13505189888
李經(jīng)理
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西安高新區(qū)錦業(yè)路錦業(yè)時(shí)代來源： 中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究 作者：俞嵐
導(dǎo)語
從厭氧技術(shù)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(jì)50年代起，發(fā)達(dá)國家工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，此時(shí)科學(xué)家們開發(fā)了厭氧塘、普通厭氧消化池、厭氧接觸工藝反應(yīng)器即第一代厭氧反應(yīng)器，并在世界范圍內(nèi)開始嘗試應(yīng)用厭氧生物技術(shù)。20世紀(jì)70年代，迎來了厭氧生物技術(shù)發(fā)展的第二個(gè)高潮。
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，世界能源問題和環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，科學(xué)家們開發(fā)了以UASB反應(yīng)器（荷蘭）為代表的第二代厭氧反應(yīng)器，使得厭氧生物技術(shù)真正開始快速發(fā)展。而后在此基礎(chǔ)上，一系列第三代更高效的厭氧反應(yīng)器得以研發(fā)和應(yīng)用。
第一代厭氧反應(yīng)器的開發(fā)
上述的反應(yīng)器均為第一代厭氧反應(yīng)器。這些反應(yīng)器的特點(diǎn)是厭氧微生物生長極其緩慢，世代時(shí)間長，反應(yīng)器內(nèi)無法分離水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間，所以第一代反應(yīng)器必須保持足夠長的停留時(shí)間，一般消化工藝在中溫環(huán)境下的停留時(shí)間至少為20-30天。此時(shí)的低負(fù)荷需要較長停留時(shí)間的厭氧系統(tǒng)使業(yè)界許多人認(rèn)為厭氧系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)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(gòu)造圖
如圖1所示，廢水或污泥定期或連續(xù)進(jìn)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(jìn)泥或進(jìn)水與厭氧污泥充分接觸并使所產(chǎn)沼氣及時(shí)逸出通常還設(shè)有攪拌裝置，進(jìn)行中溫或高溫消化時(shí)，還需要對消化液或進(jìn)水進(jìn)泥進(jìn)行加熱。
（2）特點(diǎn)
普通消化池的體積較大，負(fù)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(shí)間等于水力停留時(shí)間。為保證厭氧微生物在厭氧反應(yīng)器內(nèi)得以生長繁殖，污泥齡應(yīng)該是甲烷菌世代時(shí)間的2～3倍，因此，普通消化池在中溫條件下的停留時(shí)間為20～30d，如果消化池內(nèi)不進(jìn)行攪拌和加熱，停留時(shí)間甚至長達(dá)30～90d，處理效率極低。沒有對圖1厭氧消化池構(gòu)造圖圖2厭氧接觸工藝系統(tǒng)構(gòu)造圖厭氧消化污泥進(jìn)行濃縮和回流的設(shè)施，反應(yīng)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(jì)50年代）
（1）工藝流程
圖2 厭氧接觸工藝系統(tǒng)構(gòu)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(yīng)和泥水分離在兩個(gè)獨(dú)立的構(gòu)筑物中進(jìn)行，沉淀的污泥重新返回消化池，有效地增加了反應(yīng)器中的污泥濃度。
（2）特點(diǎn)
增大了反應(yīng)器內(nèi)厭氧污泥的濃度，使得反應(yīng)器中厭氧污泥的停留時(shí)間第一次大于水力停留時(shí)間，不僅操作簡單，而且提高了負(fù)荷與處理效率。污泥回流量約為進(jìn)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(jìn)行固液分離的缺點(diǎn)。
第二代厭氧反應(yīng)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(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷時(shí)不會流失大量厭氧活性污泥。
20世紀(jì)60年代，McCarty和Young在早前科學(xué)家研究的基礎(chǔ)上恢復(fù)了對厭氧濾池的研究，應(yīng)用在中低濃度溶解性工業(yè)廢水的預(yù)處理/處理領(lǐng)域。他們在反應(yīng)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(shí)間內(nèi)可以保持較長的污泥齡，平均的細(xì)胞停留時(shí)間可長達(dá)100天以上。
1970年，Lettinga因偶然看到了McCarty的文章，領(lǐng)導(dǎo)其研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了UASB反應(yīng)器，并在甲醇廢水處理上取得UASB的初步成功。UASB反應(yīng)器集生物反應(yīng)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(yīng)區(qū)，在反應(yīng)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(shí)使水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分開，以在反應(yīng)器內(nèi)保持較高的污泥濃度。
上述的反應(yīng)器均為第二代厭氧反應(yīng)器。這些反應(yīng)器的特點(diǎn)是可將水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間分離開，其污泥停留時(shí)間可以長達(dá)上百天，可使厭氧處理高濃度污水的停留時(shí)間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時(shí)或幾天。但如果第二代反應(yīng)器在低溫條件下采用低負(fù)荷工藝時(shí)，由于污泥床內(nèi)的混合強(qiáng)度太低，就無法抵消反應(yīng)器內(nèi)的短流效應(yīng)，所以第二代厭氧反應(yīng)器在應(yīng)用負(fù)荷和產(chǎn)氣率方面有一定的限制。
1、厭氧濾池（20世紀(jì)60年代）
（1）工藝流程
圖3 厭氧濾池構(gòu)造圖
如圖3所示，通過在反應(yīng)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(jìn)入并從池頂連續(xù)排出，在通過填料層時(shí)與附著在填料上的微生物接觸，使有機(jī)物得以降解。
（2）特點(diǎn)
無需沉淀池和污泥回流，設(shè)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(guān)鍵是濾料，表面積越大，形成的生物膜量越多，單位反應(yīng)器的處理能力越大；濾料費(fèi)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(yīng)器（1970年）
（1）工藝流程
圖4 UASB 反應(yīng)器構(gòu)造圖
UASB主要由進(jìn)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(jìn)水區(qū)（布水區(qū)）、反應(yīng)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(jìn)水系統(tǒng)從反應(yīng)器的底部進(jìn)入，進(jìn)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(yīng)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(jìn)入沉淀區(qū)，該區(qū)域的三相分離器將反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)的污泥超過一定高度，將隨出水一起沖出反應(yīng)器。
（2）特點(diǎn)
結(jié)構(gòu)緊湊、處理能力大、處理效果好，具有污泥濃度高、有機(jī)負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)；除進(jìn)水泵外，設(shè)備本身無任何動力消耗，運(yùn)行能耗低；平面布置有圓形、矩形、方形；池體結(jié)構(gòu)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(dá)15m）。
3、厭氧生物轉(zhuǎn)盤（1980年）
（1）工藝流程
圖5厭氧生物轉(zhuǎn)盤構(gòu)造圖
厭氧生物轉(zhuǎn)盤在構(gòu)造上類似于好氧生物轉(zhuǎn)盤，即主要由盤片、傳動軸與驅(qū)動裝置、反應(yīng)槽等部分組成。在結(jié)構(gòu)上一種具有旋轉(zhuǎn)水平軸的隊(duì)列式密封長圓筒，軸上裝有一系列圓盤。運(yùn)行時(shí)圓盤大部分浸在污水中，厭氧微生物附著在旋轉(zhuǎn)的圓盤表面形成生物膜，保持較長的污泥停留時(shí)間，代謝污水中的有機(jī)物并產(chǎn)生沼氣。
（3）特點(diǎn)
微生物濃度高，有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短；廢水沿水平方向流動，反應(yīng)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(jī)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(yùn)行管理方便；但盤片的造價(jià)較高。
第三代厭氧反應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)好布水系統(tǒng)，混合均勻則主要依靠進(jìn)水混合和氣體的擾動。所以如果在低溫條件下采用低負(fù)荷工藝時(shí)，必須要采用高反應(yīng)器或是出水回流的方法才能保證反應(yīng)器內(nèi)較高的攪拌強(qiáng)度。
1980年，美國斯坦福大學(xué)的McCarty團(tuán)隊(duì)在厭氧生物轉(zhuǎn)盤的基礎(chǔ)上改進(jìn)開發(fā)出了厭氧折板式反應(yīng)器（ABR），幾乎完美實(shí)現(xiàn)了lettinga提出的分級多相厭氧工藝的思路，通過在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流板，增加反應(yīng)三、第三代厭氧反應(yīng)器的發(fā)展室和改變廢水的水流方向使反應(yīng)器泥水充分混合。
1985年，荷蘭帕克公司基于UASB反應(yīng)器顆�；腿喾蛛x器的概念改進(jìn)發(fā)明了厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC）。該反應(yīng)器本質(zhì)由2個(gè)UASB反應(yīng)器的單元相互重疊而成，特點(diǎn)就是在高的反應(yīng)器內(nèi)分為2個(gè)部分，下部處于極端的高負(fù)荷，上部處于低負(fù)荷，通過混合液內(nèi)循環(huán)的方式大大強(qiáng)化了泥水混合和傳質(zhì)效果，加快了反應(yīng)速率。
1986年，lettinga教授團(tuán)隊(duì)發(fā)明了膨脹顆粒污泥床（EGSB）反應(yīng)器。EGSB反應(yīng)器實(shí)質(zhì)就是改進(jìn)了的UASB反應(yīng)器，只是運(yùn)行方式和UASB反應(yīng)器不同，即在很高的上升流速下運(yùn)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(yīng)器的停留時(shí)間低于傳統(tǒng)的UASB反應(yīng)器。而后在2008年，荷蘭HydroThane的研究團(tuán)隊(duì)又研發(fā)出ECSB（ExternalCirculationSludgeBed）即外循環(huán)污泥床反應(yīng)器。
上述的反應(yīng)器均為第三代厭氧反應(yīng)器。此類反應(yīng)器的特點(diǎn)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(jī)負(fù)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(jī)物去除率高；反應(yīng)器的徑高比大，負(fù)荷高；污泥齡長，污泥產(chǎn)量少。
1、厭氧折流板反應(yīng)器（1982年）
（1）工藝流程
圖6 ABR 反應(yīng)器構(gòu)造圖
如圖6所示，厭氧折流板反應(yīng)器（ABR）內(nèi)設(shè)置若干豎向?qū)Я靼澹瑢⒎磻?yīng)器分隔成串聯(lián)的幾個(gè)反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室都可以看作一個(gè)相對獨(dú)立的上流式污泥床系統(tǒng)，廢水進(jìn)入反應(yīng)器后沿導(dǎo)流板上下折流前進(jìn)，依次通過每個(gè)反應(yīng)室的污泥床，廢水中的有機(jī)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(yīng)室中的污泥上下運(yùn)動，但是由于導(dǎo)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(yīng)室中。將生理?xiàng)l件完全不同的發(fā)酵細(xì)菌和甲烷細(xì)菌兩大菌群進(jìn)行的生化過程分別在兩個(gè)容器中順序獨(dú)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(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡單，沒有特殊的氣固分離系統(tǒng)，運(yùn)用擋板構(gòu)造在反應(yīng)器內(nèi)形成多個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了分相多階段缺氧，其流態(tài)以推流為主，對沖擊負(fù)荷及進(jìn)水中的有毒物質(zhì)具有很好的緩沖適應(yīng)能力，還具有不短流，不堵塞，無需攪拌和易啟動的特點(diǎn)。
2、IC反應(yīng)器（1985年）
（1）工藝流程：
圖7 IC 反應(yīng)器構(gòu)造圖
IC主要由進(jìn)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(gòu)造如圖7所示，分為進(jìn)水區(qū)（布水區(qū)）、主反應(yīng)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(shí)際上是由上下兩個(gè)UASB一體化組合而成。
廢水由進(jìn)水系統(tǒng)從反應(yīng)器底部進(jìn)入主反應(yīng)區(qū)，并通過進(jìn)水系統(tǒng)使其與污泥混合，廢水中大部分有機(jī)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(yīng)圖7IC反應(yīng)器構(gòu)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(yīng)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(yīng)區(qū)，并與底部污泥、進(jìn)水充分混合，實(shí)現(xiàn)了主反應(yīng)區(qū)混合液的內(nèi)部循環(huán)。經(jīng)主反應(yīng)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(jī)物在此得到進(jìn)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(jìn)入氣液分離器。其泥水混合液在沉淀區(qū)進(jìn)行分離，上清液經(jīng)集水槽排出反應(yīng)器，分離后的污泥則自動返回精處理區(qū)。
（2）特點(diǎn)
通過增加高徑比，提高反應(yīng)器上升流速，提高傳質(zhì)效率，維持反應(yīng)器較高的污泥濃度，增強(qiáng)對于有機(jī)物的去除效果；同時(shí)，降低了停留時(shí)間、減小了占地面積，提高了抗沖擊負(fù)荷和容積負(fù)荷。平面布置一般為圓形、矩形、方形，池體結(jié)構(gòu)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(yīng)器（1986年）
（1）工藝流程
圖8 EGSB 反應(yīng)器構(gòu)造圖
EGSB厭氧反應(yīng)器其構(gòu)造與UASB反應(yīng)器有相似之處，如圖8所示，其構(gòu)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(jìn)入EGSB厭氧反應(yīng)器的有機(jī)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(fù)荷和高產(chǎn)氣負(fù)荷使污泥與有機(jī)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(yīng)速率和有機(jī)負(fù)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(diǎn)
除具有UASB反應(yīng)器的全部特性外，還具有以下特征：設(shè)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(fù)荷，有機(jī)負(fù)荷是UASB有機(jī)負(fù)荷的2-5倍；厭氧污泥顆粒粒徑較大，反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；反應(yīng)器為塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有較高的高徑比，占地面積小；主要用于高濃度有機(jī)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(yīng)器一般為圓柱狀塔形，具有很大的高徑比，一般可達(dá)3~5，生產(chǎn)裝置反應(yīng)器的高度可達(dá)15~20米。從實(shí)際運(yùn)行情況看，EGSB厭氧反應(yīng)器對有機(jī)物的去除率高達(dá)85%以上，運(yùn)行穩(wěn)定，出水穩(wěn)定，已廣泛運(yùn)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(jìn)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(jìn)水區(qū)（布水區(qū)）、中和區(qū)、反應(yīng)區(qū)、出水區(qū)、沼氣區(qū)等。
圖9 ECSB 反應(yīng)器構(gòu)造圖
廢水進(jìn)入中和罐，在中和罐中，原廢水與循環(huán)的厭氧出水進(jìn)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(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)入，經(jīng)過兩層相分離器后，從反應(yīng)器頂部排出。ECSB罐底層為高濃度污泥床，由進(jìn)水、外部循環(huán)及其沼氣產(chǎn)生的上升流帶動污泥床擴(kuò)張、膨脹。廢水和顆粒污泥的有效接觸導(dǎo)致污泥活性高，使得高有機(jī)負(fù)荷及高轉(zhuǎn)化速率成為可能。ECSB罐中間層可以進(jìn)行有效的后處理，同時(shí)進(jìn)一步產(chǎn)生一定的顆粒污泥。
（2）特點(diǎn)
通過外循環(huán)的方式，強(qiáng)制加強(qiáng)水力攪拌混合作用，強(qiáng)化處理效果和系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力；同時(shí)，在運(yùn)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(jié)構(gòu)簡潔，操作性強(qiáng)，免維護(hù)。平面布置為圓形、矩形、方形，池體結(jié)構(gòu)多為鋼制、鋼筋混凝土，高度一般為20~24m。
結(jié)語
厭氧反應(yīng)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(yīng)器以腐化池、厭氧消化池為代表的低負(fù)荷系統(tǒng)，必須保證足夠長的停留時(shí)間，反應(yīng)效率極低；第二代反應(yīng)器以厭氧濾池、UASB反應(yīng)器為代表的高負(fù)荷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間的分離，大大提高了反應(yīng)效率；第三代反應(yīng)器以IC反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器為代表，不僅分離了固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間，在系統(tǒng)內(nèi)保留大量的活性污泥，還實(shí)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(yīng)器。
通過梳理厭氧反應(yīng)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(lǐng)域，比如在低溫和低濃度的情況下，極端不良進(jìn)水水質(zhì)的領(lǐng)域等等；
2、更快速的反應(yīng)速率；
3、更高標(biāo)準(zhǔn)的出水水質(zhì)；
4、更短的啟動時(shí)間。