厌氧生物处理新技术研究进展

厌氧生物处理新技术研究进展环境工程1111班2011222031高超摘要：厌氧生物处理是废水生物处理技术的重要途径。本文主要阐述了厌氧生物处理的原理,分析了厌氧处理的特点，探究了厌氧生物处理工艺的发展历程，以及目前厌氧生物处理技术的应用和改进，展望了厌氧生物处理工艺的发展趋势。关键词：厌氧生物处理技术应用发展改进1、前言随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，我国的能源、资源和环境问题日益突出。在大面积的地区缺水的同时，伴随着严重的水污染问题，使得多数江河湖海水质下降甚至失去了使用功能，这进一步加剧了水资源的短缺。因此水污染问题已经成为影响我国经济持续快速发展的首要障碍，是我们迫切需要解决的问题。在水处理工艺中，采用传统的好氧生物处理方法要消耗大量能源，并产生大量需要二次处理的污泥，所以世界各国都在不断探索和研究高效低能耗的新型废水处理技术。厌氧生物处理技术由于具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质的特点等，近年来已成为国内外环境科学与工程领域研究的热点。厌氧生物处理技术可以作为环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的核心技术来发展，具有良好的环境效益与经济效益。2、厌氧生物处理技术的原理厌氧生物处理又称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物共同作用，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。2.1两阶段理论20世纪的30~60年代，人们普遍认为厌氧消化过程可以简单地分为两个阶段，即“两阶段理论”：第一阶段被称为发酵阶段或产酸阶段或酸性发酵阶段，废水中的有机物在发酵细菌的作用下，发生水解和酸化反应，被降解为以脂肪酸、醇类、CO2和H2等为主的产物。参与反应的微生物则被统称为发酵细菌或产酸细菌。第二阶段则被称为产甲烷阶段或碱性发酵阶段，所发生的反应是产甲烷菌利用前一阶段的产物脂肪酸、醇类、CO2和H2等为基质，并最终将其转为CH4和CO2。参与反应的微生物被统称为产甲烷菌。2.2三阶段理论和四菌群学说20世纪70年代，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”。三阶段理论认为，整个厌氧消化过程可以分为三个阶段，即：（1）水解、发酵阶段；（2）产氢产乙酸阶段；（3）产甲烷阶段。有机物首先通过发酸细菌的作用生成乙醇、丙酸、丁酸和乳酸等，接着通过产氢产乙酸菌的降解作用而被转化为乙酸和H2、CO2。然后再被产甲烷菌利用，最终被转化为CH4和CO2；产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间存在着互营共生的关系。该理论将厌氧发酵微生物分为发酵细菌群、产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群三个主要的细菌群。几乎与三阶段理论提出的同时，Zeikus提出了“四菌群学说”。与三阶段理论相比，该理论增加了同型(耗氢)产乙酸菌群,该菌群的代谢特点是能将CO2和H2合成为乙酸。但是研究结果表明，这一部分乙酸的量较少，一般可忽略不计。到目前为止，三阶段理论和四菌群学说被认为是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。3、厌氧处理工艺的发展在厌氧生物处理工艺发展过程中,反应器是发展最快的领域之一,按时间顺序它经历了3个时代。第1代反应器:以厌氧消化池为代表,属于低负荷系统。由于无法对水力停留时间和污泥停留时间分离,造成处理废水的停留时间至少需要20～30d,因此处理效率极低。第2代反应器:20世纪50年代诞生了厌氧接触工艺,20世纪60年代出现厌氧滤池(AF),以及1974年荷兰Lettinga等人开发出了UASB反应器,标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。以这些反应器为代表的第2代厌氧反应器的共同特点,就是实现了污泥停留时间与水力停留时间相分离,从而提高了反应器内污泥的浓度保持足够长的污泥龄,属于高负荷系统。第3代反应器:20世纪90年代初以内循环式反应器(IC),厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)和上流式厌氧过滤床(UBF)为典型代表的第3代厌氧反应器相继出现。实现了在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下,使固液两相充分接触,从而既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触,以达到真正高效的目的。4、厌氧处理新工艺4.1ABR——厌氧折流板反应器（AnaerobicBaffledReactor）ABR工艺是P.L.McCarty教授于1981年提出的一种新型高效厌氧反应器。ABR反应器中使用一系列垂直安装的折流板使被处理的废水在反应器内沿折流板作上下流动，借助于处理过程中反应器内产生的沼气与器内的微生物固体在折流板所形成的各个隔室内作上下膨胀和沉淀运动，而整个反应器内的水流则以较慢的速度作水平流动。由于污水在折流板的作用下，水流绕折流板流动而使水流在反应器内的流径的总长度增加，再加之折流板的阻挡及污泥的沉降作用，生物固体被有效地截留在反应器内。图1ABR工艺图4.1.1ABR的工艺特征1.良好的水力条件反应器内的水力条件是影响处理效果的重要因素之一。通过使用示踪剂对反应器内水流停留时间分布作研究，可分析其死区容积分数和混合状态。研究表明，ABR的容积利用率要高于其他型式的反应器。随处理水量的增加，产气量提高，促了返混作用，但同时由于折流板的阻挡作用，阻止了各隔室间的混合作用，因而就整个反应器而言，具有推流式的流态，且分隔室越多，越趋于推流态。因此，可把运行中的ABR看作一个由一系列混合良好CSTR的串联反应器，因而具有较强的处理能力。2.稳定的生物固体截留能力ABR具有对生物固体的良好而稳定的截留能力。ABR反应器中80%的生物固体集中在上向流室内形成高浓度的污泥层，其浓度可高达50-80g/l。污泥具有良好的沉降性能，不受进水量的变化而影响产气。但UASB则可能在高的水力负荷条件下发生污泥流失问题。ABR的生物固体截留能力是由上述良好的水力流态造成的。3.良好的颗粒污泥形成及微生物种群的分布ABR中，上向流室中的水流类似于UASB。虽然颗粒污泥的形成并不是ABR工艺的关键，但它可确实形成颗粒污泥。形成颗粒污泥的甲烷菌在ABR中具有良好的分布，而在不同隔室中以优势种群存在。如在前端隔室中主要以八叠球菌属为主；在中间隔室中以甲烷丝菌属为主；在后端隔室中则存在异氧甲烷菌和脱硫弧菌等。这种分布使ABR具有稳定而高效的处理效果。4.良好而稳定的处理效果ABR反应器处理工艺能很有效地处理不同中高浓度有机废水，例如处理生活污水、制药废水、印染废水、造纸印染、制糖废水等等。4.1.2ABR工艺的研究新方向Lettinga教授在展望未来厌氧反应器发展方向时提出了分阶段多相厌氧反应器技术(简称SMPA)的概念。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。SMPA的基本点为:1)在各级分隔空间中,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；2)在各个单独空间中,防止独立发展形成的污泥相互混合；3)将各个单独空间所产生的气体相互分隔开；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,增加废水中基质与污泥的接触时间,从而使系统具有更高的处理效果,提高出水水质。4.2UASB——升流式厌氧污泥床反应器（UpflowAnaerobicSludgeBlanket）4.2.1UASB反应器的构造及工作原理废水从反应器的经布水系统均匀进入，并向上流经反应区（污泥区）进入气、固、液分离区，最后进入UASB上部的沉淀区。混合液中污泥通过重力作用自沉淀区经三相分离区返回反应区，所产生的沼气则有集气管经管道排出反应器。在UASB内部无任何机械搅拌装置，在通过水流的上升及处理过程中所产生的沼气的上升搅动作用实现泥水的混合，一般不需要装填填料。图2UASB工艺构造图UASB的反应器中的厌氧反应过程与其他厌氧生物处理工艺一样，包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷等。厌氧反应过程中，通过多种不同的微生物参与底物的转化过程而将底物转化为最终产物——沼气、水等无机物。4.2.2UASB的运行特征1、反应器中具有浓度极高、且以颗粒状存在的高活性污泥。颗粒污泥的特性直接影响UASB反应器的运行性能，亦即培养性能良好的颗粒污泥是UASB反应器稳定、高效运行的关键。2、反应器内具有集泥、水和气分离与一体的三项分离器。这种三相分离器可以自动地将泥、水、气加以分离并起到澄清出水、保证集气室正常水面的功能。3、反应器中无需安装任何搅拌装置，反应器的搅拌是通过产气及水流的上升作用而实现的，因而具有操作管理比较简单的特性。4.2.4UASB的应用UASB反应器处理工艺是目前研究较多、应用广泛的新型污水厌氧生物处理工艺，它具有其他厌氧处理工艺（厌氧流化床、厌氧滤池）难以比拟的优点，不仅可以实现污泥的颗粒化，使生物固体的停留时间可长达100d，而且使气、固、液的分离一体化。该工艺具有很高的处理能力和处理效率，尤其适用于各种高浓度有机废水的处理，例如农产品加工废水、饮料加工废水、食品加工废水、煤油加工废水、制糖废水、制酒废水、屠宰废水、造纸废水、生活污水等。4.3EGSB——膨胀颗粒污泥床（ExpandedGranularSludgeBed）4.3.1EGSB反应器的工作原理EGSB反应器是固体流态化技术在有机废水生物处理领域的具体应用。EGSB反应器中装有一定量的颗粒污泥载体,当有机废水及其所产生的沼气自下而上地流过颗粒污泥床层时,载体与液体间会出现不同的相对运动,导致床层呈现不同的工作状态。在废水液体表面上升流速较低时,反应器中的颗粒污泥保持相对静止,废水从颗粒间隙内穿过,床层的空隙率保持稳定,但其压降随着液体表面上升流速的提高而增大。当流速达到一定数值时,压降与单位床层的载体重量相等,继续增加流速,床层空隙便开始增加,床层也相应膨胀,但载体间依然保持相互接触；当液体表面上升流速超过临界流化速度后,污泥颗粒即呈悬浮状态,颗粒床被流态化,继续增加进水流速,床层的空隙率也随之增加,但床层的压降相对稳定；当再进一步提高进水流速到最大流化速度时,载体颗粒将产生大量的流失。4.3.2EGSB反应器的工艺特点EGSB厌氧工艺是在UASB厌氧工艺的基础上发展起来的新工艺，污泥浓度高,具有高负荷、高去除率(COD去除率85%)的特点；抗冲击负荷能力强,适应水质水量的大幅度变化；占地面积小,容积产气率高；可设置完全自控操作方便。4.3.3EGSB反应器的应用目前，EGSB反应器工艺的应用已有欧洲逐步向全世界推广应用，有著名的荷兰喜力啤酒公司和丹麦嘉士伯啤酒公司和我国的深圳金威啤酒公司等，并已在啤酒废水、食品废水、制糖废水、制药废水和化工废水的处理中得到应用。4.4IC——内循环厌氧反应器（InternalCirculation）4.4.1IC反应器的构造IC反应器由两个UASB反应器上下叠加串联构成,高度可达16～25m,高径比一般为4～8,由5个基本部分组成:混合区、颗粒污泥膨胀床区、精处理区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC工艺的核心结构,由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管等组成。图3IC反应器工艺图4.4.2IC反应器的工作原理经过调节pH和温度的生产废水首先进入反应器底部的混合区,并与来自泥水下降管的内循环泥水混合液充分混合后进入颗粒污泥膨胀床进行COD的生化降解,此处的COD容积负荷很高,大部分进水COD在此处被降解,产生大量沼气。沼气由一级三相分离器收集。由于沼气气泡形成过程中对液体所作的膨胀功产生了气体提升作用,使得沼气、污泥和水的混合物沿沼气提升管上升至反应器顶部的气液分离器,沼气在该处与泥水分离并被导出处理系统。泥水混合物则沿泥水下降管进入反应器底部的混合区,并与进水充分混合后进入污泥膨胀床区，形成所谓内循环。根据不同的进水COD负荷和反应器的不同构造,内循环流量可达进水流量的0.5～5倍。经膨胀床处理后的废水除一部分参与内循环外,其余污水通过一级三相分离器后,进入精处理区的颗粒污泥床区进行剩余COD降解与产沼气过程,提高和保证了出水水质。由于大部分COD已被降解,所以精处理区的COD负荷较低,产气量也较小。该处产生的沼气由二级三相分离器收集,通过集气