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河北省uasb厭氧反應器

1廢水厭氧生物處理概述

1.1  厭氧消化的基本原理

機物厭氧消化產是一個非常復雜的由多種微生物共同的生化。根據對產菌和產氫產乙酸菌的研究結果，提出了三階段理論。

階段為水解發酵階段。在該階段，復雜的機物在孢外酶的下，先被分解成簡單的機物，如纖維素經水解轉化成較簡單的糖類；蛋白質轉化成較簡單的酸；脂類轉化成脂肪酸和甘油等。參與這個階段的水解發酵菌主要是和兼性。

段為產氫產乙酸階段。在該階段，產氫產乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以為的階段產生的中間產物，如丙酸、丁酸等脂肪酸，和醇類等轉化成乙酸和兼性。

三階段為產階段。在高階段中，產菌把階段和段產生的乙酸、H2、和CO2等轉化為。

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2 ABR反應器

2.1  ABR反應器的工作原理及特點

ABR反應器內設置若干豎向導流板, 將反應器分隔成串聯的幾個反應室, 每個反應室都可以看作一個相對的上流式污泥床( 簡稱USB),廢水反應器后沿導流板上下折流前進, 依次通過每個反應室的污泥床, 廢水中的機基質通過與微生物充分的而去除。借助于廢水流動和沼氣上升的, 反應室中的污泥上下運動, 但是由于導流板的阻擋和污泥自身的沉降性能, 污泥在水平方向的流速其, 從而大量的厭氧污泥被截留在反應室。由此可見, 雖然在構造上ABR可以看作是多個UASB的簡單串聯 ,但在工藝上與單個 UASB著突出的不同 ,ABR更接近于推流式工藝 。ABR反應器特的分格式結構及推流式流態使得每個反應室中可以馴化培 養出與流至該反應室中的污水水質、條件相適應的微生物群落, 從而厭氧反應產酸相和產相沿程分離, 使ＡＢＲ反應器在整體性能上相當于一個兩相厭氧處理。一般認為, 兩相厭氧工藝通過產酸相和產相的分離, 兩大類群可以各自生長在適宜的條件下, 利于充分發揮群的活性, 的處理效果和運行的性。Letting 教授在預測未來厭氧反應器的發展動向時提出了一個潛力和挑戰性的新工藝思想, 即分階段多相厭氧工藝( 簡稱SMPA)。

總的來說,ABR反應構造簡單、能耗低、抗沖擊負荷能力強、處理等一系列優點。當然,ABR反應器也其不利的方面。先, 為了一定的水流和產氣上升速度,ABRR反應器不能太深。其次, 進水如何均勻分布也是一個問題。再, 與單UASB反應器相比,ABR反應器的格不得不承受遠大于平均負荷的局部負荷, 這可能會處理效率的下降。

2.2   ABR工藝的理論基礎

微生態理論厭氧處理實際上是借助于不同微生物種群間的協同并通過水解酸化( 產酸及產乙酸) 產等一系列生物反應將機底物轉化為機物的( 圖2) 。在此中, 不各類型的微生物對條件的要求不同, 而且它們通過對不同底物的利用而形成類似于生態中的食物鏈的營養關系, 即微生態。因而, 為使厭氧處理的運行, 需創造適合于不同微生物種群生長的條件, 使反應中的轉化及能量的流動順利地進行。因而, 兩相及多相厭氧反應器(SMPAR,可由一個反應器或多個反應器串聯實現, 因而它并非特指某個反應器) 技術的研究已成為厭氧反應器技術的生態學基礎。

2.4.2  良好的微生物種群分布

ABR反應器中不同隔室內的厭氧微生物易呈現出良好的種群分布和處理功 能的配合, 不同隔室中生長適應流入該隔室廢水水質的微生物種群, 從而利于形成良好的微生態。例如, 在位于反應器前端的隔室中, 主要以水解和產酸菌為主(McCarty 和Nachaiyasit 的研究表明, 在ABR的個隔室中以產丁酸菌為主), 而在較后的隔室中則以菌為主。其中隨隔室的推移, 由八疊球菌為種群逐漸向絲菌屬、異養菌和脫硫弧菌屬等轉變。這種微生物種群的逐室變化, 使種群得以良好地生長, 并使廢水中污染物逐轉化并在各司其職的微生物種群下的降解。筆者利用ABR反應器處理城市填埋場滲濾液與城市污水混合廢水的研究亦觀察到相同的結果。

2.4.3  工藝簡單 ,投資少 ,運行較低

ABR法設計簡單 ,沒活動部件 ,同的厭氧消化池相比 ,需機械攪拌裝 置, 也不需額外的澄清沉淀池。同UASB和FA 相比,ABR法不需要昂貴的進水, 也不需要設計復雜的三相分離器。因此,ABR法的投資少, 運行較低。

2.4.4  耐沖擊負荷 ,適應

由于折流板良好的滯留微生物的能力和污泥良好的沉降性能, 再ABR中的微生物具良好的生物配,ABR擊負荷的適應性很強。D.C.Stuckey 的研究表明, 不論是對水力沖擊負荷還是對機沖擊負荷,ABR均良好的適應性。因此ABR法對于處理流量和濃度變化較大的工業廢水很好的前景。

2.4.5  固液分離效果好 ,

厭氧生物團絮凝同好氧活性污泥法的類似, 是由對基質的限濃度引起,F/M 值對其重要影響。低F/M 值利于生物絮凝, 沉降加快, 懸浮固體濃度低。ABR的分格構造和水流的推流狀態, 使得F/M 隨水流逐漸, 在后一隔室內F/M , 且產氣量, 利于固液分離, 所以能夠良好的水質。

2.4.6  運行 ,操作靈活

由于ABR反應器特的擋板構造, 大大減小了堵塞和污泥床等現象發生的可能性, 可長時間運行。并且ABR法可根據水質、水量的不同, 通過改變擋板間距, 調節HRT,甚至還可以進行間歇操作, 來水質的要求。ABR法還可在適當的隔室進行好氧操作, 以達到在同一反應器內除氮的。

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2.4.7  對毒適應

由于隔板將反應器各格分隔開, 所以毒對反應器的影響主要集中在A BR反應器前部 ,對后部的危害較小。這使得只少數微生物在毒的影 響下, 利于整個反應器的馴化并能在較短時間恢復到正常的水平。

2.4.8  良好的生物固體截留能力

由于折流板的阻擋及通過對折流板間距的設置( 水流在上向流室上升流速相對較小) 為污泥的沉降和截留創造了一個良好的條件, 因而ＡＢＲ反應器內能截留大量的微生物, 其微生量濃度可達到72.08g/l 。

2.5  ABR的啟動和研究現狀

2.5.1  ABR的啟動

一個厭氧反應器能否成功地快速啟動是決定該反應器運行成敗的先決條件。影響厭氧反應器啟動的因素很多, 包括廢水的組成及濃度、接種污泥的數量和活性、條件、微量元素的補充、操作條件(COD容積負荷、水力停留時間) 和反應器的結構尺寸等諸多因素。Weiland 和Rozzi 在討論厭氧反應器的啟動問題時特別提到了以下需要注意的方面:1. 為了豐富污泥中產菌的種類, 接種污泥用幾種不同來源的厭氧污泥混合而成;2. 溫度應在33～37℃或50～5 5℃范圍內 ,ｐＨ值應在 7.2～7.6范圍內 ,以產菌的活性 ;3.比COD:N:P=100:(10～1):(5～1),NH3-N<1000ｍｇ/Ｌ;4.微量金屬元素 ,尤其是 Fe、 Ni、Co、Mo,對厭氧的啟動也非常重要。 Henze等人則建議啟動的初始 COD容積負荷應低一些(Pt<1.2kg ｍ-3 ｄ-1), 并且低COD容積負荷所引起的低產氣率和低水流上升速度利于厭氧活性污泥的生長。

啟動是固定進水COD濃度,HRT由80h 逐步減小到60h、40h, 后在20h。但是, 后反應器發生了酸化, 啟動失敗了。Nachaiyasit 和Stuckey 認為這是接種污泥活性低和初始COD污泥負荷(pt=0.75kgkg-1d-1) 高的緣故。隨后, Nachaiyasit了 COD污泥負荷 (pt=0.07kgkg-1d-1),啟動了成功。 Boopa thy和 Tiche研究了復合式 ABR反應器處理糖漿廢水中試的啟動情況。在 30d內,HABR的 COD容積負荷就達到了 4.33 kgm-3d-1(p(COD)=115.771g/l,HRT=27d),并且在d30, 每個反應室內都出現了顆粒污泥,COD的去初率達到89%。Stuckey [5]認為這是在 COD容積負荷比較高的情況下成功啟動的一個好例子。 Boopathy和Tiche 沒分析為什么會出現這種情況, 筆者懷疑可能是HABR中的填料對啟動負荷的幫助。Batber 和Stuckey[21] 地研究了ABR的啟動特性。Batber等人采取了兩種啟動 :1.固定 HRT(20h),逐步進水基質濃度 (p (COD)(1→2→4g/l);2.固定進水基質濃度 (p(COD)=4g/l),逐步縮短 HRT(80→40→20h) 。結果表明, 采用2 啟動的反應器不論是從COD去初率、運行的性, 還是從污泥的流失量方面衡量均優于采用1 啟動的反應器。

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2.5.2  ABR的研究現狀

用ABR反應器處理低濃度廢水的研究, 并了的效果,處理低濃度廢水時 ,由于傳質速率和微生物活性都不會 很高, 生物相的沿程變化就不會很明顯, 尤其產酸菌的數量沿程基本不便。并且處理低濃度廢水時, 低水力停留時間所帶來的污泥流失問題可以被低的產氣速率抵消, 并且縮短HTR還可以水力攪拌, 從而處理效率。

反應器內的水力條件和混合程度是影響反應器性能的一個重要條件。通過使用示蹤劑對反應器內水力停留時間分布情況的測定, 可分析其死區容積分數(Vd/ V)和離散數 (D/μL)。D.C.Stuckey等的研究表明 ,ABR的容積利用率要遠高于其 他的厭氧反應器,ABR的Vｄ/V 為7%~20%,平均為9.8%。而厭氧濾池的Vｄ/V 為5 0%~93%,消化池 (CSTR)的 Vｄ/V大于 80%。此外,研究表明 ,隨著 HRT的 ,各隔室的離散數( 擴散或混合程度, ) 增大, 反應器的反混程度。但反應器內的折流板阻擋了各隔室間的反混, 強化了各隔室內的混合, 所以隔室越多,D/ μL 越低, 反混程度減小, 說明ABR反應器的水力流態是局部為完混合式(CSTR)流態, 整體為推流(PF) 流態的一種復雜水力流態型反應器。和完混合式的反應器比較,ABR對溫度的適應范圍較廣。研究表明, 當溫度由35℃降到25℃時,COD去除率明顯變化, 當降到15℃時, COD去除率較大下降 ,但仍在 75%~83%。這是由于反應器后面幾格微生物的緩沖 , 使得ABR可以適應較大的溫度變化。據文獻報道,ABR可在13℃的條件下運 行。

回流對于ABR兩方面的影響。研究發現, 回流20%, 產量上升了30%。此外, 回流還可緩解過多的揮發性酸引起反應器前部的PH 值偏低。在TjandraSetiadi 等人ABR工藝處理棕櫚油廢水的研究中同樣發現, 當回流大于15%時, 不需加堿, PH值即可保持在6.8 以上。回流還可以稀釋進水中的毒, 并微生物對基質的不適應程度。然而回流會生物的流失, 并引起死區的增大。研究表明, 當回流由0%增到2% 時, 死區體積增大一倍, 達到了40%。并且, 回流引起的混合反應器向單相狀態轉變, 部分喪失了產酸相和產相分區的優點。A.Bachmann等研究發現, 當回流時, 產菌在反應器內的分布是均勻的, 這就性( 如鬃毛菌) 曝露在反應器前部。這里的較低的PH值, 較高的分壓和基質濃度會使這些失去活性。而產酸菌由于回流被沖到了反應器后部, 會由于機質少而處于饑餓狀態。S.Nachaiyasit 也發現回流比增大時, 反應器的產氣量和含量均下降。

ABR反應器處理高濃度機廢水是ＡＢＲ反應器前景為廣闊的一個方面 。

目前, 對于ABR處理各種廢水的研究日趨增多。R.Boopathy 將ABR于酒廢水, 其進水COD可達51.6g/l,COD 容積負荷為3.5kg/( ｍ3·ｄ) 時,COD 去除率可達90%,產氣體積分數在65%~75%。在J.C.Akunna 對ABR處理酒廢水的研究中, 當進水COD為9500ｍｇ/l,HRT 為4ｄ,COD容積負荷為2.73kg/( ｍ3·ｄ )時,效果 ,COD去除率達到了 92.25%。當 COD容積負荷為 4.75kg/(ｍ 3·ｄ )時,產氣量達到了 22l/d,體積分數在 60%~0%。

R.Boopathy等在反應器上部添加填料對其加以改進。改進后的 ABR反應器 在處理制糖廢水時,COD容積負荷可達20kg/( ｍ3·ｄ),COD 去除率在70%以上, 產氣量達到了5 倍反應器體積, 體積分數為75%。在高負荷下, 污泥流失很少, 隔室的vss 為72.08 ｇ/l 。這與污泥良好的沉降性能和填料的關。

厭氧折流板反應器處理豆制品廢水的研究發現,ABR處理豆制品廢水具啟動快、易出顆粒化的活性污泥的特點。運行時,COD容積負荷可達到14.3kg/( ｍ3·ｄ),COD去除率能保持在80%以上, 具良好的抗沖擊負荷和抗低pH 值的能力。沈耀良ABR法處理滲濾混合廢水的研究發現,ABR可明顯的水解酸化, 廢水的可生化性。混合廢水的  BOD5/COD為0.2 、0.5665時,經 ABR反應器處理后的 BOD/COD值可到 0.37、0.68,且進水的BOD5/COD越低,其幅度越大。