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)化進程的不斷加快，環(huán)境保護壓力也越來越大，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)相對而言能耗則低的多，并且能夠產(chǎn)生沼氣達到資源再利用，符合當今節(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器及其相關(guān)工藝具有長遠的戰(zhàn)略意義。

1 厭氧消化階段理論

厭氧消化，是指在嚴格厭氧條件下，通過多種微生物（厭氧或兼性菌）的共同作用，將各種復雜有機物進行降解，并產(chǎn)生大量的CH4和CO2等沼氣能源的復雜過程［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說，其中三階段理論和四菌群學說描述較為全面和準確，是目前在業(yè)內(nèi)相對得到公認的主流理論，占主導地位。

1.1 三階段理論

M.P.Bryant 根據(jù)對產(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議上提出了四菌群理論。該理論認為參與厭氧消化菌，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)，不能單獨分開，是相互制約和促進的過程，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速率，進而影響有機污染物的分解速率。同時溫度突變對厭氧菌影響大。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、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面效果，攪拌過快則不利于顆粒污泥的形成，實際操作上要選擇最適宜的攪拌速度及攪拌時間。

（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，則會抑制消化的進行。

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

（6）有毒物質(zhì)。有毒物質(zhì)對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，對甲烷菌生長有促進作用；反之，則產(chǎn)生抑制作用。

3 厭氧生物反應器發(fā)展歷史

第1代厭氧生物反應器，誕生于18世紀末，主要是普通厭氧消化池，屬于低負荷消化系統(tǒng)。此池型很難分離水力停留時間和污泥停留時間，通常初級的厭氧處理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，停留時間縮短，處理效果得到了顯著提高［5］。

第2代厭氧生物反應器，誕生于19世紀中期，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)，厭氧折板反應器(Anaerobic Buffed Reactor，ABR) ，厭氧附著膜膨脹床反應器(Anaerobic Attached Film Expanded Bed ，AAFEB) 和厭氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed，AFB) 等［5,6］。第2代厭氧反應器實現(xiàn)了固體的停留時間和水力停留時間的分離，其固體停留時間可以達到上百天，廢水停留時間可縮短到數(shù)小時。第2代厭氧反應器具有高濃度的生物量、較高的有機負荷和水力負荷，反應器結(jié)構(gòu)緊湊，占據(jù)空間小，投資少，高經(jīng)濟回報等優(yōu)點。

第3代厭氧生物反應器，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)式反應器( Internal Cyclic Reactor，IC) 為代表。第3代厭氧生物反應器的特點是，在設(shè)計上注重布水均勻，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器介紹

4.1 UASB 反應器

上流式厭氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Blanket，UASB)由污泥反應區(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行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機物，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，在污泥床上部會形成一個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，折向反射板的四周，然后穿過水層進入氣室，由導管導出；固液混合液經(jīng)過反射進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區(qū)內(nèi)，使反應區(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 反應器Fig.3 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor

UASB 的主要優(yōu)點是：污泥濃度高，平均污泥濃度為20～40 g·VSS/L；有機負荷高，水力停留時間長，采用中溫發(fā)酵時，容積負荷一般為 10 kg COD/(m3·d)左右；無混合攪拌設(shè)備，靠發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣的上升運動，使污泥床上部的污泥處于懸浮狀態(tài)，對下部的污泥層也有一定程度的攪動；污泥床不填載體，節(jié)省造價及避免因填料發(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區(qū)內(nèi)，通?？刹辉O(shè)污泥回流設(shè)備。

UASB 的主要缺點是：進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；對水質(zhì)和負荷突然變化較敏感，耐沖擊力稍差［7］。目前，UASB 已經(jīng)成功應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 反應器

厭氧折流板反應器（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。其特點是：反應器內(nèi)置豎向?qū)Я靼?，將反應器分隔成幾個串聯(lián)的反應室，每個反應室都是一個相對獨立的上流式污泥床系統(tǒng)，其中的污泥以顆?；问交蛐鯛钚问酱嬖凇Ｋ饔蓪Я靼逡龑舷抡哿髑斑M，逐個通過反應室內(nèi)的污泥床層，進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)點為：結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、無需機械混合裝置、造價低、容積利用率高、不易阻塞、污泥床膨脹程度較低，投資成本和運轉(zhuǎn)費用較少；對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)沉淀池進行泥水分離，水力停留時間短、可以間歇的方式運行、耐水力和有機沖擊負荷能力強，對進水中有毒有害物質(zhì)具有良好的承受力、可長時間運行而無需排泥等等。

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用，并取得了良好的處理效果。

4.3 EGSB 反應器

厭氧膨脹顆粒床反應器( Expanded Granular Sludge Bed, 簡稱 EGSB) 是在上流式厭氧污泥床(UASB)反應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器［9］。EGSB 反應器實際上是改進型UASB 反應器，區(qū)別在于前者具有更高的液體上升流速，使整個顆粒污泥床處于膨脹狀態(tài)，這種獨有的特征使其可以具有較大的高徑比。

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

圖5 EGSB 反應器Fig.5 Expanded Granular Sludge Bed Reactor

該反應器除具有UASB 反應器的全部特性外，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，反應器抗沖擊負荷能力強；

③反應器為塔形結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有較高的高徑比,占地面積小；

④可用于 SS 含量高的和對微生物有毒性的廢水處理。

EGSB反應器實質(zhì)上是固體流態(tài)化技術(shù)在有機廢水生物處理領(lǐng)域應用的典范，目前在中低濃度有機廢水、難降解有機廢水、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用。

4.4 IC 反應器

厭氧內(nèi)循環(huán)反應器(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器。1988年，第一座工業(yè)規(guī)模的IC反應器投入運行。我國于1996年引進該技術(shù)。

IC反應器由4個部分組成（見圖6）：污泥膨脹床區(qū)、精處理反應區(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反應器的核心部分，由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和回流管組成。IC反應器的主要特點就是反應器內(nèi)部能夠形成液體內(nèi)循環(huán)，使有機物與顆粒污泥的傳質(zhì)過程加強，反應器的處理能力得到提高。

圖6 IC 反應器Fig.6 Internal Circulation Reactor

污水直接進入反應器的底部，通過布水系統(tǒng)與厭氧顆粒污泥混合。在底部的高負荷區(qū)內(nèi)有一個污泥膨脹床區(qū)，在這里COD大部分被轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣被第一級三相分離器所收集。由于COD負荷高，沼氣產(chǎn)量很大，在上升過程中會產(chǎn)生很強的提升能力，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入上部精處理反應區(qū)進行后處理，在此產(chǎn)生的沼氣被第二級三相分離器收集。因為精處理反應區(qū)里的COD濃度已經(jīng)很小，所產(chǎn)生的沼氣量也很少，水力負荷和產(chǎn)氣負荷都很低，有利于污泥的沉降滯留。

IC反應器與其它反應器相比，具備很多其特有的優(yōu)勢，如容積負荷高，反應器內(nèi)生物量大，內(nèi)循環(huán)使得傳質(zhì)效果好，進水負荷率比普通UASB反應器高出3倍左右；抗沖擊負荷能力強，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IC反應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)取得了成功實踐，并得到了推廣應用。

5 高效厭氧生物反應器研究展望

目前，第三代厭氧生物反應器在我國還處于起步階段，盡管有很多應用的例子，但是在實踐運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)達國家還有一定的差距。如何縮小與世界先進水平之間的差距, 盡快趕上國際先進水平，是擺在我們面前的重大課題。今后在高效厭氧生物反應器的研究上，應側(cè)重以下三個方面：

(1)從水力傳質(zhì)動力學角度，進一步優(yōu)化反應器結(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制，制定反應器快速啟動的可行性方案。

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

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