厌氧生物处理工艺发展

厌氧生物处理工艺发展摘要:厌氧生物处理工艺目前发展十分迅速，其中反应器是发展最快领域之一，其共同特点是高负荷，占地面积小，形成颗粒污泥，水力负荷高，是水力停留时间降低的同时仍保持较高的污泥停留时间。

本文分析厌氧反应器的分类与特点及去污机理,对厌氧反应器在生活污水处理的应用前景进行了展望。

关键词：污水；厌氧生物处理；厌氧反应器；厌氧膨胀床；厌氧内循环（IC）反应器；升流式厌氧污泥床；前言：在水处理工艺中，我国采用传统的好氧生物处理方法要消耗大量能源，并产生大量需要二次处理的污泥，所以世界各国都在不断探索和研究高效低能耗的新型废水处理技术。

厌氧生物处理技术由于具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质的特点等，近年来已成为国内外环境科学与工程领域研究的热点。

厌氧处理技术不再仅仅是好氧处理之外的一个补充工艺，它本身正在成为一种可以替代好氧法的有价值的处理方法。

厌氧生物处理技术可以作为环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的核心技术来发展，具有良好的环境效益与经济效益。

1.厌氧生物处理工艺的发展简史厌氧生物过程一直广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的Louis Mouras所发明的“自动净化器”开始的，随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。

这些厌氧反应器现在通称为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是：①水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。

以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。

但是，当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。

这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③ HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT 则可以较短，反应器内生物量很高。

以上这些特点彻底改变了原来人们对厌氧生物过程的认识，因此其实际应用也越来越广泛。

进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。

其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。

这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。

2.厌氧生物处理工艺2.1厌氧膨胀床（1）工作原理：三相分离器是EGSB反应器的重要结构，它对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起着十分重要的作用。

它同时具有以下两个功能：一是收集从分离器下反应室产生的沼气；二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来。

要实现这两个功能，在厌氧反应器内设置的三相分离器应满足以下条件：①水和污泥的混合物在进入沉淀室之前，气泡必须得到分离。

②沉淀区的表面负荷应在3.0 m3／（m2·h）以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉降速度。

③由于厌氧污泥具有凝结的性质，液流上升通过泥层时，应有利于在沉淀器中形成污泥层。

沉淀区斜壁角度要适当，应使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内。

④应防止气室产生大量的泡沫；并控制气室的高度，防止浮渣堵塞出气管。

（2）主要特点：细颗粒的载体为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，使床内的微生物浓度很高（一般可达30gVSS/l）；具有较高的有机容积负荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留时间较短；具有较好的耐冲击负荷的能力，运行较稳定；载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞；床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量较少；既可应用于高浓度有机废水的处理，也应用于低浓度城市废水的处理。

（3）主要缺点：载体的流化耗能较大；系统的设计运行要求高。

关于生物浓度：厌氧膨胀床中的微生物浓度与载体粒径和密度、上升流速、生物膜厚度和孔隙率等有关；已知上升流速、生物膜厚度、不同载体粒径时的微生物浓度：对于不同生物膜厚度，有一个污泥量最大的载体粒径；载体的物理性质对流化床的特性也有影响：如：颗粒粒径过大时，颗粒自由沉降速度大，为保证一定的接触时间必须增加流化床的高度；水流剪切力大，生物膜易于脱落；比表面积较小，容积负荷低；但过小时，则操作运行较困难。

2.2厌氧内循环（IC）反应器IC工艺是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器。

它由2个UASB反应器的单元相互重叠而成,特点是在高的反应器内分为2个部分。

底部一个处于极端的高负荷,上部一个处于低负荷。

IC反应器由4个不同的功能单元构成,即混合部分、膨胀床部分、精处理部分和回流部分。

（1）IC反应器工作原理:IC反应器基本构造如图所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。

按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。

混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。

第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。

混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。

随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。

气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。

第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。

该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。

沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。

沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。

从IC反应器工作原理中可见，反应器通过2层三相分离器来实现SRT>HRT，获得高污泥浓度；通过大量沼气和内循环的剧烈扰动，使泥水充分接触，获得良好的传质效果。

（2）主要特点:容积负荷高；节省投资和占地面积；抗冲击负荷能力强；抗低温能力强；具有缓冲PH的能力；内部自动循环，不必外加动力；出水稳定性好；启动周期短；2.3 升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Bed，简称UASB) UASB是由Lettinga等于1974～1978年研究成功的一项新工艺，是世界上发展最快的消化器。

由于该消化器结构简单，运行费用低，处理效率高而引起人们的普遍兴趣。

该消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。

北京环境科学院于1983年首先开展了利用UASB处理丙酮丁醇生产废水的工艺研究，至今我国已对COD为300～500mg/l的生活污水，1000～2000mg/l啤酒废水，3000～5000mg/l 的屠宰废水，8000～10000mg/l的豆制品废水及30000～40000mg/l的酒醪滤液等进行了研究工作，并且多数已投产应用。

该工艺将污泥的沉降与回流置于一个装置内，降低了造价。

(1)工作原理：升流式厌氧污泥床有反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。

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，在污泥床上部由于沼气的搅动形成一个污泥浓度较稀薄的污泥和水一起上升进入三相分离器，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，集中在气室沼气，用导管导出，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沼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。

这种工艺的基本出发点在于：为污泥絮凝提供有利的物理－－化学条件，使厌氧污泥获得并保持良好的沉淀性能；良好的污泥床常可形成一种相当稳定的生物相，能抵抗较强的扰动力。

较大的絮体具有良好的沉淀性能，从而提高设备内的污泥浓度；通过在污泥床设备内设置一个沉淀区，使污泥细颗粒在沉淀区的污泥层内进一步絮凝和沉淀。

（2）主要特点水力停留时间大大缩短，具有很高的容积负荷；适于处理高、中浓度有机工业废水，也可以处理低浓度城市污水；将生物反应与沉淀分离集中在一个反应器内，结构紧凑；无需设置填料，节省费用，提高容积利用率；3、结论随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，我国的能源、资源和环境问题日益突出。

在大面积的地区性缺水的同时，伴随着严重的水污染问题，使得多数江河湖海水质下降甚至失去了使用功能，这进一步加剧了水资源的短缺，形成恶性循环的局面。

因此水污染问题已经成为影响我国经济持续快速发展的首要障碍，是我们迫切需要解决的问题。

为了适应我国环境规划和经济发展的需要，发展高效、低耗的废水厌氧处理技术对于改善生态环境，保持环境、经济的可持续发展具有重要的意义，研究和开发新型厌氧反应器将具有广阔的应用和发展前景。