污水处理高效厌氧反应器开发应用与展望

摘要：概括总结了近三十年来厌氧处理过程由于水力停留时间（HRT）与生物固体停留时间（SRT）分离的实现而导致多种类型高效反应器的研制和推广；分析了当前高效厌氧反应器的特点和影响其降解污染物的重要因素；提出了今后高效厌氧反应器在系统优化、难降解污染物的转化、污水再生利用和在数学模型与工艺控制方面的发展前景。

关键词：厌氧 高效反应器 污水处理 应用 展望

污水厌氧处理技术与其它污水处理技术相比无疑是生态的和绿色的技术，同时更具有成本-效果优势。上世纪70年代以来，厌氧反应器在研究和应用方面取得了长足进步。特别是水力停留时间（HRT）与生物固体停留时间（SRT）的分离而导致高效反应器的研制和推广，使污水厌氧处理技术成为污水生物处理两大技术之一。从已开发的反应器系统来看，升流式厌氧污泥床（UASB）、膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环（IC）反应器、厌氧折流板反应器（ABR）及其衍生的其它系统应用最广。这些反应器内部能自然生成具有出色降解有机物能力的和优越沉降性能的厌氧颗粒污泥。本文回顾了厌氧反应器工艺技术，并进一步探讨厌氧反应器的发展前景。

1.现状

1.1厌氧生物污泥反应器

提高厌氧反应器负荷潜力在于：①污水性质，②系统可保持的单位容积厌氧污泥量，③厌氧污泥与污水的混合程度。

在过去的十年里，若干研究者潜心于修正UASB系统特征参数已提高UASB负荷和UASB对各类污水（工业废水）的应用能力。对于各类污水，由于系统内传质阻力和浓度梯度问题，传统的UASB的应用参数表现出严格的限制。例如对于低浓度和低温污水，沼气产率下降。同时混合程度从流体动力学角度证明了质量传递在微生物降解有机物中的重要作用^[1]。进一步地，浓度梯度的出现限制了富含蛋白质和长链脂肪酸的污水处理以及生物可降解的有毒化合物如甲醛^[2][3]。对于有毒化合物只能在污水被有效稀释下、反应器内部混合状况好的情况下采用高负荷厌氧反应器处理。

厌氧流化床（AFB）反应器在原理上克服了污染物传质速率限制，但由于生物膜流失和惰性支撑材料破碎问题，流化床系统难于有效管理。并且为了混合液完全流化，厌氧流化床的能量要求较高^[4]。

为充分利用颗粒污泥优越的沉降性能，膨胀颗粒污泥床（EGSB）被开发，一般以8m/h升流速度运行，但增加了高度-直径比和额外循环能量。与传统UASB比较，膨胀颗粒污泥床系统没有内部沉淀装置，但在床外装备了一种先进的固液分离装置。这种装置由筛网组成或经过修改过的夹层分离器^[5][6]。

内循环（IC）反应器是一种基于气提概念的膨胀床系统，这种反应器的特点是内部装有两部气-固分离器。膨胀颗粒污泥床和内循环反应器的主要特点是：①高有机负荷率，达20-40kg/m³·d；②较小的横截面积；③较大的反应器高度，大12-20m；④较高的上升流速，大8-30m/h。因此，膨胀颗粒污泥床和内循环反应器适用于：①污水水温低于20℃；②稀释污水，COD＜1000mg/L；③有毒性可生物降解的化工污水；④在UASB里产生严重泡沫问题的污水；⑤出水含有脂肪和长链脂肪酸（LCFA）。一般具有上述特征污水在采用UASB反应器时易发生运行问题。

厌氧折流板反应器（ABR）是分阶段多相厌氧反应器工艺技术，被认为具有第三代厌氧反应器的特征。它适应了厌氧处理过程中不同种群微生物对基质利用的不同生理和生态原理，具有比传统的两级（或两相）厌氧处理工艺更灵活、易管理的特点，反应器易高效、稳定地运行^[7]，但目前仍处于试验研究阶段，实际应用较少，其反应器构造的优化设计和参数有待于进一步深入研究。

1.2.厌氧膜生物反应器

有效的固液分离是高效厌氧生物反应器赖以存在的基础。采用膜生物处理工艺可显著改善固液分离效果。对于低负荷的活性生物固体，厌氧膜生物反应器（AMBR）系统能在极限SRT下运行，以获得出水污染物浓度非常低的结果。同时考虑到厌氧微生物的低增值速率，这种反应器的概念就特别适用于处理拮抗化合物，如生物难降解的有机污水。它的应用前景在于，对于某些污水采用UASB系统出现颗粒污泥成粒非常困难时或SS非常高的有机污水，采用膜生物反应器具有非常好的前景。在日本和南非已出现生产性运行实例。结果显示，采用膜系统易具有良好的水力状态，膜的耐久性、抗堵性较好，膜自身易于优化。如果在反应器里采用沼气循环以加强传质效果和提高膜表面活性的技术方案，可以使系统运行能量很低。但膜反应器的缺点是膜表面经较长时间运行后易产生碳酸钙沉积^[9][10]。