純水設(shè)備：污水厭氧生物處理技術(shù)全
1. 厭氧生物技術(shù)發(fā)展歷史綜述
厭氧生物技術(shù)可以追溯到18世紀。1776年，亞歷山德羅·沃爾特伯爵(Count Alessandro Volta)推導出有機降解與可燃氣體之間的關(guān)系，漢弗萊·戴維爵士(Sir Humphry Davy)于1808年證明，厭氧消化產(chǎn)生的氣體中含有甲烷。1859年印度建成厭氧消化工廠，1895年進入英國，揭開了污水厭氧生物處理和沼氣回收技術(shù)的序幕。之后，隨著對厭氧微生物的了解和研究，不斷優(yōu)化操作條件，無錫水處理設(shè)備使厭氧生物技術(shù)得到快速發(fā)展。
我國是厭氧污水處理系統(tǒng)實施非常成功的國家。Lettinga團隊對UASB的研究成果于1978年出現(xiàn)在世界學術(shù)界，掀起了一波厭氧技術(shù)的研發(fā)熱潮。1982年，中國第一座采用UASB工藝的污水處理廠在北京腐乳廠進入工程試驗階段。上世紀90年代中期，中國成立了厭氧技術(shù)公司，高校和科研院所培育了大量的環(huán)保公司。與此同時，國外企業(yè)也逐漸進入中國市場，如派克、威立雅等。從那時起，我國厭氧技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)到來。
2. 分析了厭氧生物技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及各工藝的優(yōu)缺點
厭氧生物降解一般分為水解、酸化、醋酸生產(chǎn)和產(chǎn)甲烷四個階段。甲烷生成階段是整個厭氧過程中的一個重要階段，也是厭氧降解過程中的限速階段。
污水厭氧生物處理一般在中等溫度下進行無錫純水設(shè)備，pH值約為7.5，適合產(chǎn)甲烷微生物的生長。厭氧生物處理工藝的改進主要集中在產(chǎn)甲烷過程，重點是如何提高系統(tǒng)傳質(zhì)效率，促進產(chǎn)甲烷微生物的生長，從而提高產(chǎn)甲烷率。主要方法包括優(yōu)化系統(tǒng)運行參數(shù)、添加載體、改善水力條件和延長污泥停留時間。
2.1典型工藝類型
厭氧生物反應(yīng)器工藝有很多種。介紹了目前應(yīng)用較為廣泛的六種典型工藝，并對其優(yōu)缺點進行了比較。
1）完全混合式厭氧消化罐（CSTR）
CSTR是也是目前應(yīng)用廣的厭氧生物反應(yīng)器，通常采用攪拌器是系統(tǒng)內(nèi)污泥液完全混合，設(shè)備簡單，易操作，成本低。可用于高濃度有機污水處理、污泥消化處置、餐廚垃圾厭氧處置等領(lǐng)域。
2）升流式厭氧污泥床（UASB）
UASB反應(yīng)器污泥床區(qū)主要有沉降性能良好的厭氧顆粒污泥組成，濃度可達到50-100g/L或更高。沉淀懸浮區(qū)主要靠反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體的上升攪拌作用形成，污泥濃度較低，一般在5-40g/L范圍內(nèi)。在UASB反應(yīng)器中能得到一種具有良好沉降性能和高產(chǎn)甲烷活性菌的顆粒厭氧污泥，因而相對其他的反應(yīng)器有一定優(yōu)勢：顆粒污泥的相對密度比人工載體小，靠產(chǎn)生的氣體來實現(xiàn)污泥與基質(zhì)的充分接觸，省卻攪拌和回流污泥設(shè)備和能耗；顆粒污泥沉降性能良好，避免附設(shè)沉淀分離裝置和回流污泥設(shè)備：反應(yīng)器內(nèi)不需投加填料和載體，提高容積利用率。
3）厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）
ABR是McCarty和Bachmann等人于1982年，在總結(jié)了第二代厭氧反應(yīng)器工藝性能的基礎(chǔ)上，開發(fā)和研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置。其特點是：反應(yīng)器內(nèi)置豎向?qū)Я靼澹瑢⒎磻?yīng)器分隔成幾個串聯(lián)的反應(yīng)室，每個反應(yīng)室都是一個相對獨立的污泥床系統(tǒng)，其中的污泥以顆粒化形式或絮狀形式存在。一股而言，無錫純水設(shè)備在處理低濃度廢水時，不必將反應(yīng)器分隔成很多隔室，以3～4個隔室為宜；而在處理高濃度廢水時，宜將分隔數(shù)控制在6～8個，以保證反應(yīng)器在高負荷條件下的復合流態(tài)特性。
4）厭氧膨脹床（ESGB）
20世紀90年代初，荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學開始了厭氧膨脹顆粒污泥床(簡稱EGSB)反應(yīng)器的研究。Lettinga教授等人在利用UASB反應(yīng)器處理生活污水時，為了增加污水與污泥的接觸，更有效地利用反應(yīng)器的容積，改變了UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和操作參數(shù)，使反應(yīng)器中顆粒污泥床在高的液體表面上升流速下充分膨脹，由此產(chǎn)生了早期的EGSB反應(yīng)器。EGSB反應(yīng)器實際上是改進的UASB反應(yīng)器，區(qū)別在于前者具有更高的液體上升流速，使整個顆粒污泥床處于膨脹狀態(tài)，需要反應(yīng)器具有較大的高徑比。三相分離器是EGSB反應(yīng)器關(guān)鍵的構(gòu)造，能將出水、沼氣和污泥三相有效分離，使污泥在反應(yīng)器內(nèi)有效持留；出水循環(huán)部分是為了提高反應(yīng)器內(nèi)的液體表面上升流速，使顆粒污泥與污水充分接觸，避免反應(yīng)器內(nèi)死角和短流的產(chǎn)生。
5）內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）
內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器也是在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效反應(yīng)器。其依靠沼氣在升流管和回流管間產(chǎn)生的密度差在反應(yīng)器內(nèi)部形成流體循環(huán)。IC內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器為荷蘭帕克公司的專利產(chǎn)品，目前帕克公司在全球有300多臺IC反應(yīng)器得以應(yīng)用。IC反應(yīng)器實際上由兩級UASB構(gòu)成，底部UASB負荷高，頂部負荷低。因為在一級分離時收集了大量沼氣，其對廢水的擾動減少，使得在二級三相分離中得到更好的氣、水、泥分離效果。二級分離的lC反應(yīng)器確保了最佳的污泥停留時間，這樣對于處理一些化工廢水有利，因為這些廢水厭氧污泥產(chǎn)量很小。IC反應(yīng)器具有一個自調(diào)節(jié)的氣提內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)廢水與原水混合將稀釋進水濃度。內(nèi)循環(huán)作用所帶來的能量使得泥水在底部混合更加充分，從而污泥活性也得到增加。IC反應(yīng)器的容積負荷(15-30kgCOD/m3)為UASB(7-15kgCOD/m3)的兩倍。該反應(yīng)器的有機負荷達到UASB反應(yīng)器的2～4倍。另外，IC厭氧反應(yīng)器具有高徑比大、速度快、有機負荷高、傳質(zhì)效果好等優(yōu)點，其去除有機物能力遠超過UASB等二代厭氧反應(yīng)器。
6）厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）
AnMBR將厭氧工藝與膜分離系統(tǒng)結(jié)合，使得水力停留時間HRT與污泥停留時間SRT分開，SRT均超過30天，有助于促進厭氧微生物生長，且占地小。AnMBR被提出是在上世紀70年代末，然而由于膜污染問題嚴重，發(fā)展緩慢。近些年隨著膜技術(shù)的發(fā)展，投資和運行成本下降，且2011年斯坦福大學的Mccarthy教授等人提出厭氧MBR將會是實現(xiàn)污水處理廠能量平衡的重要工藝，AnMBR技術(shù)重回人們視野，引起了廣泛關(guān)注。日本在厭氧MBR實際應(yīng)用上起步較早，無錫水處理設(shè)備早在2000年就有了第一個實際運行的項目。截止2008年8月，該公司在日本已經(jīng)運行了14個厭氧MBR實際工程項目，包括釀酒廢渣，餐廚垃圾，沙拉醬生產(chǎn)污水以及污泥等。
2.2 各工藝優(yōu)缺點及應(yīng)用分析
表1 各種典型厭氧生物污水處理工藝優(yōu)缺點分析
相比于好氧生物處理工藝，厭氧種類繁多，除上述六種典型工藝外，常見工藝還包括厭氧流化床（AFB）、無錫純水設(shè)備接觸式厭氧反應(yīng)器、厭氧生物濾池、推流式厭氧反應(yīng)器等，為了選擇適合的工藝，需要對這幾種反應(yīng)器的構(gòu)型和進水水量、特性等進行系統(tǒng)性評估。一般來說，CSTR和推流式反應(yīng)器適用于料液濃度較大、懸浮物固體含量較高的有機原料，如：禽畜糞便、污泥、工業(yè)有機廢渣和秸稈。UASB、IC、ABR和EGSB則適用于料液濃度較低、懸浮物固體含量少的有機原料，如：屠宰及肉類加工廢水、釀造廢水、食品加工廢水等等。
除溫度、pH等環(huán)境指標外，厭氧反應(yīng)器重要的運行參數(shù)是有機負荷和水力停留時間，影響這兩個參數(shù)的因素主要有三個：1）單位體積活性生物含量；2）微生物和進水污染物的接觸時間；3）系統(tǒng)中的傳質(zhì)效率。目前有機污水處理領(lǐng)域，UASB和IC適于應(yīng)用于大型污水處理廠，SRT和HRT能夠有效分離，運行成本較低。對于較小規(guī)模或者對出水水質(zhì)要求更高的污水處理系統(tǒng)，更適用于采用厭氧生物膜法處理工藝，如EGSB、AFB、厭氧生物濾池、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等。但是由于載體的添加，這些反應(yīng)器設(shè)計較復雜，成本也較高。比如在EGSB和AFB的設(shè)計過程中，需要充分考慮上升流速問題，為了維持較高的載體膨脹率，需要較大的高徑比，這也限制了該類工藝的處理量。
AnMBR結(jié)合了厭氧技術(shù)和膜分離的優(yōu)缺點。由于膜的加入，使微生物生長速率加快，系統(tǒng)啟動時間（1-2周）遠遠低于傳統(tǒng)厭氧系統(tǒng)（1-3月），產(chǎn)氣效率高，且出水水質(zhì)可直接達到排放標準，適用于進水COD濃度相對較低且出水水質(zhì)要求高的有機廢水處理應(yīng)用場景。AnMBR在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用目前主要集中于酒精、食品工業(yè)、屠宰場廢水以及垃圾滲濾液等高濃度易生物降解的有機廢水處理。隨著工業(yè)廢水出水水質(zhì)要求的提高，對于高油脂、高鹽度、高毒性等工業(yè)廢水，AnMBR工藝由于膜的截留作用，顯著提高厭氧污泥的停留時間，防止生物量流失，相比傳統(tǒng)厭氧生物技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢。目前AnMBR供應(yīng)商較少，全球范圍來看，僅有久保田、SEUZ、威立雅、Evoqua等少數(shù)大型企業(yè)提供AnMBR系統(tǒng)。
3. 厭氧生物技術(shù)未來發(fā)展趨勢
傳統(tǒng)厭氧生物技術(shù)多用于工業(yè)有機廢水處理，由于其無法有效出去氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，難以用于城市污水處理。然而近些年，概念水廠的提出和建立，將厭氧生物技術(shù)用于市政污水處理，逐步取代好氧生物處理工藝，使城市污水處理廠實現(xiàn)能源自給，并回收資源的理念不絕于耳，預(yù)示著市政污水處理工藝的變革，在這場變革中，AnMBR和厭氧氨氧化（Anammox）必將起到舉足輕重的作用。
3.1 厭氧膜生物反應(yīng)器
AnMBR進一步推廣應(yīng)用的最大障礙之一是膜污染問題，好氧MBR的膜污染控制主要依靠曝氣，而厭氧反應(yīng)器無法通過這一手段緩解膜污染。因此為緩解這一問題，必須在深入研究膜污染機理的基礎(chǔ)上，無錫水處理設(shè)備開發(fā)新型膜組件、通過優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型、改善水力學條件等手段調(diào)控混合液理化性質(zhì)，是有效減緩膜污染發(fā)生與發(fā)展的方法。
發(fā)新型抗污染膜材料
開發(fā)新型高通量、抗污染、低成本的膜材料一直是膜技術(shù)研究者的努力方向，且隨著材料科學的發(fā)展，近幾年取得了很大突破。比如，美國PolyCera公司開發(fā)了一種超親水UF膜材料，在膜表面添加金屬離子，使其具有很強的親水性，通量遠高于目前市面上的超濾膜，同時又不易受到油脂或其他高分子有機物的污染，耐強酸堿和高溫，或許是應(yīng)用于AnMBR工業(yè)廢水處理的理想選擇。
優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型
反應(yīng)器的構(gòu)型直接影響了反應(yīng)器的水力條件，間接影響混合液性質(zhì)，同時相比較開發(fā)新型膜材料，優(yōu)化反應(yīng)器構(gòu)型和參數(shù)是控制膜污染更加直接的手段。好氧MBR基本以浸沒式為主，而AnMBR由于沒有曝氣沖刷來緩解膜污染，更適合分置式結(jié)構(gòu)。分置式結(jié)構(gòu)中，前端厭氧反應(yīng)器構(gòu)型和運行條件的選擇便成為關(guān)鍵性因素。比如，UASB/EGSB的顆粒污泥顆粒較大，胞外聚合物含量高，且有三相分離器無錫純水設(shè)備，一般來說膜污染比CSTR輕；AFB由于添加了載體，厭氧反應(yīng)器出水懸浮態(tài)污泥含量少，也會減輕一部分膜污染等。因此，AnMBR反應(yīng)器構(gòu)型的選擇需要綜合考慮處理量、進水水質(zhì)、膜污染控制等多方面因素。
盡管AnMBR在工業(yè)污水領(lǐng)域已開始了實際應(yīng)用，在市政污水領(lǐng)域進入了中試階段，能耗，污泥產(chǎn)量等方面的優(yōu)勢初步得到體現(xiàn)，然而AnMBR在市政污水處理中更大規(guī)模的實際應(yīng)用仍有需要解決的問題。另外，城市污水中的氮磷營養(yǎng)物質(zhì)得不到有效去除，也是制約AnMBR應(yīng)用于城市污水處理的嚴重障礙。因此普遍認為可以將Anammox與AnMBR技術(shù)耦合，以達到去除或回收氮磷的目的。
3.2 厭氧氨氧化（ANAMMOX）
厭氧氨氧化技術(shù)以NO2--N為電子受體，直接將污水中的氨氮氧化為氮氣，低溫條件下運行，氨氮（>80%）和總氮去除率（>75%）均較高，在污水脫氮領(lǐng)域有良好的應(yīng)用潛力。1977年，奧地利的理論化學家Broda根據(jù)化學反應(yīng)熱力學標準吉布斯自由能變化，做出了自然界應(yīng)該存在以硝酸鹽或者亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應(yīng)的預(yù)言。目前厭氧氨氧化工藝已成功運用于中國、日本、美國以及荷蘭等國家的高基質(zhì)(氨氮)中溫(30-40°C)廢水處理中，今后努力的方向則是將其較好地用于處理低基質(zhì)低溫的市政污水。我國建造了數(shù)座實際工程，主要在發(fā)酵行業(yè) (包括釀酒、味精、酵母廢水)，其中通遼梅花味精廢水一期工程 ANAMMOX 反應(yīng)器容積高達6600m3，由帕克公司設(shè)計建立，是迄今世界上規(guī)模最大的ANAMMOX 工程。在市政污水處理領(lǐng)域，世界范圍內(nèi)真正實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模的主流厭氧氨氧化項目，是新加坡樟宜短程硝化-主流厭氧氨氧化項目，日處理量20萬噸。另外奧地利Strass污水廠是全球?qū)崿F(xiàn)完全能源自給且在側(cè)流工藝上實踐厭氧氨氧化的水廠，日處理規(guī)模3.8萬噸。
去年年底，“西安四污”的主流厭氧氨氧化現(xiàn)象，引起了學術(shù)界的軒然大波，被認為是我國首例主流ANAMMOX實際應(yīng)用。然而紅菌的產(chǎn)生是否具有可重復性還是僅僅是個別現(xiàn)象仍然需要進一步研究。可以肯定的是ANAMMOX菌仍然存在一些不足，比如還不能純化培養(yǎng)、生長緩慢（倍增時間約為11 d）、對環(huán)境條件敏感、需要中溫條件（30-40℃）、基質(zhì)利用單一等，嚴重制約了該工藝的進一步發(fā)展，不過，隨著分子生物學和材料科學等基礎(chǔ)學科的不斷突破，相信ANAMMOX工藝將會有更快的發(fā)展。
3.3 反硝化型甲烷厭氧氧化（DAMO）
厭氧反應(yīng)產(chǎn)甲烷的同時，會有相當多的甲烷溶解在水中，是造成溫室效應(yīng)的一大來源，一些污水廠甲烷排放的相關(guān)研究顯示，約75%的碳足跡來自污泥厭氧處理。因此，荷蘭科學家提出將厭氧氨氧化和另一種厭氧工藝結(jié)合，目的是進一步降低能耗和碳足跡，提高脫氮效率，被稱為甲烷厭氧氧化耦合反硝化，可以同時去除污水中的溶解性甲烷、亞硝酸鹽和硝酸鹽。目前這個工藝還處于實驗室的研究階段，反應(yīng)器體積僅為2-10L，還有很長的產(chǎn)業(yè)化之路。
4. 厭氧生物技術(shù)全球技術(shù)推介
ADI Systems（Evoqua）—— ADI?AnMBR
ADI Systems 1989年成立于加拿大，是全球商業(yè)化AnMBR的企業(yè)之一，ADI? AnMBR工藝自2000 年便應(yīng)用于大型水處理工程，擁有20 多年工程經(jīng)驗，為全球35 個國家客戶提供可靠解決方案。無錫水處理設(shè)備該技術(shù)成功用于美國某食品工廠污水處理，處理量475 m3/d，進水COD 39 g/L，去除率高達99.3%，甲烷產(chǎn)量5,660 m3/d，同時節(jié)省運行成本達50%。2017 年7 月美國污水處理企業(yè)Evoqua Water Technologies 并購ADI Systems，將其業(yè)務(wù)拓展至工業(yè)污水領(lǐng)域，11 月，Evoqua 于納斯達克證券交易所上市。
Paques —— ANAMMOX?
荷蘭的帕克公司在過去超過三十年的時間里，都致力于幫助工業(yè)企業(yè)減少水和碳的排放，回收有價值的資源。帕克公司的厭氧水處理及凈化系統(tǒng)將廢水中有機物轉(zhuǎn)化成沼氣，回收能源，同時回用水資源。從1981年第一臺BIOPAQ?反應(yīng)器誕生起，帕克公司與合作伙伴們密切合作，研發(fā)并應(yīng)用了各種以厭氧反應(yīng)為基礎(chǔ)的水和氣體處理的整體解決方案。這些方案都具備成本節(jié)約、運行可靠的特點。
帕克公司也是商業(yè)化應(yīng)用Anammox工藝的企業(yè)，2002年聯(lián)合Delft University of Technology和the University of Nijmegen，建立了第一座Anammox工廠，自此ANAMMOX?應(yīng)用于全球。其中包括迄今世界上規(guī)模最大的ANAMMOX 工程——我國通遼梅花味精廢水一期工程。目前帕克公司又聯(lián)合荷蘭Radboud大學和Waterstromen公司進行DAMO工藝的研發(fā)，取得了歐盟的經(jīng)費資助。
Cambrian innovation —— ECOVOLT?
Cambrian innovation 2006年成立于美國，研發(fā)了ECOVOLT?增強型厭氧消化系統(tǒng)，是世界上第一個商業(yè)化的生物電強化厭氧廢水處理解決方案，對廢水轉(zhuǎn)化為可再生能源至關(guān)重要，其預(yù)制模塊化架構(gòu)可實現(xiàn)低影響安裝無錫純水設(shè)備，快速采購和靈活的容量增加。廢水流量在10,000之間每天300,000加侖。可去除80％至90％BOD，同時生成高質(zhì)量的可再生沼氣（約80％甲烷分數(shù)）。通過熱電聯(lián)產(chǎn)，將產(chǎn)生30-200千瓦的凈功率。
Cambrian也是ECOVOLT? MBR（膜生物反應(yīng)器）供應(yīng)商，采用最先進的曝氣，強大的膜過濾和動態(tài)集成的控制結(jié)構(gòu)，可去除廢水中99％以上的污染物，實現(xiàn)水的再利用。可與其他厭氧系統(tǒng)耦合，結(jié)構(gòu)緊湊。也可以作為獨立解決方案，處理較低有機物濃度的廢水。
NVP Energy —— Lt-AD
NVP Energy來自英國，成立于2011年，NVP提供基于厭氧顆粒生物膜的有機廢水能源回收處理技術(shù)（Lt-AD），高效去除有機污染（COD,BOD），同時以沼氣的形式生產(chǎn)可再生能源。該技術(shù)適用于食飲（肉類加工、乳制品、釀造、蒸餾、麥芽加工和裝瓶）以及市政污水處理行業(yè)。與活性污泥處理相比，該工藝可降低90%的能源成本和90%的污泥產(chǎn)量。該技術(shù)利用了厭氧菌的降解作用無錫水處理設(shè)備將廢水中的有機污染物轉(zhuǎn)化為沼氣，污染物去除率高于80%。工藝設(shè)計采用了專門的厭氧顆粒生物膜，將廢水中的有機污染物轉(zhuǎn)化為富含甲烷的沼氣。該技術(shù)獨特的設(shè)計特點使該工藝能夠在無外部熱量輸入的情況下進行，因此所產(chǎn)生的所有能量都可以回收并用于現(xiàn)場發(fā)電和/或供熱。
SYMBIONA SA——AnoxyMem?
Symbiona 來自波蘭，成立于1995年，致力于利用先進厭氧技術(shù)從污水/污泥中回收水資源和生物沼氣，擁有多項專利，包括厭氧膜生物反應(yīng)器AnoxyMem?，厭氧膨脹床/升流床AnoxyBed?，熱水解技術(shù)DigeTherm?，中溫/高溫消解AnoxyMix?等。
其分級分相處理高濃度有機廢水或有機廢物工藝，比傳統(tǒng)工藝降解率提高30%，污水/有機廢物經(jīng)預(yù)處理進入消化罐（37/55°C），產(chǎn)生沼氣，利用膜實現(xiàn)固液相分離，同時回用熱水，膜出水可直接排放或者進一步資源化。膜分離剩余少量污泥可進一步壓實，進入高溫水解工藝（90°C），后進入?yún)捬跸到y(tǒng)（無需加熱），收集沼氣，泥渣離心脫水。整套工藝沼氣可收集提純干燥，轉(zhuǎn)化為電能。無錫純水設(shè)備,無錫水處理設(shè)備，無錫去離子水設(shè)備
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