廢水厭氧生物處理工藝技術及其發展鑒于日益增加的當代水質難題的復雜性和廣泛性以及厭氧生物技術在經濟和節能方面的優點,使得深入研究并掌握厭氧生物處理工藝顯得極為必要。發展中國家正面臨著日益嚴重的環境和能源問題,厭氧處理技術恰好可以滿足這樣的要求,而且具有可持續發展性。厭氧處理技術處理輕度污染的工業廢水和城市污水時同樣有效,在甲烷的產量不足以使用的情況下也是如此。即使后續處理采用的是好氧反應,剩余污泥的產量也會很低。另外,這種簡單湊便于運行控制的厭氧反應系統還可以靈活方便地使用,而這些又都是傳統工藝無法滿足的。厭氧生物處理工藝的原理是利用微生物生命過程中的代謝活動,將有機物分解為簡單無機物,從而去除水中有機物污染的過程,稱為廢水的生物處理。根據代謝過程對氧的需求,微生物又分為好氧、厭氧和介于兩者間的兼性微生物。厭氧生物處理就是利用厭氧微生物的代謝過程,在無需提供氧的情況下,把有機物轉化為無機物和少量的細胞物質,這些無機物包括大量的生物氣(即沼氣)和水。厭氧生物處理是一種低成本廢水處理技術,把廢水治理和能源相結合,特別適合發展中國家使用。根據厭氧消化過程的三階段理論，厭氧微生物主要可以分為以下三大類群，即發酵細菌（產酸細菌）、產氫產乙酸菌、產甲烷菌。發酵細菌（產酸細菌）的主要功能是：水解。在胞外酶的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物；酸化。將可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等小分子有機物。這類細菌分屬梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等，其中大多數是厭氧菌，但也有大量的是兼性厭氧菌。產氫產乙酸菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2。涉及到的主要反應有：乙醇：CH3CH2OH+H2O→CH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2O→CH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O→2CH3COOH+2H2O上述各個反應只有在系統中的乙酸濃度和氫分壓均很低時才能順利進行。主要的產氫產乙酸菌分屬互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數是嚴格厭氧菌或兼性厭氧菌。產甲烷菌的主要功能是將產氫產乙酸菌的產物——乙酸、H2和CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行。產甲烷菌一般可以簡單地分為兩大類，即乙酸營養型和H2營養型產甲烷菌；一般來說，自然界中乙酸營養型產甲烷菌的種類較少，主要只有產甲烷八疊球菌和產甲烷絲狀菌兩大類，但在厭氧反應器中，這兩種細菌的數量一般較多，而且70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解。產甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖的世代時間很長，可長達4～6天甚至更長，因此，一般情況下產甲烷反應是厭氧消化的限速步驟。厭氧生化法與好氧生化法相比具有下列優點:1)應用范圍廣。好氧法因供氧限制一般只適用于中、低濃度有機廢水的處理,而厭氧法既適用于高濃度有機廢水,又適用于中、低濃度有機廢水。有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的,但對厭氧生物處理是可降解的,如固體有機物。能耗低。好氧法需要消耗大量能量供氧,曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大,厭氧法不需要充氧,而且產生的沼氣可作為能源。廢水有機物達到一定濃度后,沼氣能量可以抵償消耗能量。當原水BOD5達到1500mg/L時,采用厭氧處理即有能量剩余。有機物濃度愈高,剩余能量愈多,一般厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。負荷高。通常好氧法的有機容積負荷為2~4kg/m3#dCOD,厭氧法為2~10kg/m3#dCOD,高的可達50kg/m3#dCOD。剩余污泥量少,且其濃縮性、脫水性良好。好氧法每去除1kgCOD將產生0.4~0.6kg生物量,而厭氧法去除1kgCOD只產0.02~0.1kg生物量,其剩余污泥量只有好氧法的5%~20%。同時,消化污泥在衛生學和化學上都是穩定的。因此,剩余污泥處理和處置簡單、運行費用低,甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。氮、磷營養需要量較少。好氧法一般要求BODBNBP為100B5B1,而厭氧法的BODBNBP為100B2.5B0.5,對氮、磷缺乏的工業廢水所需投加的營養鹽量較少。厭氧處理過程有一定的殺菌作用,可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲卵、病毒等。7)厭氧活性污泥可以長期貯存,厭氧反應器可以季節性或間歇性運轉。與好氧反應器相比,在停止運行一段時間后,能較迅速地啟動。事實上厭氧消化工藝并不是一個新的工藝,人們早在100多年前就開始采用厭氧工藝處理生活污水污泥。1860年法國工程師Mouras采用厭氧方法處理經沉淀的固體物質。1904年德國Imhoff將其發展成為Imhoff雙層沉淀池(即腐化池),這一工藝至今仍然在有效地利用。在1910~1950年,高效的、可加溫和攪拌的消化池得到了發展,比腐化池有明顯的優勢。Schroepfer在50年代開發了厭氧接觸工藝,這些反應器可以稱為第一代的厭氧反應器。厭氧微生物生長緩慢,世代時間長,足夠長的停留時間是厭氧工藝成功的關鍵條件。很顯然,厭氧消化池無法分離水力停留時間和污泥停留時間,這也是污泥消化池必須保持足夠長的停留時間的原因之一。一般消化工藝在中溫(30~35e)停留時間為20~30d。高效率厭氧處理系統必須滿足的條件之一是能夠保持大量的活性厭氧污泥。依照這一原則人們成功地開發了第二代厭氧反應器,例如厭氧濾池(AF)、升流式厭氧污泥床反應器(UASB)和厭氧接觸膜膨脹床反應器(AAFEB)等。這些反應器的一個共同特點是可以將固體停留時間與水力停留時間相分離,其固體停留時間可以長達上百天。這使得厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時或幾天。在已經開發的這些高效厭氧處理系統中,UASB工藝被廣泛應用在生產性的裝置上,并且一般非常成功。UASB由污泥反應區、氣液固三相分離器(包括沉淀區)和氣室組成。在底部反應區內存留大量厭氧污泥,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,在污泥床上部由于沼氣的攪動形成一個污泥濃度較稀薄的污泥和水一起上升進入三相分離器。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,集中在氣室沼氣,用導管導出,固液混合液經過反射進入三相分離器的沉淀區,污水中的污泥發生絮凝,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內,使反應區內積累大量的污泥,與污泥分離后的處理出水從沉淀區溢流堰上部溢出,然后排出污泥床。基本要求有:為污泥絮凝提供有利的物理、化學和力學條件,使厭氧污泥獲得并保持良好的沉淀性能;2)良好的污泥床常可形成一種相當穩定的生物相,保持特定的微生態環境,能抵抗較強的擾動力,較大的絮體具有良好的沉淀性能,從而提高設備內的污泥濃度;3)通過在污泥床設備內設置一個沉淀區,使污泥細顆粒在沉淀區的污泥層內進一步絮凝和沉淀,然后回流入污泥床內。表1各種厭氧處理工藝的優缺點比較序號123456工藝名稱普通厭氧消化池厭氧接觸藝厭氧生物濾池升流式厭氧污泥床厭氧生物轉盤厭氧流化床厭氧英文縮寫CADTACP(AASP)AFUASBARBCPAFB優點結構簡單,適于處理VSS高,顆粒大的料液負荷高,水力停留時間短,易啟動,耐沖擊負荷能力高,產泥少,耐沖擊負荷,能耗低工藝結構緊湊,處理能力大,效果好,投資省容積負荷高,無堵塞,耐沖擊,運行穩定耐沖擊負荷,效率高,產泥少,占地少缺點水力停留時間長,管理不便需污泥回流,固液分離有時較困難布水不均勻,填料昂貴,且易堵不適于處理高VSS廢水,顆粒污泥培養困難動力消耗大,占地大,盤片造價高動力消耗大,管理較復雜高效厭氧處理系統需要滿足的第2個條件是使得進水和污泥之間保持良好接觸。為此,人們首先應該確保反應器布水的均勻性,因為這樣才可以最大程度地避免短流。這一問題無疑涉及到布水系統的設計。同時可采用較高的反應器設計或采用出水回流而獲得較高的攪拌強度。另外,厭氧反應器混合可來源于進水的混合和產氣的擾動這兩方面,但是當進水無法采用高的水力和有機負荷的情況下,例如工藝在低溫條件下只得采用低負荷時,由于在污泥床內的混合強度太低以致無法抵消短流效應,這種情況使UASB反應器的應用受到限制。正是對于這一問題的研究導致了第三代厭氧反應器的開發和應用。一、厭氧顆粒污泥床反應器(EGSB)厭氧顆粒污泥床反應器(EGSB)是在UASB反應器的基礎上發展起來的,因此,它們之間具有許多相似點。例如它們都要在反應器內產生沉淀性能和機械性能良好的顆粒污泥,都需要裝配高效的三相分離器來提高出水水質等。它們之間有許多不同點,在UASB反應器中,污泥床是靜態的,反應區集中在反應器底部0.4~0.6m的高度,污水通過污泥床時90%的有機物被降解,污泥床污污泥濃度l0~30kg/m3VSS。而在EGSB反應器中,可以認為反應器內厭氧污泥是完全混合的,它比UASB反應器有更高的有機負荷,因此產氣量也大,這有利于加強泥水的混合程度,提高有機物處理效率。一般在常溫(25e)條件下,UASB有機物負荷為10~13kg/m3#dCOD,HRT4~7h,COD去除效率為60%~80%。而在EGSB反應器中,溶解性有機物可以被高效去除,但由于水力流速很大,停留時間短,難溶解性有機物、膠體有機物、SS的去除率都不高,一般EGSB的有機物負荷可達40kg/m3#dCOD,HRT1~2h,COD去除效率為50%~70%。與UASB反應器相比,EGSB反應器特別適合于處理低溫(10~25e)低濃度([1000mg/L)的泥濃度40~70kg/m3VSS,懸浮層于處理低溫(10~25e)低濃度([1000mg/L)的城市廢水。EGSB反應器就是為了克服以上缺點在UASB反應器的基礎上發展起來的新一代更高效的反應器。（1）EGSB反應器的工作原理EGSB反應器是固體流態化技術在有機廢水生物處理領域的具體應用。EGSB反應器中裝有一定量的顆粒污泥載體,當有機廢水及其所產生的沼氣自下而上地流過顆粒污泥床層時,載體與液體間會出現不同的相對運動,導致床層呈現不同的工作狀態。在廢水液體表面上升流速較低時,反應器中的顆粒污泥保持相對靜止,廢水從顆粒間隙內穿過,床層的空隙率保持穩定,但其壓降隨著液體表面上升流速的提高而增大。當流速達到一定數值時,壓降與單位床層的載體重量相等,繼續增加流速,床層空隙便開始增加,床層也相應膨脹,但載體間依然保持相互接觸;當液體表面上升流速超過臨界流化速度后,污泥顆粒即呈懸浮狀態,顆粒床被流態化,繼續增加進水流速,床層的空隙率也隨之增加,但床層的壓降相對穩定;當再進一步提高進水流速到最大流化速度時,載體顆粒將產生大量的流失。從載體流態化的工作狀況可以看出,EGSB反應器的工作區為流態化的初期,即膨脹階段(容積膨脹率約為10%~30%),在此條件下,進水流速較低,一方面可保證進水基質與污泥顆粒的充分接觸和混合,加速生化反應進程,另一方面有利于減輕或消除靜態床(如UASB)中常見的底部負荷過重的狀況,增加反應器對有機負荷,特別是對毒性物質的承受能力。（2）EGSB系統特點EGSB厭氧工藝是在UASB厭氧工藝的基礎上發展起來的新工藝,污泥濃度高,具有高負荷、高去除率(COD去除率>85%)的特點;抗沖擊負荷能力強,適應水質水量的大幅度變化;占地面積小,容積產氣率高;可設置完全自控操作方便。（3）EGSB適用范圍適用于淀粉廢水、酒精廢水和其他輕工食品等高濃度有機廢水的處理。二、厭氧內循環反應器(IC)（1）IC反應器的概念IC工藝是基于UASB反應器顆粒化和三相分離器的概念而改進的新型反應器。它由2個UASB反應器的單元相互重疊而成,特點是在高的反應器內分為2個部分。底部一個處于極端的高負荷,上部一個處于低負荷。IC反應器由4個不同的功能單元構成,即混合部分、膨脹床部分精處理部分和回流部分。（2）IC反應器的應用荷蘭PAQUES公司在1985年初建造了第一個IC中試反應器,采用UASB的顆粒污泥接種,處理高濃度土豆加工廢水。1988年建立了第一個生產性規模的IC反應器。目前,在啤酒行業處理廢水中IC反應器由于其效率高、占地面積小,已被廣泛采用,表1為IC反應器的運行結果。三、厭氧升流式流化床工藝該工藝由美荷Biothane系統國際公司所開發的一種新型反應器,它是介于流化床和UASB反應器之間一種反應器。可以在極高的水和氣體的上升流速(二者都可達到5~7m/h)下產生和保持顆粒污泥,不用采用載體物下產生和保持顆粒污泥,不用采用載體物質。由于較高的液體和氣體上升流速造成進水和污泥之間的良好混合狀態,因此系統可以采15~303kg/m3#d的COD負荷。折流板厭氧反應器（1）工藝介紹折流式厭氧反應器(anaerobicbaffledreactor,ABR)是Bachman和McCarty在20世紀80年代中期開發研究的最新型、高效污水厭氧生物處理工藝,具有構造簡單,能耗低,運行穩定可靠等優點,在水力流態,對微生物固體的去除和載流能力,及生物固體種群的分布方面亦具有其獨特的優越性,運行管理方便。該反應器是用多個垂直安裝的導流板,將反應室分成多個串聯的反應室,每個反應室都是一個相對獨立的上流式污泥床系統(USB),廢水在反應器內沿導流板作上下折流流動,逐個通過各個反應室并與反應室內的顆粒或絮狀污泥相接觸,而使廢水中的底物得以降解。（2）ABR工藝的主要特點工藝構造簡單,不需三相分離器;滿足SMPA的理論思路;在沒有回流和攪拌的條件下,混合效果良好,死區百分率低；ABR反應器,水力流態局部為完全混合式(CSTR),整體為推流(PF)流動的一種復雜水力流態反應器。表4ABR反應器與其他類型反應器的Vd/V3比較反應器類型死區容積分數(Vd/V)(%)厭氧濾池(AF)50—93普通消化池82ABR反應7—20五、厭氧序批式反應器（1）工藝介紹厭氧序批式反應器(anaerobicsequenc2ingbatchreactor,ASBR)是由美國Dague教授及其合作者研究開發的新工藝,該工藝徹底解決了厭氧污泥容易流失的問題,具有投資省、操作靈活、穩定高效等優點。（2）工藝特點1、結構及管路簡單;2、運行靈活、耐沖擊、節省動力;3、運行穩定、效果好、管理方便;4、工藝適用范圍廣(可在低溫下處理低濃度廢水)。由于ASBR工藝具有簡易、高效、節能、靈活的特點,且能夠在常溫下處理低濃度廢水,所以是一種非常適合我國國情的污水處理新技術,應用前景很廣闊。六、LARAN工藝（1）工藝介紹LARAN工藝是德國LINDE股份公司的ManfredR.Morper博士針對傳統活性污泥法的諸多問題而研究開發的一種新的固定床厭氧循環反應器,反應器內裝有波紋環型塑料填料。生長緩慢的厭氧微生物附著生長在填料上。該填料的比表面積很大,可使反應器內保持較高的污泥濃度。廢水自上而下流經固定床,并將大部分廢水由底部經原廢水進口處的射流器循環流至反應器的上部,通過廢水的循環,強化了反應器內部水流的混合效果,調節了原廢水水質的波動,削弱了廢水的沖擊負荷,處理出水經設在反應器上中產生的沼氣與廢水逆向流動,并通過設在頂部的出氣管流出反應器。工藝特點耐沖擊負荷;產泥少、去除率高;構造簡單。（3）應用目前,LARAN反應器已在歐洲和亞洲的數個國家得到實際應用,并主要用于高濃度食品工業、造紙工業、化學工業廢水的厭氧處理。國內Platting肉類加工廠油脂廢水采用LARAN工藝進行處理。20世紀70年代以來,廢水厭氧處理技術因其具有投資少、運行費用低及能產生能量等優點,而得到較快的發展,并出現了一批以升流式厭氧污泥床反應器(UASB)為代表的能滯留大量微生物固體的第二代厭氧反應器技術。但這些技術在某些方面還存在一定的問題,有待進一步研究,如三相分離器的合理設計在國內沒有一個成功的方法,顆粒污泥的培養雖在荷蘭等國已有成功的經驗和實際應用,但在國內則尚處于探索和不斷深入的研究階段,這在一定程度上影響了它們的推廣應用,EGSB、SMPA、ABR、ASBR、LARAN等新技術、新工藝的出現,使厭氧污水處理技術重新受到人們的關注,特別是隨著能源危機,水質污染日趨復雜,節能、高效的厭氧處理技術又成為人們的新一輪的研究熱點。參考文獻：【1】胡紀萃《廢水厭氧生物處理理論與技術》【2】沈耀良《廢水生物處理新技術——理論與運用》【3】趙文軍滕