污水厭氧處理新技術(shù)要點全總結(jié)第一代厭氧反應器早在19世紀，人們就利用厭氧工藝處理廢水廢物。1881年，法國工程師LouisMouras發(fā)明了用以處理污水污泥的“自動凈化器”，從而開始了人類利用慶氧生物過程處理廢水廢物的歷程。1896年英國出現(xiàn)了第一座用于處理生活污水的厭氧消化池，產(chǎn)生的沼氣用于照明。1904年德國的工程師Imhoff將其發(fā)展成為Imhoff雙層沉淀池(即腐化池)，這一工藝至今仍然在有效地利用。1912年英國的伯明翰市建立了第一個用土堤圍成的露天敞開式消化池。至1914年，美國有14座城市建立了厭氧消化池。1925年至1926年，美國、德國相繼建成了較為標準的消化池。二戰(zhàn)結(jié)束后，厭氧處理技術(shù)的發(fā)展又掀起了一個高潮，高效的、可加溫和攪拌的消化池得到了發(fā)展，厭氧污泥與廢水的加溫、攪拌提高了處理效率。但從本質(zhì)上，反應器中的微生物(即厭氧污泥)與廢水或廢料是完全混合在一起的，污泥在反應器里的停留時間(SRT)與廢水的停留時間(HRT)是相同的，因此污泥在反應器里濃度低，廢水在反應器里要停留幾天到幾十天之久，處理效果差。此時的厭氧處理技術(shù)主要用于污泥與糞肥的消化，它尚不能經(jīng)濟地用于工業(yè)廢水的處理。直至1955年，Schroefer開發(fā)了用以處理食品包裝廢水的厭氧接觸反應器(AC法)，取得了良好的效果。如圖1所示，這種反應器是在出水沉淀池中增設了污泥回流裝置，增大了厭氧反應器中的污泥濃度，處理負荷和效率顯著提高。上述反應器被稱為第一代厭氧反應器，由于厭氧微生物生長緩慢，世代時間長，而厭氧消化池無法將水力停留時間和污泥停留時間分離，由此造成水力停留時間必須較長。一般來講，第一代厭氧反應器處理廢水的停留時間至少需要20~30d。第二代厭氧反應器隨著生物發(fā)酵工程中固定化技術(shù)的發(fā)展，人們認識到提高反應器中污泥濃度的重要性，于是，基于微生物固定化原理的高效厭氧生物反應器得以發(fā)展。第二代高效厭氧生物反應器必須滿足以下兩個條件:1)系統(tǒng)內(nèi)能夠保持大量的活性厭氧污泥；2)反應器進水應與污泥保持良好的接觸。依據(jù)這一原則，20世紀60年代末，第一個基于微生物固定化原理的高速厭氧反應器——厭氧濾池誕生。它的成功之處在于，在反應器中加人固體填料(如沙礫等)，微生物由于附著生長在填料的表面，免于水力沖刷而得到保留，巧妙地將平均水力停留時間與生物固體停留時間相分離，其固體停留時間可以長達上百天，這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時或幾天。在相同的溫度下，厭氧濾池的負荷高出厭氧接觸工藝2～3倍，同時有很高的COD去除率，而且反應器內(nèi)易于培養(yǎng)出適應有毒物質(zhì)的厭氧污泥。1974年，荷蘭研究和開發(fā)了UASB反應器技術(shù)，其最大特點是反應器內(nèi)顆粒污泥保證了高濃度的厭氧污泥，標志著厭氧反應器的研究進入了新的時代。隨后，研究者們基于一些厭氧處理經(jīng)驗和厭氧處理所涉及的微生物學、生物化學和生化工程的最新研究成果，開發(fā)出的一批厭氧反應器被稱為第二代廢水厭氧處理反應器，其中比較典型的有:升流式固體厭氧反應器(USR)、升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、厭氧濾池(AF)、厭氧流化床(AFB)等。第二代厭氧反應器解決了厭氧微生物生長緩慢、生物量易隨液體流出等無益于反應器高效運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題，這些反應器的突出優(yōu)點有:1)具有較高有機負荷和水力負荷，反應器容積比傳統(tǒng)裝置減少90%以上;2)在低溫、沖擊負荷、存在抑制物等不利條件下仍可保持良好的穩(wěn)定性;3)反應器結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，適合各種規(guī)模，并可作為運行單元被結(jié)合在整體的處理技術(shù)中，操作簡便，人工管理費用得到降低。然而第二代厭氧反應器的缺陷仍然非常明顯:對于進水無法采用高的水力和有機負荷，反應器的應用負荷和產(chǎn)氣率受到限制。第三代厭氧反應器20世紀90年代初，人們?yōu)閷崿F(xiàn)高效厭氧反應器的有效運行，結(jié)合第二代反應器的優(yōu)缺點，研發(fā)了第三代厭氧反應器。第三代厭氧反應器具備占地面積小、動力損耗小等特點，微生物均以顆粒污泥固定化的方式存在于反應器當中，反應器單位容積的生物量比以往更高，能承受更高的水力負荷且具備較高的有機污染物凈化效果。反應器內(nèi)的微生物在不同區(qū)域內(nèi)生長，可以與不同區(qū)域內(nèi)的進水充分接觸，完成了一定程度上的生物相分離。第三代反應器的主要代表有:厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內(nèi)循環(huán)反應器(IC)、升流式厭氧污泥床過濾器(UBF)等。新型厭氧生物處理工藝與反應器升流式厭氧污泥床反應器(UASB反應器)升流式厭氧污泥床(UASB)是第二代廢水厭氧生物處理反應器中典型的一種。由于在UASB反應器中能形成產(chǎn)甲烷活性高、沉降性能良好的顆粒污泥，因而UASB反應器具有很高的有機負荷，近10年來得到了最廣泛的應用，目前約占全世界正在運行的厭氧反應器中總數(shù)的70%。1.UASB反應器的工作原理UASB反應器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主體可分為兩個區(qū)域，即反應區(qū)和氣、液、固三相分離區(qū)。在反應區(qū)下部是大量具有良好沉降性能與生物活性的厭氧顆粒污泥所形成的污泥床，在污泥床上部是濃度較低的懸浮污泥層。當反應器運行時，待處理的廢水以一定流速(一般為0.5～l.5m/h)從污泥床底部進人后與污泥接觸，污泥中包含的大量活性厭氧菌起著生物代謝的主要作用，經(jīng)過酸化與甲烷化兩個過程，分解污水中的有機物，產(chǎn)生的沼氣以氣泡的形式由污泥床區(qū)上升，并帶動周圍混合液產(chǎn)生一定的攪拌作用。經(jīng)過氣體的攪拌，污泥床區(qū)的松散污泥被帶人污泥懸浮層區(qū)，與懸浮污泥碰撞接觸，-部分污泥比重加大，沉人污泥床區(qū)。懸浮層混合液的污泥松散，顆粒比重小，污泥濃度較低。氣、水、泥的混合液上升至三相分離器內(nèi)，氣體受反射板的作用而進人集氣室被分離，污泥和水進人沉降室，由于氣體已被分離，沉降室的擾動很小，液體的運動趨于層流形態(tài)，在重力作用下泥、水分離，污泥沿斜壁返回反應區(qū)，上清液從沉淀區(qū)上部排走。2.UASB反應器的特點UASB反應器的污泥顆?；窃摲磻鞯囊粋€主要的特征。顆粒污泥可以定義為具有自我平衡的微生態(tài)系統(tǒng)，其特性特別適宜于升流式廢水處理系統(tǒng)的微生物聚集體。這一聚集體在體積上相對較大，與絮狀污泥短時間形成的聚集體不同，顆粒污泥物理性狀是相對穩(wěn)定的。UASB工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于顆粒污泥的形成。如果反應器內(nèi)的污泥以松散的絮狀體存在，往往容易出現(xiàn)污泥上浮流失，使反應器不能在高負荷下穩(wěn)定運行。顆粒污泥具有極好的沉降性能，可以保持UASB反應器內(nèi)高濃度的厭氧污泥。當產(chǎn)氣量較高，廢水上升速度增加，絮狀污泥由于沉降性能差，容易被沖洗出反應器。反應器內(nèi)氣體和水流產(chǎn)生的剪切力也會使得絮狀污泥進一步分散，加劇系統(tǒng)厭氧污泥的流失。不同于絮狀污泥，顆粒污泥有極好的沉降性能，不易受到氣體和水流上升流速的影響。因此，污泥的顆?；梢允筓ASB反應器有更高的有機物容積負荷和水力負荷。除了污泥顆?；猓琔ASB反應器還具有以下特點:1)反應器內(nèi)污泥濃度高。一般平均污泥濃度為30～40g/L,其中底部污泥床污泥濃度達60～80g/L,懸浮層污泥濃度為5～7g/L。2)有機負荷高，水力停留時間短。3)反應器內(nèi)設三相分離器。被沉淀區(qū)分離的污泥能自動回流到反應區(qū)，一般無污泥回流設備。4)無混合攪拌設備。反應器投產(chǎn)運行正常后，利用自身產(chǎn)生的氣體和進水來達到攪拌的目的。5)污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價及避免堵塞問題。6)反應器中污泥泥齡長，污泥表觀產(chǎn)率低，所排出的污泥數(shù)量極少，從而降低了污泥處理的費用。3.UASB反應器的啟動1)污泥的馴化UASB反應器啟動的難點是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。用最好的辦法加以馴化，一般需要3～6個月，如果靠設備自身積累，投產(chǎn)期最長可長達1～2年。實踐表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進初期顆粒污泥的形成;比重大的絮狀污泥比輕的易于顆粒化；比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動期。2)啟動操作要點①最好一次投加足量的接種污泥；②啟動初期從污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特別輕的和細碎污泥跟懸浮物連續(xù)地從污泥床排出體外，使較重的活性污泥在床內(nèi)積累，并促進其增殖逐步達到顆?；?；③啟動開始廢水COD濃度較低時，未必就能讓污泥顆?；俣燃涌欤虎茏畛跷勰嘭摵梢话阍?.1～0.2kgCOD/(kgTSS·d)左右比較合適；⑤污水中原來存在的和厭氧分解出來的多種揮發(fā)酚未能有效分解之前，不應隨意提高有機容積負荷，這需要跟蹤觀察和水樣化驗；⑥可降解COD的去除率達到70%～80%左右時，可以逐步增加有機容積負荷；⑦為促進污泥顆?；?，反應器應采用較高的表面水力負荷，這樣有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開，使小顆粒污泥并未形成大顆粒。4.厭氧顆粒污泥的性質(zhì)和形成機理1)厭氧顆粒污泥性質(zhì)顆粒污泥因所處理廢水的組成、操作條件和分析方法等的不同而有所不同。顆粒污泥主要由厭氧菌組成，如共生單胞菌屬、甲烷八疊球菌屬、甲烷絲狀菌屬等，但同時還存在一些好氧菌和兼性厭氧菌。顆粒污泥的形成實際上是微生物固定化的一種形式，但與其他類型不同，其形成與存在不依賴于任何惰性生物載體，惰性載體對顆粒污泥的形成和它的穩(wěn)定性都不是必須的。顆粒污泥的形狀有球形、桿形、橢球形，以球形為主。顆粒污泥的顏色為黑色或灰色，還有研究者觀察到了白色的顆粒污泥。顆粒污泥有兩個重要特性:良好的沉降性能和高比產(chǎn)甲烷活性。在UASB反應器中，顆粒污泥的沉降速度為0.3～0.8m/h,而在清水中，顆粒污泥自由沉降的速率可達2m/h。顆粒污泥根據(jù)其沉降速度可分三類:①沉降性能差的顆粒污泥，其在UASB反應器中的沉降速度小于20m/h;②沉降性能一般的顆粒污泥，其在UASB反應器中的沉降速度為20～50m/h;③沉降性能良好的顆粒污泥，其在UASB反應器中的沉降速度大于50m/h。2)顆粒污泥的形成機理關(guān)于顆粒污泥形成的機理目前還處于研究階段，研究者提出了種種假說，大多數(shù)是根據(jù)觀察顆粒污泥在形成過程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象提出的，以下為幾種有代表性的假說:①晶核假說。該假說認為顆粒污泥的形成類似于結(jié)晶過程，在晶核基礎上，顆粒不斷發(fā)育，直到最后形成成熟的顆粒污泥。晶核來源于接種污泥或在運行過程中產(chǎn)生的無機鹽，如CaCO3或其他顆粒物質(zhì)。②不少研究結(jié)果表明，在多數(shù)成熟的顆粒污泥中很難找到晶核。顆粒污泥的形成可不以晶核為基礎而成長，而是完全靠微生物本身形成的，因而又產(chǎn)生了其他的觀點:電中和作用。這一假說認為，在厭氧污泥顆?；^程中，Ca2+能中和細菌細胞表面的負電荷，減弱細胞間的電荷斥力作用，并通過鹽橋作用而促進細胞的凝聚反應；胞外多聚物架橋作用。這是目前比較流行的假說。這一假說認為，顆粒污泥是由于微生物(如細菌)分泌的胞外多糖使細胞粘結(jié)在一起而形成的。新加坡南洋理工大學Y.G.Yen等認為污泥顆?；^程可分成三個階段，即積累階段、顆粒化階段和成熟階段。大量初始顆粒污泥在反應器的底部形成并開始逐漸增長，這種狀態(tài)為顆粒初始化。從反應器剛開始啟動到顆粒初始化這段時間稱為積累階段。在此階段中，顆?；^程進行的很慢。相應地，當用粒徑表示的顆粒比生長速率急劇下降時(約為最大生長速率Vφ的20%或更低)，顆粒成熟，這種狀態(tài)稱為顆粒成熟化。顆?；A段介于顆粒初始和顆粒成熟之間。在成熟階段，盡管顆粒的平均大小仍然變化，但是成熟顆粒污泥較穩(wěn)定，達到動力學平衡。周孟津等人把UASB反應器中顆粒污泥的形成過程分為5個時期，即絮凝污泥絲狀菌增長期、顆粒污泥亞單位生成期、亞單位聚集期、初生顆粒生長期和顆粒污泥生長和成熟期。因此，顆粒污泥的形成過程通常分為四步:①細菌向惰性物質(zhì)或其他菌體表面移動；②通過理化作用可逆地吸附在一起或惰性物質(zhì)上；③通過微生物附屬物的作用將細菌不可逆地粘附一起或惰性物質(zhì)上；④細菌的倍增和顆粒污泥的增大。5.UASB反應器的應用研究UASB反應器自1977年實現(xiàn)工業(yè)化應用以來，已成功地應用于處理多種不同成分、不同濃度的污水，如高濃度制糖廢水、土豆加工廢水、淀粉廢水、啤酒廢水、酒精廢水、乳品廢水、屠宰廢水、造紙廢水，表1所列為國內(nèi)外部分UASB反應器的統(tǒng)計設計資料。厭氧膨脹顆粒床反應器(EGSB)20世紀80年代后期，Lettinga教授等人在利用UASB反應器處理生活污水時，為了增加污水與污泥的接觸，更加有效地利用反應器的容積，優(yōu)化UASB反應器的結(jié)構(gòu)設計和操作參數(shù)，使反應器中顆粒污泥床在高的液體表面上升流速下充分膨脹，從而處理效果大大提高，由此形成了早期的厭氧膨脹顆粒床(ExpandedGranularSludgeBed,EGSB)反應器。1.EGSB反應器的工作原理EGSB反應器是對UASB反應器的改進，與UASB反應器相比，它們最大的區(qū)別在于反應器內(nèi)液體上升流速的不同。在UASB反應器中，水力上升流速Vup一般小于1m/h,污泥床更像一個靜止床，而EGSB反應器通過采用出水循環(huán)，其流速Vup一般可達到5～10m/h,所以整個顆粒污泥床是膨脹的。EGSB反應器這種獨有的特征使它可以進一步向著空間化方向發(fā)展，反應器的高徑比可高達20或更高。因此對于相同容積的反應器而言，EGSB反應器的占地面積大為減少。除反應器主體外，EGSB反應器的主要組成部分有進水分配系統(tǒng)、氣、液、固三相分離器以及出水循環(huán)部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。EGSB反應器在運行過程中，待處理廢水與被回流的出水混合經(jīng)反應器底部的進水分配系統(tǒng)均勻進人反應器的反應區(qū)。反應區(qū)內(nèi)的泥水混合液及厭氧消化產(chǎn)生的沼氣向上流動，部分沉降性能較好的污泥經(jīng)過膨脹床區(qū)后自然回落到污泥床區(qū)，沼氣及其余的泥水混合液繼續(xù)向上流動，經(jīng)三相分離器后，沼氣進入集氣室，部分污泥經(jīng)沉淀后返回反應區(qū)，液相夾帶部分沉降性極差的污泥排出反應器。進水分配系統(tǒng)的主要作用是將進水均勻地分配到整個反應器的底部，并產(chǎn)生一個均勻的上升流速。與UASB反應器相比，EGSB反應器由于高徑比更大，其所需要的配水面積會較小，同時EGSB反應器采用了出水循環(huán)，其配水孔口的流速會更大，因此系統(tǒng)更容易保證配水均勻。三相分離器仍然是EGSB反應器最關(guān)鍵的構(gòu)造，其主要作用是將出水、沼氣、污泥三相進行有效分離，使污泥在反應器內(nèi)有效持留。與UASB反應器相比，EGSB反應器內(nèi)的液體上升流速要大得多，因此必須對三相分離器進行特殊改進。改進可以有以下幾種方法:①增加一個可以旋轉(zhuǎn)的葉片，在三相分離器底部產(chǎn)生一股向下水流，有利于污泥的回流；②采用篩鼓或細格柵，可以截留細小顆粒污泥；③在反應器內(nèi)設置攪拌器，使氣泡與顆粒污泥分離；④在出水堰處設置擋板，以截留顆粒污泥。出水循環(huán)部分是EGSB反應器不同于UASB反應器之處，其主要目的是提高反應器內(nèi)的液體上升流速，使顆粒污泥床層充分膨脹，污水與微生物之間充分接觸，加強傳質(zhì)效果，還可以避免反應器內(nèi)死角和短流的產(chǎn)生。2.EGSB反應器的特點與廢水的好氧生物法相比，厭氧法具有負荷高、產(chǎn)泥少、能耗低、回收部分生物能等優(yōu)點。EGSB反應器與UASB反應器相比，具有以下的特點(表2)。3.EGSB反應器的啟動EGSB反應器的常規(guī)啟動：反應器能否快速啟動直接影響其應用與推廣，因此快速成功地啟動EGSB反應器成為國內(nèi)外學者研究的焦點。EGSB反應器的啟動一般分為三個步驟:1)啟動初期，接種污泥適應期。由于所處環(huán)境的改變，接種污泥會經(jīng)過一段的適應期。此時的水力停留時間一般為6～10h;2)啟動中期，提高水力負荷，降低停留時間。隨著污泥活性的恢復，系統(tǒng)表現(xiàn)為COD去除率逐漸上升，此時可逐漸提高水力負荷，將其從初始的2～3m3/(m3.d)提高到4～6m3/(m2.d)，水力停留時間降低至2～4h。通過改變水力負荷，反應器內(nèi)沉淀性能較差的細小絮狀污泥會隨水流流出，由此完成顆粒污泥的篩選;3)啟動穩(wěn)定期。維持進水COD容積負荷，反應器出水COD去除率較高且穩(wěn)定，啟動過程完成。內(nèi)循環(huán)厭氧反應器(IC)內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器是由荷蘭PAQUES公司于20世紀80年代后期，在對升流式厭氧污泥床(UASB)的應用現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點進行深人分析的基礎上，研究開發(fā)成功的第三代高效厭氧反應器。與前兩代厭氧反應器相比，IC厭氧反應器主要有以下兩個特點:一是在反應器塔體內(nèi)實現(xiàn)了無需外加動力的內(nèi)循環(huán)，從而使污泥和廢水得以充分混合，加強了傳質(zhì)效果，提高了生化反應速率;二是三相分離不在塔體內(nèi)完成，而是在塔體外的分離包內(nèi)實現(xiàn)了三相分離，從而增加了反應器的有效容積。隨著對該反應器技術(shù)研究的不斷深人，其眾多優(yōu)勢被人們認識并接受，使其廢水處理工程中的應用得到了很大程度的推廣和普及。目前，IC厭氧反應器已成功應用于啤酒生產(chǎn)、食品加工、造紙等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。我國于1996年引進該技術(shù)用于啤酒廢水的處理，并對該技術(shù)進行研究。國內(nèi)自主生產(chǎn)的IC厭氧反應器用于規(guī)模較大的廢水處理。由于其容積負荷高、能耗低、投資少、占地省、可再生、運行穩(wěn)定等特點，被視為第三代厭氧生化反應器的代表工藝之一。進一步研究開發(fā)IC厭氧反應器，推廣其應用范圍已成為厭氧廢水處理的熱點之一。1.IC厭氧反應器的開發(fā)背景厭氧反應器的處理效率主要取決于反應器所能保有的微生物濃度及其生化反應速率，而傳質(zhì)條件對生化反應速率起著至關(guān)重要的作用。依托適宜的營養(yǎng)、水力條件以及利用微生物的自固定化作用培養(yǎng)出的活性和沉降性能俱佳的顆粒污泥，再加上特有的三相分離器結(jié)構(gòu)，UASB成功地使污泥停留時間與水力停留時間相分離，解決了反應器內(nèi)生物量保持的問題。但UASB的傳質(zhì)過程并不理想，這對進一步提高有機負荷產(chǎn)生負面影響。由于污泥與有機物的傳質(zhì)過程主要依賴于進水與產(chǎn)氣的攪動，因此強化傳質(zhì)過程最有效的方法就是提高表面水力負荷和表面產(chǎn)氣負荷。但高負荷產(chǎn)生的劇烈攪拌會使UASB反應器中的污泥處于完全膨脹的狀態(tài)，使原本SRT>HRT的反應器向SRT=HRT的方向轉(zhuǎn)變，導致污泥過度流失。為避免出現(xiàn)過高的水力負荷與產(chǎn)氣負荷，UASB反應器常常將進水的上升流速控制在1～2m/h以內(nèi)。傳質(zhì)與微生物生物量保有之間的矛盾，成為UASB進一步提高有機負荷的根本制約因素。為解決這一問題，開發(fā)出了以出水回流來提高反應器內(nèi)水流的上升流速為主要特征的第三代厭氧反應器，即IC厭氧反應器。與普通EGSB反應器的顯著差別在于，IC厭氧反應器巧妙地利用特有的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，利用自身產(chǎn)生的沼氣膨脹做功，在無須外加能源的條件下實現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)污泥回流。2.IC厭氧反應器的結(jié)構(gòu)及工作原理IC厭氧反應器由5個基本部分組成:進液混合一布水區(qū)，第一反應區(qū)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，第二反應區(qū)，沉淀出水區(qū)，其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC厭氧反應器的核心構(gòu)造，由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器、泥水下降管組成。IC厭氧反應器的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。進水由底部進人第一反應區(qū)與顆粒污泥混合，大部分有機物在此被降解，產(chǎn)生大量沼氣，沼氣被一級三相分離器收集。由于產(chǎn)氣量大和液相上升流速較快，沼氣、廢水和污泥不能很好分離，形成了氣、固、液混合流體。又由于氣液分離器中的壓力小于反應區(qū)壓力，混合液體在沼氣的夾帶作用下通過沼氣提升管進入氣液分離器中，在此大部分沼氣脫離混合液外排，混合流體的密度變大，在重力作用下通過泥水下降管回到第一反應區(qū)的底部，與第一反應區(qū)的廢水、顆粒污泥混合，從而實現(xiàn)了流體在反應器內(nèi)部的循環(huán)。內(nèi)循環(huán)使得第一反應區(qū)的液相上升流速大大增加，可以達到10～20m/h。第二反應區(qū)的液相上升流速小于第一反應區(qū)，一般僅為2～10m/h。這個區(qū)域除了繼續(xù)進行生物反應之外，由于上升流速的降低，還充當?shù)谝环磻獏^(qū)和沉淀出水區(qū)之間的緩沖段，對解決跑泥、確保沉淀后出水水質(zhì)起著重要作用。3.IC厭氧反應器的特點基于前面的論述可以知道，IC厭氧反應器具有很多優(yōu)點，其主要的優(yōu)點如下:1)污泥可以大量保留。①第二反應區(qū)的液相上升流速一般僅為2～10m/h,遠小于第一反應區(qū)，混合液在此區(qū)具有相對長的水力停留時間;②由于大部分COD在第一反應區(qū)已被去除，此區(qū)產(chǎn)氣量很少，不足以產(chǎn)生很大的水流湍動，混合液接近于推流狀態(tài);③內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)不通過第二反應區(qū)，對此區(qū)流體的流速幾乎無影響。上述三點非常有利于顆粒污泥的沉降和保留，即使在數(shù)倍于UASB的進水負荷條件下也是如此，不存在高COD負荷下污泥被沖出系統(tǒng)的問題。由于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的存在，使得反應器具有SRT>HRT的特征，實現(xiàn)了“高負荷與污泥流失相分離”的第三代厭氧反應器的設計思想，既保持了污泥的高濃度，又強化了傳質(zhì)過程。同時，由于第二反應區(qū)的存在，使得第一反應區(qū)與沉淀出水區(qū)之間有了緩沖段，也同樣防止了高峰負荷時污泥的流失。2)具有很高的容積負荷。IC厭氧反應器通過采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)，提高了第一反應區(qū)的液相上升流速，使得混合液處于推流狀態(tài)，強化了廢水中有機物和顆粒污泥的傳質(zhì)，提高了生物處理能力，從而大幅度提高了反應器的容積負荷。容積負荷的提高會導致反應器沼氣量的提升，進一步增強了沼氣升流對污泥床的湍動和傳質(zhì)效果。通常，IC厭氧反應器的進水負荷可以高出UASB反應器的三倍之多。在采用IC厭氧反應器處理土豆加工廢水時，當進水COD為10000～15000mg/L時，進水容積負荷可達35～50kgCOD/(m3·d)，當處理啤酒廢水時，進水COD為2000～3000mg/L,容積負荷可高達40kgCOD/(m3·d)，COD去除率在75%～80%。3)沼氣提升實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，不必外加動力。IC厭氧反應器實際上是一種特殊的氣提式反應器，其工作原理與空氣提升液體循環(huán)反應器(氣體式反應器)十分相似，區(qū)別僅在于IC厭氧反應器中的提升動力源自反應器中的自產(chǎn)沼氣，而氣提式反應器中的提升動力源自反應器外動力提供的空氣。因此，與氣提式反應器相比，IC厭氧反應器不必通過外力實現(xiàn)強制循環(huán)，從而可節(jié)省能耗。4)抗沖擊負荷能力強，運行穩(wěn)定。內(nèi)循環(huán)的形成使得IC厭氧反應器第一反應區(qū)的實際水量遠大于進口水量，例如在處理與啤酒廢水濃度相當?shù)膹U水時，循環(huán)流量可達進水流量的2～3倍;處理土豆加工廢水時，循環(huán)流量可達10～20倍。循環(huán)水稀釋了進水，提高了反應器的抗沖擊能力和酸堿調(diào)節(jié)能力。即使入水中含有一定濃度的有毒有害物質(zhì)，由于內(nèi)循環(huán)水的稀釋作用，其對反應器內(nèi)的活性污泥生化反應所構(gòu)成的威脅也將大大減弱。由于內(nèi)循環(huán)水對進水所起到的pH調(diào)節(jié)的能力，從而大大節(jié)約了反應器運行過程中中和劑酸堿的用量。5)出水穩(wěn)定性好，系統(tǒng)啟動快。IC厭氧反應器相當于兩個UASB反應器的串聯(lián)系統(tǒng)，一般情況下，兩級處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)、穩(wěn)定性高于一級處理系統(tǒng)。IC厭氧反應器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應器快速啟動提供有利條件。IC厭氧反應器啟動周期一般為1～2個月，而普通UASB啟動周期長達4～6個月。6)基建投資省，占地面積小。在處理相同的廢水時，IC厭氧反應器的容積負荷是普通UASB反應器的4倍左右，故其所需的反應體積僅為UASB反應器的1/4～1/3，節(jié)省了基建投資，加上IC厭氧反應器不僅體積小而且有很大的高徑比(一般高度可達16～25m，高徑比為4～8)，所以占地面積特別省，非常適用于占地面積緊張的企業(yè)。厭氧序批式反應器(ASBR)厭氧序批式反應器(AnaerobicSequecingBatchReactor,ASBR)是20世紀90年代美國愛荷華州立大學Dague教授等人將好氧生物處理中的SBR法用于厭氧處理中，從而開發(fā)出的一種新型高效厭氧反應器。這種工藝能克服污泥流失的問題，且在反應器內(nèi)能培養(yǎng)出沉降好、活性高顆粒污泥，具有較高的污泥停留時間，低的水力停留時間。雖然ASBR運行上類似于厭氧接觸，但ASBR的固液分離在反應器內(nèi)部進行，不需設澄清池，不需真空脫氣設備。另外，ASBR中不需UASB中復雜的三相分器，與其他高效厭氧反應器如AF、UASB等相比，ASBR具有工藝簡單、運行方式靈活、生化反應推動力大、耐沖擊負荷強等優(yōu)點。近些年，ASBR受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，已成為厭氧生物處理領域的研究熱點之一。1.ASBR的運行模式典型的ASBR運行周期包括四個階段，即進水、反應、沉淀、出水，可以再加一個閑置階段，閑置是指出水階段與下一個周期的進水階段之間的時間間隔，這可以增加進水的靈活性，其運行模式如圖5所示。在多池并聯(lián)的運行系統(tǒng)中，各個反應器可以按序列進水，但是每個反應器必須在出水階段完成后，才能開始下一輪的進水。1)進水期。廢水進人反應器，反應器內(nèi)基質(zhì)濃度驟然增高。由莫諾特(Monod)動力學方程可知，在此條件下，微生物獲得了進行代謝活動的巨大推動力，基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率高。進水水量由預期的水力停留時間、有機負荷、期待的污泥沉降性能來確定。ASBR反應器的進水方式有兩種:連續(xù)進水和集中進水。連續(xù)進水就是進水的同時開始攪拌，反應器始終處于反應狀態(tài)，即進人反應期;集中進水則是將廢水進人到預定水位以后再開始攪拌從而進人反應期。2)反應期。該階段是有機物轉(zhuǎn)化為生物氣的關(guān)鍵步驟，反應所需時間取決于幾個因素，:包括廢水成分和濃度、要求達到的水質(zhì)、活性污泥濃度、攪拌效果以及溫度。其中，攪拌對于均化環(huán)境條件(溫度、pH值、基質(zhì)濃度等)是很重要的。但是根據(jù)其他相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，過強的攪拌會剪碎污泥絮體，從而導致較差的沉淀效果。3)沉降期。停止攪拌混勻，讓生物團在靜止的條件下沉降，使固液分離，形成低懸浮固體的。上清液。反應器此時變成澄清器，沉降時間可根據(jù)生物團的沉降特性確定，典型時間在10～30min間變化，沉降時間不能過長，否則因生物氣繼續(xù)產(chǎn)出會造成沉降顆粒重新懸浮。混合液懸浮固體濃度(MLSS)、進料量與生物量之比(F/M)是影響生物團沉降速率及排出液清澈程度的重要因素。4)出水期。出水階段是在有效的泥水分離之后進行的。出水階段所需要的時間是由進水量與出水流速來控制的。出水階段結(jié)束，則下一個周期的進水階段立即開始。2.ASBR反應器的運行特征厭氧微生物的代謝緩慢，生長速率低，如果出水微生物流失量過大的話會導致傳統(tǒng)厭氧工藝的失敗，但是這也使厭氧工藝的污泥產(chǎn)率低，減少了污泥的處理費用。在低濃度基質(zhì)條件下，微生物對基質(zhì)的利用率低，導致厭氧工藝不適合處理低濃度(COD<1000mg/L)廢水。同時，傳統(tǒng)厭氧工藝需要在較高溫度下運行，對外加熱源的要求增加了傳統(tǒng)厭氧工藝的投資。ASBR系統(tǒng)污泥沉降性能良好，出水中沉降性能較差污泥的流失有利于ASBR反應器中污泥的顆?；?，微生物持留量高，可以在低溫條件下處理低濃度廢水，有效地克服了傳統(tǒng)厭氧工藝的缺點。相對于傳統(tǒng)厭氧反應器，ASBR反應器具有生物污泥顆?；?、耐沖擊負荷、適應性廣和受溫度影響小等主要運行特征。1)活性污泥顆?；SBR反應器排水時將沉淀性能較差的絮體洗出反應器，留下較重的、沉淀性能較好的生物絮凝體，進一步互相吸附成為活性高、沉降性能好的活性污泥顆粒。2)耐沖擊負荷，適應性廣。ASBR反應器是間歇運行的非穩(wěn)態(tài)厭氧生物處理工藝，時間上為推流式反應器，空間上為完全混合式反應器，耐沖擊負荷。3)受溫度影響小。ASBR反應器的工作溫度區(qū)間為5～65℃。溫度較低時，生物的生命活動節(jié)奏變慢，對基質(zhì)的去除率降低，但是ASBR反應器出水中的微生物流失量少使反應器內(nèi)可保持較高的生物量，同時微生物的衰減也下降，最終提高反應器內(nèi)污泥的濃度，可以抵消前者對處理效果的影響。厭氧遷移式污泥床反應器(AMBR)厭氧遷移式污泥床反應器(AnaerobicMigratingBlanketReactor,AMBR)是一種新型高效處理工藝，可以用來處理工業(yè)廢水和城市污水，它融合了UASB與ASBR的優(yōu)點，屬于多格室串聯(lián)反應器，在流態(tài)上整體呈現(xiàn)推流式，局部則又呈現(xiàn)完全混合式，其對有機物的降解速率和處理效果高于單個完全混合反應器，而且在一定的處理能力下所需的反應器容積也比單個完全混合反應器要小得多，并且無需三相分離器和配水系統(tǒng)，運行方式靈活、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定，有較強的耐沖擊能力，易于實現(xiàn)自動控制。1.AMBR工藝的基本構(gòu)造如圖6、圖7所示，AMBR工藝由三個隔室組成，中間隔室用于在改變進水流向前短時進水防止短流，作為運行過渡區(qū);兩側(cè)隔室均設有進水口和出水口(如果左面隔室作為進水口，那么右面隔室則作為出水口)，按設定的時間開啟不同的進水口。整個反應器的運行由PLC編程控制。AMBR反應器有兩種不同的構(gòu)造型式。一種是在反應器中間格室底部有一圓形開孔(圓孔尺寸可以調(diào)整)，底部的小孔可以使底物與污泥充分接觸，保證污泥的遷移，同時可防止發(fā)生短路循環(huán)。當COD負荷增加時，產(chǎn)氣量也會增加，從而導致進水室的擾動增大，污泥遷移速率增大，此時增加孔的尺寸可以顯著地減小污泥遷移速率。這種型式的反應器水力停留時間通常較長。另外一種是在相鄰格室中間設置一系列垂直安裝的導流板(導流板間距可調(diào))，以減少底物的短路循環(huán)。導流板與反應器壁要有足夠的距離以防止大的顆粒污泥通過時發(fā)生阻塞。該種型式的反應器適用于HRT較低的情況，此外在相同的條件下，使用具有導流板的反應器發(fā)生短路循環(huán)的機會將會大大降低。2.AMBR工藝的基本原理AMBR反應器是多室串聯(lián)運行，至少有三個格室，反應器兩側(cè)各有進、出水口。運行時進水從反應器的一-端水平流人，另一端流出，從整個反應器內(nèi)的水流狀態(tài)來看屬于推流式，但每個隔室內(nèi)由于機械混合、產(chǎn)氣的攪拌作用表現(xiàn)為完全混合的狀態(tài)。這種整體上為推流式，局部區(qū)域內(nèi)為完全混合式的多個反應器串聯(lián)工藝對有機物的降解速率和處理效果無疑高于單個完全混合反應器，而且在一定的處理能力下所需的反應器容積也比單個完全混合低得多。因而出水室中的有機底物濃度最低，生物體對底物的利用效率也最低，產(chǎn)氣量小，出水室可作為內(nèi)部澄清池，起到泥水分離的作用，減少出水中的生物量，防止生物體隨出水流失。為了防止微生物在出水室累積，需定期反向運行，使出水室變?yōu)檫M水室，進水室變?yōu)槌鏊摇檫_到連續(xù)進出水的目的，反向運行前有從中間單元室進水的過渡階段。為促進污泥與污水的充分接觸，三個格室中均設置污泥攪拌設施間歇攪拌，系統(tǒng)出水口前設置擋板以防止污泥的流失。3.AMBR反應器的特點AMBR反應器運行方式靈活、結(jié)構(gòu)簡單，不需要氣固分離系統(tǒng)和配水系統(tǒng)。裝置采用隔室結(jié)構(gòu)，廢水以推流式運行，出水室中H2分壓和H2S水平低，有利于甲烷化反應。廢水水平流動，出水室中的有機底物濃度最低，生物體對底物的利用效率也最低，產(chǎn)氣量小，出水室可作為內(nèi)部澄清池。反應器內(nèi)水流方向周期性改變，有利于污泥的遷移，防止污泥在最后隔室積累，還可防止揮發(fā)性脂肪酸(VolatileFattyAcid,VFA)在進水室中積累。另外可為產(chǎn)甲烷創(chuàng)造有利條件，反應過程不需投加緩沖液或出水循環(huán)。系統(tǒng)工藝不需要預酸化，不會出現(xiàn)污泥膨脹和污泥上浮現(xiàn)象，且工藝耐沖擊負荷能力強，對有機物的去除效果好。厭氧膜生物反應器(AnMBR)厭氧膜生物反應器可以簡單定義為膜分離技術(shù)和厭氧生物處理單元相結(jié)合的廢水處理技術(shù)。它的提出始于20世紀70年代，至此，這一技術(shù)的研究和開發(fā)相繼展開。20世紀80年代，美國、日本和南非相繼開發(fā)了AnMBR技術(shù)并用于工業(yè)和生活污水處理。由于當時膜生產(chǎn)技術(shù)不夠發(fā)達，膜價格昂貴且膜的使用壽命短，膜通量小等原因，這些技術(shù)還是主要局限于實驗室和中試規(guī)模的廢水處理應用。20世紀90年代后，隨著研究日益增多，針對AnMBR的研究就主要集中在膜材質(zhì)與膜組件形式的開發(fā)與優(yōu)化、膜污染表征與控制、反應器的配置與構(gòu)造以及在各種廢水處理中的應用等方面。1.AnMBR反應器的結(jié)構(gòu)配置厭氧膜生物反應器以膜過濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的沉淀池，由于膜的過濾作用，不僅能夠?qū)⑺械纳锕腆w截留在生物反應器中，而且將大分子污染物也截留在反應器中，實現(xiàn)水力停留時間與污泥齡的徹底分離，消除傳統(tǒng)厭氧活性污泥工藝中的污泥膨脹問題，因此厭氧膜生物反應器體現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢。同時由于厭氧膜生物反應器對污染物去除效率高，膜對微生物有較強截留能力，所以，該反應器對難降解和有毒有害化合物有較好處理效果。采用膜系統(tǒng)易具有良好的水力狀態(tài)，膜的耐久性、抗堵性較好，膜自身易于優(yōu)化。另外，還具有出水水質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)設計和操作簡單，基建費用低，便于管理和自動控制，升級改造潛力大等優(yōu)點。厭氧膜生物反應器系統(tǒng)工藝如圖8所示。AnMBR常用的厭氧系統(tǒng)主要有:升流式厭氧污泥床反應器(UASB)、厭氧顆粒膨脹污泥床(EGSB)、厭氧流動床(FB)、厭氧生物濾池(AF)、折流式厭氧反應器(ABR)等。AnMBR的膜組件主要是超濾和微濾膜，在膜組件的配置上主要有兩種形式，即外置式和內(nèi)置式，如圖9所示。主要分為外置式[圖9(a)]和內(nèi)置式[圖9(b)、圖9(c)]兩種。2.AnMBR反應器的工藝設計原理AnMBR的啟動包含三個過程:馴化階段、啟動階段和穩(wěn)定運行階段。結(jié)合上面的任意一個反應器，反應器的大小尺寸要根據(jù)實際情況而定，產(chǎn)生的沼氣通過集氣罩收集并通過泵進行曝氣，選擇合適的膜組件放置在上部的膜分離區(qū)，通過泵的抽吸作用出水，壓力計顯示膜的跨膜壓力(TMP)。.上部設有回流泵，將AnMBR上部的，上清液回流至底部，保證污水和污泥混合均勻。通過向進水中投加NaHCO3以保證反應器的pH在6.8～7.4，pH自動控制系統(tǒng)控制pH。通過流量計控制水力負荷，溫度由溫度控制計控制，選擇錯流式來代替死端過濾。馴化階段的進水負荷不能太高，因為剛剛接種的產(chǎn)甲烷菌活性往往比較低，在工程實踐中常常要引入產(chǎn)甲烷活性用來表征接種泥中的甲烷菌的含量，定義為:啟動階段是反應器從一個進水負荷較低的狀態(tài)