厌氧反应器的发展历程

2020-05-18

厌氧处理技术相对于其他污水处理技术来说，更为绿色和生态，同时具有成本-效果优势。近年来，厌氧反应器在研究与应用方面更是取得了长足发展。本文回顾了厌氧反应器工艺技术，并进一步探讨厌氧反应器的发展前景。

1895 年Donald 设计了******上第1个厌氧化粪池。1896 年英国出现了第1 座用于处理生活污水的厌氧消化池。1904 年德国的Imhoff 将其发展成为Imhoff 双层沉淀池(即隐化池) 。20 世纪初,我国台湾省新竹县的罗国瑞建成有实用价值的“中华国瑞天然瓦斯库”。

19世纪40 年代在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池,改善了厌氧污泥与废水的混合,提高了处理效率。但在本质上,反应器中的微生物(即厌氧污泥) 与废水或废料是完全混合在一起的,污泥在反应器里的停留时间(SRT) 与废水的停留时间(HRT) 是相同的,因此污泥在反应器里浓度较低,处理效果差。废水在反应器里要停留几天到几十天之久。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪肥的消化,它尚不能经济地用于工业废水的处理。

roepfer 在20 世纪50 年代开发了厌氧接触反应器。这种反应器是在连续搅拌反应器的基础上于出水沉淀池中增设了污泥回流装置,使部分厌氧污泥又重新返回到反应器中,从而增大了反应器中厌氧污泥的浓度,使厌氧污泥在反应器中的停留时间******次大于水力停留时间,因此其处理效率与负荷显著提高。就反应器中污泥浓度通过液固分离、回流而提高这一点来说,厌氧接触工艺与好氧活性污泥工艺颇为类似。由于厌氧微生物生长缓慢,世代时间长,而厌氧消化池无法将水力停留时间和污泥停留时间分离,由此造成水力停留时间必须较长,一般来讲第1 代厌氧反应器处理废水的停留时间至少需要20-30天。

随着发酵工程中固定化技术的发展,人们认识到提高反应器中污泥浓度的重要性。于是基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器得以发展。******个突破性的发展出现于1967 年J . C. Young 和P.L.McCarty发明了厌氧滤器 (Anaerobic filter, 简称AF) 。它的成功之处在于在反应器中加入固体填料,微生物由于附着生长在填料的表面,免于水力冲刷而得到保留,巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离,其固体停留时间可以长达上百天,这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。在相同的温度下,厌氧滤池的负荷高出厌氧接触工艺2～3倍,同时有很高的COD 去除率,而且反应器内易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。

1974 年,厌氧处理的******突破是荷兰农业大学环境系Lettinga 等发展的上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic SludgeBed ,简称UASB) 反应器,其******特点是反应器内颗粒污泥保证了高浓度的厌氧污泥。UASB 反应器内有机负荷高,水力停留时间短,处理周期大为缩短;反应器无填料,无污泥回流装置,无搅拌装置,成本和运行费用大大降低;初次启动后可直接以污泥颗粒接种,目前已成为应用***广泛的厌氧处理方法。

******厌氧处理反应器中不仅要分离污泥停留时间和平均水力停留时间,还应使进水和污泥之间保持充分的接触。第2 代厌氧反应器的发展主要基于固体停留时间与水力停留时间分离而发展产生的新型反应器。但是对于进水无法采用高的水力和有机负荷的情况下,例如,在低温条件下采用低负荷工艺时,由于在污泥床内混合强度太低,以致无法抵消短流效应。对于这种情况,第2 代反应器的应用负荷和产气率受到限制。为获得高的搅拌强度,而采用高的反应器的设计以获得高的上升流速或采用出水回流。正是为了解决上述问题,20 世纪90 年代初在国际上以厌氧升流式流化床反应器UBF ,厌氧膨胀颗粒污泥床EGSB ,内循环反应器IC ,厌氧折流板反应器ABR 为典型代表的第3 代厌氧反应器相继出现。

厌氧升流式流化床反应UABF （Upflow Anaerobic BedFilter) 是由UASB 反应器与厌氧滤池结合的厌氧复合反应器 。该工艺是由美国Biothane 系统国际公司所开发的一种新型反应器。可以在极高的水和气体上升流速(二者都可达到5~7 m/h)产生和保持颗粒污泥,所以不用采用载体物质。由于高液体和气体上升流速造成进水和污泥之间的良好混合状态,因此系统可采用15-20kg/ (m3·d) 的COD 负荷,COD 去除率为60 %～95 %。

膨胀颗粒污泥床( Expanded Granular S1udge Bed) ,简称EGSB 是在UASB 反应器的基础上于20 世纪80 年代后期荷兰Wageningen 农业大学环境系开始研究的新型厌氧反应器。ESGB 与UASB 反应器的不同之处仅仅在于运行方式。上升流速度高达2.5~6.0 m/h ,远远大于UASB 反应器中采用的约0.5~2.5m/h 的上流速度。因此,在ESGB 反应器内颗粒污泥床处于“膨胀状态”,而且在高的上流速度和产气的搅拌作用下,废水与颗粒污泥间的接触更充分,水力停留时间更短,从而可大大提高反应器的有机负荷和处理效率。ESGB 反应器能在超高有机负荷[COD 达到30 kg/ (m3·d) ]下处理化工、生化和生物工程工业废水。同时,ESGB 反应器还适合于处理低温(10 ℃) 和低质量浓度(COD 小于1. 0 g/ L)和难处理的有毒废水。

内循环反应器( Interior Circulation) ,简称IC 反应器是基于UASB 反应器颗粒化和三相分离器而改进的新型反应器,实际上相当于由2 个UASB 反应器的单元相互重叠而成。1 个处于高负荷而另1 个处于低负荷。第1 个反应室包含颗粒污泥膨胀床,在此大多数的COD 被转化为沼气。所产生的沼气被下层相分离器收集,收集的气体产生气提作用,污泥和水的混合液通过上升管带到位于反应器顶部气液分离器。沼气在这里从泥水混合液中分离出来,并且排出系统。泥水混合液直接流到反应器的底部,造成反应器的内部循环流。在反应器的较低部分,液体的上升流速在10—20 m/h 之间。经过下部反应室处理后的污水进上部反应室,所有剩余的可生化降解的有机物将被去除。在这个反应室里的液体的上升流速一般在2—10 m/ h。

折流式厌氧反应器(Anaerobic Baffled Reactor , ABR) 是Bachmann 和McCarty 等人于1982 年前后提出的新型的******厌氧反应器。反应器内设置竖向导流板将反应器分隔成串联的几个室,每个反应室都是相对独立的上流式厌氧污泥反应器(UASB) 系统,水流由导流板引导上下折流前进,逐个通过反应室内污泥床层,进水中的底物与微生物充分接触而得到降解去除。该反应器实现了分相多阶段厌氧的思路,运用挡板构造在反应室内形成几个独立的反应室,每个反应室内驯化培养出与该处环境条件相适应的微生物群落,在各个反应室中的微生物相是流程逐级递变的。微生物相的递变规律与底物降协调一致,从而确保相应的微生物相拥有******的工作活性。反应器的流态是以推流为主的流动特性,保证系统的出水水质,对冲击负荷及进水中的有毒物质具有更好的缓冲适应能力,并有利于掌握有机物的降解规律和过程。