高速厭氧反應器的現(xiàn)狀與發(fā)展

汪艷霞

（太原學院環(huán)境工程系，山西太原 030032）

傳統(tǒng)厭氧消化工藝水力停留時間長、處理效率低，其主要原因有以下兩點：（1）厭氧反應器內(nèi)沒有足夠量的高活性微生物，尤其是產(chǎn)甲烷微生物；（2）污水和微生物間沒有充分接觸.傳統(tǒng)厭氧消化工藝的這些缺點導致了傳統(tǒng)厭氧消化工藝的使用受到了限制.近年來，世界能源危機顯著，生物化學和微生物學的發(fā)展比較迅速，于是人們把焦點再次投向厭氧生物處理技術(shù)，相繼出現(xiàn)了以UASB反應器為代表的第二代厭氧反應器和EGSB反應器為代表的第三代厭氧反應器.采用第二代反應器，可使反應器內(nèi)水力停留時間（HRT）和污泥停留時間（SRT）進行分離，污水在反應器內(nèi)的水力停留時間得到大大縮減（由原來的數(shù)十天縮減至幾天，有時甚至是幾個小時），反應器的容積大大減小.第三代反應器相比較第二代反應器，在構(gòu)造上進行了改進，改進后它可有效截留反應器內(nèi)的生物固體，使得反應器內(nèi)不同區(qū)域均生長微生物，污水和污泥進行充分接觸，從而提高處理效率.第三代厭氧反應器的應用范圍也發(fā)生了改變，由對高濃度有機廢水的處理擴展到對低溫、低濃度廢水以及一些含難降解物質(zhì)、有毒物質(zhì)的處理.

1 UASB反應器

UASB反應器是目前應用最為廣泛的厭氧反應器，是20世紀70年代由荷蘭的Lettlnga等人開發(fā)的，反應器由氣、液、固三部分組成，反應器底部為厭氧顆粒污泥床，污泥床的生物活性很高，沉降性能也很好.顆粒污泥床上部是懸浮污泥層，其濃度較低.

廢水由反應器的底部進入反應器，流經(jīng)厭氧顆粒污泥床和懸浮污泥層時，被微生物降解，產(chǎn)生沼氣，隨著水流方向，反應器內(nèi)的水、氣、泥混合液也上升，上升至三相分離器后，氣體進入集氣室，水和泥進入沉降室.在沉降室內(nèi)，進行泥水分離，污泥沉降至反應區(qū)，處理以后的上清液從沉降室上方排走.

反應器利用污泥顆?；粌H實現(xiàn)了污泥停留時間與水力停留時間的分離[1]，而且保證了高有機負荷率（一般為10 kg COD/（m3.d）和高生物量（一般為20～40 g VSS/L））[2].

盡管如此，UASB反應器仍面臨很多問題：（1）污泥流失比較嚴重，水力負荷難以提高；（2）對所處理廢水的溫度有要求，適宜處理水溫為17℃以上；（3）不能有效處理難生物降解物質(zhì)和有毒物質(zhì)；（4）顆粒污泥的處理能力很難得到大幅提高，不能使得泥水進行很好的接觸；（5）無法強化傳質(zhì)過程，傳質(zhì)依然是限制生化反應速率的主要因素；（6）COD去除率并不高，通常為45%～75%.

2 EGSB反應器

基于對上述UASB反應器的研究結(jié)論，人們考慮可以設(shè)計一種反應器，使顆粒污泥床能夠在反應器內(nèi)充分膨脹，EGSB反應器由此就產(chǎn)生了.該反應器采用較大的高徑比，且對上清液部分出水采用回流進水，這樣就使反應器內(nèi)的液體上升流速得以較大提高，從而達到污泥床充分膨脹的目的.

出水循環(huán)是EGSB反應器不同于UASB反應器之處（見圖1），從而使EGSB反應器具有以下顯著特點：

圖1 UASB反應器和EGSB反應器

（1）在高負荷下取得高處理率，尤其是在低溫下，對低濃度有機廢水的高處理率.如處理未酸化的廢水達到同樣去除率，在10℃時，UASB負荷為0.5～1.5 kg COD/（m3.d），而EGSB可達到2～5 kg COD/（m3.d）；在15℃時，UASB負荷為2～4 kg COD/（m3.d），而EGSB可達到6～10 kgCOD/（m3.d）[3].

（2）由于采用較大高徑比，使反應器內(nèi)液體上升流速可維持在3～10m/h的范圍內(nèi)，從而可有效減少占地面積.

（3）EGSB的顆粒污泥的凝聚性能和沉降性能均很好，污泥的粒徑很大，可達到3～4mm，顆粒沉速可達60～80m/h，機械強度也較高[4，5].

（4）三相分離器設(shè)計是EGSB高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵[6].

（5）低基質(zhì)濃度低溫度廢水會導致微生物活性降低，但EGSB反應器采用較高的基質(zhì)濃度和溫度的廢水，污泥和污水可充分接觸，使得處理低溫低濃度廢水的效率大大提高[7，8].Kato[9]等人采用225.5 L的EGSB反應器在30℃時處理以乙醇為基質(zhì)的模擬低濃度廢水.結(jié)果表明，當控制在2.5～5.5m/h范圍內(nèi)時，只要選擇適當?shù)腛LR，當進水濃度為300～700mg COD/L甚至100～200mg COD/L時，COD去除率均可達90%以上.

（6）對超高COD濃度廢水和含毒性、難降解物質(zhì)的廢水，EGSB反應器可通過稀釋作用、強化傳質(zhì)來促進微生物降解基質(zhì)，從而達到較好處理效果[10].荷蘭Calidic Europoort化工廠對該廠COD為40000mg/L、甲醛為10000mg/L、甲醇為2000mg/L的廢水用EGSB反應器進行處理.發(fā)現(xiàn)EGSB反應器在進水流量5 m3/h，循環(huán)流量145m3/h，HRT1.8 h，9.4m3/h，容積負荷17 kg COD/m3.d的運行條件下，出水COD從未超過800mg/L，COD去除率高達98%，出水甲醇和甲醛濃度平均為20mg/L，去除率可高達99.8%[11].

3 微氧EGSB反應器

雖然傳統(tǒng)設(shè)計的EGSB反應器的去除效率較高，但對目前越來越多的含難降解、有毒物質(zhì)的廢水，僅是通過稀釋、強化傳質(zhì)、保證微生物與污染物質(zhì)的充分接觸、提高SRT等手段，并不能徹底降解.因有許多難降解物質(zhì)，如DDT、多環(huán)芳香烴、高氯化有機物等，在嚴格厭氧或嚴格好氧條件下是不能徹底降解或不能降解的，需要厭氧與好氧微生物共同作用才能降解.

微氧產(chǎn)甲烷技術(shù)正是適應這種需求而產(chǎn)生的.微氧產(chǎn)甲烷技術(shù)是美國學者D.H.Zitomer和J.Dshrout提出的，通過往厭氧反應器中加入少量氧氣使得在同一反應器中可同時進行好氧呼吸和產(chǎn)甲烷兩個過程，從而使該系統(tǒng)的特點如下：

3.1 污泥產(chǎn)量少（接近厭氧）

Zitomer以丙酸、乙醇為基質(zhì)，反應器采用血清瓶，廢水中分別通入0%、10%、30%COD的氧氣添加量，分析污泥產(chǎn)率系數(shù)（Y），結(jié)果表明：（1）當氧氣添加量為0%COD時，此時反應為厭氧狀態(tài)，丙酸和乙醇的Y值分別為0.062和0.058 g VSS/g COD；（2）當氧氣添加量為30%COD、10%COD時，反應為微氧狀態(tài)，丙酸和乙醇的Y值分別為0.093、0.067 g VSS/g COD和0.12、0.081 g VSS/g COD[12].而一般采用好氧工藝時，污泥產(chǎn)率系數(shù)通常為0.4 g VSS/g COD左右，因此，微氧產(chǎn)甲烷條件下的Y值與嚴格厭氧條件下的Y值很接近，污泥產(chǎn)量少.

3.2 出水COD低

在好氧條件下，乙酸鹽能被大量好氧微生物代謝，而在厭氧條件下只有少數(shù)幾種微生物能代謝乙酸鹽，從而使厭氧處理系統(tǒng)的出水中揮發(fā)性脂肪酸濃度較高[13].董春娟[14]等人在實驗過程中，向蔗糖內(nèi)通入部分氧氣，使系統(tǒng)處于微好氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的COD去除率高.原因是系統(tǒng)在微好氧產(chǎn)甲烷狀態(tài)時，乙酸、丙酸等這類中間代謝產(chǎn)物可以發(fā)生好氧反應進行降解.另外微好氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)由于厭氧形成的部分還原性物質(zhì)（如H2S）和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）被氧化、可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）少等原因而降低了出水的COD濃度.

3.3 高產(chǎn)甲烷活性

高產(chǎn)甲烷活性很高，原因是在微氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中，能迅速氧化VFA，能氧化和吹脫H2S，從而減少了毒性中間產(chǎn)物的積累，而中間產(chǎn)物的積累和高H2S濃度、高VFA濃度均可使產(chǎn)甲烷活性有所降低.

3.4 抗沖擊負荷能力強

系統(tǒng)的pH值能夠迅速回升.在實驗中將有機負荷由0.25 g COD/LR·d增至4 g COD/LR·d，考察反應器內(nèi)pH值的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，pH值由大約7降至5，而在厭氧反應器內(nèi)，pH值在經(jīng)過52 d后仍未恢復到原值[15].分析原因在微氧產(chǎn)甲烷狀態(tài)下，H2和CO2被吹脫，VFA的微好氧代謝，使得pH值的恢復加速了.

基于微氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的上述特點，可在EGSB反應器的基礎(chǔ)上設(shè)計出微氧EGSB反應器，使其不僅具有傳統(tǒng)EGSB反應器的優(yōu)點，更重要的是由于微量氧的參與，使得反應器內(nèi)氧化與還原作用可以同時發(fā)生，厭氧菌、好氧菌、兼性菌等可以同時存在，對一些單純在絕對厭氧或者絕對好氧狀態(tài)下難降解的物質(zhì)進行有效降解.微氧反應器結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 微氧EGSB反應器

4 結(jié)語

EGSB反應器通過顆粒污泥的形成實現(xiàn)了HRT與SRT的真正分離，采用出水外循環(huán)保證了污泥與污水的良好接觸，保證了系統(tǒng)的高效運行.對于一些難降解、有毒污染物質(zhì)的處理，EGSB反應器僅僅是通過外循環(huán)產(chǎn)生的稀釋作用來實現(xiàn).在傳統(tǒng)EGSB反應器內(nèi)通入微量氧，可產(chǎn)生氧化還原、厭氧好氧共存環(huán)境，對一些單純在絕對厭氧或者絕對好氧狀態(tài)下難降解的物質(zhì)進行有效降解.隨著越來越多含難降解、有毒污染物質(zhì)工業(yè)廢水的出現(xiàn)，微氧EGSB反應器的應用必將引起更多人的高度重視.

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