污水处理高效厌氧反应器开发应用与展望.doc

污水处理高效厌氧反应器开发应用与展望污水厌氧处理技术与其它污水处理技术相比无疑是生态的和绿色的技术，同时更具有成本-效果优势。上世纪70年代以来，厌氧反应器在研究和应用方面取得了长足进步。特别是水力停留时间（HRT）与生物固体停留时间（SRT）的分离而导致高效反应器的研制和推广，使污水厌氧处理技术成为污水生物处理两大技术之一。从已开发的反应器系统来看，升流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环（IC）反应器、厌氧折流板反应器（ABR）及其衍生的其它系统应用最广。这些反应器内部能自然生成具有出色降解有机物能力的和优越沉降性能的厌氧颗粒污泥。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。 1.现状1.1厌氧生物污泥反应器提高厌氧反应器负荷潜力在于：污水性质，系统可保持的单位容积厌氧污泥量，厌氧污泥与污水的混合程度。在过去的十年里，若干研究者潜心于修正UASB系统特征参数已提高UASB负荷和UASB对各类污水（工业废水）的应用能力。对于各类污水，由于系统内传质阻力和浓度梯度问题，传统的UASB的应用参数表现出严格的限制。例如对于低浓度和低温污水，沼气产率下降。同时混合程度从流体动力学角度证明了质量传递在微生物降解有机物中的重要作用1。进一步地，浓度梯度的出现限制了富含蛋白质和长链脂肪酸的污水处理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛23。对于有毒化合物只能在污水被有效稀释下、反应器内部混合状况好的情况下采用高负荷厌氧反应器处理。厌氧流化床（AFB）反应器在原理上克服了污染物传质速率限制，但由于生物膜流失和惰性支撑材料破碎问题，流化床系统难于有效管理。并且为了混合液完全流化，厌氧流化床的能量要求较高4。为充分利用颗粒污泥优越的沉降性能，膨胀颗粒污泥床（EGSB）被开发，一般以8m/h升流速度运行，但增加了高度-直径比和额外循环能量。与传统UASB比较，膨胀颗粒污泥床系统没有内部沉淀装置，但在床外装备了一种先进的固液分离装置。这种装置由筛网组成或经过修改过的夹层分离器56。内循环（IC）反应器是一种基于气提概念的膨胀床系统，这种反应器的特点是内部装有两部气-固分离器。膨胀颗粒污泥床和内循环反应器的主要特点是：高有机负荷率，达20-40kg/m3d；较小的横截面积；较大的反应器高度，大12-20m；较高的上升流速，大8-30m/h。因此，膨胀颗粒污泥床和内循环反应器适用于：污水水温低于20；稀释污水，COD1000mg/L；有毒性可生物降解的化工污水；在UASB里产生严重泡沫问题的污水；出水含有脂肪和长链脂肪酸（LCFA）。一般具有上述特征污水在采用UASB反应器时易发生运行问题。厌氧折流板反应器（ABR）是分阶段多相厌氧反应器工艺技术，被认为具有第三代厌氧反应器的特征。它适应了厌氧处理过程中不同种群微生物对基质利用的不同生理和生态原理，具有比传统的两级（或两相）厌氧处理工艺更灵活、易管理的特点，反应器易高效、稳定地运行7，但目前仍处于试验研究阶段，实际应用较少，其反应器构造的优化设计和参数有待于进一步深入研究。1.2.厌氧膜生物反应器有效的固液分离是高效厌氧生物反应器赖以存在的基础。采用膜生物处理工艺可显著改善固液分离效果。对于低负荷的活性生物固体，厌氧膜生物反应器（AMBR）系统能在极限SRT下运行，以获得出水污染物浓度非常低的结果。同时考虑到厌氧微生物的低增值速率，这种反应器的概念就特别适用于处理拮抗化合物，如生物难降解的有机污水。它的应用前景在于，对于某些污水采用UASB系统出现颗粒污泥成粒非常困难时或SS非常高的有机污水，采用膜生物反应器具有非常好的前景。在日本和南非已出现生产性运行实例。结果显示，采用膜系统易具有良好的水力状态，膜的耐久性、抗堵性较好，膜自身易于优化。如果在反应器里采用沼气循环以加强传质效果和提高膜表面活性的技术方案，可以使系统运行能量很低。但膜反应器的缺点是膜表面经较长时间运行后易产生碳酸钙沉积910。2.影响因素在最近10年中大量的研究探索了极限条件下厌氧处理的能力，如高温和低温、低PH和高PH、含盐环境和有毒化合物的存在。2.1温度厌氧反应器适于中温（30-40）或高温（50-60）运行。然而，最近的研究证实了厌氧处理温度能够上升到8011。虽然在高温下能产生甲烷，但温度过高易产生系统运行不稳定的问题，因此厌氧高温处理一般采用50-60。对于高温厌氧处理来说，50-60是适宜的。在同样氨氮浓度下，高温厌氧处理有时比中温厌氧处理效果差，这是由于在高温状态下分子态的氨氮（NH3）的分数比中温时高，因此毒性问题更加突出。一般来说，当采用完全混合反应器处理粪便或固体废物时，系统水温高于60将导致脂肪酸的显著增加。就厌氧微生物而言，高温一般能提高微生物的水解活性，但某些微生物种群的活性却随温度的上升（60）而下降。例如降解丙酸盐和乙酸盐的微生物种群在水温60时显著减少。因此，水温强烈地影响微生物的水解活性和微生物的种群变化。高温厌氧处理的优点是反应器容积较小、SRT较短、出水病原菌少。2.2酸碱条件厌氧处理一般在中性PH条件（PH=6.5-8）下应用。在低PH条件下观察到的毒性与不溶性挥发性脂肪酸（VFA）有关。最近的研究证明在PH=4.5-5的低PH下厌氧过程可以较好的进行12。当处理大量污水时，生产性应用如采取PH调整是一件既费钱又管理不方便的事。已报道有某食品加工污水在PH=9-9.5时UASB的颗粒污泥形成及运行稳定性良好，COD去除率高13。2.3毒性、难降解有机化合物用厌氧方法处理毒性或难降解的化工污水是厌氧处理比好氧具有优势的一个特点。厌氧处理对于象有机卤化物的消除具有很大的潜力。近10年来已分离出数种专性降解有机卤化物的微生物，并且发现这种专性微生物的数量在不断的增加。已有数种在过去被认为不适于生物处理的生物难降解化工污水成功地采用厌氧反应器进行了有效处理。最新研究显示各种拮抗化合物如氯化脂肪族、氯化芳香族、硝化芳香族可以在厌氧条件下或厌氧-好氧组合系统被降解14。对于偶氮染料可以在厌氧-好氧反应器系统里被几乎完全去除15。对于高浓度有毒性生物可降解污水，通过进入反应器前的稀释可获得满意的处理效果。3.去除氮磷硫的特点3.1氮磷的去除对于市政污水的处理，含有厌氧过程的ANANOX工艺具有很好的脱氮效果，同时将硫酸盐转化为硫16。同样含有厌氧过程的ANAMMOX工艺使用特殊的微生物能直接将氨氮转化为N2脱除17。该工艺具有非常良好的前景,因为它可以节约大量的能量。磷的生物去除采用组合工艺，微生物在交替的厌氧-好氧使聚磷酸盐菌群增长。在DEPHANOX工艺里，为同时脱氮除磷而采用了特殊的装置。这种反应器将氨氮从污泥里富集于的污泥上清液而进入生物膜硝化反应器，而污泥直接进入脱氮除磷反应器。3.2硫的控制在厌氧处理的研究里,控制硫酸盐浓度一直引起重视。因为许多污水里含有硫酸盐，特别是某些工业污水含有高浓度的硫酸盐。硫酸盐经厌氧过程后转化为硫化氢（H2S）。由于H2S的产生引发许多问题，例如毒性、腐蚀、增加出水COD、降低沼气的质和量。过去的研究是如何控制硫酸盐的转化18。进一步的研究表明，结合生物、物理化学技术的富硫酸盐污水的处理可以使污水中的硫酸盐转化成不溶的元素硫而从污水中完全去除硫19。4.厌氧理论和技术的发展前景4.1优化反应器系统许多研究和设计致力于改善颗粒污泥床反应器，目标是减小传质阻力和提高有机负荷率。进一步的期望在于如采用分级污泥床系统处理特殊污水，如化工污水。对于毒性、难降解有机化合物的处理，有意义的期望在于厌氧反应器。应将现有的相关成熟技术最大程度地集成和整合，突破整合过程中的技术难点和关键技术，开发出具有实际应用价值的多级多相厌氧处理工艺。出于对生活污水的重视，必须集中注意力解决反应器悬浮物的流失和低温条件下的低水解率。随着反应器对污水、固体废物、污泥中所含复杂有机物处理极限的逼近，提高厌氧微生物对复杂有机物水解性能是一项重要的任务。传统的污泥和固体厌氧消化经常需要长停留时间以完成反应过程。缩短反应时间将是厌氧技术发展的动力。4.2利用厌氧转化的特殊性质厌氧技术能够有效地降解数种有机微污染物质特别是有机卤化物、取代芳香族化合物和偶氮交联物。组合的厌氧/好氧技术对于工业污水和含有工业污水的市政污水有愈来愈大的吸引力。厌氧技术的特殊能力决定了厌氧技术具有其它技术所无法比拟的地位。要求最终产物是绿色、安全的目标使厌氧转化的特殊性质被进一步利用。遵循农业土地循环的污泥消化是厌氧工艺在世界范围内最大的应用。制定出重金属和残留污染物的精确规则将使在消化污泥上进行食品生产成为可能。随着对“残留污染物”的重视，对消化污泥研究设计出控制其有机污染物和重金属的清洁污泥的厌氧/好氧的新理论是十分重要的。4.3作为污水再生利用的核心技术对于污水处理系统的产物（包括处理出水），将来工艺的主要进展是预处理和提高处理效率，包含结合物理、化学、生物处理单元的工艺。显然厌氧技术是有机物矿化的可持续的处理方法，该技术将成为污水处理回用的核心技术。因此，厌氧处理技术在原材料工业、加工工业、农业加工业污水处理回用的水处理有望发挥主要作用。4.4完善反应数学模型和工艺控制过程将来在模型和运行控制的进展将导致厌氧处理技术在污水处理工程中更广泛的应用。目前模糊逻辑、神经网络、分形理论都已成功地应用于数学模型和系统控制，具有缩短启动时间和优化系统运行效果的特点20。精确描述厌氧生化动力学的数学模型促进了人们对厌氧过程的深入认识，解释厌氧处理过程在将来继续发展的必然性。有必要建立一个基于未来研究的一般平台，统一世界范围应用的各种符号，设置一般动力学模型的基础模型是工艺设计的基础，同时对工艺过程的控制也是重要的。数学模型的开发成功和应用，有助于应用工艺设计和运行。5结语尽管污水厌氧处理技术可追溯到100多年前，但由于它的生态的、绿色的、低成本的特性，该技术仍在迅速发展以不断适应污水处理要求。高效反应器的不断开发应用和其内在机理不断被发现，将进一步加深对污水厌氧处理的理解和对新型反应器更广泛的应用。污水处理工艺中鼓风机调控方式的选择 在城市污水处理工艺中，活性污泥法具有投资少、处理效率高、运行经验成熟等特点而被广泛使用。其曝气系统通常采用鼓风曝气。实际运行中，污水的水质、水量及环境等因素总处在变化之中，曝气系统应能根据曝气池溶解氧含量的变化及时调节供气量，以保证处理效果，并不致浪费能源。因此，在项目设计阶段，业主和设计单位均高度重视鼓风机的选型及调控方式的选择。太原市河西北中部污水处理厂工程的初步设计，鼓风设备采用了单级高速离心风机，变频控制调节风量的方案。为了满足污水处理工艺的要求，最大限度节能、降低建设投资，经考察，并多次组织专家进行技术经济分析和论证，认为针对本工程污水处理鼓风曝气工艺特点，采用进口导叶是鼓风机合理的调控方式。 1工程概况及鼓风机调控方案 1.1工程概况 太原市河西北中部污水处理厂位于太原市汾河西岸，九院沙河入汾河口南岸，是国家投资的“双千亿”工程之一。设计规模为处理污水量150000 m3/d，采用A-B法生物处理工艺。工程分二期建设，一期工程按80000 m3/d实施，二期达到设计处理能力，目前正在实施中。1.2鼓风机调控方案 在初步设计中，鼓风曝气装置，设计选用单级高速离心鼓风机。考虑到污水处理量的不均衡性，为了节约能源，保证风机出口压力不变及各工艺构筑物需气量的要求，设计采用变频调节的方式来控制鼓风机风量的变化。 主要设计参数如下： 出口相对风压：49 kPa 风量：150 m3/min台（一期4台） 进气温度：25 进气压力：98 kPa 排气压力：147 kPa 变频器接受调节信号为420 MaDC 鼓风曝气示意见图1。 2离心风机调控方式的分析、选择 离心风机是目前应用最广泛的风机，是风机节能的主要对象。从调查中了解到，目前风机运行中存在的主要问题是能源浪费严重。根据国家有关部门统计，风机与泵的用电量占全国用电总量的40左右1。造成风机能耗大的主要原因是由于运行中的风机大量采用档板、阀门等调节方式。这种方式虽简便易行，但在调节过程中将产生大量的能量损耗。因此，在污水处理工程中需经常调节风量的鼓风机，应选择合适的调节方式，以降低能耗。2.1离心风机的工作原理及特性 单级高速离心风机的工作原理是：原动机通过轴驱动叶轮高速旋转，气流由进口轴向进入高速旋转的叶轮后变成径向流动被加速，然后进入扩压腔，改变流动方向而减速，这种减速作用将高速旋转的气流中具有的动能转化为压能（势能），使风机出口保持稳定压力。 从理论上讲，离心鼓风机的压力-流量特性曲线是一条直线，但由于风机内部存在摩擦阻力等损失，实际的压力与流量特性曲线随流量的增大而平缓下降，对应的离心风机的功率-流量曲线随流量的增大而上升。当风机以恒速运行时，风机的工况点将沿压力-流量特性曲线移动。风机运行时的工况点，不仅取决于本身的性能，而且取决于系统的特性，当管网阻力增大时，管路性能曲线将变陡。风机调节的基本原理就是通过改变风机本身的性能曲线或外部管网特性曲线，以得到所需工况。 2.2变频调控原理与特性 随着科技的不断发展，交流电机调速技术被广泛采用。通过新一代全控型电子元件，用变频器改变交流电机的转速方式来进行风机流量的控制，可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。 变频调节的节能原理： 图2中曲线1和2表示调速时的压力-流量曲线，曲线3和4表示节流调节时管路阻力特性曲线，曲线5表示恒速时功率-流量曲线，设A点为风机最大工况点。当风量需从Q1减少到Q2时，如果采用节流调节法，工况点由A到B，风压增加到H2，由图中可看出轴功率P2下降，但减少的不太多。如果采用变频调节方式，风机工况点由A到C，可见在满足同样风量Q2 情况下，风压H3将大幅度下降，功率P3随着显著减少。节省的功率损耗PHQ2与图中面积BH2H3C成正比。 由以上分析可知，变频调节是一种高效的调节方式。鼓风机采用变频调节，不会产生附加压力损失，节能效果显著，调节风量范围0100，适合调节范围宽，且经常处于低负荷下运行的场合。但是，当风机转速下降，风量减小时，风压将发生很大变化，由风机比例定律： Q1/Q2(n1/n2)，H1/H2(n1/n2)2，P1/P2(n1/n2)3 可知，当其转速降低到原额定转速的一半时，对应工况点的流量、压力、轴功率各下降到原来的1/2、1/4、1/8，这就是变频调节方式可以大幅度节电的原因。 根据变频调节这一特性，对于在污水处理工艺中，曝气池始终保持5 m正常液位(见图1)，要求鼓风机在出口压力恒定的条件下，进行大范围的流量调节，当调节深度较大时，将会使风压下降过大，不能满足工艺要求。当调节深度较小时，则显示不出其节能的优势，反而使装置复杂，一次性投资增高（本工程中鼓风机采用变频调节比导叶调节增加一次性投资20万元）。因此，对本工程的曝气池需保持5m液位的工况条件下，采用变频调节方式显然是不合适的。 2.3进口导叶调节原理及特性：进口导叶调节装置即在鼓风机吸风入口附近装设一组可调节转角的导叶-进口导叶，其作用是使气流在进入叶轮之前发生旋转，造成扭曲速度。导叶可绕自身轴转动，叶片每转动一个角度就意味着变换一个导叶安装角，使进入风机叶轮的气流方向相应改变。进口导叶调节风量原理是：当导叶安装角0时，导叶对进口气流基本上无作用，气流将以径向流入叶轮叶片。当时，进口导叶将使气流进口的绝对速度沿圆周速度方向偏转角，同时对气流进口的速度有一定的节流作用，这种预旋和节流作用将导致风机性能曲线下降，从而使运行工况点变化，实现风机流量调节。进口导叶调节的节能原理通过图31说明。 图3中曲线1为节流调节时功率-流量曲线，曲线2为进口导叶调节时的功率-流量曲线。当进口导叶安装角由10增大为2或3时，运行工况点由M1移至M2或M3；流量由Q1减小至Q2或Q3；轴功率由P1减少至P2或P3。图中用剖面线表示的面积为进口导叶比节流调节节省的功率。 在本工程中，曝气池深度是固定的，鼓风机在保持出口压力恒定条件下，进行流量调节，即常量，变量时，管网的特性曲线近似于水平直线，鼓风机采用进口导叶调