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污水厭氧生物處理技術全球掃描

污水厭氧生物處理技術全球掃描

發布日期:2019-09-09 作者:許穎 點擊:

污水處理技術發展至今,已經歷了近150年,已開始從傳統的能耗大戶向能源及水資源回收方向轉變。厭氧生物處理技術最大的優勢在于無需提供氧氣,且能夠將污水中有機物轉化成高熱值甲烷氣體進行回用,降低能耗,實現能源回收,使其在水處理行業受到更廣泛的應用。

1. 厭氧生物技術的發展歷程概況

厭氧生物技術的出現最早可以追朔到18世紀,Count Alessandro Volta于1776年推導出有機物降解和可燃性氣體之間的相互關系,1808年Sir Humphry Davy首次證明了厭氧消化過程中產生的氣體中存在甲烷。1859年全球第一座厭氧消化處理廠在印度建成,1895年進入英國,拉開了污水厭氧生物處理及沼氣回收技術的序幕。之后隨著對厭氧微生物的認識和研究,不斷優化運行條件,使厭氧生物技術不斷快速發展。

中國是推行厭氧污水處理系統非常成功的國家,1978年Lettinga團隊關于UASB的研究成果在世界學術界嶄露頭角,掀起了厭氧技術的研發浪潮。1982年,中國的第一座應用UASB工藝的污水廠就在北京腐乳廠進入了工程試驗階段。20世紀90年代中期,厭氧技術公司紛紛在中國成立,各高校及研究院也培養了一大批環保公司。同時國外企業也逐步開始進入中國市場,如帕克、威立雅等。自此,中國厭氧技術的產業化時代到來。

2. 厭氧生物技術發展現狀及各工藝優缺點分析

厭氧生物降解過程一般分為四個階段:水解、酸化、產乙酸和產甲烷階段。其中產甲烷階段是整個厭氧過程最為重要的階段,也是厭氧降解過程的限速階段。

污水厭氧生物處理技術一般在中溫條件下進行,pH 維持在大約7.5左右,最適宜產甲烷微生物生長。厭氧生物處理工藝的改進基本都圍繞著產甲烷過程,主要關注如何提高系統內傳質效率和促進產甲烷微生物生長,從而提高甲烷產率。主要手段包括在系統中優化操作參數,添加載體,改善水力條件,提高污泥停留時間等。

2.1 典型工藝類型

厭氧生物反應器工藝種類較多,在此列舉目前應用較廣的六種典型工藝類型進行介紹并對各自優缺點進行比較。

1)完全混合式厭氧消化罐(CSTR)

CSTR是最早出現也是目前應用最廣的厭氧生物反應器,通常采用攪拌器是系統內污泥液完全混合,設備簡單,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域。

2)升流式厭氧污泥床(UASB)

UASB反應器污泥床區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。沉淀懸浮區主要靠反應過程中產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。在UASB反應器中能得到一種具有良好沉降性能和高產甲烷活性菌的顆粒厭氧污泥,因而相對其他的反應器有一定優勢:顆粒污泥的相對密度比人工載體小,靠產生的氣體來實現污泥與基質的充分接觸,省卻攪拌和回流污泥設備和能耗;顆粒污泥沉降性能良好,避免附設沉淀分離裝置和回流污泥設備:反應器內不需投加填料和載體,提高容積利用率。

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3)厭氧折流板反應器(ABR)

ABR是McCarty和Bachmann等人于1982年,在總結了第二代厭氧反應器工藝性能的基礎上,開發和研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置。其特點是:反應器內置豎向導流板,將反應器分隔成幾個串聯的反應室,每個反應室都是一個相對獨立的上流式污泥床系統,其中的污泥以顆粒化形式或絮狀形式存在。一股而言,在處理低濃度廢水時,不必將反應器分隔成很多隔室,以3~4個隔室為宜;而在處理高濃度廢水時,宜將分隔數控制在6~8個,以保證反應器在高負荷條件下的復合流態特性。

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4)厭氧膨脹床(ESGB)

20世紀90年代初,荷蘭Wageningen農業大學開始了厭氧膨脹顆粒污泥床(簡稱EGSB)反應器的研究。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,更有效地利用反應器的容積,改變了UASB反應器的結構設計和操作參數,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,由此產生了早期的EGSB反應器。EGSB反應器實際上是改進的UASB反應器,區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,需要反應器具有較大的高徑比。三相分離器是EGSB反應器最關鍵的構造,能將出水、沼氣和污泥三相有效分離,使污泥在反應器內有效持留;出水循環部分是為了提高反應器內的液體表面上升流速,使顆粒污泥與污水充分接觸,避免反應器內死角和短流的產生。

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5)內循環厭氧反應器(IC)

內循環(IC)厭氧反應器也是在UASB反應器基礎上發展起來的高效反應器。其依靠沼氣在升流管和回流管間產生的密度差在反應器內部形成流體循環。IC內循環厭氧反應器為荷蘭帕克公司的專利產品,目前帕克公司在全球有300多臺IC反應器得以應用。IC反應器實際上由兩級UASB構成,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量很小。IC反應器具有一個自調節的氣提內循環結構,循環廢水與原水混合將稀釋進水濃度。內循環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反應器的容積負荷(15-30kgCOD/m3)為UASB(7-15kgCOD/m3)的兩倍。該反應器的有機負荷達到UASB反應器的2~4倍。另外,IC厭氧反應器具有高徑比大、上流速度快、有機負荷高、傳質效果好等優點,其去除有機物能力遠超過UASB等二代厭氧反應器。

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6)厭氧膜生物反應器(AnMBR)

AnMBR將厭氧工藝與膜分離系統結合,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首次被提出是在上世紀70年代末,然而由于膜污染問題嚴重,發展緩慢。近些年隨著膜技術的發展,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將會是實現污水處理廠能量平衡的重要工藝,AnMBR技術重回人們視野,引起了廣泛關注。日本在厭氧MBR實際應用上起步較早,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,沙拉醬生產污水以及污泥等。

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2.2 各工藝優缺點及應用分析

表1 各種典型厭氧生物污水處理工藝優缺點分析

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)、接觸式厭氧反應器、厭氧生物濾池、推流式厭氧反應器等,為了選擇最適合的工藝,需要對這幾種反應器的構型和進水水量、特性等進行系統性評估。一般來說,CSTR和推流式反應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等環境指標外,厭氧反應器最重要的運行參數是有機負荷和水力停留時間,影響這兩個參數的因素主要有三個: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)系統中的傳質效率。目前有機污水處理領域,UASB和IC最適于應用于大型污水處理廠,SRT和HRT能夠有效分離,運行成本較低。對于較小規模或者對出水水質要求更高的污水處理系統,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、厭氧生物轉盤等。但是由于載體的添加,這些反應器設計較復雜,成本也較高。比如在EGSB和AFB的設計過程中,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結合了厭氧技術和膜分離的優缺點。由于膜的加入,使微生物生長速率加快,系統啟動時間(1-2周)遠遠低于傳統厭氧系統(1-3月),產氣效率高,且出水水質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要求高的有機廢水處理應用場景。AnMBR在工業廢水處理中的應用目前主要集中于酒精、食品工業、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。隨著工業廢水出水水質要求的提高,對于高油脂、高鹽度、高毒性等工業廢水,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,相比傳統厭氧生物技術有著明顯的優勢。目前AnMBR供應商較少,全球范圍來看,僅有久保田、SEUZ、威立雅、Evoqua等少數大型企業提供AnMBR系統。

3. 厭氧生物技術未來發展趨勢

傳統厭氧生物技術多用于工業有機廢水處理,由于其無法有效出去氮磷等營養物質,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能源自給,并回收資源的理念不絕于耳,預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 厭氧膜生物反應器

AnMBR進一步推廣應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上,開發新型膜組件、通過優化反應器構型、改善水力學條件等手段調控混合液理化性質,是有效減緩膜污染發生與發展的方法。

發新型抗污染膜材料

開發新型高通量、抗污染、低成本的膜材料一直是膜技術研究者的努力方向,且隨著材料科學的發展,近幾年取得了很大突破。比如,美國PolyCera公司開發了一種超親水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,或許是應用于AnMBR工業廢水處理的理想選擇。

優化反應器構型

反應器的構型直接影響了反應器的水力條件,間接影響混合液性質,同時相比較開發新型膜材料,優化反應器構型和參數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,更適合分置式結構。分置式結構中,前端厭氧反應器構型和運行條件的選擇便成為關鍵性因素。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,一般來說膜污染比CSTR輕;AFB由于添加了載體,厭氧反應器出水懸浮態污泥含量少,也會減輕一部分膜污染等。因此,AnMBR反應器構型的選擇需要綜合考慮處理量、進水水質、膜污染控制等多方面因素。

盡管AnMBR在工業污水領域已開始了實際應用,在市政污水領域進入了中試階段,能耗,污泥產量等方面的優勢初步得到體現,然而AnMBR在市政污水處理中更大規模的實際應用仍有需要解決的問題。另外,城市污水中的氮磷營養物質得不到有效去除,也是制約AnMBR應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,在污水脫氮領域有良好的應用潛力。1977年,奧地利的理論化學家Broda根據化學反應熱力學標準吉布斯自由能變化,做出了自然界應該存在以硝酸鹽或者亞硝酸鹽為氧化劑的氨氧化反應的預言。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(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低溫的市政污水。我國建造了數座實際工程,主要在發酵行業 (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 反應器容積高達6600m3,由帕克公司設計建立,是迄今世界上規模最大的ANAMMOX 工程。在市政污水處理領域,世界范圍內真正實現生產規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污水廠是全球首個實現完全能源自給且在側流工藝上實踐厭氧氨氧化的水廠,日處理規模3.8萬噸。

去年年底,“西安四污”的主流厭氧氨氧化現象,引起了學術界的軒然大波,被認為是我國首例主流ANAMMOX實際應用。然而紅菌的產生是否具有可重復性還是僅僅是個別現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、生長緩慢(倍增時間約為11 d)、對環境條件敏感、需要中溫條件(30-40℃)、基質利用單一等,嚴重制約了該工藝的進一步發展,不過,隨著分子生物學和材料科學等基礎學科的不斷突破,相信ANAMMOX工藝將會有更快的發展。

3.3 反硝化型甲烷厭氧氧化(DAMO)

厭氧反應產甲烷的同時,會有相當多的甲烷溶解在水中,是造成溫室效應的一大來源,一些污水廠甲烷排放的相關研究顯示,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,反應器體積僅為2-10L,還有很長的產業化之路。

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4. 厭氧生物技術全球技術推介

ADI Systems(Evoqua)—— ADI?AnMBR

ADI Systems 1989年成立于加拿大,是全球最早商業化AnMBR的企業之一,ADI? AnMBR工藝自2000 年便應用于大型水處理工程,擁有20 多年工程經驗,為全球35 個國家客戶提供可靠解決方案。該技術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%,甲烷產量5,660 m3/d,同時節省運行成本達50%。2017 年7 月美國污水處理企業Evoqua Water Technologies 并購ADI Systems,將其業務拓展至工業污水領域,11 月,Evoqua 于納斯達克證券交易所上市。

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Paques —— ANAMMOX?

荷蘭的帕克公司在過去超過三十年的時間里,都致力于幫助工業企業減少水和碳的排放,回收有價值的資源。帕克公司的厭氧水處理及凈化系統將廢水中有機物轉化成沼氣,回收能源,同時回用水資源。從1981年第一臺BIOPAQ?反應器誕生起,帕克公司與合作伙伴們密切合作,研發并應用了各種以厭氧反應為基礎的水和氣體處理的整體解決方案。這些方案都具備成本節約、運行可靠的特點。

帕克公司也是最早商業化應用Anammox工藝的企業,2002年聯合Delft University of Technology和the University of Nijmegen,建立了第一座Anammox工廠,自此ANAMMOX?應用于全球。其中包括迄今世界上規模最大的ANAMMOX 工程——我國通遼梅花味精廢水一期工程。目前帕克公司又聯合荷蘭Radboud大學和Waterstromen公司進行DAMO工藝的研發,取得了歐盟的經費資助。

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Cambrian innovation —— ECOVOLT?

Cambrian innovation 2006年成立于美國,研發了ECOVOLT?增強型厭氧消化系統,是世界上第一個商業化的生物電強化厭氧廢水處理解決方案,對廢水轉化為可再生能源至關重要,其預制模塊化架構可實現低影響安裝,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,同時生成高質量的可再生沼氣(約80%甲烷分數)。通過熱電聯產,將產生30-200千瓦的凈功率。

Cambrian也是ECOVOLT? MBR(膜生物反應器)供應商,采用最先進的曝氣,強大的膜過濾和動態集成的控制結構,可去除廢水中99%以上的污染物,實現水的再利用。可與其他厭氧系統耦合,結構緊湊。也可以作為獨立解決方案,處理較低有機物濃度的廢水。

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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(Lt-AD),高效去除有機污染(COD,BOD),同時以沼氣的形式生產可再生能源。該技術適用于食飲(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。與活性污泥處理相比,該工藝可降低90%的能源成本和90%的污泥產量。該技術利用了厭氧菌的降解作用,將廢水中的有機污染物轉化為沼氣,污染物去除率高于80%。工藝設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化為富含甲烷的沼氣。該技術獨特的設計特點使該工藝能夠在無外部熱量輸入的情況下進行,因此所產生的所有能量都可以回收并用于現場發電和/或供熱。

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SYMBIONA SA——AnoxyMem?

Symbiona 來自波蘭,成立于1995年,致力于利用先進厭氧技術從污水/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器AnoxyMem?,厭氧膨脹床/升流床AnoxyBed?,熱水解技術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,比傳統工藝降解率提高30%,污水/有機廢物經預處理進入消化罐(37/55°C),產生沼氣,利用膜實現固液相分離,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),后進入厭氧消化系統(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,轉化為電能。

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