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厌氧反应器的发展历程与应用现状

厌氧反应器的发展历程与应用现状

 

摘要:污水厌氧反应器因其能耗少,运行费用低等优点在全世界范围内得到了广泛的应用。对厌氧反应器的发展历程进行了系统的论述,重点介绍了第三代厌氧反应器的特点并展望了厌氧反应器的发展前景。

 

关键词: 厌氧;EGSB 反应器; IC 反应器;厌氧流化床;新型反应器

水环境污染和水资源短缺是全球正面临的两大问题。目前,我国每年污水排放总量为395 亿m3 ,根据预测,2050 ,我国污水排放总量将高达1 200亿m3

研制高效低耗并具有多种附加功能的厌氧污水处理工艺已经成为待解决的重大课题。在污水处理的同时实现污水的无害化和资源化,实现水的良性循环和水资源的可持续利用。

 

1第一代厌氧反应器

  厌氧生物处理技术已经有了100 多年的历史。1860 年法国工程师Mouras 就采用厌氧方法处理废水中经沉淀的固体物质。1896 年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池,所产生的沼气用于照明。1904 年德国的Imhoff 将其发展成为Imhoff 双层沉淀池(即腐化池) ,这一工艺至今仍然在有效地利用。在1910 年至1950 ,高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展,其比腐化池有明

显的优势。Schroepfer 20 世纪50 年代开发了厌氧接触反应器。这种反应器是在出水沉淀池中增设了污泥回流装置,增大了厌氧反应器中的污泥浓度,处理负荷和效率显著提高。上述反应器被称为第一代厌氧反应器。

 

2第二代厌氧反应器

高效厌氧处理系统必须满足以下两个条件:

(1) 系统内能够保持大量的活性厌氧污泥。

(2) 反应器进水应与污泥保持良好的接触。

依据这一原则,20 世纪60 年代末,Mccarty Young 推出了第一个基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器———厌氧滤池。它的成功之处在于在反应器中加入固体填料(如沙砾等) ,微生物由于附着生长在填料的表面,免于水力冲刷而得到保留,巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离,其固体停留时间可以长达上百天,这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。在相同的温度下,厌氧滤池的负荷高出厌氧接

触工艺23 ,同时有很高的COD 去除率,而且反应器内易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。1972,厌氧滤池首次较大规模地应用于小麦淀粉废水处理。

1974 ,荷兰Wagningen 农业大学的Lettinga教授领导的研究小组研究和开发了UASB 反应器技术,其最大特点是反应器内颗粒污泥保证了高浓度的厌氧污泥,标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。

1980 , Switzenbaum Jewell 推出厌氧固定膜膨胀床反应器,此外还有厌氧生物转盘和厌氧垂直折流式反应器等陆续问世。为了进一步提高厌氧反应器的处理效果,1984 年由加拿大学者Guiot 等人提出了上流式厌氧污泥床和上流式厌氧滤池结合型的新工艺,即上流式厌氧污泥床过滤器工艺。后人将上述几种反应器统称为第二代厌氧反应器。第二代厌氧反应器的典型代表有: 厌氧滤池

(AF) ,上流式厌氧污泥床(UASB) ,下行式固定膜反应器(DSFF) ,厌氧附着膜膨胀床反应器(AAFEB) ,厌氧流化床(AFB)

在已开发的高效厌氧反应器中,UASB 反应器是一种研究最为深入、应用最为广泛的厌氧反应器,己大量成功地应用于各种废水的处理。UASB 反应器内有机负荷高,水力停留时间短,处理周期大为缩短; 反应器无填料,无污泥回流装置,无搅拌装置,成本和运行费用大大降低;初次启动后可直接以污泥颗粒接种,目前已成为应用最广泛的厌氧处理方法。

但反应器内可能出现短流现象,影响处理能力;当进水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。对于这些情况,无疑传统高效UASB 系统的设计需要很大的改进,正是对于这些困难问题的研究,导致产生了第三代高效厌氧反应器的开发和利用。

 

3第三代厌氧反应器

高效厌氧处理反应器中不仅要分离污泥停留时间和平均水力停留时间,还应使进水和污泥之间保持充分的接触。第二代厌氧反应器的发展主要基于固体停留时

间与水力停留时间的分离而发展产生的一类新型反应器。但是对于进水无法采用高的水力和有机负荷的情况下,例如,在低温条件下采用低负荷工艺时,由于在污泥床内混合强度太低,以致无法抵消短流效应。对于这种情况,第二代反应器的应用负荷和产气率受到限制。为获得高的搅拌强度,而采用高的反应器的设计以获得高的上升流速或采用出水回流。

正是为了解决上述问题,20 世纪90 年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床( EGSB) ,内循环反应器( IC) ,升流式厌氧污泥床过滤器(UBF) 为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现。

3.1 厌氧颗粒污泥膨胀床( EGSB)

EGSB 是在UASB 反应器的基础上于20 世纪80 年代后期在荷兰Wageningen 农业大学环境系开始研究的新型厌氧反应器。EGSB UASB 反应器的不同之处仅仅在于运行方式。上流速度高达2. 56. 0 m/ h ,远远大于UASB 反应器中采用的约0. 52. 5 m/ h 的上流速度。因此,EGSB 反应器内颗粒污泥床处于“膨胀状态”,而且在高的上流速度和产气的搅拌作用下,废水与颗粒污泥间的接触更充分,水力停留时间更短,从而可大大提高反应器的有机负荷和处理效率。

EGSB 反应器能在超高有机负荷〔COD 达到30kg/ (m3 . d) 〕下处理化工、生化和生物工程工业废水。同时, EGSB 反应器还适合于处理低温(10 )和低浓度(COD 小于1. 0 g/ L) 和难处理的有毒废水。目前已建立了许多EGSB 反应器用来处理各种类型的污水(如食品、化工和制药等)

3.2 厌氧内循环反应器( IC)

IC 反应器是基于UASB 反应器颗粒化和三相分离器而改进的新型反应器,实际上相当于由2 UASB 反应器的单元相互重叠而成。一个处于高负荷而另一个处于低负荷,高达25 m 的反应器将只占用相对很小的面积。

第一个反应室包含颗粒污泥膨胀床,在此大多数的COD 被转化为沼气。所产生的沼气被下层相分离器收集,收集的气体产生气提作用,污泥和水的混合液通过上升管带到位于反应器顶部气液分离器。沼气在这里从泥水混合液中分离出来,并且排出系统。泥水混合液直接流到反应器的底部,造成反应器的内部循环流。

在反应器的较低部分,液体的上升流速在1020 m/ h 之间。经过下部反应室处理后的污水进上部反应室,所有剩余的可生化降解的有机物(COD)将被去除。在这个反应室里的液体的上升流速一般在210 m/ h 。很多生产性规模的IC 系统目前已经在欧洲运行。

在荷兰IC 厌氧反应器被选为处理大型啤酒厂废水的工艺。经过一年的运行,这套工艺系统对于总COD 的去除率为80 % ,可溶性COD 的去除率为93. 5 %IC 系统的平均容积负荷为14 kg/ (m3 . d)

3.3 厌氧升流式流化床( UFB)

该工艺是由美荷Biothane 系统国际公司所开发的一种新型反应器,它是介于流化床和UASB 反应器之间一种反应器。可以在极高的水和气体的上升流速(二者都可达到57 m/ h) 下产生和保持颗粒污泥,所以不用采用载体物质。由于高的液体和气体上升流速造成进水和污泥之间的良好混合状态,因此系统可以采用1530 kg/ (m3 . d) COD负荷,COD 去除率为60 %95 %[5 ]

第三代厌氧反应器的共同特点是:

(1) 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中,反应器单位容积的生物量更高。

(2) 能承受更高的水力负荷,高达40 kg/ (m3 . d) ,并具有较高的有机污染物净化效能。

(3) 具有较大的高径比,一般在510 以上,负荷高,所以体积小、占地省。

(4) 污泥床处于悬浮或膨胀状态。(5) 污泥龄长,污泥产量少。(6) 动力消耗小。

 

4厌氧反应器的应用现状

据资料报道,截止到2000 12 月底,世界范围内可统计到的各种厌氧装置分布情况见图1 , 统计表明,国内外已建成的厌氧处理工程中约60 %的项目均采用了UASB 反应器技术,UASB 反应器为基础的EGSB 反应器也已占厌氧工艺应用总数的11 %左右,可见第三代厌氧反应器的发展十分迅速。

对于国内大量中、高浓度的有机废水,高效厌氧生物处理技术是最合适、最经济的处理工艺。从20世纪70 年代开始,大批高速厌氧生物处理技术迅速发展,到今天,其早期的一些缺点已经不复存在,厌氧生物处理技术作为高效、低耗的废水处理工艺已经得到国内外众多研究者的普遍承认。

 


 

5结论与展望

今后厌氧反应器的研究应着眼以下几个方面:

(1) 研究开发具有高稳定性,高负荷,并能处理低浓度有机废水以及含高浓度有毒物质废水的厌氧反应器。

(2) 研究以颗粒载体为基础的固定化厌氧生物膜颗粒污泥,其能够改善反应器中微生物与基质之间的传质条件,加快反应速率,提高污水处理效率。

(3) 研究内、外循环和沼气循环的复合循环方式来保证在厌氧反应器内维持厌氧细菌所需要的最佳生存环境。

随着我国经济的迅速发展,人口的增多,城市生活污水和工业废水的总量也迅速增加。为了达到可持续发展的要求,研究能在线反映反应器内重要参数的传感器,开发具有多种附加功能(脱氮、脱硫) 的新型高效厌氧反应器是我国厌氧反应器的主要发展方向。

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