厭氧生物處理工藝講義-資料下載頁

【導讀】生物的共同作用下，使有機物分解并產生CH4和CO2的過程。率快，2）對環境條件的適應性強。點是：1）生長速率慢，世代時間長；2）對環境條件非常敏感，要求苛刻。反應過程的本質；脂肪酸和甲醇以外的醇類；產氫產乙酸階段：產氫產乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為乙酸、H2/CO2；但研究表明，實際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認的對厭氧生物處理過程較全面和較準確的描述。1)復雜顆粒化合物被初步分解為顆粒狀碳水化合物、蛋白質、脂類；3)蛋白質被水解為氨基酸；4)脂類被水解為長鏈脂肪酸和單糖；14)氨基酸降解微生物的衰亡；的基質，在厭氧系統中常常與產甲烷細菌處于共生互營關系。的順利進行，常常需要后續產甲烷反應能及時將其主要的兩種產物乙酸和H2消耗掉。產甲烷細菌的主要功能是將產氫產乙酸菌的產物——乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程

　　

【正文】 COD 濃 度 (mg/l) 6900 12020 3200 3600 700 pH 值 ~ 6~3 厭氧消化相數 單相 兩相 兩相 兩相 單相 流化床容積 (m3) 120 360 380 125 有效容積 300 225 80 流化床高度 (m) 21 17 流化部分 13 12 流化床直徑 (m) 系列數 2 2 2 水力停留時間(h) 6 16 3~12 消化溫度 (?C) 35 37 37 35?2 COD 去除負荷(kgCOD/) 12 22 20 微生物濃度(kg/m3) 12 20 20 殘余脂肪酸(mg/l) 600 100 100 COD 去除率 (%) 77 76 70 75 50~60 厭氧生物轉盤 1) 基本原理： 厭氧生物轉盤的基本原理與好氧生物轉盤類似，只是，在厭氧生物轉盤中，所有轉盤盤片均完全浸沒在廢水之中，處于厭氧狀態。 24 2) 主要特點： 微生物濃度高，有機負荷高，水力停留時間短；廢水沿水平方向流動，反應槽高度小，節省了提升高度；一般 不需回流；不會發生堵塞，可處理含較高懸浮固體的有機廢水；多采用多級串聯，厭氧微生物在各級中分級，處理效果更好；運行管理方便；但盤片的造價較高。 3) 應用情況： 厭氧生物轉盤目前還多處于小試階段。在國外有研究者針對多種廢水如：牛奶廢水、奶牛糞、生活污水等，在進水 TOC 為 110~6000mg/l 的范圍內，進行了研究，結果表明，厭氧生物轉盤對遠廢水中 TOC 的去除率可達 60~80%，有機負荷可達 20gTOC/；在國內也有研究者對于玉米淀粉廢水和酵母廢水進行了研究，結果表明，其 COD 去除率可達 70~90%，有機容積負荷可高達 30~70 gCOD/。 厭氧擋板反應器 1) 基本原理： 在反應器中設置多個垂直擋板，將反應器分隔為數個上向流和下向流的小室，使廢水循序流過這些小室；有人認為，厭氧擋板式反應器相當于多個 UASB 反應器的串聯；當廢水濃度過高時，可將處理后的出水回流。 2) 主要特點： 與厭氧生物轉盤相比，可省去轉動裝置；與 UASB 相比，可不設三相分離器而截流污泥；反應器啟動運行時間較短，遠行較穩定；不需設置混合攪拌裝置；不存在污泥堵塞問題。 3) 應用情況： 厭氧擋板式反應器目前還多 處于小試階段；美國 McCarty 的研究結果如下表所示： 數據組 1 2 3 4 進水 COD 濃度 (g/l) 水力負荷 (m3/) 回流比 有機物負荷(kgCOD/) COD 去除率 (%) 90 82 78 91 產氣率 (m3/) 甲烷含量 (%) 70 56 56 53 出水揮發酸濃度 (g/l) 美國夏威荑大學應用平流式擋板厭氧反應器處理養豬場廢水，當溫度為 30?C，進水 COD 為 1190 ~ 4580 mg/l，容積負荷為 ~， HRT 為 ~5d， COD 去除率可達 80%。 兩相厭氧消化工藝 1) 基本原理與工藝流程： 兩相厭氧消化工藝的基本工藝流程如下圖所示。 產酸相 產甲烷相 出水 進水 25 兩相厭氧消化工藝是在上世紀 70 年代后期隨著厭氧微生物學的研究不斷深入應運而生的；它著重于工藝流程的變革，而不是向上述多種現代高速厭氧反應器那樣著重于反應器構造變革；其基本出 發點是，在單相反應器中，存在著脂肪酸的產生與被利用之間的平衡，維持兩類微生物之間的協調與平衡十分不易；兩相厭氧消化工藝就是為了克服單相厭氧消化工藝的上述缺點而提出的；兩個反應器中分別培養發酵細菌和產甲烷菌，并控制不同的運行參數，使其分別滿足兩類不同細菌的最適生長條件；反應器可以采用前述任一種反應器，二者可以相同也可以不同。 在兩相厭氧工藝中，最本質的特征是實現相的分離，方法主要有： ① 化學法：投加抑制劑或調整氧化還原電位，抑制產甲烷菌在產酸相中的生長； ② 物理法：采用選擇性的半透明膜使進入兩個反應器的基質有顯著的差別，以實現相的分離； ③ 動力學控制法：利用產酸菌和產甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個反應器的水力停留時間，使產甲烷菌無法在產酸相中生長。目前應用的最多的相分離的方法，是最后一種，即動力學控制法。但實際上，很難做到相的完全分離。 2) 主要優點： 與常規單相厭氧生物處理工藝相比，兩相厭氧工藝主要具有如下優點： ① 有機負荷比單相工藝明顯提高； ② 產甲烷相中的產甲烷菌活性得到提高，產氣量增加； ③ 運行更加穩定 ，承受沖擊負荷的能力較強； ④ 當廢水中含有 SO42等抑制物質時，其對產甲烷菌的影響由于相的分離而減弱； ⑤ 對于復雜有機物（如纖維素等），可以提高其水解反應速率，因而提高了其厭氧消化的效果。 3) 應用情況 ① 比利時肯特大學的 Anodex 工藝 以厭氧接觸法作為產酸相，以 UASB 反應器作為產甲烷相。 ② 荷蘭：淀粉廢水 項目 沉淀池 產酸相 產甲烷相 容積 (m3) 700 1700 5000 HRT (h) 20 溫度 (?C) 33 33 35 pH 項目 沉淀池進料 產酸相 產甲烷相 進水 出水 進水 出水 COD (mg/l) 17,500~18,000 17,800 16,400 11,700 3,000 TKN (m mol) 75 77 74 52 46 氨氮 (m mol) 3 29 47 33 42 硫酸鹽 (m mol) ? 硫化物 (m mol) ? ③ 我國首都師范大學：豆制品廢水 HRT (h) 出 水 pH 有機負荷 (kgCOD/) COD 去除率 (%) 產氣率 (m3/) 出水揮發酸 (mg/l) 沼氣中 CH4(%) 產酸相 ~ 1800 12 產甲烷相 ~ 5 65 26 (UASB) 全系統 ~ 65 ④ 其它 國家 廢水性質 規模 進水 COD (mg/l) COD 去除率 (%) 有機負荷 (kgCOD/) 處理能力 (kgCOD/d) 投入運行年份 比利時 酶和酒精 中試 7500~10000 79~84 14 180 1977 德國 甜菜制糖 中試 6000~7000 90~92 20 45 1980 比利時 酵母、酒精 中試 28200~32000 67~72 21 135 1980 德國 檸檬酸 中試 42574 70~80 15~20 120 1981 比利時 亞麻處理 生產性 6500~7000 85~90 9~12 350 1980 德國 淀粉、葡萄糖 生產性 20200 1982 德國 甜菜制 糖 生產性 32020 1982 德國 甜菜制糖 生產性 15000 1982 第六 節 厭氧生物處理工藝的新進展 一、厭氧內循環（ IC）反應器 在多年的研究與應用中， UASB 反應器已經成為應用最為廣泛的一種厭氧生物反應器。但在 UASB 反應器大量應用于處理多種工業廢水的實際運行中，卻發現，在 UASB 反應器處理中低濃度（ 1500~2020mgCOD/L）廢水時，為防止水力上升流速太大而使厭氧污泥大量流失，其容積負荷一般限制在 5~8kgCOD/ 之間；而在處理高濃度（ 5000~9000mgCOD/L）廢水時，其容積負荷一般限制在 10~20kgCOD/ 之間，以避免由于過高的產氣負荷導致厭氧污泥的流失。為此， 1985 年荷蘭 Paques 公司開發了一種稱為內循環（ Internal Circulation）反應器，簡稱 IC反應器，該反應器在處理中低濃度廢水時，容積負荷可達到 20~24 kgCOD/，而在處理高濃度有機廢水時，其容積負荷更可高達 35~50kgCOD/。如此高的容積負荷是對現代高效厭氧反應器的一種突破，有著重大的理論意義和實用價值。因此，在本小節中，將對內循環（ IC）厭氧反應器的基本構造、工作原理、運行特性、以及應用與研究現狀等進行簡單介紹。 內循環（ IC）厭氧反應器的基本構造與工作原理 內循環（ IC）厭氧反應器是在 UASB 反應器的基礎上發展起來的高效厭氧反應器，它被兩層三相分離器分隔成為第一反應區、第二反應區、沉淀區以及氣液分離器，通過升流管、降流管將第一反應區于氣液分離器相連，其基本結構示意圖可參見圖 6?36。 升流管 降流管 第一層 三相分離器 第二層 三相分離器 第二反應區 出水 氣液分離器 沼氣 27 內循環（ IC）厭氧反應器的循環流體是由廢水、沼氣和厭氧顆粒污泥等組成的混合物。進水與顆粒污泥在第一反應區 內混合、接觸并發生厭氧反應，其中大部分有機物在此被轉化為沼氣，沼氣被位于第一反應區上部的第一層三相分離器收集，致使與第一層三相分離器相連的升流管內的混合液的密度減小，在密度差的作用下，升流管內的流體向上流動進入氣液分離器。在氣液分離器中，大部分沼氣從液相中逸出，使混合液的密度增加，因此脫氣后的混合液會從氣液分離器通過降流管回流到第一反應區的底部，再與進水和顆粒污泥混合，至此完成了一次完整的內循環。在內循環（ IC）厭氧反應器中，內循環的出現使第一反應區內的水力上升流速大大增加，一般可達 10~20m/h，加強了 其中顆粒污泥與廢水中基質的混合、接觸和反應的速率。經過多次內循環后的廢水會由第一反應區的頂部進入第二反應區。由于在第二反應區內，不再存在內循環，因此其中的水力上升流速會明顯降低，但一般也可達到 2~10m/h。在第二反應區內，殘留在廢水中的部分基質會繼續與其中的厭氧顆粒污泥反應生化反應，并被進一步轉化為沼氣。同時，由于第二反應區內的水力上升流速較低，而且進入該反應區的沸石中所殘留的基質較少，因此在該反應區內的沼氣產量也較低，因此第二反應區還能起到第一反應區與沉淀區之間的緩沖段的作用，對于防止污泥流失，增加反應 器的運行穩定性等方面起著重要的作用。 在內循環（ IC）厭氧反應器中，內循環的形成是其最關鍵的特征，也是其與 UASB 反應器的最大區別，是其之所以能夠在“超高”容積負荷下高效運行的基礎。內循環的功能主要有以下三點：① 內循環的流量很大，使得第一反應區的水力上升流速很高，增加了第一反應區內的混合強度，強化了廢水中有機物與顆粒污泥之間的傳質效果；② 對進水具有很好的稀釋作用，提高了反應器對進水沖擊負荷的抵抗能力；③ 內循環的形成還有利于提高反應器內的堿度，有助于于在反應器內維持穩定的 pH 值，可減少在進水中所需要的投 堿量。 綜上所述，內循環（ IC）厭氧反應器實際上是由兩個上下重疊的 UASB 反應器串聯而組成的，由下部的第一個 UASB 反應器產生的沼氣作為提升混合液的內動力，使部分混合液通過升流管上升至氣液分離器，脫氣后的混合液再通過降流管回流到第一反應區的底部，由此實現了第一反應區內混合液的內循環，使廢水獲得了強化預處理。上部的第二個 UASB 反應器對廢水的繼續進行后處理，使出水達到預期的處理要求。 內循環（ IC）厭氧反應器的主要特點 與其它高效厭氧生物反應器相比較，內循環（ IC）厭氧反應器具有如下優點： ① 有機負荷極 高，基建投資省，占地面積小； 由于內循環厭氧反應器中的廢水與顆粒污泥的傳質得到了強化，使得在處理同類廢水時該反應器的有機負荷可以達到 UASB 反應器的 4 倍左右，因此它所需要的有效容積僅為 UASB 反應器的 1/4 左右，所以基建費用更省。而且內循環反應器多采用高徑比較大的塔式反應器的形式，其高徑比多為 4~8 : 1，所以其占地面積更少，特別適合于用地緊張的企業。 ② 抗沖擊負荷的能力強，運行穩定性好； 由于內循環流量可達進水流量的數倍以上，對進水起到了很好的稀釋作用，提高了反應器對進水中有毒物質和高濃度有機負荷沖擊 的抵抗能力； 內循環的形成能提高反應器內的堿度，有助于維持反應器內 pH 值的穩定，使內循環厭氧反應器具有較強的抵抗進水酸堿度沖擊的能力； 28 內循環厭氧反應器上下分層的結構稀釋也增強了其抗沖擊負荷的能力，其中第一反應區主要承擔了去除進水中大部分有機物的任務，第二反應區則主要起著強化處理、增強反應器運行穩定性的作用，因此，通常情況下，內循環厭氧反應器的運行非常穩定，處理效果也非常好。 ③ 內循環無需外加動力； 在內循環厭氧反應器中，內循環的形成是依靠在第一反應區內產生的大量沼氣的提升作用來自動形成的，無需外加動力， 因此其運行的能耗較省。 雖然內循環厭氧反應器具有如此多的優點，但其內部結構比較復雜，對工藝設計的要求較高，而且在其運行管理過程中所需的技術水平也較高，因此，這在一定程度上限制了內循環厭氧反應器的大量推廣應用