章 三代厭氧生物處理技術(shù) 2課時(shí)

1、第三代厭氧生物處理技術(shù)一、概述在厭氧反應(yīng)器中污泥和廢水的混合是影響到去除效果的重要因素。合理的布水系統(tǒng)和反應(yīng)器中液體表面上升流速、產(chǎn)生沼氣的攪動(dòng)等因素對(duì)污泥和廢水的混合起著極其重要的作用。在UASB等第二代厭氧生物反應(yīng)器中，在處理低濃度有機(jī)廢水時(shí)，由于不可能產(chǎn)生大量沼氣的攪動(dòng)，反應(yīng)器中的混合效果較差，如果提高反應(yīng)器的水力負(fù)荷來改善混合狀況，則會(huì)出現(xiàn)污泥流失。所以，為了解決這一問題，20世紀(jì)90年代在國際上提出了以EGSB、IC、UBF、ABR為代表的第三代厭氧生物反應(yīng)器。第三代厭氧生物反應(yīng)器的共同特點(diǎn)如下：1、微生物以顆粒污泥固定化方式存在于反應(yīng)器中，反應(yīng)器單位容積的生物量更高；2、能承受更高

2、的水力負(fù)荷，并具有較高的有機(jī)污染物凈化效能；3、具有較大的較大徑比，一般在5-10以上；4、占地面積??；5、能力消耗小。二、EGSB（厭氧膨脹顆粒污泥床）反應(yīng)器1、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)于20世紀(jì)90年代初由荷蘭Wageingen農(nóng)業(yè)大學(xué)的Lettinga等人率先開發(fā)的。其構(gòu)造與UASB反應(yīng)器有相似之處，可以分為進(jìn)水配水系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、三相分離區(qū)和出水渠系統(tǒng)。與UASB反應(yīng)器不同之處是，EGSB反應(yīng)器設(shè)有專門的出水回流系統(tǒng)。2、工作原理EGSB反應(yīng)器中裝有一定量的顆粒污泥，當(dāng)有機(jī)廢水及其所產(chǎn)生的沼氣自下而上地流過顆粒污泥床層時(shí)，污泥床層與液體間會(huì)出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致床層不同高度呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)。當(dāng)廢水上升

3、流速較低時(shí)，顆粒污泥相對(duì)靜止，床層空隙率操持穩(wěn)定；當(dāng)流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，床層空隙便開始增加，床層也相應(yīng)膨脹。當(dāng)上升流速超過臨界流速后，污泥顆粒呈懸浮狀態(tài)，顆粒床被流態(tài)化，再進(jìn)一步提高進(jìn)水流速到最大流化速度時(shí)，載體顆粒將產(chǎn)生大量的流失。從顆粒污泥流態(tài)化的工作狀況可以看出EGSB反應(yīng)器的工作區(qū)為流態(tài)化的初期，即膨脹階段，進(jìn)水流速較低，一方面可保證進(jìn)水基質(zhì)與泥泥顆粒的充分接觸和混合，另一方面有利于減輕或消除靜態(tài)床（UASB）中常見的底部負(fù)荷過重的狀況，從而增加了反應(yīng)器對(duì)有機(jī)負(fù)荷、毒性物質(zhì)的承受能力。3、EGSB中顆粒污泥的特性EGSB工藝中顆粒污泥的沉降性能好，有效地減少了懸浮于消化液中的微生物個(gè)體

4、數(shù)量，避免了微生物隨消化液大量流失的可能性，保證了厭氧反應(yīng)器中高濃度活性污泥的滯留量，進(jìn)而為反應(yīng)器的高效、穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。EGSB中顆粒污泥的形成過程可分為4個(gè)階段： 將細(xì)胞運(yùn)到惰性物質(zhì)或其他細(xì)胞（基底）的表面。 通過物理化學(xué)作用力可逆吸附于基底上。 通過微生物表面的鞭毛、纖毛或胞外多聚物將細(xì)胞吸附于基底上。 細(xì)胞的倍增和顆粒污泥的形成。4、EGSB工藝的主要特點(diǎn)EGSB工藝作為一種改進(jìn)型的UASB，雖然在結(jié)構(gòu)形式、污泥形態(tài)等方面與UAS非常相似，但其工作運(yùn)行方式與UASB顯然不同，液體表面上升速度高使顆粒污泥床層處于膨脹狀態(tài)不僅使進(jìn)水能與污泥充分接觸，而且有利于基質(zhì)和代謝產(chǎn)物在顆粒污泥內(nèi)

5、外的擴(kuò)散、傳送，保證了反應(yīng)器在較高的容積負(fù)荷條件下正常運(yùn)行。EGSB反應(yīng)器的主要特點(diǎn)如下表所列。5、EGSB反應(yīng)器的工程應(yīng)用20世紀(jì)90年代荷蘭Biothane System公司推出了一系列工業(yè)規(guī)模的EGSB反應(yīng)器，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涉及啤酒、食品、化工等行業(yè)。實(shí)際運(yùn)行表明，EGSB反應(yīng)器的處理能力可達(dá)到UASB的2-5倍。下表是幾個(gè)典型的EGSB處理不同類型廢水運(yùn)行情況的例子。處理啤酒生產(chǎn)廢水的EGSB反應(yīng)器處理淀粉生產(chǎn)廢水的EGSB反應(yīng)器三、內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器IC厭氧反應(yīng)器是20世紀(jì)80年代中期由荷蘭PAQUES公司推出的。目前，該工藝已經(jīng)成功地應(yīng)用于啤酒、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處

6、理中，由于其處理容量高、投資少、占地省和運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)引起了各國水處理人員的矚目，被稱為第三代厭氧生化反應(yīng)器的代表工藝之一。1、IC厭氧工藝的工作原理如圖進(jìn)水由反應(yīng)底部進(jìn)入第一厭氧反應(yīng)室，與顆粒污泥均勻混合，產(chǎn)生的沼氣被集氣罩收集，大量沼氣攜帶第一厭氧室的泥水混合液沿著提升管上升到反應(yīng)器頂?shù)臍庖悍蛛x器，沼氣由導(dǎo)管排出，泥水混合液沿著回流管反回到第一厭氧反應(yīng)室的底部，實(shí)現(xiàn)混合液的內(nèi)部循環(huán)。廢水處理后自動(dòng)進(jìn)入第二厭氧反應(yīng)室，反應(yīng)后的泥水經(jīng)固液分離后，上清液由出水管排走，污泥自動(dòng)返回第二厭氧反應(yīng)室。2、IC反應(yīng)器結(jié)構(gòu) IC反應(yīng)器基本構(gòu)造如圖所示，它相似由2層UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成。按功能劃分，反應(yīng)器

7、由下而上共分為5個(gè)區(qū)：混合區(qū)、第1厭氧區(qū)、第2厭氧區(qū)、沉淀區(qū)和氣液分離區(qū)。（1）混合區(qū)：反應(yīng)器底部進(jìn)水、顆粒污泥和氣液分離區(qū)回流的泥水混合物有效地在此區(qū)混合。（2）第1厭氧區(qū)：混合區(qū)形成的泥水混合物進(jìn)入該區(qū)，在高濃度污泥作用下，大部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣?；旌弦荷仙骱驼託獾膭×覕_動(dòng)使該反應(yīng)區(qū)內(nèi)污泥呈膨脹和流化狀態(tài)，加強(qiáng)了泥水表面接觸，污泥由此而保持著高的活性。隨著沼氣產(chǎn)量的增多，一部分泥水混合物被沼氣提升至頂部的氣液分離區(qū)。（3）氣液分離區(qū)：被提升的混合物中的沼氣在此與泥水分離并導(dǎo)出處理系統(tǒng)，泥水混合物則沿著回流管返回到最下端的混合區(qū)，與反應(yīng)器底部的污泥和進(jìn)水充分混合，實(shí)現(xiàn)了混合液的內(nèi)部循環(huán)。（

8、4）第2厭氧區(qū)：經(jīng)第1厭氧區(qū)處理后的廢水，除一部分被沼氣提升外，其余的都通過三相分離器進(jìn)入第2厭氧區(qū)。該區(qū)污泥濃度較低，且廢水中大部分有機(jī)物已在第1厭氧區(qū)被降解，因此沼氣產(chǎn)生量較少。沼氣通過沼氣管導(dǎo)入氣液分離區(qū)，對(duì)第2厭氧區(qū)的擾動(dòng)很小，這為污泥的停留提供了有利條件。（5）沉淀區(qū)：第2厭氧區(qū)的泥水混合物在沉淀區(qū)進(jìn)行固液分離，上清液由出水管排走，沉淀的顆粒污泥返回第2厭氧區(qū)污泥床。3、IC工藝的技術(shù)特點(diǎn)IC反應(yīng)器的構(gòu)造及其工作原理決定了其在控制厭氧處理影響因素方面比其它反應(yīng)器更具有優(yōu)勢(shì)。（1）容積負(fù)荷高：IC反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高，微生物量大，且存在內(nèi)循環(huán)，傳質(zhì)效果好，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷可超過普通厭氧反應(yīng)器

9、的3倍以上。（2）節(jié)省投資和占地面積：IC反應(yīng)器容積負(fù)荷率高出普通UASB反應(yīng)器3倍左右，其體積相當(dāng)于普通反應(yīng)器的1/41/3左右，大大降低了反應(yīng)器的基建投資。而且IC反應(yīng)器高徑比很大（一般為48），所以占地面積特別省，非常適合用地緊張的工礦企業(yè)。（3）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)：處理低濃度廢水（COD=20003000mg/L）時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的23倍；處理高濃度廢水（COD=1000015000mg/L）時(shí)，內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水量的1020倍5。大量的循環(huán)水和進(jìn)水充分混合，使原水中的有害物質(zhì)得到充分稀釋，大大降低了毒物對(duì)厭氧消化過程的影響。 （4）抗低溫能力強(qiáng)：溫度對(duì)厭氧消化的影響主要是

10、對(duì)消化速率的影響。IC反應(yīng)器由于含有大量的微生物，溫度對(duì)厭氧消化的影響變得不再顯著和嚴(yán)重。通常IC反應(yīng)器厭氧消化可在常溫條件（2025 ）下進(jìn)行，這樣減少了消化保溫的困難，節(jié)省了能量。（5）具有緩沖pH的能力：內(nèi)循環(huán)流量相當(dāng)于第1厭氧區(qū)的出水回流，可利用COD轉(zhuǎn)化的堿度，對(duì)pH起緩沖作用，使反應(yīng)器內(nèi)pH保持最佳狀態(tài)，同時(shí)還可減少進(jìn)水的投堿量。（6）內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)，不必外加動(dòng)力：普通厭氧反應(yīng)器的回流是通過外部加壓實(shí)現(xiàn)的，而IC反應(yīng)器以自身產(chǎn)生的沼氣作為提升的動(dòng)力來實(shí)現(xiàn)混合液內(nèi)循環(huán)，不必設(shè)泵強(qiáng)制循環(huán)，節(jié)省了動(dòng)力消耗。（7）出水穩(wěn)定性好：利用二級(jí)UASB串聯(lián)分級(jí)厭氧處理，可以補(bǔ)償厭氧過程中K s高產(chǎn)生

11、的不利影響。Van Lier在1994年證明，反應(yīng)器分級(jí)會(huì)降低出水VFA濃度，延長生物停留時(shí)間，使反應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定。 （8）啟動(dòng)周期短：IC反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應(yīng)器快速啟動(dòng)提供有利條件。IC反應(yīng)器啟動(dòng)周期一般為12個(gè)月，而普通UASB啟動(dòng)周期長達(dá)46個(gè)月。 （9）沼氣利用價(jià)值高：反應(yīng)器產(chǎn)生的生物氣純度高，CH4為7080，CO2為2030，其它有機(jī)物為15，可作為燃料加以利用。4、IC技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景IC處理技術(shù)從問世以來已成功應(yīng)用于土豆加工、啤酒、檸檬酸和造紙等廢水處理中。1985年荷蘭首次應(yīng)用IC反應(yīng)器處理土豆加工廢水，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）高達(dá)3550kg/(m3d)，

12、停留時(shí)間46 h；而處理同類廢水的UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有1015 kg/(m3.d)，停留時(shí)間長達(dá)十幾到幾十個(gè)小時(shí)。在啤酒廢水處理工藝中，IC技術(shù)應(yīng)用得較多，目前我國已有3家啤酒廠引進(jìn)了此工藝。從運(yùn)行結(jié)果看，IC工藝容積負(fù)荷（以COD計(jì)）可達(dá)1530 kg/(m3d)，停留時(shí)間24.2 h，COD去除率COD75；而UASB反應(yīng)器容積負(fù)荷僅有47 kg/(m3d)，停留時(shí)間近10 h。 在國內(nèi)沈陽、上海率先采用了IC厭氧工藝處理啤酒廢水，進(jìn)水COD一般在5000mg/L以上，pH5.0左右，容積負(fù)荷（以COD計(jì)）可達(dá)30 kg/(m3d)，出水COD基本在1000mg/L以下，且每千克CO

13、D產(chǎn)沼氣0.42m3。1996年IC反應(yīng)器首次應(yīng)用于紙漿造紙行業(yè)，并迅速獲得客戶歡迎，至今全世界造紙行業(yè)已建造IC反應(yīng)器23個(gè)。 PAQUES公司在河南省內(nèi)造紙行業(yè)應(yīng)用IC反應(yīng)器。5、IC反應(yīng)器內(nèi)的污泥性質(zhì)（1）顆粒污泥的物理性質(zhì)IC 反應(yīng)器顆粒的平均直徑在0.660.87mm，略大于UASB反應(yīng)器顆粒的平均直徑0.510.83mm；IC反應(yīng)器最大顆粒直徑為3.143.57mm，UASB 反應(yīng)器顆粒的最大直徑3.383.43mm；IC反應(yīng)器顆粒密度為1.0411.057g/cm3，與UASB反應(yīng)器顆粒的密度1.0391.065g/cm3較為接近。但是IC反應(yīng)器顆粒相對(duì)剪切強(qiáng)度比UASB 顆粒的

14、強(qiáng)度差，如以UASB顆粒的相對(duì)強(qiáng)度為100%，則IC顆粒為32%53%，這是由于IC反應(yīng)器的污泥負(fù)荷率大大高于UASB反應(yīng)器的污泥負(fù)荷率之故。IC顆粒污泥的灰分占0.130.15，低于UASB顆粒污泥的灰分0.20.26，這說明IC顆粒污泥中有機(jī)成分含量更高，污泥的活性更高。 （2）顆粒大小分布有研究人員比較了IC反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器污泥樣品顆粒大小尺寸的分布，比較的結(jié)果表明，IC反應(yīng)器顆粒尺寸較粗和分布較寬，這是由于IC反應(yīng)器升流速度較大，使細(xì)小顆粒更易于被沖刷從而反應(yīng)器內(nèi)小顆粒比例減小，而留在反應(yīng)器內(nèi)的顆粒獲得更充分的營養(yǎng)，在長期滯留情況下顆粒長得更大，因此IC反應(yīng)器內(nèi)顆粒大小的分布范圍

15、比UASB反應(yīng)器更寬。 （3）顆粒沉降速率UASB和IC反 應(yīng) 器 內(nèi) 顆 粒 的 沉 降 速 度 一 般 都 高 于 液 體 升 流 速 度。IC顆 粒（ 粒徑0.5mm）的沉降速度僅略高于液體的升流速度（2.6mm/s）。在IC反應(yīng)器的第二反應(yīng)室，由于氣體負(fù)荷率較低，創(chuàng)造了一個(gè)較為平穩(wěn)的沉淀?xiàng)l件，有利于細(xì)小顆粒的滯留。（4）污泥的活性IC反應(yīng)器污泥的活性遠(yuǎn)高于UASB反應(yīng)器的污泥活性。這是由于IC反應(yīng)器的污泥顆粒完全趨于流化狀態(tài)，傳質(zhì)的限制因素小，UASB反應(yīng)器污泥床局部地方的污泥濃度很高，甚至存在死區(qū)，傳質(zhì)受到一定限制。因此，IC反應(yīng)器的平均污泥去除負(fù)荷率遠(yuǎn)高于UASB反應(yīng)器的污泥去除負(fù)

16、荷率。6、IC反應(yīng)器存在的幾個(gè)問題COD容積負(fù)荷大幅度提高，使IC反應(yīng)器具備很高的處理容量，同時(shí)也帶來了不少新的問題： （1）從構(gòu)造上看，IC反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)比普通厭氧反應(yīng)器復(fù)雜，設(shè)計(jì)施工要求高。反應(yīng)器高徑比大，一方面增加了進(jìn)水泵的動(dòng)力消耗，提高了運(yùn)行費(fèi)用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中細(xì)微顆粒物比UASB多，加重了后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)12。另外內(nèi)循環(huán)中泥水混合液的上升還易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，使內(nèi)循環(huán)癱瘓，處理效果變差。（2）發(fā)酵細(xì)菌通過胞外酶作用將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物，再將可溶性的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成脂肪酸和醇類等，該類細(xì)菌水解過程相當(dāng)緩慢。IC反應(yīng)器較短的水力停留時(shí)間勢(shì)必影響不溶性有機(jī)物的

17、去除效果。 （3）在厭氧反應(yīng)中，有機(jī)負(fù)荷、產(chǎn)氣量和處理程度三者之間存在著密切的聯(lián)系和平衡關(guān)系。一般較高的有機(jī)負(fù)荷可獲得較大的產(chǎn)氣量，但處理程度會(huì)降低。因此，IC反應(yīng)器的總體去除效率相比UASB反應(yīng)器來講要低些。 （4）缺乏在IC反應(yīng)器水力條件下培養(yǎng)活性和沉降性能良好的顆粒污泥關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)引進(jìn)的IC反應(yīng)器均采用荷蘭進(jìn)口的顆粒污泥接種，增加了工程造價(jià)。四、厭氧折流板（ABR）反應(yīng)器厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）工藝首先由美國stanford大學(xué)的McCarty等于1981年在總結(jié)了各種第二代厭氧反應(yīng)器處理工藝特點(diǎn)性能的基礎(chǔ)上開發(fā)和研制的一種高效新型的厭氧污水生物技術(shù)。1、ABR反應(yīng)器的工作原理由

18、于在反應(yīng)器中使用一系列垂直安裝的折流板，將反應(yīng)器分隔成串聯(lián)的幾個(gè)反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室都可以看作一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的UASB系統(tǒng)。被處理的廢水在反應(yīng)器內(nèi)沿折流板作上下流動(dòng)，依次通過每個(gè)反應(yīng)室的污泥床，廢水中的有機(jī)基質(zhì)通過與微生物接觸而得到去除。借助于處理過程中反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體使反應(yīng)器內(nèi)的微生物固體在折流板所形成的各個(gè)隔室內(nèi)作上下膨脹和沉淀運(yùn)動(dòng)，而整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的水流則以較慢的速度作水平流動(dòng)。水流繞折流板流動(dòng)而使水流在反應(yīng)器內(nèi)的流經(jīng)的總長度增加，再加之折流板的阻擋及污泥的沉降作用，生物固體被有效地截留在反應(yīng)器內(nèi)。因此ABR反應(yīng)器的水力流態(tài)更接近推流式。 2、ABR與UASB的區(qū)別ABR反應(yīng)器與單個(gè)UASB

19、有顯著不同。（1）UASB可近似看作是一種復(fù)雜混合型反應(yīng)器，而ABR是一種復(fù)雜混合型水力流態(tài)。（2）UASB中酸化和產(chǎn)甲烷兩類不同的微生物相交織在一起，各自不能很好的利用自身優(yōu)勢(shì)。ABR就不同了，它在各個(gè)反應(yīng)室中的微生物相是逐級(jí)遞變的，兩大類厭氧菌群可以各自生長在最適宜的環(huán)境條件下。且遞變的規(guī)律和底物降解過程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應(yīng)的微生物相擁有最佳的活性，提高系統(tǒng)的處理效果和運(yùn)行的穩(wěn)定性。3、ABR反應(yīng)器的特點(diǎn)（1）、工藝簡單 、投資少 ABR設(shè)計(jì)簡單，沒有活動(dòng)部件，不需要UASB、AF昂貴的進(jìn)水系統(tǒng)和設(shè)計(jì)復(fù)雜的三相分離器，也不需要傳統(tǒng)的厭氧消化池的機(jī)械攪拌裝置和額外的澄清沉淀池。（2）、良好的生物分布和生物固體截留能力ABR中污泥與廢水能良好混合接觸，有效容積利用率高，因而利于污泥絮體及顆粒污泥的形成和生長，使反應(yīng)器內(nèi)厭氧微生物在自然地形成良好的微生物種群的分布，這利于增強(qiáng)反應(yīng)器對(duì)沖擊負(fù)荷的適應(yīng)性。此外可在較短的時(shí)間內(nèi)形成具有良好沉淀性能的絮凝性污泥和顆粒污泥，這也利于取得良好的固液分