提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径及如何实现

提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径

及实现途径

由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故维持足够长的停留时间是厌氧消化工艺成功的关键条件。高效厌氧处理系统必须满足的原则：1 能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄。2 保持进入的废水和污泥之间的充分接触。

为了满足第一条原则，可以采用固定化（生物膜）或培养沉降性能良好的厌氧污泥（颗粒污泥）的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有机和水力负荷时不会发生严重的厌氧污泥流失。依据第一条原则，在20实际70年代末期人们成功地开发了各型新型的厌氧工艺（统称为第二代厌氧反应器），例如：厌氧滤池（AF），上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,厌氧接触膜膨胀床反应器（AAFEB）,（FB）等。这些反应器的一个共同特点是可以将固体停留时间和水力停留时间相分离，固体停留时间可长达上百天。

为了满足第二条原则，应该确保反应器布水的均匀性，这样才能避免短流。这一问题的关键至于改进布水系统的设计。从另一方面来讲，厌氧反应器的混合源于进水的混合和产气的扰动。但是对进水在无法采用高的有机和水力负荷的情况下（例如在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床的混合强度太低，以致无法抵消短流效应）UASB反应器的应用负荷和产气率受到限制，为获得很高的搅拌强度，必须采用高的反应器或者采用出水回流，获得高的上升流速。正式对于这一问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用，例如，厌氧颗粒污泥床反应器（EGSB）和内循环厌氧反应器（IC），厌氧复合床反应器UBF（AF+UASB），水解工艺和两阶段消化（水解+EGSB）工艺。

提高厌氧生物反应器厌氧处理效能的途径主要有如下几种方式：

1.加速UASB中颗粒污泥形成

影响UASB颗粒污泥形成的因素有废水性质，营养元素和微量元素，水力负荷率和产气负荷率，有机负荷率和污泥负荷率，接种污泥和环境条件等因素。加速污泥颗粒化有如下几种方法：

(1)投加无机絮凝剂或高聚物

投加无机絮凝剂或高聚物可以保证反应器内的最佳生长条件,可改变废水的成分, 其方法是向进水中投加养分、维生素和促进剂等。王林山等人向厌氧接种污泥中投加膨润土和聚丙烯酰胺, 采用常温间歇式进料, 在一个月内获得了颗粒污泥。其余的投加剂包括吸水性聚合物(WAP)，壳聚糖等物质。

(2)投加细微颗粒物

向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘土、陶粒、颗粒活性炭等惰性物质, 利用颗粒物的表面性质, 加快细菌在其表面的富积, 使之形成颗粒污泥的核心载体, 有利于缩短颗粒污泥的出现时间。

(3)投加金属离子

适量惰性物如Ca2+、Mg2+等, 能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。据研究: 二价金属离子能挤压污泥的双层结构, 使细胞间的范德华力增强, 同时与污泥有机质中的阴离子之间存在较强的相互吸引作用。据研究，适量添加Fe2+、Zn2+、Co2+和Ni2+等对厌氧微生物生长有促进作用的离子可大大缩短UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的时间。

2.强化UASB 处理

UASB 反应器成功地使SRT 与HRT 分离，但其传质过程并不理想。由于污泥与有机物传质过程主要依赖于进水与产气的搅动，因此强化传质过程最有效的方法就是提高表面水力负

荷和产气负荷。但高负荷产生的剧烈搅拌会使UASB 反应器中的污泥处于完全的膨胀状态，从而使大量的颗粒污泥被洗出，导致污泥过度流失。为了避免出现过高的水力负荷与产气负荷，UASB 反应器一般的进水上流速率控制在1～2m/h。微生物保有与传质的矛盾，从根本上制约着UASB 进一步提高有机负荷。

在实际工程应用中，UASB 反应器容易发生短流，污泥流失现象较为严重。究其原因，是因为UASB 反应器中的关键技术三相分离器属于保密技术，其最佳设计参数很难把握，实际应用中的三相分离器并不能起到将气、液、固完全分离的作用，且容易因为设计不当而产生短流，因此造成污泥流失现象。

优化进水和三相分离系统是强化UASB处理的主要途径

（1）设计出符合流体力学和生物反应的合理的进水布水系统,，也是改善UASB 处理效率的有效途径。进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，目前，工程中常用的进水方式大致可以分为：连续流（如：一管一孔配水，一管多孔配水，分支式配水），间歇式（脉冲式）（如：脉冲进水，连续式进水（间歇布水）），连续流与间歇流相结合的布水方式。

布水均匀可以避免反应器内部出现死区，充分利用池体空间。良好的设计形式可以有效地降低布水器孔口的堵塞，提高布水质量，稳定UASB 处理效率。

在UASB底部采用环状管网布水器可以有效改进布水的均匀性。它在平面上成对称分布，由彼此相交60°的6根布水干管与外、中和内环管组成。污水沿UASB 底部管道进入中心配水罐，经干管到环管，再从环管上的孔口流出。该种布水器由于对称布置，而且各干管、环管均为等直径管道，出水孔口大小也相同，在不考虑水头损失的情况下，理论上可以达到均匀配水的目的。

据研究，布水系统采用双向进水的纯水力搅拌方式, 流向90s 切换一次, 可提供柔和的水力搅拌效果, 促进污泥和污水之间的良好接触, 使污泥上附着的气泡有效分离, 有利于水力筛分, 提高反应器的负荷, 加速污泥颗粒化的形成。

（2）UASB反应器在实验室小试阶段可采用简单的漏斗制成的三相分离系统，各种类型的三相分离器，如下图。

中试装置采用的相应的三相分离器与实验室装置没有本质的差异，但是生产性装置需要考虑三相分离器的型式和一些水力学的问题，以及一些工程放大问题。通过对大量的中试和生产性项目的总结，有大致四种不同类型的三相分离器基本构造。见下图。

其中，（a）的构造简单，由于在回流缝同时存在上升和下降两股流体相互干扰，泥水分离的情况不佳，污泥回流不通畅。（b）与前者十分相似，其特点是利用上一层分离器作为其中的公用的组件，这一构思可以形成多层的三相分离器。（c）在泥水分离上也是与前者存在类似的情况。（d）式的构造较为复杂，但污泥回流和水流上升互不相扰，污泥回流通畅，泥水分离效果比较好，气体分离效果也较好。在分离器中，进水或者进入的水流彼此分开。气体分离后，在吸附固体和液体进入的部分因膨胀作用而释放出的溶解气体可能溢出，而使来自反应器的紊流在那里可以得到缓冲。最后，在沉淀区污泥与出水分离，那里的水流为层流，在其下部形成污泥层。浓缩的污泥从这里可沉入反应器。沉淀器重浓缩的悬浮液与反应器内三相（气，液和污泥）悬浮液之间的密度存在差异，利用这种密度的差异所产生的循环液流，使浓缩的悬浮液不断地返回反应器。回流速度取决于产气的速率和系统的阻力。UASB反应器的三相分离器的产业化涉及两个问题，一是三相分离器的放大问题，另一个问题是产品化。三相分离器必须走设备化的道路。

郭永福，郭维华等利用改良型的UASB三相分离器进行的豆制品废水的试验研究，取得了很好的实验效果。改良型的三相分离器具有以下优点：（1）可以避免污泥的回流与上升的水流、气流之间的互相干扰，保证进入沉降区的污泥能够顺利返回，防止污泥流失现象的发生；（2）包含高浓度污泥的污泥一区、二区容积增大，从污泥区底部到反应器顶部的整个垂直断面上，都能够保持较高污泥浓度，这为泥水的充分接触提供了良好的条件，从而能够保持较高的产气率，以及污泥的较高生物活性；（3）在一定程度上降低了UASB反应器的总高度。但在实验中也存在一些缺陷，如在沉降区仍有个别厌氧现象的发生，另外，能否不使用搅拌器而完全利用气流水流的推动，以及反应器中混合液的密度差来实现污泥区的高度膨胀，并形成良好的内部循环等。

3.EGSB厌氧反应器

EGSB 是在UASB 的基础上发展起来的, 为了达到颗粒污泥的膨胀，必须提高液体升流速度，其速度一般可达到5-10m /h, 远高于UASB 的0.6- 0.9m /h。要达到这样高的升流速度，即使是低浓度废水也难以达到，必须采取出水回流的方法。EGSB反应器运行的可行性很大程度上取决于反应器在高的液体表面升流速度下的污泥滞留。为了防止污泥流失，对三相分离器的固液分离要求特别高，近来开发的高效液相分离器多为专利，是EGSB反应器的关键技术。虽然EGSB反应器液体表面流速很大，但颗粒污泥的沉降速度也很大，并有专门的三相分离器，所以颗粒污泥不会流失，使反应器内仍维持很高的生物量。

大部分高效厌氧反应器（如：AF,UASB,AFB等）一般只作为处理高浓度工业废水。用这些反应器处理低浓度废水时存在一些问题，如进水COD较低，反应器的负荷较低，甲烷产量