提⾼厌氧⽣物反应器厌氧处理效能的途径
及实现途径
由于厌氧微⽣物⽣长缓慢，世代时间长，故维持⾜够长的停留时间是厌氧消化⼯艺成功的关键条件。⾼效厌氧处理系统必须满⾜的原则：1 能够保持⼤量的厌氧活性污泥和⾜够长的污泥龄。2 保持进⼊的废⽔和污泥之间的充分接触。 为了满⾜第⼀条原则，可以采⽤固定化（⽣物膜）或培养沉降性能良好的厌氧污泥（颗粒污泥）的⽅式来保持厌氧污泥。从⽽在采⽤⾼的有机和⽔⼒负荷时不会发⽣严重的厌氧污泥流失。依据第⼀条原则，在20实际70年代末期⼈们成功地开发了各型新型的厌氧⼯艺（统称为第⼆代厌氧反应器），例如：厌氧滤池（AF），上流式厌氧污泥床反应器（UASB），厌氧接触膜膨胀床反应器（AAFEB）,（FB）等。这些反应器的⼀个共同特点是可以将固体停留时间和⽔⼒停留时间相分离，固体停留时间可长达上百天。
为了满⾜第⼆条原则，应该确保反应器布⽔的均匀性，这样才能避免短流。这⼀问题的关键⾄于改进布⽔系统的设计。从另⼀⽅⾯来讲，厌氧反应器的混合源于进⽔的混合和产⽓的扰动。但是对进⽔在⽆法
采⽤⾼的有机和⽔⼒负荷的情况下（例如在低温条件下采⽤低负荷⼯艺时，由于在污泥床的混合强度太低，以致⽆法抵消短流效应）UASB反应器的应⽤负荷和产⽓率受到限制，为获得很⾼的搅拌强度，必须采⽤⾼的反应器或者采⽤出⽔回流，获得⾼的上升流速。正式对于这⼀问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应⽤，例如，厌氧颗粒污泥床反应器（EGSB）和内循环厌氧反应器（IC），厌氧复合床反应器UBF（AF+UASB），⽔解⼯艺和两阶段消化（⽔解+EGSB）⼯艺。三体船
提⾼厌氧⽣物反应器厌氧处理效能的途径主要有如下⼏种⽅式：
1.加速UASB中颗粒污泥形成
影响UASB颗粒污泥形成的因素有废⽔性质，营养元素和微量元素，⽔⼒负荷率和产⽓负荷率，有机负荷率和污泥负荷率，接种污泥和环境条件等因素。加速污泥颗粒化有如下⼏种⽅法：水帘喷漆房
(1)投加⽆机絮凝剂或⾼聚物
投加⽆机絮凝剂或⾼聚物可以保证反应器内的最佳⽣长条件，可改变废⽔的成分, 其⽅法是向进⽔中投加养分、维⽣素和促进剂等。王林⼭等⼈向厌氧接种污泥中投加膨润⼟和聚丙烯酰胺, 采⽤常温间歇式进料, 在⼀个⽉内获得了颗粒污泥。其余的投加剂包括吸⽔性聚合物(WAP)，壳聚糖等物质。
(2)投加细微颗粒物
向反应器中投加适量的细微颗粒物如粘⼟、陶粒、颗粒活性炭等惰性物质, 利⽤颗粒物的表⾯性质, 加快细菌在其表⾯的富积，使之形成颗粒污泥的核⼼载体, 有利于缩短颗粒污泥的出现时间。
(3)投加⾦属离⼦
适量惰性物如Ca2+、Mg2+等, 能够促进颗粒污泥初成体的聚集和粘结。据研究: ⼆价⾦属离⼦能挤压污泥的双层结构, 使细胞间的范德华⼒增强, 同时与污泥有机质中的阴离⼦之间存在较强的相互吸引作⽤。据研究，适量添加Fe2+、Zn2+、Co2+和
Ni2+等对厌氧微⽣物⽣长有促进作⽤的离⼦可⼤⼤缩短UASB反应器中厌氧污泥颗粒化的时间。
2.强化UASB 处理
UASB 反应器成功地使SRT 与HRT 分离，但其传质过程并不理想。由于污泥与有机物传质过程主要依赖于进⽔与产⽓的搅动，因此强化传质过程最有效的⽅法就是提⾼表⾯⽔⼒负
荷和产⽓负荷。但⾼负荷产⽣的剧烈搅拌会使UASB 反应器中的污泥处于完全的膨胀状态，从⽽使⼤量的颗粒污泥被洗出，导致污泥过度流失。为了避免出现过⾼的⽔⼒负荷与产⽓负荷，UASB 反应器⼀般的进⽔上流速率控制在1～2m/h。微⽣物保有与传质的⽭盾，从根本上制约着UASB 进⼀步提⾼有机负荷。
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在实际⼯程应⽤中，UASB 反应器容易发⽣短流，污泥流失现象较为严重。究其原因，是因为UASB 反应器中的关键技术三相分离器属于保密技术，其最佳设计参数很难把握，实际应⽤中的三相分离器并不能起到将⽓、液、固完全分离的作⽤，且容易因为设计不当⽽产⽣短流，因此造成污泥流失现象。 优化进⽔和三相分离系统是强化UASB处理的主要途径
（1）设计出符合流体⼒学和⽣物反应的合理的进⽔布⽔系统,，也是改善UASB 处理效率的有效途径。进⽔系统兼有配⽔和⽔⼒搅拌的功能，⽬前，⼯程中常⽤的进⽔⽅式⼤致可以分为：连续流（如：⼀管⼀孔配⽔，⼀管多孔配⽔，分⽀式配⽔），间歇式（脉冲式）（如：脉冲进⽔，连续式进⽔（间歇布⽔）），连续流与间歇流相结合的布⽔⽅式。
布⽔均匀可以避免反应器内部出现死区，充分利⽤池体空间。良好的设计形式可以有效地降低布⽔器孔⼝的堵塞，提⾼布⽔质
量，稳定UASB 处理效率。
在UASB底部采⽤环状管⽹布⽔器可以有效改进布⽔的均匀性。它在平⾯上成对称分布，由彼此相交60°的6根布⽔⼲管与外、中和内环管组成。污⽔沿UASB 底部管道进⼊中⼼配⽔罐，经⼲管到环管，
再从环管上的孔⼝流出。该种布⽔器由于对称布置，⽽且各⼲管、环管均为等直径管道，出⽔孔⼝⼤⼩也相同，在不考虑⽔头损失的情况下，理论上可以达到均匀配⽔的⽬的。
据研究，布⽔系统采⽤双向进⽔的纯⽔⼒搅拌⽅式, 流向90s 切换⼀次, 可提供柔和的⽔⼒搅拌效果, 促进污泥和污⽔之间的良好接触, 使污泥上附着的⽓泡有效分离, 有利于⽔⼒筛分, 提⾼反应器的负荷, 加速污泥颗粒化的形成。
（2）UASB反应器在实验室⼩试阶段可采⽤简单的漏⽃制成的三相分离系统，各种类型的三相分离器，如下图。
中试装置采⽤的相应的三相分离器与实验室装置没有本质的差异，但是⽣产性装置需要考虑三相分离器的型式和⼀些⽔⼒学的问题，以及⼀些⼯程放⼤问题。通过对⼤量的中试和⽣产性项⽬的总结，有⼤致四种不同类型的三相分离器基本构造。见下图。
其中，（a）的构造简单，由于在回流缝同时存在上升和下降两股流体相互⼲扰，泥⽔分离的情况不佳，污泥回流不通畅。（b）与前者⼗分相似，其特点是利⽤上⼀层分离器作为其中的公⽤的组件，这⼀构思可以形成多层的三相分离器。（c）在泥⽔分离上也是与前者存在类似的情况。（d）式的构造较为复杂，但污泥回流和⽔流上升互不相扰，污泥回流通畅，泥⽔分离效果⽐较好，⽓体分离效果也较好。在分离器中，进⽔或者进⼊的⽔流彼此分开。⽓体分离后，在吸附固体和液体进⼊的部分因膨胀作⽤⽽释放出的溶解⽓体可能溢出，⽽使来⾃反应器的紊流在那⾥可以得到缓冲。最后，在沉淀区污泥与出⽔分离，那⾥的⽔流为层流，在其下部形成污泥层。浓缩的污泥从这⾥可沉⼊反应器。沉淀器重浓缩的悬浮液与反应器内三相（⽓，液和污泥）悬浮液之间的密度存在差异，利⽤这种密度的
差异所产⽣的循环液流，使浓缩的悬浮液不断地返回反应器。回流速度取决于产⽓的速率和系统的阻⼒。UASB反应器的三相分离器的产业化涉及两个问题，⼀是三相分离器的放⼤问题，另⼀个问题是产品化。三相分离器必须⾛设备化的道路。
郭永福，郭维华等利⽤改良型的UASB三相分离器进⾏的⾖制品废⽔的试验研究，取得了很好的实验效果。改良型的三相分离器具有以下优点：（1）可以避免污泥的回流与上升的⽔流、⽓流之间的互相⼲扰，保证进⼊沉降区的污泥能够顺利返回，防⽌污泥流失现象的发⽣；（2）包含⾼浓度污泥的污泥⼀区、⼆区容积增⼤，从污泥区底部到反应器顶部的整个垂直断⾯上，都能够保持较⾼污泥浓度，这为泥⽔的充分接触提供了良好的条件，从⽽能够保持较⾼的产⽓率，以及污泥的较⾼⽣物活性；（3）在⼀定程度上降低了UASB反应器的总⾼度。但在实验中也存在⼀些缺陷，如在沉降区仍有个别厌氧现象的发⽣，另外，能否不使⽤搅拌器⽽完全利⽤⽓流⽔流的推动，以及反应器中混合液的密度差来实现污泥区的⾼度膨胀，并形成良好的内部循环等。
3.EGSB厌氧反应器
EGSB 是在UASB 的基础上发展起来的, 为了达到颗粒污泥的膨胀，必须提⾼液体升流速度，其速度⼀般可达到5-10m /h, 远⾼于UASB 的0.6- 0.9m /h。要达到这样⾼的升流速度，即使是低浓度废⽔也难以达到，必须采取出⽔回流的⽅法。EGSB反应器运⾏的可⾏性很⼤程度上取决于反应器在⾼的液
体表⾯升流速度下的污泥滞留。为了防⽌污泥流失，对三相分离器的固液分离要求特别⾼，近来开发的⾼效液相分离器多为专利，是EGSB反应器的关键技术。虽然EGSB反应器液体表⾯流速很⼤，但颗粒污泥的沉降速度也很⼤，并有专门的三相分离器，所以颗粒污泥不会流失，使反应器内仍维持很⾼的⽣物量。
⼤部分⾼效厌氧反应器（如：AF,UASB,AFB等）⼀般只作为处理⾼浓度⼯业废⽔。⽤这些反应器处理低浓度废⽔时存在⼀些问题，如进⽔COD较低，反应器的负荷较低，甲烷产量
少，因此混合强度低，使基质与微⽣物接触不。在某些情况下，低浓度废⽔常常含有DO，⽽产甲烷菌是严格的厌氧微⽣物。
⾃从EGSB 反应器产⽣以后, ⼤部分的研究都集中于低温低浓度污⽔的处理。⼀般认为, 在利⽤厌氧技术处理低浓度污⽔时, 通常会遇到三个问题, 即溶解氧的影响、低的基质浓度和低的⽔温。由于产甲烷菌通常被认为是严格厌氧菌, 因此溶解氧的存在会抑制产甲烷菌的活性; 低的基质浓度和低的反应温度则会导致微⽣物活性降低。EGSB 反应器采⽤了较⾼的液体上升流速, 污⽔与污泥之间可以充分接触, 传质效果良好, 且颗粒污泥的形成和⼤量
兼性菌的存在, 使得其在处理低浓度污⽔⽅⾯具有很⼤的优势。
EGSB反应器不仅适于处理低浓度废⽔，⽽且也可以处理⾼浓度有机废⽔。但在处理⾼浓度有机废⽔时，为了维持⾜够的液体升流速度，是污泥床有⾜够⼤的膨胀率，必须加⼤出⽔的回流量。EGSB通过出⽔回流，使其具有抗冲击负荷的能⼒。使进⽔中的毒物浓度稀释⾄对微⽣物不再具有毒害作⽤，所以EGSB可处理处理有毒性、难降解废⽔。当废⽔中含有对微⽣物有毒害作⽤的物质或是难于⽣物降解的物质时, 采⽤传统的厌氧反应器或UASB 反应器都很难获得较好的效果。由于EGSB 反应器具有很⾼的出⽔循环⽐率, 它可以将原⽔中毒性物质的浓度稀释到微⽣物可以承受的程度, 从⽽保证反应器中的微⽣物能良好⽣长；同时还
由于反应器中液体上升流速⼤, 废⽔与微⽣物之间能够充分接触, 可以促进微⽣物降解基质。因此, 采⽤EGSB 反应器处理毒性或难降解的废⽔可以获得较好的效果。
4. IC厌氧反应器
IC 反应器( Internal Circulation Anaerobic Reactor) 是荷兰PAQUES 公司在第⼆代厌氧反应器(UASB) 的基础上于20 世纪80 年代中期开发成功的第三代⾼效厌氧反应器。
IC 反应器主要有两⼤⼯艺思想：A. 利⽤⼰有的⼯艺成果。包括：
（1）利⽤微⽣物细胞固定化技术——污泥颗粒化。⼀⽅⾯, 污泥颗粒化使微⽣物细胞更适应⽔中温度
与pH 值的变化, 减轻不利因素如重⾦属离⼦对污泥活性的影响; 另⼀⽅⾯，颗粒污泥为提⾼污泥浓度和污泥回流创造了条件。
（2）采⽤污泥回流, 进⼀步加⼤⽣物量, 延长泥龄。IC 反应器是在⾼的COD 容积负荷条件下, 依据⽓体提升原理, 利⽤沼⽓膨胀作功在⽆需外加能源的条件下实现了内循环污
泥回流。
（3）引⼊分级处理, 并赋与其新的功能。IC 反应器通过膨胀床去除⼤部分进⽔中的COD, 通过精处理区降解剩余COD 及⼀些难降解物质, 提⾼出⽔⽔质。更重要的是, 由于污泥内循环, 精处理区的⽔流上升速度( 2～10m/h )远低于膨胀床区的上升流速( 10～20 m/h) , ⽽且该区只产⽣少量的沼⽓, 创造了污泥颗粒沉降的良好环境，解决了在⾼COD 容积负荷条件下污泥被冲出系统的问题。此外，精处理区为膨胀污泥床区由于⾼的进⽔负荷导致的过度膨胀提供缓冲空间, 保证运⾏稳定。
B. 采⽤内循环技术
IC 反应器通过采⽤内循环技术, ⼤幅度提⾼了COD 容积负荷, 实现了泥⽔间的良好
接触。由于采⽤了⾼的COD 负荷，所以沼⽓产量⾼, 加上内循环液的作⽤, 使颗粒污泥处于膨胀流化状态, 强化了传质效果, 达到了泥⽔充分接触的⽬的。据有关研究报道, 处理⾼浓度有机废⽔( 5000～9
000 mg/L) ，相应COD 容积负荷达35～50kgCOD/ (m3.d), 膨胀床区⽔流上升速度可达10～20 m/h。可见内循环技术不但增加了⽣物量, 也改善了泥⽔接触, 尽⼒挖掘了⽣化处理能⼒，体现了从根本上提⾼⽣化反应速率这⼀原则, 实现了⼤幅度提⾼处理容量的⽬的。应当指出, ⽬前许多IC 反应器进⽔必须经过温度和pH值调节也是为提⾼⽣化反应速率、充分利⽤⽣化处理潜⼒创造条件。
IC 反应器有如下特点：1 容积负荷率⾼,⽔⼒停留时间短. 2节省基建投资和占地⾯积
3. 抗冲击负荷能⼒强，且具缓冲pH 能⼒. 4 沼⽓提升实现内循环，不必外加动⼒ 5.出⽔的稳定性好 6.启动期短。
但IC反应器也存在⼀些新的问题：
(1) 污泥分析表明, IC 反应器⽐UASB 反应器内含有较⾼浓度的细微颗粒污泥( 形成⼤颗粒污泥的前体) , 加上⽔⼒停留时间相对
短和较⼤的⾼径⽐, 所以与UASB 反应器相⽐IC 反应器出⽔中含有更多的细微固体颗粒, 这不仅使后续沉淀处理设备成为必要，还加重了后续设备的负担。
(2) 由于采⽤内循环技术和分级处理, 所以IC反应器⾼度⼀般较⾼, ⽽且内部结构相对复杂，不但增加了施⼯安装和⽇常维护的困难, 对⽔泵动⼒消耗也存在负⾯影响。当然, 由于IC 反应器⽔⼒负荷较⾼,
所以动⼒消耗还需结合实际综合考察。
(3) 前已述及，为适应较⾼的⽣化降解速率, 许多IC 反应器的进⽔需调节pH 值和温度, 为微⽣物的厌氧降解创造条件。从强化反应器⾃⾝功能的程度看, 这⽆疑增加了IC 反应器以外的附属处理设施, 尽管⽬前⼤多数厌氧⼯艺也需要调节进⽔的温度和pH 值。
5.两相厌氧消化
有机物的厌氧消化⼀般经历发酵细菌、产氢产⼄酸菌、产甲烷菌三类细菌的纵向接替转化以及向同产⼄酸细菌的横向转化。从⽣物学⾓度来看，由于产氢产⼄酸菌和产甲烷菌是共⽣互营菌，因⽽把他们划为⼀相，即产甲烷相，⽽把发酵细菌划为另⼀相，即产酸相。⼈们经过研究发现，产酸菌种类繁多，⽣长快，对环境条件变化不太敏感，⽽产甲烷菌则恰恰相反，专⼀性强，对环境条件要求苛刻，繁殖速度缓慢。基于此理论依据，两相厌氧消化⼯艺把产酸菌和产甲烷菌分别置于两个串联的反应器内并提供各⾃所需的最佳条件，以避免不同种⽣物间的相互⼲扰和代谢产物转化不均衡⽽造成的抑制作⽤，产酸相对进⽔⽔质和负荷的变化有较强的适应能⼒和缓冲作⽤，可⼤⼤削减运⾏条件的变化对产甲烷菌的影响，因⽽可提⾼系统的处理效率和运⾏稳定性。
两相厌氧消化⼯艺效率⾼，两相分离后，各反应器的分⼯更明确，产酸反应器对污⽔进⾏预处理，不仅为产甲烷反应器提供了更适宜的基质，还能够解除或降低⽔中的有害物质，如硫酸根、重⾦属离⼦
的毒性，改变难降解有机物的结构，减少对产甲烷菌的毒害作⽤和影响，增强了系统运⾏的稳定性。⽽且，为了抑制产酸相中的产甲烷菌的⽣长⽽有意识地提⾼产酸相的有机负荷率，提⾼了产酸相的处理能⼒。产酸菌的缓冲能⼒较强，因⽽冲击负荷造成的酸积累不会对产酸相有明显的影响。也不会对后续的产甲烷相造成危害，能够有效地预防在单相厌氧消化⼯艺中常出现的酸败现象，出现后易于调整与恢复，提⾼了系统的抗冲击能⼒。由于产酸菌的世代时间远远短于产甲烷菌，产酸菌的产酸速度⾼于产甲烷菌降解酸的速率，在两相厌氧消化⼯艺中产酸反应器的体积总是⼩于产甲烷反应器的体积。对于不同⽔质的污⽔，体积⽐有所不同。
6.厌氧反应器结构的改良
从厌氧反应器的发展历程看，提⾼污泥浓度、增强泥⽔接触、优化⽣态环境是拉动厌氧反应器创新的主要抓⼿，也将继续成为推动⾼效厌氧反应器发展的主要动⼒。buckboost电路
厌氧反应器的结构改良是提⾼污泥浓度、增强泥⽔接触、优化⽣态环境的重要途径。厌氧反应器通常包括布⽔单元、反应单元和分离单元。其中，反应单元是厌氧反应器的主体，反应单元的结构改良对于反应器效能的提⾼具有举⾜轻重的作⽤。反应单元的结构改良主要借助内构件实现。根据结构形式，内构件可分为⽣物膜填料、横向内构件和纵向内构件等。（1）⽣物膜填料
⽣物膜填料是形成⽣物膜的载体，是微⽣物的栖息地。以⽣物膜填料作为内构件，可为
微⽣物附着⽣长提供巨⼤的⽐表⾯积，持留⾼浓度的微⽣物细胞。常见的⽣物膜填料有卵⽯、多孔玻璃珠、软性填料和半软性填料。
（2）横向内构件
横向内构件是指在反应器内某⼀部位设置的，具有特定功能的结构组件，⽤于持留污泥、改善流态、强化传质。常⽤的横向内构件有三相分离挡板、悬挂式挡板等。KhursheedKarim 等通过设置悬挂式挡板，借助挡板的导流作⽤，加速了局部区域的流动循环，有效遏制了该区域的短流减少了污泥流失，增强了泥⽔传质。
（3）纵向内构件
纵向内构件是指在反应内纵向设置的，具有特定功能的若千结构组件，旨在促进持留污泥、遏制物料短流、优化功能菌⽣态。常⽤的纵向内构件有垂直折流板、交⼜挡板等。
传统UASB反应器在⾼负荷下运⾏时，通常会因⽓泡累积⽽导致反应单元上部剧烈搅动，⼀⽅⾯导致污泥被洗出反应器⽽降低污泥浓度，另⼀⽅⾯导致新鲜基质被直接带⾄上部⽽影响反应器效能。VanLier等在污泥床中纵向设置了若⼲交叉档板(图
1.12)，开发了⼀种上流式分段污泥流化床反应器(USSB)。经交叉档板分隔后，整个反应器相当于若
抛光氧化铝⼲UASB反应器的纵向串联组合，反应单元被分割成⼏个区室，每个区室产⽣的⽓体分别收集导出。USSB反应器通过分段收集产⽓，缓解了下部产⽓对上部泥⽔分离的⼲扰，反应器内的物料流态也趋向平推流，它为各微⽣物⽣理的⽣长和代谢提供了适宜的环境。McCarty等⼈通过在反应器中设置若⼲垂直折流板，开发了厌氧折流板反应器(ABR)。添加折流板后，ABR相当于若⼲UASB 反应器的横向串联，就每个串联的UASB反应器⽽⾔，因沼⽓的搅拌作⽤，⽔流流态基本上呈全混流，但各反应器之间的返混受到限制，基本上呈平推流，优化了微⽣物⽣长和代谢的环境。添加折流板后，还使该反应器在体积不变的情况下延长了废⽔流程，减⼩了因产⽓搅拌所致的死区。
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