废水厌氧处理工艺分析比较

废水厌氧处理工艺分析比较

一、废水厌氧处理原理

一般来说，废水中复杂有机物物料比较多，通过厌氧分解分四个阶段加以降解：

（1）水解阶段：高分子有机物由于其大分子体积，不能直接通过厌氧菌的细胞壁，需要在微生物体外通过胞外酶加以分解成小分子。废水中典型的有机物质比如纤维素被纤维素酶分解成纤维二糖和葡萄糖，淀粉被分解成麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被分解成短肽和氨基酸。分解后的这些小分子能够通过细胞壁进入到细胞的体内进行下一步的分解。

（2）酸化阶段：上述的小分子有机物进入到细胞体内转化成更为简单的化合物并被分配到细胞外，这一阶段的主要产物为挥发性脂肪酸（VFA），同时还有部分的醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等产物产生。

（3）产乙酸阶段：在此阶段，上一步的产物进一步被转化成乙酸、碳酸、氢气以及新的细胞物质。

（4）产甲烷阶段：在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇都被转化成甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。这一阶段也是整个厌氧过程最为重要的阶段和整个厌氧反应过程的限速阶段。

在上述四个阶段中，有人认为第二个阶段和第三个阶段可以分为一个阶段，在这两个阶段的反应是在同一类细菌体类完成的。前三个阶段的反应速度很快，如果用莫诺方程来模拟前三个阶段的反应速率的话，Ks（半速率常数）可以在50mg/l以下，μ可以达到5KgCOD/KgMLSS.d。而第四个反应阶段通常很慢，同时也是最为重要的反应过程，在前面几个阶段中，废水的中污染物质只是形态上发生变化，COD几乎没有什么去除，只是在第四个阶段中污染物质变成甲烷等气体，使废水中COD大幅度下降。同时在第四个阶段产生大量的碱度这与前三个阶段产生的有机酸相平衡，维持废水中的PH稳定，保证反应的连续进行。

二、废水厌氧工艺的发展

厌氧生物过程一直广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的Louis Mouras所发明的“自动净化器”开始的，随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。这些厌氧反应器现在通称为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是：①水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性

污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。

但是，当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③ HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。以上这些特点彻底改变了原来人们对厌氧生物过程的认识，因此其实际应用也越来越广泛。

进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC 反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。

三、厌氧处理常见工艺（运行方式、构筑物结构、优缺点、适合水质、主要工艺控制参数等）

3.1普通厌氧消化池

普通厌氧硝化池又称传统或常规硝化池，已有百余年历史。硝化池常用密闭的圆柱形池。废水定期或者连续进入池中，经消化的污泥和废水分别从消化池底和上部排出，所产生的沼气出顶部排除。池径由几米到几十米，柱体部分的高度一般约为直径的1/2，池底未圆锥形，便于污泥排出。一般池体加盖，以保证良好的厌氧条件，收集沼气和保温，并减少池面的蒸发。为了使进料和厌氧污泥充分接触、使产生的沼气及时溢出而设有搅拌装置。此外，进行中温和高温消化时，常需要对消化液进行加热。常用的搅拌方式：（1）池内机械搅拌；（2）沼气搅拌；（3）循环消化液搅拌。一般情况下，2--4小时搅拌一次。在排放消化液时，通常停止搅拌，经沉淀分离后排出上清液。常用加热方式：1、废水在消化池外先经过热交换器预热到定温再进入消化池；2、热蒸汽直接再消化池内加热；3、在消化池内安装热交换器。

普通消化池一般的负荷，中温为2--3kgCOD/(m3/d),高温为5--6kgCOD/(m3/d)。

普通消化池优点：

①工艺可以进入高悬浮固体含量的原料；

②消化器内物料分布均匀，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；

③消化器内温度分布均匀；

④进入消化器内任何一点的抑制物质，能够迅速分散保持在最低浓度水平；

⑤避免了浮渣结壳、堵塞、气体逸出不畅和沟流现象；

⑥易于建立数学模型。

普通消化池缺点:

①由于该消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；

②要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；

③生产用大型消化器难以做到完全混合；

④底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。

3.2厌氧接触法

为了克服普通消化池不能按需要保留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流到消化池，这样就形成了厌氧接触氧化法。厌氧接触氧化法使污泥不流失、出水水质稳定，可提高消化池内的污泥浓度，缩短污水在消化池内的水力停留时间，从而提高厌氧反应的有机容积负荷和处理效率。其工艺流程见图

厌氧接触法的特点是：

(1)由于设置了专门的污泥截留设施，能够回流污泥，通过污泥回流，使厌氧接触法的固体停留时间较长。可保持消化池内10～15g/L的较高污泥浓度，提高了耐冲击能力，使系统运行比较稳定；

(2)容积负荷大大超过普通消化池，中温消化时一般为2～10kgCODcr／(m3·d)，水力停留时问比普通消化池大大缩短，比如常温下普通消化池的水力停留时间为20～30d，而接触法小于10d：

(3)不存在堵塞问题，可以处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的污泥或废水；

(4)混合液经沉淀后，出水水质好，但需要配置沉淀池、污泥回流和脱气等设备，流程较复杂；

(5)厌氧接触法的最大问题是混合液难于在普通沉淀池中进行固液分离，需要设置专门的脱气设施。

提高厌氧消化污泥沉淀效果的措施：

(1)真空脱气：将从消化池排出的混合液进人真空度为一5kPa的真空脱气器，将污泥絮体上的沼气泡除去，改善混合液的沉淀性能。

(2)急冷脱气：将从消化池排出的混合液进行急速冷却，比如将35℃的中温消化液冷却到15～25℃，可以防止污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀分离。(3)混凝沉淀：向混合液中投加絮凝剂，使细小的厌氧污泥凝聚成大颗粒，在沉淀池中容易沉淀下去，提高固液分离效果。

(4)过滤分离：用过滤器代替沉淀池，提高固液分离效果。

(5)降低沉淀负荷：为保证沉淀池分离效果，厌氧消化液的沉淀池表面水力负荷要比一般废水沉淀池小一些，混合液在沉淀池内的停留时间比一般废水沉淀时间要长一些，一般不小于4h。

3.3UASB（Up Flow Anaerobic Sludge Blanket Expended Granular Sludge Bed）

3.3.1UASB的基本工作原理

UASB反应器废水由反应器底部进入，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水和污泥颗粒接触的过程。在厌氧状态下产生的沼气(主要是甲烷和二氧化碳)引起了内部的循环，这对于颗粒污泥的形成和维持有利。在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升。上升到表面的污泥撞击三相反应器气体发射器的底部，引起附着气泡的污泥絮体脱气。气泡释放后污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，附着和没有附着的气体被收集到反应器顶部的三相分离器的集气室。置于集气室单元缝隙之下的挡板的作用为气体发射器和防止沼气气泡进入沉淀区，否则将引起沉淀区的絮动，会阻碍颗粒沉淀。包含一些剩余固体和污泥颗粒的液体经过分离器缝隙进入沉淀区。由于分离器的斜壁沉淀区的过流面积在接近水面时增加，因此上升流速在接近排放点降低。由于流速降低污泥絮体在沉淀区可以絮凝和沉淀。累积在三相分离器上的污泥絮体在一定程度上将超过其保持在斜壁上的摩擦力，其将滑回反应区，这部分污泥又将与进水有机物发生反应。

3.3.2UASB的组成系统

（一）进水配水系统

进水配水系统的功能主要是将废水均匀分配到整个反应器，并进行水力搅拌，是反应器高效运行的关键之一。

从水泵来的废水通过配水设备流入布水管。配水设备是由一根可旋转的配水管与配水槽构成，配水槽为圆环形，被分隔成若干单元，每个单元与一根通进反应器的布水管相连。从水泵来的水管与可旋转的配水管相连接。工作时配水管旋转，在一定的时间间隔内，废水流进配水槽的一个单元，由此流进一根布水管进入反应器。

布水点设在反应器的底平面上，为使基质与污泥接触充分，应进行合理设置。布水点均匀分布在池底上，且高度不同。根据有关资料与研究实践，认为布水的不均匀系数为0.95时，可达到布水均匀的目的。荷兰研究者提出，在装置放大时应按比例增加布水点的数量，使每5m2底面积有一个布水点。这种布水方式对于整个反应器来说是连续进水，而对于每个布水点而言，则是间断进水，布水管的瞬时流量与整个反应器的流量相等。

在生产运行装置中所采用的进水方式大致可分为间歇式、脉冲式、连续均匀流、连续与间歇回流相结合等几种。

（二）UASB的反应区

反应区是反应器的主要部分，包括污泥床区和污泥悬浮层区，废水中有机物主要在此处被厌氧菌分解。

（三）三项分离器

三相分离器的作用是把沼气、污泥和液体分开。UASB反应器所具有的这种分离器是考虑到厌氧工艺细菌生长速率很慢这一特点而设计的，由沉淀区、回流缝和气封组成。污泥经沉淀区沉淀后由回流缝直接回流到反应区，保证流失的污泥量小于在反应器内的生成量，沼气经分离后进入气室。三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果。

（四）出水系统

出水的均匀排出是保证反应器均匀稳定运行的关键因素之一，尤其是对固液分离的影响较大。通常每个单元三相分离器设一出水槽。当UASB反应器为封闭式时，

总出水管必须通过一个水封，以防漏气和确保厌氧条件。当处理废水中含蛋白质和脂肪或含有大量悬浮固体时，出水一般也夹带有大量悬浮固体或漂流污泥，为减少出水悬浮固体量，在出水槽前应设置挡板，以提高出水水质。

（五）气室

气室也称集气罩，作用是收集处理过程中产生的沼气，气室上方开口连有导管，引导沼气排入水封。

（六）浮渣清除系统

在废水处理过程中，尤其是处理含蛋白质和脂肪较高的工业废水时，在气室和反应器液面会形成一层较厚的浮渣层，影响反应器的正常运行，如阻碍沼气的顺利释放，堵塞导管，使部分沼气从沉淀区逸出，干扰沉淀区的沉淀效果等，因此应设置浮渣清除系统。在沉淀区液面产生的浮渣层，可用刮渣机清除；在气室产生的浮渣，较难清除，必须设置冲洗管和循环水泵（或气泵），定期进行循环水或沼气反冲。

（七）排泥系统

UASB反应器污泥床区均匀排泥也是影响反应器正常工作的重要因素。若集中在一点排泥，则污泥床的污泥分布不均，排泥口附近的污泥浓度会大大降低，从而影响该处废水的处理效果，因此应将排泥点均匀设置在池底，一般每10m2设一个排泥口。当采用穿孔管配水系统时，可同时把穿孔管兼作排泥管。为防堵塞，专设排泥管管径一般在200mm以上。为方便运行，可在反应器半高处或三相分离器下0.5m处再设一排泥口，沿反应器高度均匀设5-6个污泥取样管。

3.3.3UASB反应器特点

UASB反应器的特点主要有：1、反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30--40g/L，其中底部污泥层污泥浓度为60--80g/L，悬浮层为5--7g/L;2、有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为１０－－２０Ｋg/(m2.d)；3、反应器内设置三项分离器，无需污泥回流，系统启动成功后，也不需要内回流，4、反应器内无需设置填料，节省造假，避免堵塞。但是，1、反应器内容易短流，影响处理效率；2、进水悬浮物要求较高，要求控制在500mg/L 以下，以免影响厌氧污泥的颗粒化和减少反应器的有效容积；3、为了发挥良好的处理效率对构筑物的要求比较高，特别是进出水的方式和土建质量；4、运行启动的时间长，完全启动时间达6个月，对水质和负荷的变化比较敏感。5、对氮和磷的去除效果及其有限。

3.4厌氧滤池

厌氧滤池又称固定膜反应器，滤池体一般呈圆形，池内装有填料，池底和池顶密封。厌氧微生物附着生长在填料上面，当废水通过填料层时，废水中的有机物被填料表面的微生物降解，并产生沼气，从顶部排出。填料上面的生物膜会不断的进行脱落更新，脱落的生物膜随水流流出系统。废水从池底进入，从池顶排出，称为升流式厌氧滤池；废水从顶部进入从池底排出，称为降流式厌氧滤池。

厌氧生物滤池具有以下优点：

（1）处理能力比一般消化池高；

（2）生物量浓度高，可获得较高的有机负荷；

（3）不需要专门的搅拌设备，装置简单，工艺自身能耗低；

（4）微生物菌体停留时间长，耐冲击负荷能力较强；

（5）无需回流污泥，运行管理方便；

（6）在处理水量和负荷有较大变化的情况下，运行能保持较大的稳定性。

厌氧生物滤池的主要不足是：

（1）滤池容易堵塞，尤其是底部，因此主要适用于悬浮物浓度较低的溶解

性有机废水处理；

（2）对布水装置要求较高，否则易发生短流，影响处理效果；

（3）滤池的清洗尚无简单有效的方法；

（4）滤料费用较贵；

（5）启动时间较长。

3.5IC（内循环厌氧反应器）

厌氧内循环反应器简称IC反应器，是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器，可看成是由两个UASB反应器的单元相互重叠而成。它的特点是在一个高的反应器内将沼气的分离分成两个阶段。底部一个处于极端的高负荷，上部一个处于低负荷。IC反应器的构造特点是具有很大的高径比，一般可达到4-8，高度可达16-25m，从外观看，就象一个厌氧生化反应塔。IC反应器从功能上讲由四个不同的功能部分组成，即混合部分、膨胀床部分、精处理部分

1、混合区：由反应器的底部进入的污水与颗粒污泥和内部气体循环所带回的出水有效地混合，使进水得到有效地稀释和均化。

2、污泥膨胀床部分：由包含高浓度的颗粒污泥膨胀床所构成。床的膨胀或流化是由于进水的上升流速、回流和产生的沼气所造成。废水和污泥之间有效地接触使得污泥具有高的活性，可获得高的有机负荷和转化效率。

3、精处理部分：在这一区域内，由于低的污泥负荷率，相对长的水力停留时间和推流的流态特性，产生了有效的后处理。另外由于沼气产生的扰动在精处理部分较低，使得生物可降解COD几乎全部去除。虽然与UASB反应器条件相比，反应器的负荷率较高，但因内部循环流体不经过这一区域，因此在精处理区的上升流速也较低，这两点为固体停留提供了最佳的条件。

4、回流系统：内部的回流是利用气提原理，因为在上部和下层的气室间存在着压力差。回流的比例是由产其量所决定的。大部分有机物（BOD和COD）是在IC反应器下部的颗粒污泥膨胀床内降解为生物沼气的（甲烷），沼气经由第一部分分离器收集，通过气体升力携带水和污泥进入气体上升管，至位于IC反应器顶部的液气分离罐进行液气分离，水与污泥经过中心循环下降管流向反应器底部，形成内循环流。第一级分离气的出流在第二级（上部）处理区得到后续处理，在此，大部分剩余的可降解的有机物（COD和BOD）得到进一步降解，所产生的沼气被二级分离器收集，出水通过溢流堰流出反应器。

内循环是基于气体上升原理，通过含气体的“上升管”和“下降管”介质密度的差别产生的，在此不需水泵实现这一内循环，内循环量（速度）通过上升管内沼气的含量，即进水中COD浓度的变化实现自我调节。该内循环功能使IE反应器具有较灵活的特点，比如：当进水COD负荷增高时，沼气产量增大，内循环管内气体上升力增大，经由下降管至下部的循环水进一步稀释了COD的浓度。反之，当进水COD负荷较小时，较少的沼气产量产生较小的气体上升力，使得较小的循环水流至反应器底部稀释进水COD浓度。由此可见，内循环特点可以保证在进水COD负荷波动的情况下，实现稳定的COD负荷自动调节。

IC反应器的优点主要有以下几点：

（1）容积负荷率高，水力停留时间短。