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厭氧反應(yīng)器的發(fā)展歷程

2020-05-18

厭氧處理技術(shù)相對(duì)于其他污水處理技術(shù)來(lái)說(shuō)，更為綠色和生態(tài)，同時(shí)具有成本-效果優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，厭氧反應(yīng)器在研究與應(yīng)用方面更是取得了長(zhǎng)足發(fā)展。本文回顧了厭氧反應(yīng)器工藝技術(shù)，并進(jìn)一步探討厭氧反應(yīng)器的發(fā)展前景。

1895 年Donald 設(shè)計(jì)了******上第1個(gè)厭氧化糞池。1896 年英國(guó)出現(xiàn)了第1 座用于處理生活污水的厭氧消化池。1904 年德國(guó)的Imhoff 將其發(fā)展成為Imhoff 雙層沉淀池(即隱化池) 。20 世紀(jì)初,我國(guó)臺(tái)灣省新竹縣的羅國(guó)瑞建成有實(shí)用價(jià)值的“中華國(guó)瑞天然瓦斯庫(kù)”。

19世紀(jì)40 年代在澳大利亞出現(xiàn)了連續(xù)攪拌的厭氧消化池,改善了厭氧污泥與廢水的混合,提高了處理效率。但在本質(zhì)上,反應(yīng)器中的微生物(即厭氧污泥) 與廢水或廢料是完全混合在一起的,污泥在反應(yīng)器里的停留時(shí)間(SRT) 與廢水的停留時(shí)間(HRT) 是相同的,因此污泥在反應(yīng)器里濃度較低,處理效果差。廢水在反應(yīng)器里要停留幾天到幾十天之久。此時(shí)的厭氧處理技術(shù)主要用于污泥與糞肥的消化,它尚不能經(jīng)濟(jì)地用于工業(yè)廢水的處理。

roepfer 在20 世紀(jì)50 年代開發(fā)了厭氧接觸反應(yīng)器。這種反應(yīng)器是在連續(xù)攪拌反應(yīng)器的基礎(chǔ)上于出水沉淀池中增設(shè)了污泥回流裝置,使部分厭氧污泥又重新返回到反應(yīng)器中,從而增大了反應(yīng)器中厭氧污泥的濃度,使厭氧污泥在反應(yīng)器中的停留時(shí)間******次大于水力停留時(shí)間,因此其處理效率與負(fù)荷顯著提高。就反應(yīng)器中污泥濃度通過液固分離、回流而提高這一點(diǎn)來(lái)說(shuō),厭氧接觸工藝與好氧活性污泥工藝頗為類似。由于厭氧微生物生長(zhǎng)緩慢,世代時(shí)間長(zhǎng),而厭氧消化池?zé)o法將水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分離,由此造成水力停留時(shí)間必須較長(zhǎng),一般來(lái)講第1 代厭氧反應(yīng)器處理廢水的停留時(shí)間至少需要20-30天。

隨著發(fā)酵工程中固定化技術(shù)的發(fā)展,人們認(rèn)識(shí)到提高反應(yīng)器中污泥濃度的重要性。于是基于微生物固定化原理的高速厭氧反應(yīng)器得以發(fā)展。******個(gè)突破性的發(fā)展出現(xiàn)于1967 年J . C. Young 和P.L.McCarty發(fā)明了厭氧濾器 (Anaerobic filter, 簡(jiǎn)稱AF) 。它的成功之處在于在反應(yīng)器中加入固體填料,微生物由于附著生長(zhǎng)在填料的表面,免于水力沖刷而得到保留,巧妙地將平均水力停留時(shí)間與生物固體停留時(shí)間相分離,其固體停留時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)上百天,這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時(shí)間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時(shí)或幾天。在相同的溫度下,厭氧濾池的負(fù)荷高出厭氧接觸工藝2～3倍,同時(shí)有很高的COD 去除率,而且反應(yīng)器內(nèi)易于培養(yǎng)出適應(yīng)有毒物質(zhì)的厭氧污泥。

1974 年,厭氧處理的******突破是荷蘭農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境系Lettinga 等發(fā)展的上流式厭氧污泥床(Upflow Anaerobic SludgeBed ,簡(jiǎn)稱UASB) 反應(yīng)器,其******特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥保證了高濃度的厭氧污泥。UASB 反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)負(fù)荷高,水力停留時(shí)間短,處理周期大為縮短;反應(yīng)器無(wú)填料,無(wú)污泥回流裝置,無(wú)攪拌裝置,成本和運(yùn)行費(fèi)用大大降低;初次啟動(dòng)后可直接以污泥顆粒接種,目前已成為應(yīng)用***廣泛的厭氧處理方法。

******厭氧處理反應(yīng)器中不僅要分離污泥停留時(shí)間和平均水力停留時(shí)間,還應(yīng)使進(jìn)水和污泥之間保持充分的接觸。第2 代厭氧反應(yīng)器的發(fā)展主要基于固體停留時(shí)間與水力停留時(shí)間分離而發(fā)展產(chǎn)生的新型反應(yīng)器。但是對(duì)于進(jìn)水無(wú)法采用高的水力和有機(jī)負(fù)荷的情況下,例如,在低溫條件下采用低負(fù)荷工藝時(shí),由于在污泥床內(nèi)混合強(qiáng)度太低,以致無(wú)法抵消短流效應(yīng)。對(duì)于這種情況,第2 代反應(yīng)器的應(yīng)用負(fù)荷和產(chǎn)氣率受到限制。為獲得高的攪拌強(qiáng)度,而采用高的反應(yīng)器的設(shè)計(jì)以獲得高的上升流速或采用出水回流。正是為了解決上述問題,20 世紀(jì)90 年代初在國(guó)際上以厭氧升流式流化床反應(yīng)器UBF ,厭氧膨脹顆粒污泥床EGSB ,內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器IC ,厭氧折流板反應(yīng)器ABR 為典型代表的第3 代厭氧反應(yīng)器相繼出現(xiàn)。

厭氧升流式流化床反應(yīng)UABF （Upflow Anaerobic BedFilter) 是由UASB 反應(yīng)器與厭氧濾池結(jié)合的厭氧復(fù)合反應(yīng)器 。該工藝是由美國(guó)Biothane 系統(tǒng)國(guó)際公司所開發(fā)的一種新型反應(yīng)器。可以在極高的水和氣體上升流速(二者都可達(dá)到5~7 m/h)產(chǎn)生和保持顆粒污泥,所以不用采用載體物質(zhì)。由于高液體和氣體上升流速造成進(jìn)水和污泥之間的良好混合狀態(tài),因此系統(tǒng)可采用15-20kg/ (m3·d) 的COD 負(fù)荷,COD 去除率為60 %～95 %。

膨脹顆粒污泥床( Expanded Granular S1udge Bed) ,簡(jiǎn)稱EGSB 是在UASB 反應(yīng)器的基礎(chǔ)上于20 世紀(jì)80 年代后期荷蘭Wageningen 農(nóng)業(yè)大學(xué)環(huán)境系開始研究的新型厭氧反應(yīng)器。ESGB 與UASB 反應(yīng)器的不同之處僅僅在于運(yùn)行方式。上升流速度高達(dá)2.5~6.0 m/h ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UASB 反應(yīng)器中采用的約0.5~2.5m/h 的上流速度。因此,在ESGB 反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥床處于“膨脹狀態(tài)”,而且在高的上流速度和產(chǎn)氣的攪拌作用下,廢水與顆粒污泥間的接觸更充分,水力停留時(shí)間更短,從而可大大提高反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷和處理效率。ESGB 反應(yīng)器能在超高有機(jī)負(fù)荷[COD 達(dá)到30 kg/ (m3·d) ]下處理化工、生化和生物工程工業(yè)廢水。同時(shí),ESGB 反應(yīng)器還適合于處理低溫(10 ℃) 和低質(zhì)量濃度(COD 小于1. 0 g/ L)和難處理的有毒廢水。

內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器( Interior Circulation) ,簡(jiǎn)稱IC 反應(yīng)器是基于UASB 反應(yīng)器顆粒化和三相分離器而改進(jìn)的新型反應(yīng)器,實(shí)際上相當(dāng)于由2 個(gè)UASB 反應(yīng)器的單元相互重疊而成。1 個(gè)處于高負(fù)荷而另1 個(gè)處于低負(fù)荷。第1 個(gè)反應(yīng)室包含顆粒污泥膨脹床,在此大多數(shù)的COD 被轉(zhuǎn)化為沼氣。所產(chǎn)生的沼氣被下層相分離器收集,收集的氣體產(chǎn)生氣提作用,污泥和水的混合液通過上升管帶到位于反應(yīng)器頂部氣液分離器。沼氣在這里從泥水混合液中分離出來(lái),并且排出系統(tǒng)。泥水混合液直接流到反應(yīng)器的底部,造成反應(yīng)器的內(nèi)部循環(huán)流。在反應(yīng)器的較低部分,液體的上升流速在10—20 m/h 之間。經(jīng)過下部反應(yīng)室處理后的污水進(jìn)上部反應(yīng)室,所有剩余的可生化降解的有機(jī)物將被去除。在這個(gè)反應(yīng)室里的液體的上升流速一般在2—10 m/ h。

折流式厭氧反應(yīng)器(Anaerobic Baffled Reactor , ABR) 是Bachmann 和McCarty 等人于1982 年前后提出的新型的******厭氧反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置豎向?qū)Я靼鍖⒎磻?yīng)器分隔成串聯(lián)的幾個(gè)室,每個(gè)反應(yīng)室都是相對(duì)獨(dú)立的上流式厭氧污泥反應(yīng)器(UASB) 系統(tǒng),水流由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流前進(jìn),逐個(gè)通過反應(yīng)室內(nèi)污泥床層,進(jìn)水中的底物與微生物充分接觸而得到降解去除。該反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了分相多階段厭氧的思路,運(yùn)用擋板構(gòu)造在反應(yīng)室內(nèi)形成幾個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)室,每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)馴化培養(yǎng)出與該處環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物群落,在各個(gè)反應(yīng)室中的微生物相是流程逐級(jí)遞變的。微生物相的遞變規(guī)律與底物降協(xié)調(diào)一致,從而確保相應(yīng)的微生物相擁有******的工作活性。反應(yīng)器的流態(tài)是以推流為主的流動(dòng)特性,保證系統(tǒng)的出水水質(zhì),對(duì)沖擊負(fù)荷及進(jìn)水中的有毒物質(zhì)具有更好的緩沖適應(yīng)能力,并有利于掌握有機(jī)物的降解規(guī)律和過程。