汪艷霞

（太原學(xué)院環(huán)境工程系，山西太原 030032）

傳統(tǒng)厭氧消化工藝水力停留時(shí)間長(zhǎng)、處理效率低，其主要原因有以下兩點(diǎn)：（1）厭氧反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有足夠量的高活性微生物，尤其是產(chǎn)甲烷微生物；（2）污水和微生物間沒(méi)有充分接觸.傳統(tǒng)厭氧消化工藝的這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了傳統(tǒng)厭氧消化工藝的使用受到了限制.近年來(lái)，世界能源危機(jī)顯著，生物化學(xué)和微生物學(xué)的發(fā)展比較迅速，于是人們把焦點(diǎn)再次投向厭氧生物處理技術(shù)，相繼出現(xiàn)了以UASB反應(yīng)器為代表的第二代厭氧反應(yīng)器和EGSB反應(yīng)器為代表的第三代厭氧反應(yīng)器.采用第二代反應(yīng)器，可使反應(yīng)器內(nèi)水力停留時(shí)間（HRT）和污泥停留時(shí)間（SRT）進(jìn)行分離，污水在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間得到大大縮減（由原來(lái)的數(shù)十天縮減至幾天，有時(shí)甚至是幾個(gè)小時(shí)），反應(yīng)器的容積大大減小.第三代反應(yīng)器相比較第二代反應(yīng)器，在構(gòu)造上進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后它可有效截留反應(yīng)器內(nèi)的生物固體，使得反應(yīng)器內(nèi)不同區(qū)域均生長(zhǎng)微生物，污水和污泥進(jìn)行充分接觸，從而提高處理效率.第三代厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用范圍也發(fā)生了改變，由對(duì)高濃度有機(jī)廢水的處理擴(kuò)展到對(duì)低溫、低濃度廢水以及一些含難降解物質(zhì)、有毒物質(zhì)的處理.

1 UASB反應(yīng)器

UASB反應(yīng)器是目前應(yīng)用最為廣泛的厭氧反應(yīng)器，是20世紀(jì)70年代由荷蘭的Lettlnga等人開(kāi)發(fā)的，反應(yīng)器由氣、液、固三部分組成，反應(yīng)器底部為厭氧顆粒污泥床，污泥床的生物活性很高，沉降性能也很好.顆粒污泥床上部是懸浮污泥層，其濃度較低.

廢水由反應(yīng)器的底部進(jìn)入反應(yīng)器，流經(jīng)厭氧顆粒污泥床和懸浮污泥層時(shí)，被微生物降解，產(chǎn)生沼氣，隨著水流方向，反應(yīng)器內(nèi)的水、氣、泥混合液也上升，上升至三相分離器后，氣體進(jìn)入集氣室，水和泥進(jìn)入沉降室.在沉降室內(nèi)，進(jìn)行泥水分離，污泥沉降至反應(yīng)區(qū)，處理以后的上清液從沉降室上方排走.

反應(yīng)器利用污泥顆?；粌H實(shí)現(xiàn)了污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間的分離[1]，而且保證了高有機(jī)負(fù)荷率（一般為10 kg COD/（m3.d）和高生物量（一般為20～40 g VSS/L））[2].

盡管如此，UASB反應(yīng)器仍面臨很多問(wèn)題：（1）污泥流失比較嚴(yán)重，水力負(fù)荷難以提高；（2）對(duì)所處理廢水的溫度有要求，適宜處理水溫為17℃以上；（3）不能有效處理難生物降解物質(zhì)和有毒物質(zhì)；（4）顆粒污泥的處理能力很難得到大幅提高，不能使得泥水進(jìn)行很好的接觸；（5）無(wú)法強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，傳質(zhì)依然是限制生化反應(yīng)速率的主要因素；（6）COD去除率并不高，通常為45%～75%.

2 EGSB反應(yīng)器

基于對(duì)上述UASB反應(yīng)器的研究結(jié)論，人們考慮可以設(shè)計(jì)一種反應(yīng)器，使顆粒污泥床能夠在反應(yīng)器內(nèi)充分膨脹，EGSB反應(yīng)器由此就產(chǎn)生了.該反應(yīng)器采用較大的高徑比，且對(duì)上清液部分出水采用回流進(jìn)水，這樣就使反應(yīng)器內(nèi)的液體上升流速得以較大提高，從而達(dá)到污泥床充分膨脹的目的.

出水循環(huán)是EGSB反應(yīng)器不同于UASB反應(yīng)器之處（見(jiàn)圖1），從而使EGSB反應(yīng)器具有以下顯著特點(diǎn)：

圖1 UASB反應(yīng)器和EGSB反應(yīng)器

（1）在高負(fù)荷下取得高處理率，尤其是在低溫下，對(duì)低濃度有機(jī)廢水的高處理率.如處理未酸化的廢水達(dá)到同樣去除率，在10℃時(shí)，UASB負(fù)荷為0.5～1.5 kg COD/（m3.d），而EGSB可達(dá)到2～5 kg COD/（m3.d）；在15℃時(shí)，UASB負(fù)荷為2～4 kg COD/（m3.d），而EGSB可達(dá)到6～10 kgCOD/（m3.d）[3].

（2）由于采用較大高徑比，使反應(yīng)器內(nèi)液體上升流速可維持在3～10m/h的范圍內(nèi)，從而可有效減少占地面積.

（3）EGSB的顆粒污泥的凝聚性能和沉降性能均很好，污泥的粒徑很大，可達(dá)到3～4mm，顆粒沉速可達(dá)60～80m/h，機(jī)械強(qiáng)度也較高[4，5].

（4）三相分離器設(shè)計(jì)是EGSB高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[6].

（5）低基質(zhì)濃度低溫度廢水會(huì)導(dǎo)致微生物活性降低，但EGSB反應(yīng)器采用較高的基質(zhì)濃度和溫度的廢水，污泥和污水可充分接觸，使得處理低溫低濃度廢水的效率大大提高[7，8].Kato[9]等人采用225.5 L的EGSB反應(yīng)器在30℃時(shí)處理以乙醇為基質(zhì)的模擬低濃度廢水.結(jié)果表明，當(dāng)控制在2.5～5.5m/h范圍內(nèi)時(shí)，只要選擇適當(dāng)?shù)腛LR，當(dāng)進(jìn)水濃度為300～700mg COD/L甚至100～200mg COD/L時(shí)，COD去除率均可達(dá)90%以上.

（6）對(duì)超高COD濃度廢水和含毒性、難降解物質(zhì)的廢水，EGSB反應(yīng)器可通過(guò)稀釋作用、強(qiáng)化傳質(zhì)來(lái)促進(jìn)微生物降解基質(zhì)，從而達(dá)到較好處理效果[10].荷蘭Calidic Europoort化工廠對(duì)該廠COD為40000mg/L、甲醛為10000mg/L、甲醇為2000mg/L的廢水用EGSB反應(yīng)器進(jìn)行處理.發(fā)現(xiàn)EGSB反應(yīng)器在進(jìn)水流量5 m3/h，循環(huán)流量145m3/h，HRT1.8 h，9.4m3/h，容積負(fù)荷17 kg COD/m3.d的運(yùn)行條件下，出水COD從未超過(guò)800mg/L，COD去除率高達(dá)98%，出水甲醇和甲醛濃度平均為20mg/L，去除率可高達(dá)99.8%[11].

3 微氧EGSB反應(yīng)器

雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的EGSB反應(yīng)器的去除效率較高，但對(duì)目前越來(lái)越多的含難降解、有毒物質(zhì)的廢水，僅是通過(guò)稀釋、強(qiáng)化傳質(zhì)、保證微生物與污染物質(zhì)的充分接觸、提高SRT等手段，并不能徹底降解.因有許多難降解物質(zhì)，如DDT、多環(huán)芳香烴、高氯化有機(jī)物等，在嚴(yán)格厭氧或嚴(yán)格好氧條件下是不能徹底降解或不能降解的，需要厭氧與好氧微生物共同作用才能降解.

微氧產(chǎn)甲烷技術(shù)正是適應(yīng)這種需求而產(chǎn)生的.微氧產(chǎn)甲烷技術(shù)是美國(guó)學(xué)者D.H.Zitomer和J.Dshrout提出的，通過(guò)往厭氧反應(yīng)器中加入少量氧氣使得在同一反應(yīng)器中可同時(shí)進(jìn)行好氧呼吸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)過(guò)程，從而使該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

3.1 污泥產(chǎn)量少（接近厭氧）

Zitomer以丙酸、乙醇為基質(zhì)，反應(yīng)器采用血清瓶，廢水中分別通入0%、10%、30%COD的氧氣添加量，分析污泥產(chǎn)率系數(shù)（Y），結(jié)果表明：（1）當(dāng)氧氣添加量為0%COD時(shí)，此時(shí)反應(yīng)為厭氧狀態(tài)，丙酸和乙醇的Y值分別為0.062和0.058 g VSS/g COD；（2）當(dāng)氧氣添加量為30%COD、10%COD時(shí)，反應(yīng)為微氧狀態(tài)，丙酸和乙醇的Y值分別為0.093、0.067 g VSS/g COD和0.12、0.081 g VSS/g COD[12].而一般采用好氧工藝時(shí)，污泥產(chǎn)率系數(shù)通常為0.4 g VSS/g COD左右，因此，微氧產(chǎn)甲烷條件下的Y值與嚴(yán)格厭氧條件下的Y值很接近，污泥產(chǎn)量少.

3.2 出水COD低

在好氧條件下，乙酸鹽能被大量好氧微生物代謝，而在厭氧條件下只有少數(shù)幾種微生物能代謝乙酸鹽，從而使厭氧處理系統(tǒng)的出水中揮發(fā)性脂肪酸濃度較高[13].董春娟[14]等人在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，向蔗糖內(nèi)通入部分氧氣，使系統(tǒng)處于微好氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的COD去除率高.原因是系統(tǒng)在微好氧產(chǎn)甲烷狀態(tài)時(shí)，乙酸、丙酸等這類中間代謝產(chǎn)物可以發(fā)生好氧反應(yīng)進(jìn)行降解.另外微好氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)由于厭氧形成的部分還原性物質(zhì)（如H2S）和揮發(fā)性脂肪酸（VFA）被氧化、可溶性微生物產(chǎn)物（SMP）少等原因而降低了出水的COD濃度.

3.3 高產(chǎn)甲烷活性

高產(chǎn)甲烷活性很高，原因是在微氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中，能迅速氧化VFA，能氧化和吹脫H2S，從而減少了毒性中間產(chǎn)物的積累，而中間產(chǎn)物的積累和高H2S濃度、高VFA濃度均可使產(chǎn)甲烷活性有所降低.

3.4 抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)

系統(tǒng)的pH值能夠迅速回升.在實(shí)驗(yàn)中將有機(jī)負(fù)荷由0.25 g COD/LR·d增至4 g COD/LR·d，考察反應(yīng)器內(nèi)pH值的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，pH值由大約7降至5，而在厭氧反應(yīng)器內(nèi)，pH值在經(jīng)過(guò)52 d后仍未恢復(fù)到原值[15].分析原因在微氧產(chǎn)甲烷狀態(tài)下，H2和CO2被吹脫，VFA的微好氧代謝，使得pH值的恢復(fù)加速了.

基于微氧產(chǎn)甲烷系統(tǒng)的上述特點(diǎn)，可在EGSB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出微氧EGSB反應(yīng)器，使其不僅具有傳統(tǒng)EGSB反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是由于微量氧的參與，使得反應(yīng)器內(nèi)氧化與還原作用可以同時(shí)發(fā)生，厭氧菌、好氧菌、兼性菌等可以同時(shí)存在，對(duì)一些單純?cè)诮^對(duì)厭氧或者絕對(duì)好氧狀態(tài)下難降解的物質(zhì)進(jìn)行有效降解.微氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 微氧EGSB反應(yīng)器

4 結(jié)語(yǔ)

EGSB反應(yīng)器通過(guò)顆粒污泥的形成實(shí)現(xiàn)了HRT與SRT的真正分離，采用出水外循環(huán)保證了污泥與污水的良好接觸，保證了系統(tǒng)的高效運(yùn)行.對(duì)于一些難降解、有毒污染物質(zhì)的處理，EGSB反應(yīng)器僅僅是通過(guò)外循環(huán)產(chǎn)生的稀釋作用來(lái)實(shí)現(xiàn).在傳統(tǒng)EGSB反應(yīng)器內(nèi)通入微量氧，可產(chǎn)生氧化還原、厭氧好氧共存環(huán)境，對(duì)一些單純?cè)诮^對(duì)厭氧或者絕對(duì)好氧狀態(tài)下難降解的物質(zhì)進(jìn)行有效降解.隨著越來(lái)越多含難降解、有毒污染物質(zhì)工業(yè)廢水的出現(xiàn)，微氧EGSB反應(yīng)器的應(yīng)用必將引起更多人的高度重視.

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