厭氧生物處理反應(yīng)器概述

張 鵬，趙衍武，郭宏山

（1. 中國石化撫順石油化工研究院， 遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油撫順石化公司，遼寧 撫順 113008）

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，環(huán)境保護(hù)壓力也越來越大，大量難降解工業(yè)廢水的處理是擺在我們面前的一個(gè)重大難題。在廢水生物處理領(lǐng)域，常用的有好氧法和厭氧法兩種，其中好氧生物處理技術(shù)的曝氣需要大量的能耗，而厭氧生物處理技術(shù)相對(duì)而言能耗則低的多，并且能夠產(chǎn)生沼氣達(dá)到資源再利用，符合當(dāng)今節(jié)能環(huán)保的主題。因此研究和開發(fā)新型高效的厭氧生物處理反應(yīng)器及其相關(guān)工藝具有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 厭氧消化階段理論

厭氧消化，是指在嚴(yán)格厭氧條件下，通過多種微生物（厭氧或兼性菌）的共同作用，將各種復(fù)雜有機(jī)物進(jìn)行降解，并產(chǎn)生大量的CH4和CO2等沼氣能源的復(fù)雜過程［1］。厭氧消化階段理論先后經(jīng)歷了兩階段理論、三階段理論到四菌群學(xué)說，其中三階段理論和四菌群學(xué)說描述較為全面和準(zhǔn)確，是目前在業(yè)內(nèi)相對(duì)得到公認(rèn)的主流理論，占主導(dǎo)地位。

1.1 三階段理論

M.P.Bryant 根據(jù)對(duì)產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的研究結(jié)果，于 1979 年，在兩階段理論的基礎(chǔ)上，提出了三階段理論［2］。該理論將厭氧發(fā)酵分成三個(gè)階段，即水解和發(fā)酵階段、產(chǎn)氫、產(chǎn)乙酸階段及產(chǎn)甲烷階段，見下圖1。

圖1 三階段理論示意圖Fig.1 Schematic diagram of Three-stage theory

1.2 四菌群理論

1979 年，J.G. Zeikus 在第一屆國際厭氧消化會(huì)議上提出了四菌群理論。該理論認(rèn)為參與厭氧消化菌，除了水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌外，還有一個(gè)同型產(chǎn)乙酸菌種群［3］。這類菌可將中間代謝物的H2和CO2轉(zhuǎn)化成乙酸。厭氧發(fā)酵過程分為四個(gè)階段，各類群菌的有效代謝均相互密切連貫，處于平衡狀態(tài)，不能單獨(dú)分開，是相互制約和促進(jìn)的過程，如圖2 所示。

圖2 四菌群理論示意圖Fig.2 Schematic diagram of Four-population theory

2 厭氧消化的影響因素

（1）溫度。主要影響微生物的生化反應(yīng)速率，進(jìn)而影響有機(jī)污染物的分解速率。同時(shí)溫度突變對(duì)厭氧菌影響大。厭氧消化分為常溫、中溫和高溫厭氧消化［4］。

（2）pH 值。厭氧微生物的生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝與pH 有密切的關(guān)系，pH 值的變化直接影響著消化過程和消化產(chǎn)物，不同的微生物要求不同的 pH值，其中產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH 值尤其敏感，其最佳生存pH 值范圍為 6.5～7.2。

（3）攪拌。攪拌可使消化物料與微生物充分接觸，從而提高消化效率、增加產(chǎn)氣量。但攪拌也存在一定的負(fù)面效果，攪拌過快則不利于顆粒污泥的形成，實(shí)際操作上要選擇最適宜的攪拌速度及攪拌時(shí)間。

（4）營養(yǎng)物。營養(yǎng)物質(zhì)中最重要的是碳和氮兩種，二者需要滿足一定的比例。C/N 比太高，細(xì)菌氮量不足，消化液緩沖能力降低，造成pH 值上升，銨鹽累積；而C/N 比過低，氮含量過高，則會(huì)抑制消化的進(jìn)行。

（5）氨氮。氨氮對(duì)厭氧消化過程有較強(qiáng)的毒性或抑制性，其中NH3比NH4+對(duì)產(chǎn)甲烷菌的活性有更強(qiáng)的抑制能力。

（6）有毒物質(zhì)。有毒物質(zhì)對(duì)甲烷菌生長所起的作用取決于其濃度值與毒閾濃度值的比較。低于毒閾濃度，對(duì)甲烷菌生長有促進(jìn)作用；反之，則產(chǎn)生抑制作用。

3 厭氧生物反應(yīng)器發(fā)展歷史

第1代厭氧生物反應(yīng)器，誕生于18世紀(jì)末，主要是普通厭氧消化池，屬于低負(fù)荷消化系統(tǒng)。此池型很難分離水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間，通常初級(jí)的厭氧處理HRT為20～30 d，出水水質(zhì)差。Schroepter于1955年開發(fā)厭氧接觸法，采用了二沉池和污泥回流系統(tǒng)，使得消化池中的生物量濃度提高，污泥齡延長，停留時(shí)間縮短，處理效果得到了顯著提高［5］。

第2代厭氧生物反應(yīng)器，誕生于19世紀(jì)中期，比較典型有厭氧濾池(Anaerobic Filter，AF) ，上流式厭氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)，厭氧折板反應(yīng)器(Anaerobic Buffed Reactor，ABR) ，厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器(Anaerobic Attached Film Expanded Bed ，AAFEB) 和厭氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed，AFB) 等［5,6］。第2代厭氧反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了固體的停留時(shí)間和水力停留時(shí)間的分離，其固體停留時(shí)間可以達(dá)到上百天，廢水停留時(shí)間可縮短到數(shù)小時(shí)。第2代厭氧反應(yīng)器具有高濃度的生物量、較高的有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)空間小，投資少，高經(jīng)濟(jì)回報(bào)等優(yōu)點(diǎn)。

第3代厭氧生物反應(yīng)器，以升流式厭氧流化床(Upflow Fluided Bed，UFB)、 厭氧膨脹顆粒污泥床( Expanded Granular Sludge Blanket， EGSB)和內(nèi)循環(huán)式反應(yīng)器( Internal Cyclic Reactor，IC) 為代表。第3代厭氧生物反應(yīng)器的特點(diǎn)是，在設(shè)計(jì)上注重布水均勻，使固液兩相充分接觸，有效地避免了短流和死角等現(xiàn)象的發(fā)生［6］。

4 典型高效厭氧生物反應(yīng)器介紹

4.1 UASB 反應(yīng)器

上流式厭氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成，如圖3 所示。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)化為沼氣。沼氣以微小氣泡形式不斷放出，微小氣泡在上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡，由于沼氣的攪動(dòng)，在污泥床上部會(huì)形成一個(gè)較低濃度的泥水混區(qū)域，沼氣碰到分離器下部的反射板時(shí)，折向反射板的四周，然后穿過水層進(jìn)入氣室，由導(dǎo)管導(dǎo)出；固液混合液經(jīng)過反射進(jìn)入三相分離器的沉淀區(qū)，污水中的污泥發(fā)生絮凝，顆粒逐漸增大，并在重力作用下沉降。沉淀至斜壁上的污泥沿著斜壁滑回厭氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)，使反應(yīng)區(qū)內(nèi)積累大量的污泥，與污泥分離后的處理出水從沉淀區(qū)溢流堰上部溢出，然后排出污泥床。

圖3 UASB 反應(yīng)器Fig.3 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

UASB 的主要優(yōu)點(diǎn)是：污泥濃度高，平均污泥濃度為20～40 g·VSS/L；有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間長，采用中溫發(fā)酵時(shí)，容積負(fù)荷一般為 10 kg COD/(m3·d)左右；無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運(yùn)動(dòng)，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對(duì)下部的污泥層也有一定程度的攪動(dòng)；污泥床不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免因填料發(fā)生堵賽問題；UASB 內(nèi)設(shè)三相分離器，通常不設(shè)沉淀池，被沉淀區(qū)分離出來的污泥重新回到污泥床反應(yīng)區(qū)內(nèi)，通?？刹辉O(shè)污泥回流設(shè)備。

UASB 的主要缺點(diǎn)是：進(jìn)水中懸浮物不宜過高，一般控制在100 mg/L 以下；污泥床內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力；對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差［7］。目前，UASB 已經(jīng)成功應(yīng)用于土豆淀粉加工廢水、屠宰廢水、啤酒廢水、甲醇廢水及城市污水及生活污水等廢水處理工藝中，并取得了良好的效果。

4.2 ABR 反應(yīng)器

厭氧折流板反應(yīng)器（Anaerobic baffled reactor，ABR）是McCarty和Bachmann等人于1982年，在總結(jié)了第二代厭氧反應(yīng)器工藝性能的基礎(chǔ)上，開發(fā)和研制的一種新型高效的厭氧生物處理裝置，見圖4。其特點(diǎn)是：反應(yīng)器內(nèi)置豎向?qū)Я靼?，將反?yīng)器分隔成幾個(gè)串聯(lián)的反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室都是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的上流式污泥床系統(tǒng)，其中的污泥以顆?；问交蛐鯛钚问酱嬖?。水流由導(dǎo)流板引導(dǎo)上下折流前進(jìn)，逐個(gè)通過反應(yīng)室內(nèi)的污泥床層，進(jìn)水中的底物與微生物充分接觸而得以降解去除［8］。

圖4 ABR 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of ABR structure

ABR 的優(yōu)點(diǎn)為：結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、無需機(jī)械混合裝置、造價(jià)低、容積利用率高、不易阻塞、污泥床膨脹程度較低，投資成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較少；對(duì)生物體的沉降性能無特殊要求、污泥產(chǎn)率低、剩余污泥量少、泥齡高、污泥無需在載體表面生長、不需后續(xù)沉淀池進(jìn)行泥水分離，水力停留時(shí)間短、可以間歇的方式運(yùn)行、耐水力和有機(jī)沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對(duì)進(jìn)水中有毒有害物質(zhì)具有良好的承受力、可長時(shí)間運(yùn)行而無需排泥等等。

ABR 作為一種新型高效厭氧處理工藝，在我國部分地區(qū)和企業(yè)的高濃度工業(yè)有機(jī)廢水( 如釀造、造紙、制革廢水等)的污染控制上得到了推廣和運(yùn)用，并取得了良好的處理效果。

4.3 EGSB 反應(yīng)器

厭氧膨脹顆粒床反應(yīng)器( Expanded Granular Sludge Bed, 簡稱 EGSB) 是在上流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器的研究成果的基礎(chǔ)上，開發(fā)的第三代超高效厭氧反應(yīng)器［9］。EGSB 反應(yīng)器實(shí)際上是改進(jìn)型UASB 反應(yīng)器，區(qū)別在于前者具有更高的液體上升流速，使整個(gè)顆粒污泥床處于膨脹狀態(tài)，這種獨(dú)有的特征使其可以具有較大的高徑比。

EGSB 反應(yīng)器主要由主體部分、進(jìn)水分配系統(tǒng)、三相分離器和出水循環(huán)等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。其中，進(jìn)水分配系統(tǒng)是將進(jìn)水均勻分配到整個(gè)反應(yīng)器的底部，產(chǎn)生一個(gè)均勻的上升流速；三相分離器是EGSB 反應(yīng)器最為關(guān)鍵的構(gòu)造，能將出水、沼氣和污泥三相有效分離，使污泥在反應(yīng)器內(nèi)有效持留；出水循環(huán)部分是為了提高反應(yīng)器內(nèi)的液體表面上升流速，使顆粒污泥與污水充分接觸，避免反應(yīng)器內(nèi)死角和短流的產(chǎn)生。

圖5 EGSB 反應(yīng)器Fig.5 Expanded Granular Sludge Bed Reactor

該反應(yīng)器除具有UASB 反應(yīng)器的全部特性外，還具有以下特征：

①液體表面上升流速高和COD 去除率高；

②厭氧污泥顆粒粒徑較大，反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；

③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??；

④可用于 SS 含量高的和對(duì)微生物有毒性的廢水處理。

EGSB反應(yīng)器實(shí)質(zhì)上是固體流態(tài)化技術(shù)在有機(jī)廢水生物處理領(lǐng)域應(yīng)用的典范，目前在中低濃度有機(jī)廢水、難降解有機(jī)廢水、低溫廢水、低基質(zhì)濃度廢水、高含鹽量廢水和高懸浮性固體的廢水處理中得到了良好的應(yīng)用。

4.4 IC 反應(yīng)器

厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(Internal Circulation Reactor，簡稱IC)是荷蘭PAQUES公司于1985年提出的一種新型高效厭氧反應(yīng)器。1988年，第一座工業(yè)規(guī)模的IC反應(yīng)器投入運(yùn)行。我國于1996年引進(jìn)該技術(shù)。

IC反應(yīng)器由4個(gè)部分組成（見圖6）：污泥膨脹床區(qū)、精處理反應(yīng)區(qū)、內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)和出水區(qū)。其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC反應(yīng)器的核心部分，由一級(jí)三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和回流管組成。IC反應(yīng)器的主要特點(diǎn)就是反應(yīng)器內(nèi)部能夠形成液體內(nèi)循環(huán)，使有機(jī)物與顆粒污泥的傳質(zhì)過程加強(qiáng)，反應(yīng)器的處理能力得到提高。

圖6 IC 反應(yīng)器Fig.6 Internal Circulation Reactor

污水直接進(jìn)入反應(yīng)器的底部，通過布水系統(tǒng)與厭氧顆粒污泥混合。在底部的高負(fù)荷區(qū)內(nèi)有一個(gè)污泥膨脹床區(qū)，在這里COD大部分被轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣被第一級(jí)三相分離器所收集。由于COD負(fù)荷高，沼氣產(chǎn)量很大，在上升過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的提升能力，使污水和部分污泥通過沼氣提升管上升到頂部的氣液分離器中，在這個(gè)分離器中產(chǎn)生的沼氣被收集排出，污泥和水的混合液通過回流管回到反應(yīng)器底部，從而完成內(nèi)循環(huán)過程。從底部污泥膨脹床的出水進(jìn)入上部精處理反應(yīng)區(qū)進(jìn)行后處理，在此產(chǎn)生的沼氣被第二級(jí)三相分離器收集。因?yàn)榫幚矸磻?yīng)區(qū)里的COD濃度已經(jīng)很小，所產(chǎn)生的沼氣量也很少，水力負(fù)荷和產(chǎn)氣負(fù)荷都很低，有利于污泥的沉降滯留。

IC反應(yīng)器與其它反應(yīng)器相比，具備很多其特有的優(yōu)勢，如容積負(fù)荷高，反應(yīng)器內(nèi)生物量大，內(nèi)循環(huán)使得傳質(zhì)效果好，進(jìn)水負(fù)荷率比普通UASB反應(yīng)器高出3倍左右；抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出水水質(zhì)穩(wěn)定、適用范圍廣，可處理低、中、高濃度廢水以及含有毒物質(zhì)的廢水、占地面積少和節(jié)省投資等［10］。但I(xiàn)C反應(yīng)器也存在著一些問題，例如：內(nèi)循環(huán)問題、三相分離器的結(jié)構(gòu)缺陷、高徑比問題、進(jìn)水配水問題和水力模型的合理性等問題急需解決。目前，IC反應(yīng)器在國內(nèi)外的啤酒廢水、酒精廢水、造紙廢水及制藥等廢水的處理上，均已經(jīng)取得了成功實(shí)踐，并得到了推廣應(yīng)用。

5 高效厭氧生物反應(yīng)器研究展望

目前，第三代厭氧生物反應(yīng)器在我國還處于起步階段，盡管有很多應(yīng)用的例子，但是在實(shí)踐運(yùn)行中仍有很多問題出現(xiàn)，基礎(chǔ)理論研究不足，創(chuàng)新研發(fā)力量不夠，與發(fā)達(dá)國家還有一定的差距。如何縮小與世界先進(jìn)水平之間的差距, 盡快趕上國際先進(jìn)水平，是擺在我們面前的重大課題。今后在高效厭氧生物反應(yīng)器的研究上，應(yīng)側(cè)重以下三個(gè)方面：

(1)從水力傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)角度，進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，提高處理效率。

(2)從微觀層面上，研究污泥顆?；男纬蓹C(jī)制，制定反應(yīng)器快速啟動(dòng)的可行性方案。

(3)與特種微生物相結(jié)合，提高反應(yīng)器處理特種廢水的能力，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

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