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李經(jīng)理
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西安高新區(qū)錦業(yè)路錦業(yè)時代A3-307室來源： 中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究 作者：俞嵐
導語
從厭氧技術誕生以來至今已經(jīng)過了100多年的發(fā)展，期間共發(fā)生過兩次高潮。第一次高潮是從20世紀50年代起，發(fā)達國家工業(yè)化和城市化進程加快，造成了嚴重的環(huán)境污染，此時科學家們開發(fā)了厭氧塘、普通厭氧消化池、厭氧接觸工藝反應器即第一代厭氧反應器，并在世界范圍內(nèi)開始嘗試應用厭氧生物技術。20世紀70年代，迎來了厭氧生物技術發(fā)展的第二個高潮。
隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，世界能源問題和環(huán)境污染問題越來越嚴重，科學家們開發(fā)了以UASB反應器（荷蘭）為代表的第二代厭氧反應器，使得厭氧生物技術真正開始快速發(fā)展。而后在此基礎上，一系列第三代更高效的厭氧反應器得以研發(fā)和應用。
第一代厭氧反應器的開發(fā)
上述的反應器均為第一代厭氧反應器。這些反應器的特點是厭氧微生物生長極其緩慢，世代時間長，反應器內(nèi)無法分離水力停留時間和污泥停留時間，所以第一代反應器必須保持足夠長的停留時間，一般消化工藝在中溫環(huán)境下的停留時間至少為20-30天。此時的低負荷需要較長停留時間的厭氧系統(tǒng)使業(yè)界許多人認為厭氧系統(tǒng)運行結果不理想，本質(zhì)上還是不如好氧系統(tǒng)。
1、厭氧消化池（1896年發(fā)明，1910至1950年代升級）
（1）工藝流程
圖1 厭氧消化池構造圖
如圖1所示，廢水或污泥定期或連續(xù)進入消化池中，消化后的污泥和上清液分別從消化池底部和上部排出，所產(chǎn)生的沼氣從頂部排出。普通厭氧消化池的池體高度一般為池徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥；池頂蓋為半球形，以利收集沼氣。為了使進泥或進水與厭氧污泥充分接觸并使所產(chǎn)沼氣及時逸出通常還設有攪拌裝置，進行中溫或高溫消化時，還需要對消化液或進水進泥進行加熱。
（2）特點
普通消化池的體積較大，負荷較低，一般中溫為2～3kgCOD/(m3·d)，高溫為5～6kgCOD/(m3·d)，其根本原因在于固體停留時間等于水力停留時間。為保證厭氧微生物在厭氧反應器內(nèi)得以生長繁殖，污泥齡應該是甲烷菌世代時間的2～3倍，因此，普通消化池在中溫條件下的停留時間為20～30d，如果消化池內(nèi)不進行攪拌和加熱，停留時間甚至長達30～90d，處理效率極低。沒有對圖1厭氧消化池構造圖圖2厭氧接觸工藝系統(tǒng)構造圖厭氧消化污泥進行濃縮和回流的設施，反應器內(nèi)厭氧微生物容易流失而使厭氧處理效果下降。
2、厭氧接觸工藝（20世紀50年代）
（1）工藝流程
圖2 厭氧接觸工藝系統(tǒng)構造圖
如圖2所示，在普通消化池后串聯(lián)沉淀池，將生物反應和泥水分離在兩個獨立的構筑物中進行，沉淀的污泥重新返回消化池，有效地增加了反應器中的污泥濃度。
（2）特點
增大了反應器內(nèi)厭氧污泥的濃度，使得反應器中厭氧污泥的停留時間第一次大于水力停留時間，不僅操作簡單，而且提高了負荷與處理效率。污泥回流量約為進水流量的2~3倍，消化池內(nèi)的MLVSS為6~10g/L，可以直接處理固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題。但存在混合液難于在沉淀池中進行固液分離的缺點。
第二代厭氧反應器的開發(fā)高效厭氧處理系統(tǒng)必須滿足兩大原則之一，在系統(tǒng)內(nèi)保持大量的厭氧活性污泥和足夠長的污泥齡。要滿足這一原則，可采用固定化（生物膜）或者培養(yǎng)沉淀性能較好的厭氧污泥的方式來保持污泥濃度，從而在采用高有機負荷和水力負荷時不會流失大量厭氧活性污泥。
20世紀60年代，McCarty和Young在早前科學家研究的基礎上恢復了對厭氧濾池的研究，應用在中低濃度溶解性工業(yè)廢水的預處理/處理領域。他們在反應器內(nèi)裝載各類填料，如卵石、爐渣、塑料等，在污水流動過程中在填料上生長出大量的生物膜。厭氧濾池在很短的水力停留時間內(nèi)可以保持較長的污泥齡，平均的細胞停留時間可長達100天以上。
1970年，Lettinga因偶然看到了McCarty的文章，領導其研究團隊發(fā)明了UASB反應器，并在甲醇廢水處理上取得UASB的初步成功。UASB反應器集生物反應與污泥沉淀于一體，沿高程從上到下分為沉淀區(qū)、三相分離區(qū)和反應區(qū)，在反應器內(nèi)通常能培養(yǎng)出沉降性能良好的顆粒污泥，從而在沒有填料和載體的情況下完成了生物相的固定化，節(jié)省了空間和成本，同時使水力停留時間和污泥停留時間分開，以在反應器內(nèi)保持較高的污泥濃度。
上述的反應器均為第二代厭氧反應器。這些反應器的特點是可將水力停留時間與污泥停留時間分離開，其污泥停留時間可以長達上百天，可使厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時或幾天。但如果第二代反應器在低溫條件下采用低負荷工藝時，由于污泥床內(nèi)的混合強度太低，就無法抵消反應器內(nèi)的短流效應，所以第二代厭氧反應器在應用負荷和產(chǎn)氣率方面有一定的限制。
1、厭氧濾池（20世紀60年代）
（1）工藝流程
圖3 厭氧濾池構造圖
如圖3所示，通過在反應器內(nèi)填充各類過濾介質(zhì)（碎石、焦炭、塑料球、軟性或半軟性填料等），廢水從池底進入并從池頂連續(xù)排出，在通過填料層時與附著在填料上的微生物接觸，使有機物得以降解。
（2）特點
無需沉淀池和污泥回流，設備簡單，操作方便；生物膜折算的污泥量大，泥齡長，處理效果好；生物濾池的關鍵是濾料，表面積越大，形成的生物膜量越多，單位反應器的處理能力越大；濾料費用較貴，容易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚，堵塞后沒有簡單有效的清洗方法，因此僅適合SS含量低的污水。
2、UASB反應器（1970年）
（1）工藝流程
圖4 UASB 反應器構造圖
UASB主要由進水系統(tǒng)、三相分離器、出水系統(tǒng)、罐體等組成，如圖4所示，分為進水區(qū)（布水區(qū)）、反應區(qū)（含污泥床區(qū)、懸浮污泥層區(qū)）、沉淀區(qū)、出水區(qū)、沼氣區(qū)等。
廢水由進水系統(tǒng)從反應器的底部進入，進水系統(tǒng)兼有布水和水力攪拌的作用。布水器均勻布水，布水器出水口高速水流的沖擊和上升氣泡的擾動使污水與污泥混合。反應過程中，產(chǎn)生的沼氣（氣泡）在上升過程中將污泥顆粒托起，氣泡帶著污泥和水一起上升進入沉淀區(qū)，該區(qū)域的三相分離器將反應中產(chǎn)生的沼氣、污泥和被處理廢水加以分離。經(jīng)泥水分離后的處理出水則從沉淀區(qū)上部的集水槽排出。氣、固、液分離后的氣體（沼氣）由氣室收集，再由沼氣管通過水封器后安全燃燒或凈化回收利用。反應器內(nèi)的污泥超過一定高度，將隨出水一起沖出反應器。
（2）特點
結構緊湊、處理能力大、處理效果好，具有污泥濃度高、有機負荷高等優(yōu)點；除進水泵外，設備本身無任何動力消耗，運行能耗低；平面布置有圓形、矩形、方形；池體結構有鋼制、鋼筋混凝土（多為矩形布置）；上升流速：0.5~1.5m/h（多控制在0.6~0.9m/h）；高度一般為6~12m（最高可達15m）。
3、厭氧生物轉盤（1980年）
（1）工藝流程
圖5厭氧生物轉盤構造圖
厭氧生物轉盤在構造上類似于好氧生物轉盤，即主要由盤片、傳動軸與驅動裝置、反應槽等部分組成。在結構上一種具有旋轉水平軸的隊列式密封長圓筒，軸上裝有一系列圓盤。運行時圓盤大部分浸在污水中，厭氧微生物附著在旋轉的圓盤表面形成生物膜，保持較長的污泥停留時間，代謝污水中的有機物并產(chǎn)生沼氣。
（3）特點
微生物濃度高，有機負荷高，水力停留時間短；廢水沿水平方向流動，反應槽高度小，節(jié)省了提升高度；一般不需回流；不會發(fā)生堵塞，可處理含較高懸浮固體的有機廢水；多采用多級串聯(lián)，厭氧微生物在各級中分級，處理效果更好；運行管理方便；但盤片的造價較高。
第三代厭氧反應器的開發(fā)高效厭氧處理系統(tǒng)必須滿足兩大原則之二，還要保持污水和污泥之間的充分接觸。要滿足第二原則，需要保證反應器內(nèi)布水均勻和混合均勻，最大程度避免短流。布水均勻方面主要要設計好布水系統(tǒng)，混合均勻則主要依靠進水混合和氣體的擾動。所以如果在低溫條件下采用低負荷工藝時，必須要采用高反應器或是出水回流的方法才能保證反應器內(nèi)較高的攪拌強度。
1980年，美國斯坦福大學的McCarty團隊在厭氧生物轉盤的基礎上改進開發(fā)出了厭氧折板式反應器（ABR），幾乎完美實現(xiàn)了lettinga提出的分級多相厭氧工藝的思路，通過在反應器內(nèi)設置導流板，增加反應三、第三代厭氧反應器的發(fā)展室和改變廢水的水流方向使反應器泥水充分混合。
1985年，荷蘭帕克公司基于UASB反應器顆�；腿喾蛛x器的概念改進發(fā)明了厭氧內(nèi)循環(huán)反應器（IC）。該反應器本質(zhì)由2個UASB反應器的單元相互重疊而成，特點就是在高的反應器內(nèi)分為2個部分，下部處于極端的高負荷，上部處于低負荷，通過混合液內(nèi)循環(huán)的方式大大強化了泥水混合和傳質(zhì)效果，加快了反應速率。
1986年，lettinga教授團隊發(fā)明了膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應器。EGSB反應器實質(zhì)就是改進了的UASB反應器，只是運行方式和UASB反應器不同，即在很高的上升流速下運行以保持顆粒污泥處于懸浮狀態(tài)，從而保證了污水和污泥的充分接觸。EGSB反應器的停留時間低于傳統(tǒng)的UASB反應器。而后在2008年，荷蘭HydroThane的研究團隊又研發(fā)出ECSB（ExternalCirculationSludgeBed）即外循環(huán)污泥床反應器。
上述的反應器均為第三代厭氧反應器。此類反應器的特點是顆粒污泥（或生物膜）沉速比絮狀污泥沉速高，不用外部沉淀池；采用比UASB高得多的液體和氣體上升流速及有機負荷；污泥床處于懸浮和膨脹狀態(tài)；顆粒污泥（或生物膜）比表面積大、生物濃度高、傳質(zhì)條件好、溶解有機物去除率高；反應器的徑高比大，負荷高；污泥齡長，污泥產(chǎn)量少。
1、厭氧折流板反應器（1982年）
（1）工藝流程
圖6 ABR 反應器構造圖
如圖6所示，厭氧折流板反應器（ABR）內(nèi)設置若干豎向導流板，將反應器分隔成串聯(lián)的幾個反應室，每個反應室都可以看作一個相對獨立的上流式污泥床系統(tǒng)，廢水進入反應器后沿導流板上下折流前進，依次通過每個反應室的污泥床，廢水中的有機基質(zhì)通過與微生物充分的接觸而得到去除。借助于廢水流動和沼氣上升的作用，反應室中的污泥上下運動，但是由于導流板的阻擋和污泥自身的沉降性能，污泥在水平方向的流速極其緩慢，從而大量的厭氧污泥被截留在反應室中。將生理條件完全不同的發(fā)酵細菌和甲烷細菌兩大菌群進行的生化過程分別在兩個容器中順序獨立完成，并且維持各自的最佳環(huán)境條件，就形成了兩相厭氧消化系統(tǒng)。、
（2）特點
結構簡單，沒有特殊的氣固分離系統(tǒng)，運用擋板構造在反應器內(nèi)形成多個獨立的反應器，實現(xiàn)了分相多階段缺氧，其流態(tài)以推流為主，對沖擊負荷及進水中的有毒物質(zhì)具有很好的緩沖適應能力，還具有不短流，不堵塞，無需攪拌和易啟動的特點。
2、IC反應器（1985年）
（1）工藝流程：
圖7 IC 反應器構造圖
IC主要由進水系統(tǒng)、兩層三相分離器、出水系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、氣液分離器、罐體等組成，具體構造如圖7所示，分為進水區(qū)（布水區(qū)）、主反應區(qū)、精處理區(qū)、沉淀區(qū)、出水區(qū)、沼氣區(qū)等。簡單地說，IC實際上是由上下兩個UASB一體化組合而成。
廢水由進水系統(tǒng)從反應器底部進入主反應區(qū)，并通過進水系統(tǒng)使其與污泥混合，廢水中大部分有機物在此得到降解，并產(chǎn)生沼氣。沼氣由集氣罩收集后經(jīng)上升管上升至氣液分離器。在沼氣的上升過程中，把主反應圖7IC反應器構造圖區(qū)的混合液提升至氣液分離器，經(jīng)分離后的沼氣由頂部管道排出反應器，分離后的泥水混合液則經(jīng)氣液分離器底部的下降管返回至主反應區(qū)，并與底部污泥、進水充分混合，實現(xiàn)了主反應區(qū)混合液的內(nèi)部循環(huán)。經(jīng)主反應區(qū)處理后的混合液繼續(xù)上升至精處理區(qū)，廢水中剩余有機物在此得到進一步處理。處理過程中，產(chǎn)生的沼氣由集氣罩收集后經(jīng)集氣管進入氣液分離器。其泥水混合液在沉淀區(qū)進行分離，上清液經(jīng)集水槽排出反應器，分離后的污泥則自動返回精處理區(qū)。
（2）特點
通過增加高徑比，提高反應器上升流速，提高傳質(zhì)效率，維持反應器較高的污泥濃度，增強對于有機物的去除效果；同時，降低了停留時間、減小了占地面積，提高了抗沖擊負荷和容積負荷。平面布置一般為圓形、矩形、方形，池體結構多為鋼制、鋼筋混凝土，上升流速：2~10m/h，高度一般為16~25m。
3、EGSB反應器（1986年）
（1）工藝流程
圖8 EGSB 反應器構造圖
EGSB厭氧反應器其構造與UASB反應器有相似之處，如圖8所示，其構造根據(jù)功能劃分為混合區(qū)、膨脹區(qū)、沉淀區(qū)和集氣部分。廢水經(jīng)過污水泵進入EGSB厭氧反應器的有機物充分與厭氧罐底部的污泥接觸，大部分被處理吸收。高水力負荷和高產(chǎn)氣負荷使污泥與有機物充分混合，污泥處于充分的膨脹狀態(tài)，傳質(zhì)速率高，大大提高了厭氧反應速率和有機負荷。所產(chǎn)生的沼氣上升到頂部經(jīng)過三相分離器把污泥、污水、沼氣分離開來。
（2）特點
除具有UASB反應器的全部特性外，還具有以下特征：設有專門的出水回流系統(tǒng)；具有高的液體表面上升流速和COD去除負荷，有機負荷是UASB有機負荷的2-5倍；厭氧污泥顆粒粒徑較大，反應器抗沖擊負荷能力強；反應器為塔形結構設計，具有較高的高徑比，占地面積��；主要用于高濃度有機廢水處理，可用于SS含量高的和對微生物有毒性的廢水處理。EGSB反應器一般為圓柱狀塔形，具有很大的高徑比，一般可達3~5，生產(chǎn)裝置反應器的高度可達15~20米。從實際運行情況看，EGSB厭氧反應器對有機物的去除率高達85%以上，運行穩(wěn)定，出水穩(wěn)定，已廣泛運用到國內(nèi)中大型企業(yè)。
4、ECSB（2008年）
（1）工藝流程：
ECSB主要由進水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、中和罐、ECSB罐等組成，如圖9所示，分為進水區(qū)（布水區(qū)）、中和區(qū)、反應區(qū)、出水區(qū)、沼氣區(qū)等。
圖9 ECSB 反應器構造圖
廢水進入中和罐，在中和罐中，原廢水與循環(huán)的厭氧出水進行混合調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)好的廢水泵送至ECSB罐中，廢水從ECSB罐底部通過進水系統(tǒng)進入，經(jīng)過兩層相分離器后，從反應器頂部排出。ECSB罐底層為高濃度污泥床，由進水、外部循環(huán)及其沼氣產(chǎn)生的上升流帶動污泥床擴張、膨脹。廢水和顆粒污泥的有效接觸導致污泥活性高，使得高有機負荷及高轉化速率成為可能。ECSB罐中間層可以進行有效的后處理，同時進一步產(chǎn)生一定的顆粒污泥。
（2）特點
通過外循環(huán)的方式，強制加強水力攪拌混合作用，強化處理效果和系統(tǒng)抗沖擊負荷能力；同時，在運行過程中由于中和罐和ECSB罐水位高差幾乎相等，外循環(huán)并不會給系統(tǒng)帶來較大的能力損失；ECSB結構簡潔，操作性強，免維護。平面布置為圓形、矩形、方形，池體結構多為鋼制、鋼筋混凝土，高度一般為20~24m。
結語
厭氧反應器經(jīng)過一百多年的發(fā)展已經(jīng)從第一代發(fā)展到了第三代。第一代反應器以腐化池、厭氧消化池為代表的低負荷系統(tǒng)，必須保證足夠長的停留時間，反應效率極低；第二代反應器以厭氧濾池、UASB反應器為代表的高負荷系統(tǒng)，實現(xiàn)了固體停留時間和水力停留時間的分離，大大提高了反應效率；第三代反應器以IC反應器、EGSB反應器為代表，不僅分離了固體停留時間和水力停留時間，在系統(tǒng)內(nèi)保留大量的活性污泥，還實現(xiàn)了廢水和污泥的充分接觸，從而成為真正高效的厭氧反應器。
通過梳理厭氧反應器的發(fā)展及目前存在的問題可以看出其未來的發(fā)展方向：
1、適用于各種環(huán)境及更多的領域，比如在低溫和低濃度的情況下，極端不良進水水質(zhì)的領域等等；
2、更快速的反應速率；
3、更高標準的出水水質(zhì)；
4、更短的啟動時間。