厌氧反应器的发展历程

华北水利水电学院环境与市政工程学院何卫卫

随着我国经济发展和城镇建设步伐的加快，城市人口迅速增长，生产、生活用水量急剧增加。根据清华大学紫光投资公司统计资料显示，２００１～２００７年我国的污、废水排水增长率０．８％，预计２００７～２０１０年污、废水排放年增长率为０．１％，这样到２０１０年我国的年污水排放量为７６３亿吨［１］。城市污、废水排放量的大幅度增加势必将对水体环境质量造成严重的威胁。因此，基于环境友好等优点，研制、应用高效并具有多种附加功能的厌氧污水处理工艺已成为亟待解决的问题，在污水处理的同时，实现污水的无害化、资源化处理。

一、厌氧反应器的发展历程

厌氧生物处理技术是对普遍存在于自然界的微生物过程的人为控制与强化，是处理有机污染和废水的有效手段，但由于人们对参与这一过程的微生物的研究和认识不足，致使该技术在过去的１００多年里发展缓慢。

厌氧微生物能够在不需要提供外源能量和氧气的情况下，以被还原有机物作为受氢体，通过自身代谢过程将废水中的有机物转化为无机物ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４和少量细胞产物。限制厌氧技术发展的原因主要有三个：第一，厌氧生物处理技术是一种多菌群、多层次的厌氧发酵过程，种群多，关系复杂；第二，有些种群之间呈互营共生性，分离鉴定的难度大；第三，厌氧条件下培养分离和鉴定细菌技术复杂［２］。随着科学技术发展和分离鉴定技术水平的提高，原来限制该技术发展的瓶颈已被打破，该技术的优越性更加突现出来。

厌氧生物处理技术的反应器主体经历了三个时代。

１．第一代反应器。Ｓｃｈｒｏｅｐｆｅｒ在２０世纪５０年代开发了厌氧接触反应器，这种反应器是在沉淀池中增设了

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在强度实验压力下保持１５分钟，压降为０．０３Ｍｐａ，不超过０．０５Ｍｐａ。投产一次成功。

四、质量要求及评定

１．由于高密度聚乙烯管（ＨＤＰＥ）应用技术尚未完全成熟，有关质量评定指标尚未确定。根据现场施工状况，采用焊口外观检查和水压实验进行质量的评定。

２．水压试验：设计压力下，稳压１小时，不渗不漏；然后，在强度实验压力１５分钟，压降不超过０．０５ＭＰａ为合格。

３．焊接口外观示符合焊接成功示样。

五、性能特点

高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）管具有以下优点：

１．优良的耐腐蚀性。该管道不需要防腐，能够抵抗抗各种酸、碱、盐的腐蚀，化学稳定性好。

２．使用寿命长。地埋管道在－２０℃－＋４０℃范围内可安全使用５０年以上；可靠性高，维修少或不需要维修。

３．适用范围广。该管道洁净卫生、不滋生微生物；无毒、无味，可用于饮用水、建筑给水、生活污水、化工、医药、造纸、天然气、液化石油气、人工煤气输送等诸多领域。其工作压力可达到１．０ＭＰａ。

４．抗静电。外层防紫外线、防老化。

５．耐低温性能好。低温脆化温度可达－７０℃。

６．保温性能好。其导热系数为０．３５ｗ／ｍ・ｋ，仅为镀锌钢管的１／５０。

７．相当高的强度和柔韧性。其抗冲击强度是ＵＰＶＣ管的５倍。同时，管材可盘卷，系统完整性好。

８．自重轻。重量仅为镀锌钢管的１／８，搬运、安装容易。

９．接头少，减少渗透机率：直管长度一般为９、１２米；Φ６３ｍｍ以下管材可盘卷，长度为５０、１００、１５０米。

１０．水利特性优越：在通常供水流速范围内，与相同管径的金属管道相比，高密度聚乙烯管的输水压力损失小，流速提高３０％左右（ＰＥ管绝对粗糙度为０．０１ｍｍ；钢管的绝对粗糙度为０．２ｍｍ。在运行２０年后，金属管道的绝对粗糙度将增大５～１０倍，而聚乙烯管将不随时间变化），可输送更多的流量，节省动力消耗。同时，由于管内壁平滑，不会聚集水垢。

１１．联结方式多样：可选择的有：电熔对接、热熔对接和法兰连接。

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污泥回流装置，增大了厌氧反应器中的污泥浓度，进一步提高了处理效率与负荷。这些反应器可称为最初的厌氧反应器，主要应用于污泥和粪肥的消化以及生活污水的处理。

厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，足够长的停留时间是厌氧工艺成功的关键条件。很显然厌氧消化池无法分离水流停留时间和污泥停留时间，这也是污泥消化池必须保持足够长的停留时间的原因之一。一般消化工艺在中温（３０～３５℃）停留时间为２０～３０ｄ［３］。

２．第二代反应器。２０世纪６０年代末，Ｙｏｕｎｇ和Ｍｃ－Ｃａｒｔｙ发明了基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器——

—厌氧滤池。这种技术的成功之处在于反应器中加入了固体填料，微生物由于附着生长在填料表面，免于水力冲刷而得到保留，巧妙地将生物固体平均停留时间和水力停留时间相分离，从而提高了厌氧微生物浓度，强化了传质作用，极大地提高了污泥负荷。

１９７１年荷兰Ｗａｇｎｉｎｇｅｎ大学Ｌｅｔｔｉｎｇａ教授通过物理结构设计，利用重力场对不同密度物质作用的差异，发明了三相分离器。使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，形成了上流式厌氧污泥床（ＵＡＳＢ）反应器的雏形。１９７４年荷兰ＣＳＭ公司在其６ｍ３反应器处理甜菜制糖废水时，发现了活性污泥自身固定化机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥。颗粒污泥的出现，直接促进了以ＵＡＳＢ为代表的第二代厌氧反应器的应用和发展。ＵＡＳＢ的最大特点是反应器内颗粒污泥浓度保证了高浓度的厌氧污泥，从此厌氧技术在主要发达国家得到了广泛的应用，直到今天世界上仍主要采用以ＵＡＳＢ为代表的第二代厌氧技术。

１９８０年，Ｓｗｉｔｚｅｎｂａｕｍ和Ｊｅｗｅｌｌ推出了厌氧固定膜膨胀床反应器，此外还有厌氧生物转盘和厌氧垂直折流式反应器等陆续问世。为了进一步提高厌氧反应器的处理效果，１９８４年由加拿大学者Ｇｕｉｏｔ等人提出了上流式厌氧污泥床和上流式厌氧滤池结合型的新工艺，即上流式厌氧污泥床过滤器工艺。后人将上述几种反应器统称为第二代厌氧反应器。

Ｈａｌｌ总结了高速厌氧工艺的典型性能，可生物降解有机物的去除率相对比较高，ＢＯＤ去除率达到８０～９０％，生物产气量大约是０．５ｍ３／ｋｇ・ＣＯＤ，相当于甲烷的产气量是０．３５ｍ３甲烷／ｋｇ・ＣＯＤ，污泥产生量低，一般为０．０５～０．１０ｍ３ｋｇＶＳＳ／ｋｇ・ＣＯＤ［４］。

３．第三代厌氧反应器。ＵＡＳＢ反应器虽然利用了颗粒污泥实现了水力停留时间（ＨＲＴ）与污泥停留时间（ＳＲＴ）的分离，延长了污泥龄，保持了较高的污泥浓度，但在如何保持泥水的良好接触，强化传质过程，进一步加快生化反应速率方面却存在不足，例如反应器容易出现短流，当进水中悬浮物浓度较高时，会引起堵塞等。第三代反应器则利用自身的特点较好的弥补了以上问题，减少了由于高的水力负荷产生的污泥流失问题。

厌氧颗粒污泥膨胀床（ＥＧＳＢ）反应器是Ｗａｇｅｎｉｎ－ｇｅｎ农业大学在２０世纪８０年代后期开始研究的新型厌氧反应器。该反应器与ＵＡＳＢ反应器结构相似，但具有较大的高径比，并采用较高的处理水回流率，使反应器内保持较高的水流上升速度（３～１０ｍ／ｈ）［５］，颗粒污泥在反应器内处于悬浮状态，避免了在低温和低基质浓度的情况下由于产气量相对较少造成的局部短流和酸化现象。污泥与进水之间的接触更为充分，从而可以获得较好的处理效率。

荷兰ＰＡＱＵＥＳ公司在１９８５年初建造了世界上第一个ＩＣ中试反应器［６］。该反应器由２个厌氧反应区叠加而成，每个厌氧反应区的顶部都安装了气、液、固三相分离器，在结构上如同２个ＵＡＳＢ反应器的上下重叠串联。底部的厌氧区为高负荷区，废水过配水系统进入这一区后与颗粒污泥充分混合，大部分的有机物经微生物作用转化为沼气，产生的沼气在集气室被收集后通过提升管上升，混合液在气提作用下同时上升。在反应器顶部，沼气被排出，混合液顺回流管返回底部厌氧区，实现了出水的内循环，反应器上部的厌氧区为低负荷区，废水在这里得到进一步的处理。ＩＣ反应器出水水质较为稳定，处理效果也较好。由于开发者对该项技术的保密，有关ＩＣ反应器的研究报道相对较少，但可以预见，作为新型高速厌氧反应器，其在城市污水处理领域同样会有很大的发展。

二、结语

高效率厌氧处理系统必须满足的条件之一是：能够保持大量的活性厌氧污泥。第二个条件，是使得进水和保持的污泥之间的良好接触。今后厌氧反应器的发展方向应该围绕这两个基本条件，开发启动周期短、使用范围广，耐冲击负荷能力强，出水水质进一步提高的高效厌氧反应器。

参考文献：

［１］［６］裘湛，张之源．高速厌氧反应器处理城市污水的现状与发展［Ｊ］．合肥工业大学学报，２００２，２５（１）．

［２］北京水环境技术与设备研究中心等．三废水处理工程技术手册（废水卷）［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０００．

［３］张希衡等．废水厌氧生物处理工程［Ｍ］．北京：中国环境科学出版社，１９９６．

［４］张锡辉，刘勇弟．废水生物处理［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００３．

［５］王凯军．厌氧工艺的发展和新型厌氧反应器［Ｊ］．环境科学．１９９８，１９（１）．

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