长时间,不用投料也不变质:(7)不需要曝气,可节约能源,而且还可通过产生的沼气回收能纽,与常规的好氧消化相比,纯能节省量为:44。,口3160兆焦耳/1000公斤COD。而缺点二二、厌氧消化反应器的发展由干天氧菌繁殖速度缓慢,常规的厌氧消化器体积庞大、稳定性差、水力滞留时间(HRT)长、生物量会被废水“洗脱”而效牛低。因此,所有现代高速厌氧消化器的设计均着眼于提高消化器的厌氧菌密度,即通过形成易沉淀的污泥团粒或使细菌附着在高密度特殊载休材料或固定的文承结构上,或者在填充材料之间夹带污泥团粒,有的再辅以初期气体分离及内部污泥沉降,从而提高消化器内生物密度并使生物过程大大加速。这其中最具代表性的是七十年代迅速发展超来的.七流式厌氧污泥床反应器(UASB)及厌氧滤器(AF)。(1)上流式厌氧污泥床反应器这是人们根据厌氧污泥易沉降的特性发展起来的一种新型消化器(图1)。反应器中废水自下而上呈活塞式流动,水流_h升速度小于污泥沉降速度,在反应器底部保留一层密微的粒状污泥或絮凝物。处于床部的污泥浓度较高,有时悬浮物可达80公斤/立方米。消化器上部装有三相分离器,它使气休从生物量一液体棍悬物中分离,收集后从稍化器中排出。污泥在分离段中沉降并落回到污泥床,浓体则经过一个或几个堰口流出。UASB设计简单,反应器内不搅拌,不需要昂贵和耗能的循环泵以及生物量支承介质,因此应用最为广泛。迄今已有50多个UASB安装在9个不同的国家中。UASB已成功地用于处理甜菜糖、屠宰场、罐头厂、牛奶场、啤酒厂、土豆淀粉厂、酒精厂等废水。目前规模最大的一个为荷兰的处理土豆淀粉废水的UASB,体积为5500立方米②,COD负荷为16公斤/立方米·天·(30℃)。uAsB的空间负荷一般为10~25公斤COD/立方米·夭。据研究,UASB的负荷潜力可达到60公斤COD/立方米·)厌乳滤池仄氧滤池为填满l~l选一时石块的上流式消化器,石块作为生物量附着的固定表面,与好氧滴滤池相似。最近的研究一表明,生物量的主要部分并不是附着在石块填料上,图;带内部分离器而是疏松地存在于空隙的UASB示意图〔在絮凝体)中。将石块从滤器中取出或处于高水力负荷下时,生物量可毫无困谁地被洗去f、邃种消化器如使州高孔隙度(0.8、0.。)滇料,处理高浓度庄水时负荷已达到10~2。公斤COD/立方米’天⑦侄。国外已用来处理小麦淀粉废水等。上述急丫脚仁一卜系统消化器均要求保持一定量絮凝物浓度。保持r苟生韧量密度需要絮凝物有较高的沉降速度,转而就要求絮凝物大而重。据研究训娜,消化器内扰动少、营养分与微生物比例低、污泥中央杂有无机物、存在某些阳离子(C犷“、B+a“等)、减少气体捕获及丝状沉徒(污泥膨胀)、添:)j11絮凝剂、使用_仁流式生物消化器均有利于些成大而重的絮凝物(2.附着生长系统附着生长系统中的微生物依附在消化群中某些物体上生长。这样一可以提供较长的固体(微生物)滞留时间及充分适应的生物量,以防止水力滞留时间短时生物量被“洗脱”。恨据这种原理设计的消化器主要有庆氧膨胀床消化器(AAFEB)及流化床消化器(FBR)以及静态固定膜消化器(AFF).(王)膨胀床消化游这种消化器内填充细粒物质(约。.5毫米),生物量依附在这种能活动的载体颗粒上生长,形成一层微生物膜。颗粒一,叮以是PVC珠、离子交换树脂及多孔氧化铝等。}发水目下而上流动,流动速度控制到使颗粒床比原体积膨胀约20~50帕。最近已用这种泊化器处理高浓度废水(如牛奶场乳清等)。在空间负荷为10~20公斤COD/立方米·大时,COD去除率可达到85肠,在COD负荷高达60公斤/立方米·天时仍可稳定操作、(2)流化床消化器流化床消化器与膨胀床消化器结构相同,只是颗粒膨胀体积可达到原体积的30“100帕。这种消化器中单位容积内可得到的表面积比填充床或生物转盘都i奇,生物量挥发性絮凝物3。~40公斤密度可达到/立方米。对中,高浓度废水可承受较高的空间负荷(20~30公斤COD/立方米·天)。据报导,国外迄今有三个工业规模流化床消化器在运转,连同荷兰最近新安装的一个300立一友米消化器,共有4个。(3)静态固定膜消化播此炎消化器包括上流式及下流式两种.消化器内有固定的支撑物供细菌附着生长法用。消化器中保留的生物量取决于表面积与吝积之比。支撑材料有针状打孔的聚合物、咯烘一陶土、枯土管、PVC及玻璃加工成的营于或槽。这种消化错已用米处理杀日废水、牛奶废水、猪拦废水等。道今巳知有二-i、工业规模下流式周定膜消化器在运转,-个处理酒厂废t水(美国),一个处理牛奶场废7民(加拿大)一。另有共飞、.匕流式固定膜消化器在运转,其中二个处理化工废水。以.匕两种厌氧消化系统均可处理浓度很低到浓度很高或更高的废水。一般说来,悬浮生长系统适合于处理含固量较高的废液,负荷鑫和沼气产生率也较高一些,但启动时间较长:附着膜生长系统较能适应温度和厉水成分的改变,能在很短的滞留时间内工作。近几年来,为了发挥各种消化器的独特优点,有将各种消化器组合起来使用的趋势,如AF一UASB、FBR一UASB或AFFEB一UASB系统。最近荷兰一个酵母厂中安装的厌氧流化床消化器即为UASB一FBR组合系统,取名为“浮动沉淀颗粒污泥床反应器”。这类反应器按流化床操作,并配备有一个气一固一液分离系统。这种反应器与厌氧流化床流化器的主要差别是不采用将活性生物量附着在高密度载体上的方法,代之以活性生物量在粒状团粒中间生一沃,这种团粒完全〔或几乎完全)由有生命力的生物量组成。由于在这些颗粒中没有高密度的载休核,粒状污泥的沉降率显然要比流化床的砂粒低得名,但仍能保持在2~90米/小时的范围内,沉降率大小取决于颗粒大小、形状、细菌密度,尤其是所用的负荷率。应该强调的是,常规的UASB原则上都可改成“浮动沉淀颗粒污泥床反应器”。J天氧消化工艺的改进1.两相消化⑧L@传统的厌氧消化工艺将复杂的生物过程合并在一个消化器内进行,而产酸及产甲烷两大菌群的代谢特性、营养需要和环境条件等方面有很大不同。产酸菌属异养型兼性细菌群,对环境的适应性强,世代短,一般数分钟到数小时即可繁殖一代;而甲烷菌属于专性厌氧菌群,对环境变化十分敏感,世代长,一般4~6天才能繁殖一代。因此这两类细菌群共处于一个消化器中时,除了相互依存、协同工作的一面外,还存在相互制约的一面,如由于产酸繁殖快,挥发性脂肪酸生成快但消耗慢,使整个系统pH值下降而阻碍甲烷气的产生过程。两相法消化是使产酸菌及产甲烷菌分别在二个消化器中进行,使两类细菌在其各自的最佳条件下生长繁殖。因此不仅能够高效率地完成各自在消化器中的使命,而且能于受高负荷和冲击负荷。两相法中酸化阶段滞留期一般为令~i一天,产甲烷阶段为2~7天。与传统的单相消化相比,两相法的生物量活性高二消化器稳定性及工作效率均较高,从而可减少消化器总体积和降低基建费用。如以日处理100干吨污泥为例,总的消化器体积只有常规法的60肠。在用两相法处理软饮料废水时,单位体积的甲烷产量比常规法高7倍,消化气中甲烷含量从61.1肠提高到63,1帕,消化器体积相应缩小,增加了净能产量。总之,两相法使整个系统能在高浓度、高负荷和短水力滞留期条件下工作图2为两相法厌氧消化工艺流程示意图。2.两级浦化L必由于生化反应速度往往随温度上升而加快,因此高温厌氧消化可提高消化效率。高温消化与中温消化相似,只是两者操作温度分别为48~54℃及32~对℃。在芝加哥的大都市卫生区、加拿大的安大略环境部以及苏联莫斯科的科亚诺污水厂的工业规模试验表明,如把中温消化改为高温消化,消化器单位体积处理污泥的能力约可增加一倍。高温消化除提高效率外,还可改善污泥的脱水性及提高杀菌率,如美国洛杉矶的Hyperion污水厂,从中温消化改为高温消化后,其空过滤机的产量增加了270肠,而育昆凝剂的用量反而减少了48呱。这种改进对减少污泥体积,提高以后处置的经济性具有重要意义高温消化效率较高,但加热能耗大,上清液质量也较差,因此某些污水厂就在原先中温消化的基础上增加一个高`温消化器组成中温一高温两级消化工艺。如纽约的Rocka效热伍气厂///\\\产产甲沈雄雄个个个CH.+CO:熟全两相法厌成消化工艺流程图way污水厂的工业规模两级消化试验的结果表明,挥发性物质的分解率可从原来的55呱提高到71肠,总「:勺产弋率也增加了10~20肠,最终处置的污泥量大为减少,如再能将两级消化后污泥的一半送回曝气池,其余的一半经洗提后再排放,污泥的最终处置最可减少67肠。3.两步消化污泥好氧消化时有川物生物降解所释放出米的热悦可使污泥温度显著汗高。据研究污泥好城消化时,海叙化卜公斤浑发性絮凝钧可产次21兆熟耳的热认、在污泥含固量为4肠及使用枉有效的曝气设备盯一可使污泥温度上升到5。~55℃,于一是近年来发展了一神好氧消化与厌氧消化相结合的两步消化新工艺。该法第一步用纯氧曝气,借生化反应使温度上升到50~55℃,此时污泥中有机物仅有一小部分(5一10%)被氧化而达到部分稳定化。田于第一个消才匕器的调节作用,使污泥在第二步厌氧消化时,达到完全稳定化所需的时间较悦,一般仗需8天,总的挥发性絮凝物去除率一可达50肠以上。美国马里兰州灼哈格斯镇首先建造了两步法消化处理厂’,对原有的厌氧消化器进行改造。在为期4个月的示范运行阶段,好氧消化所达到的平均温度为5。。C。尽前又在纽约州的兰克沃内和北卡罗来纳州的亨德森建造这样的厂,这些厂都是在原有的厌氧消化器的基础上改建的。两步消化的主要优点是完全而有效地取得灭菌效果,而能耗低。两步法消化系统产生的甲烷量虽只有常规厌氧消化的70~90肠,但不需用于自身加热,而完全可供外界使用。四、厌氧消化应用实例1.废水厌氧消化根据不同要求,在废水处理中主要用于以下四个方面:(1)预处理即为了减少排放到城市下水道的费用,利用厌氧处理尽可能地在经济上可行的情况·下去除BOD及COD;(2)完全处理经过厌氧处理的出水直接利卜放至水体,处理后的出水应符合排放标准或水质标准:`汀)部分处理可以用在二级生化处理之前:(4)生产能量}刃以生产甲烷作为厌氧处理的主要目的。表的数据使用中温接触消化器处理某些食品及饮料废水的结果.见表1。2.污泥近几年,国外随着污水处理规模的犷大及二级处理的普及,产生的污泥是以及污泥增长率都十分惊人。如城市污水初级处理中每百万立方米污水产生污泥2,500~3,。00立方米,当提高到二级处理时就增加到15,。的.~幼,000立方米。使用得最广泛的领域,所产表1某些食品及饮料废水厌叙处理的效果总出水注质处理效率D)一一卜一Q肠一96一94一叨C(一一