特种废水厌氧生物处理

• 概述
  厌氧生物处理法最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处埋高浓度有机废水，采用的是普通厌氧生物处理法。普通厌氧生物处理法的主要缺点是水力停留时间长，沉淀污泥中温硝化时，一般需20-30d。因为水力停留时间长。所以硝化池的容积大，基本建设费用和运行管理费用都较高。这个缺点限制了厌氧生物处理法在各种有机废水处理中的应用。
  20世纪60年代以后，由于能源危机导致能源价格猛涨，厌氧发酵技术日益受到人们的重视，对这一技术在废水处理领城的应用开展了广泛、深入的科学研究工作，开发了一系列效率高的厌氧生物处理反应器，如厌氧接触法、厌氧生物滤池、升流式厌氧污泥床、厌氧膨胀床和厌氧流化床、厌氧生物转盘、厌氧档板式反应器等。
  现在，厌氧生物处理技术不仅用于处理有机污泥、高浓度有机废水，而且还能够有效地处理诸如城市污水这样的低浓度污水。与好氧生物处理技术相比。厌氧生物处理技术具有一系列明显的优点，具有十分广阔的发展与应用前景。
  1. 厌氧生物处理的原理
     废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(包括兼性做生物)的作用，将废水的各种复杂有机物分解转化成甲烷和和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化，它与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等为受氢体。
     厌氧生物处理是一个复杂的生物化学过程，依靠两大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产醋酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成，因而可粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，如图5-7所示。
  2. 厌氧生物处理的优缺点
     厌氧生物处理法具有下列优点：
     (1)有机物负荷高：容积负荷为10-60kg COD/(m3·d)或7-45kg BOD/(m3·d)；污泥负荷为0.5-1.5kg BOD/(kgVSS·d)或0.3-1.2kg BOD/(kgVSS·d)。
     (2)污泥产量低：污泥产率为0.04-0.15kg VSS/kgCOD或0.07-0.25kg VSS/kgBOD。
     (3)能耗低：酸性发酵时混合液溶解氧浓度一般为0-0.5mg/L，甲烷发酵时溶解氧浓度为零，另外产生的沼气可作为能源。去除每kgBOD一般可产生0.35m3的沼气，沼气的发热量为21-23MJ/m3。
     (4)营养物需要量少：需要量为COD:N:P=100:1:0.1或BOD:N:P=100:2:0.3。
     (5)应用范围广：可用于处理高浓度有机废水，也可处理低浓度有机废水。有些有机物好氧微生物对其是难降解的，而厌氧微生物对其却是可降解的。
     (6)对水温的适宜范围较广：处理根据产甲烷菌的最宜生存条件可分为3类：低温菌生长温度范围为10.30℃，最宜20℃左右；中温菌范围为30-40℃，最宜为35-38℃；高温菌为50-60℃；最宜为51-53℃。尽管产甲烷菌分为3类，但大多数产甲烷菌的最适温度在35-40℃之间。厌氧生物处理应尽量不采取加热的措施，但在常温时处理复杂的非溶解性有机物是困难的，高温更有利手对纤维素的分解和寄生虫卵的杀灭。
     厌氧处理法的缺点有：
     (1)厌氧处理设备启动时间长。因为厌氧微生物增殖缓慢，启动时经接种、培养、驯化达到设计污泥浓度的时间比好氧生物处理长，一般需要8-12周。
     (2)处理后出水水质差，往往需进一步处理才能达到排放标准。一般在厌氧处理后串联好氧生物处理。
• 厌氧活性污泥法
  1. 厌氧接触法
     (1)厌氧接触法工艺流程
     厌氧接触法是在普通污泥硝化池的基础上，并受活性污泥系统的启示而开发的，其流程如图5-8所示。
     厌板接触法的主要特征是在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维待较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时间。
     根据生物固体平均停留时间，可得下式：θc=VX/QXe+QwXw
     式中 θc--生物固体平均停留时间，d；
     X--反应器中微生物浓度，g/m3；
     V--反应器容积，m3；
     Xe--出水微生物浓度，g/m3；
     Q--处理废水流量，m3/d；
     Xw--剩余污泥微生物浓度，g/m3；
     Qw--剩余污泥排放量，m3/d。
     假设系统的剩余污泥很少，甚至可做到不从系统排放剩余污泥，则Qw=0，上式可改写为：θc=VX/QXe=tX/Xe
     式中 t--水力停留时间，t=VQ，d。
     对无污泥回流的完全混合式普通厌氧法来说，因为出水微生物浓度Xe等于消化池中微生物浓度X，所以水力停留时间t等于生物固体停留时间θc。众所周知，对中温污泥消化，为了满足甲烷菌的生长繁殖条件，生物固体停留时间一般需要20-30d，因此普通厌氧法的水力停留时间要求20-30d以上。
     对于有污泥回流的完全混合式厌氧接触法，因池内混合液微生物浓度X大于沉淀池出水微生物浓度Xe，所以水力停留时间t小于生物固体停留时间θc。混合液微生物浓度越高和出水微生物浓度越低，则水力停留时间越短。与普通厌氧法相比，该工艺的主要特点是提离了混合液的微生物浓度和减少了出水微生物浓度。这也是各种新型厌氧法所具有的共同特点。
     厌氧接触法存在的问题是，从厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量气泡，在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走。此外，进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动，并产生沼气，使已沉下的污泥上翻.，结果固液分离效果不佳。出水中SS、COD、BOD等各项指标均增高，另外回流污泥浓度却因此而降低，影响到反应器内污泥浓度的提高。对此可采取下列技术措施：
     1)在反应器与沉淀池之间设脱气器，维持约4900Pa的真空度，尽可能将混合液中的沼气脱除。但这种措施不能抑制产甲烷菌在沉淀池内继续产气。
     2)在反应器与沉淀池之间设冷却器，使混合液的温度由35℃降至15℃，以抑制产甲烷菌在沉淀池内活动，将冷却器与脱气器联用能够有效地防止产生污泥上浮现象。冷却器实际上是热交换器，可以利用它加热进入反应器的废水。
     3)投加混凝剂，提高沉淀效果。
     (2)厌氧接触法在废水处理中的应用
     厌氧接触法用于高浓度有机废水处理，目前在一些国家已有不少生产装置，在我国也已用于处理某些工业废水。例如酒精厂废水的处理、屠宰厂废水的处理等。
  2. 升流式厌氧污泥床(UASB)
     (1)升流式厌氧污泥床的构造
     升流式厌氧污泥床在构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器(见图5-9)。
     反应器主要由下列几部分组成
     1)进水配水系统，其主要功能是：①将进入反应器的原废水均匀地分配到反应器整个横断面，并均匀上升；②起到水力搅拌的作用。这都是反应器高效运行的关键环节。
     2)反应区，是升流式厌氧污泥床的主要部位，包括颗粒污泥区和悬浮污泥区。在反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好凝聚和沉淀性能的污泥在池底部形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡不断地放出。微小气泡在上升过程中不断合并，逐渐形成较大的气泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。
     3)三相分离器，由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是将气体(沼气)、固体(污泥)和液体(废水)等三相进行分离。沼气进入气室，污泥在沉淀区进行沉淀，并经回流缝回流到反应区。经沉淀澄清后的废水作为处理水排出反应器。三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果。
     4)气室，也称集气罩，其功能是收集产生的沼气，并将其导出气室送往沼气柜。
     5)处理水排出系统，功能是将沉淀区水面上的处理水，均匀地加以收集，并将其排出反应器。
     此外，在反应器内根据需要还要设置排泥系统和浮渣清除系统。
     (2)升流式厌氧污泥床的特点
     与其他类型的厌氧反应器相较。升流式厌氧污泥床具有一系列的优点，其中包括：
     1)污泥床内生物量多，折合浓度计算可达20-30g/L。
     2)容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般可达10kgCOD/(m3·d)左右，甚至能够高达15-40kgCOD/(m3·d)，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。
     3)设备简单，运行方便，不需设沉淀池和污泥回流装置，不需充填填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。
  3. 厌氧膨胀床和厌氧流化床
     由于UASB反应器内混合强度不够，容易形成短流，从而导致污染物对微生物产生抑制和毒害作用。为解决这一矛盾，需要提高反应器水力负荷，同时采用出水回流的方式来降低污染物对微生物的毒害。基于此目的，第2代厌氧处理工艺膨胀颗粒污泥床(EGSB)应运而生。EGSB作为第2代厌氧污水处理设备，由于它的上流速度大，颗粒污泥沉降性能好，COD去除率高，有机负荷高，在处理低浓度有机废水和含难降解有机物的工业废水等方面有着独特的优势，从而具有广阔的应用前景。
     (1)厌氧膨胀床和厌氧流化床的工艺流程
     工艺流程如图5-10所示。床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒径一般为0.2 -1mm。废水从床底部流入，为使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升流速。关于吸氧膨胀床和厌氧流化床的定义，目前尚无定论，一般认为膨胀率为10%-20%时，称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，但仍保持互相接触；膨胀率为20%-70%时，称为流化床，颗粒在床中作无规则自由运动。
     (2)厌氧膨胀床和厌氧流化床的特点
     1)细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度，一般为30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，一般为10-40kgCOD(m3·d)。水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定；
     2)载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；
     3)床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；
     4)既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处理。
     厌氧流化床的主要缺点有：
     1）载体流化耗能较大；
     2〕系统的设计要求高。
  4. 内循环厌氧处理技术(IC工艺)
     内循环厌氧反应器(Internal Circulation,IC)是荷兰PAQUES公司于20世纪80年代研究开发成功的第3代高效厌氧反应器。IC反应器是在UASB反应器的基础上发展起来的，与UASB反应器相比，它其有处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等优
     点，因而受到各国水处理工作者的瞩目，被称为目前世界上处理效能最高的厌氧反应器。
     (1)基本构造
     IC反应器的基本构造如图5-11所示。IC反应器实际上是由两个上下重叠的UASB反应器串联组成，底部的一个处于极端的高负荷，上部的一个处于低负荷。反应器一般高16-25m，容积负荷是UASB反应器的4倍左右，高径比为4-8。反应器由5个部分组
     成：混合区、第1反应室、第2反应室、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和回流管组成。IC反应器的主要特点就是反应器内部能够形成液体内循环，使有机物与颗粒污泥的传质过程加强，反应器的处理能力得到提高。它的另一个特点是在高的反应器内将沼气的分离分为两个阶段。
     (2)工作原理
     污水直接进入反应器的底部，通过布水系统与颗粒污泥混合。在底部的高负荷区内有一个污泥膨胀床。在这里COD大部分被转化为沼气，沼气被第1级三相分离器所收集。由于COD负荷高，沼气产量很大，在上升过程中会产生很强的提升能力，使污水和部分污泥通过沼气提升管上升到顶部的气液分离器中，在这个分离器中产生的沼气被收集排出，污泥和水的混合液通过回流管回到反应器底部，从而完成内循环过程。从底部第1个反应室的出水进入上部第9个反应室进行后处理，在此产生的沼气被第2级三相分离器收集。因为第9反应室里的COD浓度已经很小，所产生的沼气量也很少，水力负荷和产气负荷都很低。有利于污泥的沉降滞留。
• 厌氧生物膜法
  1. 厌氧生物滤池
     (1)厌氧生物滤池的构造
     厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没地通过滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中的有机污染物被去除。产生的沼气则聚集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水则由旁侧流出。为了分离处理水带出的生物膜，一般在滤池后需设沉淀池。
     滤料是厌氧生物滤池的主体部分，滤料应具备下列各项条件：比表面积大、孔隙率高、表面粗糙、生物膜易于附着、化学及生物学的稳定性强、机械强度高等。常用的滤料有碎石、卵石、焦炭和各种形式的塑料滤料。碎石、卵石滤料的比表面积较小(40-50m2/m3、孔隙率较低(50%-60%)，产生的生物膜较少，生物固体的浓度不高。有机负荷较低(仅为3-6kgCOD(m3·d))，运行中容易发生堵塞与短流现象。塑料滤料的比表面积和孔隙率都比较大，如波纹板滤料的比表面积达100-200m=m2/m3，孔隙率达80%-90%。因此，有机负荷大为提高，在中温条件下，可达5-15kgCOD/(m3·d)，这样的滤池不
     易堵塞。
     (2)厌氧生物滤池的形式
     根据水流方向，厌氧生物滤他可分为升流式和降流式两种形式(见图5-12)。
     升流式厌氧生物滤池，废水由底部进入，向上流动通过滤料层，处理水从滤池顶部旁册流出。沼气则通过设于滤池顶部最上端的收集管排出滤池。
     在升流式厌氧生物滤池中，生物大部分以生物膜的形式附在滤料表面，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的间隙中，它的生物总量比降流式厌氧生物滤池高，因此效率高，这是它的主要优点。普通升流式厌氧生物滤池的主要缺点有：1)底部易于堵塞；2)污泥浓度沿深度分布不均匀，上部滤料不能充分利用。为克服这些缺点可采取处理出水回流的措施。
     采取处理水回流措施的目的：1)降低原废水悬浮固体与有机物的浓度，提高水力负荷，提高池内水流的上升速度，减少滤料空隙间的悬浮物，减轻堵塞的可能性；2)可使滤料层中的生物膜量趋于均匀分布，充分发挥滤池作用，提高净化功能。
     降流式厌氧生物滤池，处理水由滤池底部排出，沼气收集管仍设于池顶部上端，堵塞问题不如升流式厌氧生物滤池那样严重。
     厌氧生物滤池的滤料层厚度取决于采用的滤料。碎石、卵石等块状滤料，滤料层厚度以不超过1.2m为宜；塑料滤料，则可采用5m以上的滤料层。
     厌氧生物滤池的特点：1)生物量浓度较高，因此，有机负荷率较高；2)能够承受水量或水质的冲击负荷；3)不需污泥回流；4)设备简单、能耗低、运行管理方便，费用低；5)无污泥流失，处理水挟带污泥较少。此外，厌氧生物滤池适宜用于溶解性有机废水的处理；升流式滤池的底部易于堵塞，因此，进水悬浮物含量不应超过200mg/L。
  2. 厌氧生物转盘
     (1)厌氧生物转盘的构造
     厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，其不同之处在于上部加盖密封，为收集沼气和防止液面上的空间有氧存在。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成。盘片分为固定盘片(挡板)和转动盘片，相间排列，以防盘片间生物膜粘连堵塞，固定盘片一般设在起端。转动盘片串联，中心穿以转轴，轴安装在反应器两端的支架上，其构造如图5-13所示。废水处理靠盘片表面生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧活性污泥共同完成。盘片转动时，作用在生物膜上的剪力将老化的生物膜剥下，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。沼气则从槽顶排出。
     (2)厌氧生物转盘的特点
     厌氧生物转盘主要有下列特点：
     1)微生物浓度高，可承受高额的有机物负荷，一般在中温发酵条件下，有机物面积负荷可达0.04kgCOD/[m2(盘片)·d]左右，相应的COD去除率可达90%左右；
     2)废水在反应器内按水平方向流动，不需提升废水，从这个意义来说是节能的；
     3)不需处理水回流。与厌氧膨胀床和流化床相比，既节能又便于操作；
     4)可处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；
     5)由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性；
     6)具有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；
     7)可采用多级串联，各级微生物处于最佳的生存条件下；
     8)便于运行管理。
     厌氧生物转盘的主要缺点是盘片成本较高，使整个装置造价很高。厌氧生物转盘在目前还处于试验阶段，在生产中还很少用。
  3. 厌氧挡板式反应器
     (1)厌氧挡板式反应器的构造和工艺流程
     厌氧挡板式反应器是美国Mccarty于1982年开发的一种新型厌氧活性污泥法。厌氧挡板式反应器及废水处理工艺流程如图5-14所示。在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来保持反应器内较高的污泥浓度以减少水力停留时间。挡板把反应器分为若干个上向流室和下向流室。上向流室比较宽，便于污泥聚集，下向流室比较窄，通往上向流的导板下部边缘处加60°的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持较高的污泥浓度。当废水COD浓度高时，为避免出现挥发性有机酸浓度过高，减少缓冲剂的投加量和减少反应器前端形成的细菌胶质的生长，处理后的水进行回流，使进水COD稀释至大约5-10g/L，当废水浓度较低时，不需进行回流。
     厌氧挡板反应器是从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘的转动盘不动。并全为固定盘，这样就产生了厌氧挡板反应器。厌氧挡板反应器与厌氧转盘比较，可减少盘的片数和省去转动装置。厌氧挡板反应器实质上是一系列的升流式厌氧污泥床，由于挡板的截留，流失的污泥比升流式污泥床少，反应器内不设三相分离器。
     (2)厌氧挡板式反应器的特点
     1)反应器启动期短。试验表明。接种一个月后就有颗粒污泥形成，两个月就可投入稳定运行。
     2)避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题。
     3)避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生的污泥流失问题。
     4)不需混合搅拌装置。
     5)不需载体。

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