工艺技术 低浓度废水厌氧反应速率选择及中试

以生活污水为例，一般来说影响废水厌氧反应速率的因素有很多，包括反应温度、废水的毒性、原水基质浓度、原水的PH值、传质效率、营养物质的平衡、微量元素的催化作用等等。对于生活污水来说，影响比较大的因素有反应温度、原水的基质浓度、传质效率以及微量元素的催化。因为生活污水的营养比和PH值被公认为非常适合生物的生长的。在前面的叙述中，已经提及了厌氧反应的前三个阶段对于生活污水来说，很快就可以完成，尤其水解阶段，不存在传质的限制，同时通常长距离的管网也给水解提供了足够的时间。因此我们提出的厌氧处理低浓度废水设计思想中，主要考虑产甲烷过程作为限速步骤。


由于产甲烷阶段遵循莫诺方程，整个速率的确定以莫诺方程为基础。在上式中，很难把总体反应的Ks值估算出来，因为它受到的影响因素很多，对于不同类型的废水差别很大。对于生活污水来说可以根据不同的单个因素影响列成很多分式莫诺方程，最后各式相乘再加上修正系数，这个方程可以得出比较接近的Ks值，作为厌氧处理生活污水时的参考设计数据。

具体思想如下：

1、假定条件：a、厌氧处理该污水过程中主要受温度、传质速率、基质浓度以及微量元素的影响；b、微量元素可以通过外界条件的干预给予补充；c、反应器为一体化反应器；d、产甲烷单元反应也近似遵循莫诺方程。

2、模型总体方程

Kst－温度响应半反应速率常数mg/l

Ksv－传质速率半反应速率常数mg/l

K－修正系数

在上式中，Kst针对不同的废水是可以确定的，Ksv对不同的反应器差别比较大，我们可以通过外界干预给以降低到一固定值偏差不大的范围内，比如通过强制搅拌或是提高反应器的高径比，出水回流都是比较好的解决办法。

通过众多的工程实例以及文献报道，初步确定Kst在15摄氏度时针对生活污水值为3200mg/l左右。Ksv在有搅拌足够的情况下15摄氏度时针对生活污水值为532mg/l。K值在重庆地区可以取0.85，μmax按照碳水化合物可取5KgCOD/KgMLSS.d，这样针对进水浓度为300mg/l的生活污水最大反应速率为：

μ1＝5KgCOD/KgMLSS.d×（300/（3200＋300））×（300/（532+300））×0.85

＝0.132KgCOD/KgMLSS.d

在一体式反应器中由于出水浓度很低，导致总体反应速率降低，但对于几种高效厌氧反应器（包括UASB、EGSB、IC内循环反应器、流化床、上流式厌氧生物滤池）可以假设其为推流式厌氧反应器，浓度随反应器高度的增加均匀的减少，即反应器中的浓度分布与高度成反比。这样我们可以通过设定的出水浓度计算一个反应器最低反应速率，最后取平均值就得到整个反应器的平均反应速率。

同样根据前面的莫诺模型，得出出水COD＝80mg/l的厌氧反应速率：

μ2＝5KgCOD/KgMLSS.d×（80/（3200＋80））×（80/（532+80））×0.85

＝0.014KgCOD/KgMLSS.d

所以反应器的平均反应速率为

μ＝（μ1+μ2）/2＝0.073KgCOD/KgMLSS.d

如果我们能够在反应器内保持稳定的污泥浓度为20KgMLSS/m3，则整个反应器的容积反应速率为FV＝0.073KgCOD/KgMLSS.d×20KgMLSS/m3

＝1.46KgCOD/m3.d

在实际反应器的设计时，需要考虑污泥、气体、液体分离的容积，反应部分容积只占整个反应器容积的40％，这样实际整个反应器设计平均负荷变为：

FV‘＝1.46KgCOD/m3.d×0.4＝0.99KgCOD/m3.d

核算停留时间为：HRT＝7.5h

中试与工程应用应注意的问题

通过上述实验室里理论的研究和推断，采用新型高效厌氧反应器处理城市污水完全是可行的。在中试和工程设计中，我们应该从上述分析角度出发，完善厌氧系统，以下措施是必要的：

1、在反应器的形式上优先考虑推流式的活塞反应器；

2、为了减少低浓度时，基质传质速率（包括液相中的有机物向菌胶团或颗粒污泥传质以及细胞壁外向细胞壁内传质）对整个反应速率的影响，在反应器底部投加一定数量的活性炭作为载体是非常有必要的，但考虑到沼气和布水的影响，投加数量不宜过多，初步考虑为40g/L颗粒状活性炭；

3、建议在反应器的上部设置气、水、固三相分离系统；

4、设置一套完善的出水回流系统，并可以调节回流量，用仪表显示并控制；

5、出水设置MLSS浓度计加以监测，随时了解反应器的污泥情况；

6、在反应器的底部、中部、顶部设置碱度监测系统，随时监测反应器内的生物反应条件；

7、设置一套启动用的营养物质和微量元素添加系统是十分有必要的；

8、设置温度传感器，了解原水水温的变化对反应器的冲击影响；

9、进水设置流量传感器和有机物在线监测仪器，并通过程序加以显示到中央控制室中，随时计算进水污泥负荷以及上升流速；

10、必要的预处理措施，比如除渣处理措施；

11、在北方的废水处理系统，反应器建议修建在室内或采取严密的保温措施；

12、其他必要的辅助系统，如消除泥水界面泥渣层的喷淋系统。

同样，一套设计好的系统，没有按照反应机理进行的启动，是不能称之为成功的系统的，在这里，根据一些工程实践以及国内外一些报道，笔者对厌氧处理低浓度废水时启动提出一些参考性建议（针对生活污水）：

1、启动时，先投加载体，在投加污泥，污泥的数量按照25KgMLVSS/m3池容计算，投加时的污泥必须通过筛网进行粗渣的清除（这一点非常重要）；

2、由于原水具有比较好的生化性，进水不需要驯化，但第一次进水进满池体后，停止进水，通过临时配备的水下搅拌机进行池底强制搅拌，连续8个小时搅拌以上，停止搅拌静止8个小时，通过排泥管排除池体标高2米以上的污泥，再搅拌8个小时，这8个小时同时按照比例投加氮肥和磷肥，投加微量金属元素，保证池内液相中的COD；

3、24个小时后，开始按设计负荷进水并采取一定的出水回流，回流比根据反应器的高度调整；（注意，出水带出来的污泥不要回流）

4、24个小时后，减少回流比，保证出水不带泥，如果出水继续带你就停止回流，并进行污泥回流，同时投加营养物质；

5、连续这样运行一个星期，随时监测各项出水指标，以便正确反应反应器内生物的反应状态。

6、作一些镜检。

通过对厌氧微生物处理污水的机理研究得出，厌氧在常温状态下处理城市污水是有可能的，我们在实际中由于种种非生物本身反应的原因而错过了利用厌氧处理城市污水的机会，并且在国外已经有了成功的厌氧处理城市污水的情况，出水COD<40mg/l。完全能满足有机物排放标准，如果加上简短脱硝曝气工艺（在去除了BOD后，只需要1.5H的时间就可以进行NH3-N到NO-N的转化），就是一个非常适合中国国情的低浓度废水处理工艺，但在设计中，应详细认真的作出设计前的调查和设计后的启动工作。