污水處理高效厭氧反應(yīng)器開發(fā)應(yīng)用與展望

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污水厭氧處理技術(shù)與其它污水處理技術(shù)相比無疑是生態(tài)的和綠色的技術(shù)，同時(shí)更具有成本-效果優(yōu)勢(shì)。上世紀(jì)70年代以來，厭氧反應(yīng)器在研究和應(yīng)用方面取得了長足進(jìn)步。特別是水力停留時(shí)間（HRT）與生物固體停留時(shí)間（SRT）的分離而導(dǎo)致高效反應(yīng)器的研制和推廣，使污水厭氧處理技術(shù)成為污水生物處理兩大技術(shù)之一。從已開發(fā)的反應(yīng)器系統(tǒng)來看，升流式厭氧污泥床（UASB）、膨脹顆粒污泥床（EGSB）、內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器、厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）及其衍生的其它系統(tǒng)應(yīng)用最廣。這些反應(yīng)器內(nèi)部能自然生成具有出色降解有機(jī)物能力的和優(yōu)越沉降性能的厭氧顆粒污泥。本文回顧了厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，并進(jìn)一步探討厭氧反應(yīng)器的發(fā)展前景。

　　1.現(xiàn)狀

　　1.1厭氧生物污泥反應(yīng)器

　　提高厭氧反應(yīng)器負(fù)荷潛力在于：①污水性質(zhì)，②系統(tǒng)可保持的單位容積厭氧污泥量，③厭氧污泥與污水的混合程度。

　　在過去的十年里，若干研究者潛心于修正UASB系統(tǒng)特征參數(shù)已提高UASB負(fù)荷和UASB對(duì)各類污水（工業(yè)廢水）的應(yīng)用能力。對(duì)于各類污水，由于系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)阻力和濃度梯度問題，傳統(tǒng)的UASB的應(yīng)用參數(shù)表現(xiàn)出嚴(yán)格的限制。例如對(duì)于低濃度和低溫污水，沼氣產(chǎn)率下降。同時(shí)混合程度從流體動(dòng)力學(xué)角度證明了質(zhì)量傳遞在微生物降解有機(jī)物中的重要作用[1].進(jìn)一步地，濃度梯度的出現(xiàn)限制了富含蛋白質(zhì)和長鏈脂肪酸的污水處理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛[2][3].對(duì)于有毒化合物只能在污水被有效稀釋下、反應(yīng)器內(nèi)部混合狀況好的情況下采用高負(fù)荷厭氧反應(yīng)器處理。

　　厭氧流化床（AFB）反應(yīng)器在原理上克服了污染物傳質(zhì)速率限制，但由于生物膜流失和惰性支撐材料破碎問題，流化床系統(tǒng)難于有效管理。并且為了混合液完全流化，厭氧流化床的能量要求較高[4].

　　為充分利用顆粒污泥優(yōu)越的沉降性能，膨脹顆粒污泥床（EGSB）被開發(fā)，一般以8m/h升流速度運(yùn)行，但增加了高度-直徑比和額外循環(huán)能量。與傳統(tǒng)UASB比較，膨脹顆粒污泥床系統(tǒng)沒有內(nèi)部沉淀裝置，但在床外裝備了一種先進(jìn)的固液分離裝置。這種裝置由篩網(wǎng)組成或經(jīng)過修改過的夾層分離器[5][6].

　　內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器是一種基于氣提概念的膨脹床系統(tǒng)，這種反應(yīng)器的特點(diǎn)是內(nèi)部裝有兩部氣-固分離器。膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的主要特點(diǎn)是：①高有機(jī)負(fù)荷率，達(dá)20-40kg/立方米.d；②較小的橫截面積；③較大的反應(yīng)器高度，大12-20m；④較高的上升流速，大8-30m/h.因此，膨脹顆粒污泥床和內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器適用于：①污水水溫低于20℃；②稀釋污水，COD＜1000mg/L；③有毒性可生物降解的化工污水；④在UASB里產(chǎn)生嚴(yán)重泡沫問題的污水；⑤出水含有脂肪和長鏈脂肪酸（LCFA）。一般具有上述特征污水在采用UASB反應(yīng)器時(shí)易發(fā)生運(yùn)行問題。

　　厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）是分階段多相厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，被認(rèn)為具有第三代厭氧反應(yīng)器的特征。它適應(yīng)了厭氧處理過程中不同種群微生物對(duì)基質(zhì)利用的不同生理和生態(tài)原理，具有比傳統(tǒng)的兩級(jí)（或兩相）厭氧處理工藝更靈活、易管理的特點(diǎn)，反應(yīng)器易高效、穩(wěn)定地運(yùn)行[7]，但目前仍處于試驗(yàn)研究階段，實(shí)際應(yīng)用較少，其反應(yīng)器構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計(jì)和參數(shù)有待于進(jìn)一步深入研究。

　　1.2.厭氧膜生物反應(yīng)器

　　有效的固液分離是高效厭氧生物反應(yīng)器賴以存在的基礎(chǔ)。采用膜生物處理工藝可顯著改善固液分離效果。對(duì)于低負(fù)荷的活性生物固體，厭氧膜生物反應(yīng)器（AMBR）系統(tǒng)能在極限SRT下運(yùn)行，以獲得出水污染物濃度非常低的結(jié)果。同時(shí)考慮到厭氧微生物的低增值速率，這種反應(yīng)器的概念就特別適用于處理拮抗化合物，如生物難降解的有機(jī)污水。它的應(yīng)用前景在于，對(duì)于某些污水采用UASB系統(tǒng)出現(xiàn)顆粒污泥成粒非常困難時(shí)或SS非常高的有機(jī)污水，采用膜生物反應(yīng)器具有非常好的前景。在日本和南非已出現(xiàn)生產(chǎn)性運(yùn)行實(shí)例。結(jié)果顯示，采用膜系統(tǒng)易具有良好的水力狀態(tài)，膜的耐久性、抗堵性較好，膜自身易于優(yōu)化。如果在反應(yīng)器里采用沼氣循環(huán)以加強(qiáng)傳質(zhì)效果和提高膜表面活性的技術(shù)方案，可以使系統(tǒng)運(yùn)行能量很低。但膜反應(yīng)器的缺點(diǎn)是膜表面經(jīng)較長時(shí)間運(yùn)行后易產(chǎn)生碳酸鈣沉積[9][10].

　　2.影響因素

　　在最近10年中大量的研究探索了極限條件下厭氧處理的能力，如高溫和低溫、低PH和高PH、含鹽環(huán)境和有毒化合物的存在。

　　2.1溫度

　　厭氧反應(yīng)器適于中溫（30-40℃）或高溫（50-60℃）運(yùn)行。然而，最近的研究證實(shí)了厭氧處理溫度能夠上升到80℃[11].雖然在高溫下能產(chǎn)生甲烷，但溫度過高易產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，因此厭氧高溫處理一般采用50-60℃。對(duì)于高溫厭氧處理來說，50-60℃是適宜的。在同樣氨氮濃度下，高溫厭氧處理有時(shí)比中溫厭氧處理效果差，這是由于在高溫狀態(tài)下分子態(tài)的氨氮（NH3）的分?jǐn)?shù)比中溫時(shí)高，因此毒性問題更加突出。一般來說，當(dāng)采用完全混合反應(yīng)器處理糞便或固體廢物時(shí)，系統(tǒng)水溫高于60℃將導(dǎo)致脂肪酸的顯著增加。就厭氧微生物而言，高溫一般能提高微生物的水解活性，但某些微生物種群的活性卻隨溫度的上升（＞60℃）而下降。例如降解丙酸鹽和乙酸鹽的微生物種群在水溫＞60℃時(shí)顯著減少。因此，水溫強(qiáng)烈地影響微生物的水解活性和微生物的種群變化。高溫厭氧處理的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)器容積較小、SRT較短、出水病原菌少。

　　2.2酸堿條件

　　厭氧處理一般在中性PH條件（PH=6.5-8）下應(yīng)用。在低PH條件下觀察到的毒性與不溶性揮發(fā)性脂肪酸（VFA）有關(guān)。最近的研究證明在PH=4.5-5的低PH下厭氧過程可以較好的進(jìn)行[12].當(dāng)處理大量污水時(shí)，生產(chǎn)性應(yīng)用如采取PH調(diào)整是一件既費(fèi)錢又管理不方便的事。已報(bào)道有某食品加工污水在PH=9-9.5時(shí)UASB的顆粒污泥形成及運(yùn)行穩(wěn)定性良好，COD去除率高[13].

　　2.3毒性、難降解有機(jī)化合物

　　用厭氧方法處理毒性或難降解的化工污水是厭氧處理比好氧具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)特點(diǎn)。厭氧處理對(duì)于象有機(jī)鹵化物的消除具有很大的潛力。近10年來已分離出數(shù)種專性降解有機(jī)鹵化物的微生物，并且發(fā)現(xiàn)這種專性微生物的數(shù)量在不斷的增加。已有數(shù)種在過去被認(rèn)為不適于生物處理的生物難降解化工污水成功地采用厭氧反應(yīng)器進(jìn)行了有效處理。最新研究顯示各種拮抗化合物如氯化脂肪族、氯化芳香族、硝化芳香族可以在厭氧條件下或厭氧-好氧組合系統(tǒng)被降解[14].對(duì)于偶氮染料可以在厭氧-好氧反應(yīng)器系統(tǒng)里被幾乎完全去除[15].對(duì)于高濃度有毒性生物可降解污水，通過進(jìn)入反應(yīng)器前的稀釋可獲得滿意的處理效果。

　　3.去除氮磷硫的特點(diǎn)

　　3.1氮磷的去除

　　對(duì)于市政污水的處理，含有厭氧過程的ANANOX工藝具有很好的脫氮效果，同時(shí)將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫[16].同樣含有厭氧過程的ANAMMOX工藝使用特殊的微生物能直接將氨氮轉(zhuǎn)化為N2脫除[17].該工藝具有非常良好的前景，因?yàn)樗梢怨?jié)約大量的能量。

　　磷的生物去除采用組合工藝，微生物在交替的厭氧-好氧使聚磷酸鹽菌群增長。在DEPHANOX工藝?yán)?，為同時(shí)脫氮除磷而采用了特殊的裝置。這種反應(yīng)器將氨氮從污泥里富集于的污泥上清液而進(jìn)入生物膜硝化反應(yīng)器，而污泥直接進(jìn)入脫氮除磷反應(yīng)器。

　　3.2硫的控制

　　在厭氧處理的研究里，控制硫酸鹽濃度一直引起重視。因?yàn)樵S多污水里含有硫酸鹽，特別是某些工業(yè)污水含有高濃度的硫酸鹽。硫酸鹽經(jīng)厭氧過程后轉(zhuǎn)化為硫化氫。由于硫化氫的產(chǎn)生引發(fā)許多問題，例如毒性、腐蝕、增加出水COD、降低沼氣的質(zhì)和量。過去的研究是如何控制硫酸鹽的轉(zhuǎn)化[18].進(jìn)一步的研究表明，結(jié)合生物、物理化學(xué)技術(shù)的富硫酸鹽污水的處理可以使污水中的硫酸鹽轉(zhuǎn)化成不溶的元素硫而從污水中完全去除硫[19].

　　4.厭氧理論和技術(shù)的發(fā)展前景

　　4.1優(yōu)化反應(yīng)器系統(tǒng)

　　許多研究和設(shè)計(jì)致力于改善顆粒污泥床反應(yīng)器，目標(biāo)是減小傳質(zhì)阻力和提高有機(jī)負(fù)荷率。進(jìn)一步的期望在于如采用分級(jí)污泥床系統(tǒng)處理特殊污水，如化工污水。對(duì)于毒性、難降解有機(jī)化合物的處理，有意義的期望在于厭氧反應(yīng)器。應(yīng)將現(xiàn)有的相關(guān)成熟技術(shù)最大程度地集成和整合，突破整合過程中的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的多級(jí)多相厭氧處理工藝。

　　出于對(duì)生活污水的重視，必須集中注意力解決反應(yīng)器懸浮物的流失和低溫條件下的低水解率。隨著反應(yīng)器對(duì)污水、固體廢物、污泥中所含復(fù)雜有機(jī)物處理極限的逼近，提高厭氧微生物對(duì)復(fù)雜有機(jī)物水解性能是一項(xiàng)重要的任務(wù)。

　　傳統(tǒng)的污泥和固體厭氧消化經(jīng)常需要長停留時(shí)間以完成反應(yīng)過程。縮短反應(yīng)時(shí)間將是厭氧技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。

　　4.2利用厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)

　　厭氧技術(shù)能夠有效地降解數(shù)種有機(jī)微污染物質(zhì)特別是有機(jī)鹵化物、取代芳香族化合物和偶氮交聯(lián)物。組合的厭氧/好氧技術(shù)對(duì)于工業(yè)污水和含有工業(yè)污水的市政污水有愈來愈大的吸引力。厭氧技術(shù)的特殊能力決定了厭氧技術(shù)具有其它技術(shù)所無法比擬的地位。

　　要求最終產(chǎn)物是綠色、安全的目標(biāo)使厭氧轉(zhuǎn)化的特殊性質(zhì)被進(jìn)一步利用。遵循農(nóng)業(yè)土地循環(huán)的污泥消化是厭氧工藝在世界范圍內(nèi)最大的應(yīng)用。制定出重金屬和殘留污染物的精確規(guī)則將使在消化污泥上進(jìn)行食品生產(chǎn)成為可能。隨著對(duì)“殘留污染物”的重視，對(duì)消化污泥研究設(shè)計(jì)出控制其有機(jī)污染物和重金屬的清潔污泥的厭氧/好氧的新理論是十分重要的。

　　4.3作為污水再生利用的核心技術(shù)

　　對(duì)于污水處理系統(tǒng)的產(chǎn)物（包括處理出水），將來工藝的主要進(jìn)展是預(yù)處理和提高處理效率，包含結(jié)合物理、化學(xué)、生物處理單元的工藝。顯然厭氧技術(shù)是有機(jī)物礦化的可持續(xù)的處理方法，該技術(shù)將成為污水處理回用的核心技術(shù)。因此，厭氧處理技術(shù)在原材料工業(yè)、加工工業(yè)、農(nóng)業(yè)加工業(yè)污水處理回用的水處理有望發(fā)揮主要作用。

　　4.4完善反應(yīng)數(shù)學(xué)模型和工藝控制過程

　　將來在模型和運(yùn)行控制的進(jìn)展將導(dǎo)致厭氧處理技術(shù)在污水處理工程中更廣泛的應(yīng)用。目前模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形理論都已成功地應(yīng)用于數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)控制，具有縮短啟動(dòng)時(shí)間和優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效果的特點(diǎn)[20].精確描述厭氧生化動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型促進(jìn)了人們對(duì)厭氧過程的深入認(rèn)識(shí)，解釋厭氧處理過程在將來繼續(xù)發(fā)展的必然性。有必要建立一個(gè)基于未來研究的一般平臺(tái)，統(tǒng)一世界范圍應(yīng)用的各種符號(hào)，設(shè)置一般動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)模型是工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)工藝過程的控制也是重要的。數(shù)學(xué)模型的開發(fā)成功和應(yīng)用，有助于應(yīng)用工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

　　5.結(jié)語

　　盡管污水厭氧處理技術(shù)可追溯到100多年前，但由于它的生態(tài)的、綠色的、低成本的特性，該技術(shù)仍在迅速發(fā)展以不斷適應(yīng)污水處理要求。高效反應(yīng)器的不斷開發(fā)應(yīng)用和其內(nèi)在機(jī)理不斷被發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步加深對(duì)污水厭氧處理的理解和對(duì)新型反應(yīng)器更廣泛的應(yīng)用。