污水厭氧生物處理技術(shù)全球掃描

水處理網(wǎng)訊:污水處理技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)歷了近150年，已開始從傳統(tǒng)的能耗大戶向能源及水資源回收方向轉(zhuǎn)變。厭氧生物處理技術(shù)最大的優(yōu)勢在于無需提供氧氣，且能夠?qū)⑽鬯杏袡C物轉(zhuǎn)化成高熱值甲烷氣體進行回用，降低能耗，實現(xiàn)能源回收，使其在水處理行業(yè)受到更廣泛的應(yīng)用。

1. 厭氧生物技術(shù)的發(fā)展歷程概況

厭氧生物技術(shù)的出現(xiàn)最早可以追朔到18世紀，Count Alessandro Volta于1776年推導(dǎo)出有機物降解和可燃性氣體之間的相互關(guān)系，1808年Sir Humphry Davy首次證明了厭氧消化過程中產(chǎn)生的氣體中存在甲烷。1859年全球第一座厭氧消化處理廠在印度建成，1895年進入英國，拉開了污水厭氧生物處理及沼氣回收技術(shù)的序幕。之后隨著對厭氧微生物的認識和研究，不斷優(yōu)化運行條件，使厭氧生物技術(shù)不斷快速發(fā)展。

中國是推行厭氧污水處理系統(tǒng)非常成功的國家，1978年Lettinga團隊關(guān)于UASB的研究成果在世界學(xué)術(shù)界嶄露頭角，掀起了厭氧技術(shù)的研發(fā)浪潮。1982年，中國的第一座應(yīng)用UASB工藝的污水廠就在北京腐乳廠進入了工程試驗階段。20世紀90年代中期，厭氧技術(shù)公司紛紛在中國成立，各高校及研究院也培養(yǎng)了一大批環(huán)保公司。同時國外企業(yè)也逐步開始進入中國市場，如帕克、威立雅等。自此，中國厭氧技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化時代到來。

2. 厭氧生物技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及各工藝優(yōu)缺點分析

厭氧生物降解過程一般分為四個階段：水解、酸化、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷階段。其中產(chǎn)甲烷階段是整個厭氧過程最為重要的階段，也是厭氧降解過程的限速階段。

污水厭氧生物處理技術(shù)一般在中溫條件下進行，pH 維持在大約7.5左右，最適宜產(chǎn)甲烷微生物生長。厭氧生物處理工藝的改進基本都圍繞著產(chǎn)甲烷過程，主要關(guān)注如何提高系統(tǒng)內(nèi)傳質(zhì)效率和促進產(chǎn)甲烷微生物生長，從而提高甲烷產(chǎn)率。主要手段包括在系統(tǒng)中優(yōu)化操作參數(shù)，添加載體，改善水力條件，提高污泥停留時間等。

2.1 典型工藝類型

厭氧生物反應(yīng)器工藝種類較多，在此列舉目前應(yīng)用較廣的六種典型工藝類型進行介紹并對各自優(yōu)缺點進行比較。

1）完全混合式厭氧消化罐（CSTR）

CSTR是最早出現(xiàn)也是目前應(yīng)用最廣的厭氧生物反應(yīng)器，通常采用攪拌器是系統(tǒng)內(nèi)污泥液完全混合，設(shè)備簡單，易操作，成本低。可用于高濃度有機污水處理、污泥消化處置、餐廚垃圾厭氧處置等領(lǐng)域。

2）升流式厭氧污泥床（UASB）

UASB反應(yīng)器污泥床區(qū)主要有沉降性能良好的厭氧顆粒污泥組成，濃度可達到50-100g/L或更高。沉淀懸浮區(qū)主要靠反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體的上升攪拌作用形成，污泥濃度較低，一般在5-40g/L范圍內(nèi)。在UASB反應(yīng)器中能得到一種具有良好沉降性能和高產(chǎn)甲烷活性菌的顆粒厭氧污泥，因而相對其他的反應(yīng)器有一定優(yōu)勢：顆粒污泥的相對密度比人工載體小，靠產(chǎn)生的氣體來實現(xiàn)污泥與基質(zhì)的充分接觸，省卻攪拌和回流污泥設(shè)備和能耗；顆粒污泥沉降性能良好，避免附設(shè)沉淀分離裝置和回流污泥設(shè)備：反應(yīng)器內(nèi)不需投加填料和載體，提高容積利用率。

3）厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）

ABR是McCarty和Bachmann等人于1982年，在總結(jié)了第二代厭氧反應(yīng)器工藝性能的基礎(chǔ)上，開發(fā)和研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置。其特點是：反應(yīng)器內(nèi)置豎向?qū)Я靼?，將反?yīng)器分隔成幾個串聯(lián)的反應(yīng)室，每個反應(yīng)室都是一個相對獨立的上流式污泥床系統(tǒng)，其中的污泥以顆?；问交蛐鯛钚问酱嬖?。一股而言，在處理低濃度廢水時，不必將反應(yīng)器分隔成很多隔室，以3～4個隔室為宜；而在處理高濃度廢水時，宜將分隔數(shù)控制在6～8個，以保證反應(yīng)器在高負荷條件下的復(fù)合流態(tài)特性。

4）厭氧膨脹床（ESGB）

20世紀90年代初，荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)開始了厭氧膨脹顆粒污泥床(簡稱EGSB)反應(yīng)器的研究。Lettinga教授等人在利用UASB反應(yīng)器處理生活污水時，為了增加污水與污泥的接觸，更有效地利用反應(yīng)器的容積，改變了UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作參數(shù)，使反應(yīng)器中顆粒污泥床在高的液體表面上升流速下充分膨脹，由此產(chǎn)生了早期的EGSB反應(yīng)器。EGSB反應(yīng)器實際上是改進的UASB反應(yīng)器，區(qū)別在于前者具有更高的液體上升流速，使整個顆粒污泥床處于膨脹狀態(tài)，需要反應(yīng)器具有較大的高徑比。三相分離器是EGSB反應(yīng)器最關(guān)鍵的構(gòu)造，能將出水、沼氣和污泥三相有效分離，使污泥在反應(yīng)器內(nèi)有效持留；出水循環(huán)部分是為了提高反應(yīng)器內(nèi)的液體表面上升流速，使顆粒污泥與污水充分接觸，避免反應(yīng)器內(nèi)死角和短流的產(chǎn)生。

5）內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）

內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器也是在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效反應(yīng)器。其依靠沼氣在升流管和回流管間產(chǎn)生的密度差在反應(yīng)器內(nèi)部形成流體循環(huán)。IC內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器為荷蘭帕克公司的專利產(chǎn)品，目前帕克公司在全球有300多臺IC反應(yīng)器得以應(yīng)用。IC反應(yīng)器實際上由兩級UASB構(gòu)成，底部UASB負荷高，頂部負荷低。因為在一級分離時收集了大量沼氣，其對廢水的擾動減少，使得在二級三相分離中得到更好的氣、水、泥分離效果。二級分離的lC反應(yīng)器確保了最佳的污泥停留時間，這樣對于處理一些化工廢水有利，因為這些廢水厭氧污泥產(chǎn)量很小。IC反應(yīng)器具有一個自調(diào)節(jié)的氣提內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)廢水與原水混合將稀釋進水濃度。內(nèi)循環(huán)作用所帶來的能量使得泥水在底部混合更加充分，從而污泥活性也得到增加。IC反應(yīng)器的容積負荷(15-30kgCOD/m³)為UASB(7-15kgCOD/m³)的兩倍。該反應(yīng)器的有機負荷達到UASB反應(yīng)器的2～4倍。另外，IC厭氧反應(yīng)器具有高徑比大、上流速度快、有機負荷高、傳質(zhì)效果好等優(yōu)點，其去除有機物能力遠超過UASB等二代厭氧反應(yīng)器。

6）厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）

AnMBR將厭氧工藝與膜分離系統(tǒng)結(jié)合，使得水力停留時間HRT與污泥停留時間SRT分開，SRT均超過30天，有助于促進厭氧微生物生長，且占地小。AnMBR首次被提出是在上世紀70年代末，然而由于膜污染問題嚴重，發(fā)展緩慢。近些年隨著膜技術(shù)的發(fā)展，投資和運行成本下降，且2011年斯坦福大學(xué)的Mccarthy教授等人提出厭氧MBR將會是實現(xiàn)污水處理廠能量平衡的重要工藝，AnMBR技術(shù)重回人們視野，引起了廣泛關(guān)注。日本在厭氧MBR實際應(yīng)用上起步較早，早在2000年就有了第一個實際運行的項目。截止2008年8月，該公司在日本已經(jīng)運行了14個厭氧MBR實際工程項目，包括釀酒廢渣，餐廚垃圾，沙拉醬生產(chǎn)污水以及污泥等。

2.2 各工藝優(yōu)缺點及應(yīng)用分析

表1 各種典型厭氧生物污水處理工藝優(yōu)缺點分析