厌氧生物处理反应器概述

张 鹏，赵衍武，郭宏山

（1. 中国石化抚顺石油化工研究院， 辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油抚顺石化公司，辽宁 抚顺 113008）

随着我国工业化进程的不断加快，环境保护压力也越来越大，大量难降解工业废水的处理是摆在我们面前的一个重大难题。在废水生物处理领域，常用的有好氧法和厌氧法两种，其中好氧生物处理技术的曝气需要大量的能耗，而厌氧生物处理技术相对而言能耗则低的多，并且能够产生沼气达到资源再利用，符合当今节能环保的主题。因此研究和开发新型高效的厌氧生物处理反应器及其相关工艺具有长远的战略意义。

1 厌氧消化阶段理论

厌氧消化，是指在严格厌氧条件下，通过多种微生物（厌氧或兼性菌）的共同作用，将各种复杂有机物进行降解，并产生大量的CH4和CO2等沼气能源的复杂过程［1］。厌氧消化阶段理论先后经历了两阶段理论、三阶段理论到四菌群学说，其中三阶段理论和四菌群学说描述较为全面和准确，是目前在业内相对得到公认的主流理论，占主导地位。

1.1 三阶段理论

M.P.Bryant 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，于 1979 年，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论［2］。该理论将厌氧发酵分成三个阶段，即水解和发酵阶段、产氢、产乙酸阶段及产甲烷阶段，见下图1。

图1 三阶段理论示意图Fig.1 Schematic diagram of Three-stage theory

1.2 四菌群理论

1979 年，J.G. Zeikus 在第一届国际厌氧消化会议上提出了四菌群理论。该理论认为参与厌氧消化菌，除了水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群［3］。这类菌可将中间代谢物的H2和CO2转化成乙酸。厌氧发酵过程分为四个阶段，各类群菌的有效代谢均相互密切连贯，处于平衡状态，不能单独分开，是相互制约和促进的过程，如图2 所示。

图2 四菌群理论示意图Fig.2 Schematic diagram of Four-population theory

2 厌氧消化的影响因素

（1）温度。主要影响微生物的生化反应速率，进而影响有机污染物的分解速率。同时温度突变对厌氧菌影响大。厌氧消化分为常温、中温和高温厌氧消化［4］。

（2）pH 值。厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH 有密切的关系，pH 值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的 pH值，其中产甲烷菌对pH 值尤其敏感，其最佳生存pH 值范围为 6.5～7.2。

（3）搅拌。搅拌可使消化物料与微生物充分接触，从而提高消化效率、增加产气量。但搅拌也存在一定的负面效果，搅拌过快则不利于颗粒污泥的形成，实际操作上要选择最适宜的搅拌速度及搅拌时间。

（4）营养物。营养物质中最重要的是碳和氮两种，二者需要满足一定的比例。C/N 比太高，细菌氮量不足，消化液缓冲能力降低，造成pH 值上升，铵盐累积；而C/N 比过低，氮含量过高，则会抑制消化的进行。

（5）氨氮。氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，其中NH3比NH4+对产甲烷菌的活性有更强的抑制能力。

（6）有毒物质。有毒物质对甲烷菌生长所起的作用取决于其浓度值与毒阈浓度值的比较。低于毒阈浓度，对甲烷菌生长有促进作用；反之，则产生抑制作用。

3 厌氧生物反应器发展历史

第1代厌氧生物反应器，诞生于18世纪末，主要是普通厌氧消化池，属于低负荷消化系统。此池型很难分离水力停留时间和污泥停留时间，通常初级的厌氧处理HRT为20～30 d，出水水质差。Schroepter于1955年开发厌氧接触法，采用了二沉池和污泥回流系统，使得消化池中的生物量浓度提高，污泥龄延长，停留时间缩短，处理效果得到了显著提高［5］。

第2代厌氧生物反应器，诞生于19世纪中期，比较典型有厌氧滤池(Anaerobic Filter，AF) ，上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)，厌氧折板反应器(Anaerobic Buffed Reactor，ABR) ，厌氧附着膜膨胀床反应器(Anaerobic Attached Film Expanded Bed ，AAFEB) 和厌氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed，AFB) 等［5,6］。第2代厌氧反应器实现了固体的停留时间和水力停留时间的分离，其固体停留时间可以达到上百天，废水停留时间可缩短到数小时。第2代厌氧反应器具有高浓度的生物量、较高的有机负荷和水力负荷，反应器结构紧凑，占据空间小，投资少，高经济回报等优点。

第3代厌氧生物反应器，以升流式厌氧流化床(Upflow Fluided Bed，UFB)、 厌氧膨胀颗粒污泥床( Expanded Granular Sludge Blanket， EGSB)和内循环式反应器( Internal Cyclic Reactor，IC) 为代表。第3代厌氧生物反应器的特点是，在设计上注重布水均匀，使固液两相充分接触，有效地避免了短流和死角等现象的发生［6］。

4 典型高效厌氧生物反应器介绍

4.1 UASB 反应器

上流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成，如图3 所示。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡，由于沼气的搅动，在污泥床上部会形成一个较低浓度的泥水混区域，沼气碰到分离器下部的反射板时，折向反射板的四周，然后穿过水层进入气室，由导管导出；固液混合液经过反射进入三相分离器的沉淀区，污水中的污泥发生絮凝，颗粒逐渐增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回厌氧反应区内，使反应区内积累大量的污泥，与污泥分离后的处理出水从沉淀区溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

图3 UASB 反应器Fig.3 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

UASB 的主要优点是：污泥浓度高，平均污泥浓度为20～40 g·VSS/L；有机负荷高，水力停留时间长，采用中温发酵时，容积负荷一般为 10 kg COD/(m3·d)左右；无混合搅拌设备，靠发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动；污泥床不填载体，节省造价及避免因填料发生堵赛问题；UASB 内设三相分离器，通常不设沉淀池，被沉淀区分离出来的污泥重新回到污泥床反应区内，通常可不设污泥回流设备。

UASB 的主要缺点是：进水中悬浮物不宜过高，一般控制在100 mg/L 以下；污泥床内有短流现象，影响处理能力；对水质和负荷突然变化较敏感，耐冲击力稍差［7］。目前，UASB 已经成功应用于土豆淀粉加工废水、屠宰废水、啤酒废水、甲醇废水及城市污水及生活污水等废水处理工艺中，并取得了良好的效果。

4.2 ABR 反应器

厌氧折流板反应器（Anaerobic baffled reactor，ABR）是McCarty和Bachmann等人于1982年，在总结了第二代厌氧反应器工艺性能的基础上，开发和研制的一种新型高效的厌氧生物处理装置，见图4。其特点是：反应器内置竖向导流板，将反应器分隔成几个串联的反应室，每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床系统，其中的污泥以颗粒化形式或絮状形式存在。水流由导流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除［8］。

图4 ABR 结构示意图Fig.4 Schematic diagram of ABR structure

ABR 的优点为：结构简单、无运动部件、无需机械混合装置、造价低、容积利用率高、不易阻塞、污泥床膨胀程度较低，投资成本和运转费用较少；对生物体的沉降性能无特殊要求、污泥产率低、剩余污泥量少、泥龄高、污泥无需在载体表面生长、不需后续沉淀池进行泥水分离，水力停留时间短、可以间歇的方式运行、耐水力和有机冲击负荷能力强，对进水中有毒有害物质具有良好的承受力、可长时间运行而无需排泥等等。

ABR 作为一种新型高效厌氧处理工艺，在我国部分地区和企业的高浓度工业有机废水( 如酿造、造纸、制革废水等)的污染控制上得到了推广和运用，并取得了良好的处理效果。

4.3 EGSB 反应器

厌氧膨胀颗粒床反应器( Expanded Granular Sludge Bed, 简称 EGSB) 是在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器的研究成果的基础上，开发的第三代超高效厌氧反应器［9］。EGSB 反应器实际上是改进型UASB 反应器，区别在于前者具有更高的液体上升流速，使整个颗粒污泥床处于膨胀状态，这种独有的特征使其可以具有较大的高径比。

EGSB 反应器主要由主体部分、进水分配系统、三相分离器和出水循环等部分组成，结构如图5 所示。其中，进水分配系统是将进水均匀分配到整个反应器的底部，产生一个均匀的上升流速；三相分离器是EGSB 反应器最为关键的构造，能将出水、沼气和污泥三相有效分离，使污泥在反应器内有效持留；出水循环部分是为了提高反应器内的液体表面上升流速，使颗粒污泥与污水充分接触，避免反应器内死角和短流的产生。

图5 EGSB 反应器Fig.5 Expanded Granular Sludge Bed Reactor

该反应器除具有UASB 反应器的全部特性外，还具有以下特征：

①液体表面上升流速高和COD 去除率高；

②厌氧污泥颗粒粒径较大，反应器抗冲击负荷能力强；

③反应器为塔形结构设计，具有较高的高径比,占地面积小；

④可用于 SS 含量高的和对微生物有毒性的废水处理。

EGSB反应器实质上是固体流态化技术在有机废水生物处理领域应用的典范，目前在中低浓度有机废水、难降解有机废水、低温废水、低基质浓度废水、高含盐量废水和高悬浮性固体的废水处理中得到了良好的应用。

4.4 IC 反应器

厌氧内循环反应器(Internal Circulation Reactor，简称IC)是荷兰PAQUES公司于1985年提出的一种新型高效厌氧反应器。1988年，第一座工业规模的IC反应器投入运行。我国于1996年引进该技术。

IC反应器由4个部分组成（见图6）：污泥膨胀床区、精处理反应区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和回流管组成。IC反应器的主要特点就是反应器内部能够形成液体内循环，使有机物与颗粒污泥的传质过程加强，反应器的处理能力得到提高。

图6 IC 反应器Fig.6 Internal Circulation Reactor

污水直接进入反应器的底部，通过布水系统与厌氧颗粒污泥混合。在底部的高负荷区内有一个污泥膨胀床区，在这里COD大部分被转化为沼气，沼气被第一级三相分离器所收集。由于COD负荷高，沼气产量很大，在上升过程中会产生很强的提升能力，使污水和部分污泥通过沼气提升管上升到顶部的气液分离器中，在这个分离器中产生的沼气被收集排出，污泥和水的混合液通过回流管回到反应器底部，从而完成内循环过程。从底部污泥膨胀床的出水进入上部精处理反应区进行后处理，在此产生的沼气被第二级三相分离器收集。因为精处理反应区里的COD浓度已经很小，所产生的沼气量也很少，水力负荷和产气负荷都很低，有利于污泥的沉降滞留。

IC反应器与其它反应器相比，具备很多其特有的优势，如容积负荷高，反应器内生物量大，内循环使得传质效果好，进水负荷率比普通UASB反应器高出3倍左右；抗冲击负荷能力强，出水水质稳定、适用范围广，可处理低、中、高浓度废水以及含有毒物质的废水、占地面积少和节省投资等［10］。但IC反应器也存在着一些问题，例如：内循环问题、三相分离器的结构缺陷、高径比问题、进水配水问题和水力模型的合理性等问题急需解决。目前，IC反应器在国内外的啤酒废水、酒精废水、造纸废水及制药等废水的处理上，均已经取得了成功实践，并得到了推广应用。

5 高效厌氧生物反应器研究展望

目前，第三代厌氧生物反应器在我国还处于起步阶段，尽管有很多应用的例子，但是在实践运行中仍有很多问题出现，基础理论研究不足，创新研发力量不够，与发达国家还有一定的差距。如何缩小与世界先进水平之间的差距, 尽快赶上国际先进水平，是摆在我们面前的重大课题。今后在高效厌氧生物反应器的研究上，应侧重以下三个方面：

(1)从水力传质动力学角度，进一步优化反应器结构，提高处理效率。

(2)从微观层面上，研究污泥颗粒化的形成机制，制定反应器快速启动的可行性方案。

(3)与特种微生物相结合，提高反应器处理特种废水的能力，扩大其应用范围。

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