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第三代厌氧生物处理技术一、概述在厌氧反应器中污泥和废水的混合是影响到去除效果的重要因素。合理的布水系统和反应器中液体表面上升流速、产生沼气的搅动等因素对污泥和废水的混合起着极其重要的作用。在UASB等第二代厌氧生物反应器中，在处理低浓度有机废水时，由于不可能产生大量沼气的搅动，反应器中的混合效果较差，如果提高反应器的水力负荷来改善混合状况，则会出现污泥流失。所以，为了解决这一问题，20世纪90年代在国际上提出了以EGSB、IC、UBF、ABR为代表的第三代厌氧生物反应器。第三代厌氧生物反应器的共同特点如下：1、微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，反应器单位容积的生物量更高；2、能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能；3、具有较大的较大径比，一般在5-10以上；4、占地面积小；5、能力消耗小。二、EGSB（厌氧膨胀颗粒污泥床）反应器1、反应器结构于20世纪90年代初由荷兰Wageingen农业大学的Lettinga等人率先开发的。其构造与UASB反应器有相似之处，可以分为进水配水系统、反应区、三相分离区和出水渠系统。与UASB反应器不同之处是，EGSB反应器设有专门的出水回流系统。2、工作原理EGSB反应器中装有一定量的颗粒污泥，当有机废水及其所产生的沼气自下而上地流过颗粒污泥床层时，污泥床层与液体间会出现相对运动，导致床层不同高度呈现出不同的工作状态。当废水上升流速较低时，颗粒污泥相对静止，床层空隙率操持稳定；当流速达到一定数值时，床层空隙便开始增加，床层也相应膨胀。当上升流速超过临界流速后，污泥颗粒呈悬浮状态，颗粒床被流态化，再进一步提高进水流速到最大流化速度时，载体颗粒将产生大量的流失。从颗粒污泥流态化的工作状况可以看出EGSB反应器的工作区为流态化的初期，即膨胀阶段，进水流速较低，一方面可保证进水基质与泥泥颗粒的充分接触和混合，另一方面有利于减轻或消除静态床（UASB）中常见的底部负荷过重的状况，从而增加了反应器对有机负荷、毒性物质的承受能力。3、EGSB中颗粒污泥的特性EGSB工艺中颗粒污泥的沉降性能好，有效地减少了悬浮于消化液中的微生物个体数量，避免了微生物随消化液大量流失的可能性，保证了厌氧反应器中高浓度活性污泥的滞留量，进而为反应器的高效、稳定运行奠定了基础。EGSB中颗粒污泥的形成过程可分为4个阶段：①将细胞运到惰性物质或其他细胞（基底）的表面。②通过物理化学作用力可逆吸附于基底上。③通过微生物表面的鞭毛、纤毛或胞外多聚物将细胞吸附于基底上。④细胞的倍增和颗粒污泥的形成。4、EGSB工艺的主要特点EGSB工艺作为一种改进型的UASB，虽然在结构形式、污泥形态等方面与UAS非常相似，但其工作运行方式与UASB显然不同，液体表面上升速度高使颗粒污泥床层处于膨胀状态不仅使进水能与污泥充分接触，而且有利于基质和代谢产物在颗粒污泥内外的扩散、传送，保证了反应器在较高的容积负荷条件下正常运行。EGSB反应器的主要特点如下表所列。5、EGSB反应器的工程应用20世纪90年代荷兰BiothaneSystem公司推出了一系列工业规模的EGSB反应器，应用领域已经涉及啤酒、食品、化工等行业。实际运行表明，EGSB反应器的处理能力可达到UASB的2-5倍。下表是几个典型的EGSB处理不同类型废水运行情况的例子。处理啤酒生产废水的EGSB反应器处理淀粉生产废水的EGSB反应器三、内循环（IC）厌氧反应器IC厌氧反应器是20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司推出的。目前，该工艺已经成功地应用于啤酒、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中，由于其处理容量高、投资少、占地省和运行稳定等优点引起了各国水处理人员的瞩目，被称为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。1、IC厌氧工艺的工作原理如图进水由反应底部进入第一厌氧反应室，与颗粒污泥均匀混合，产生的沼气被集气罩收集，大量沼气携带第一厌氧室的泥水混合液沿着提升管上升到反应器顶的气液分离器，沼气由导管排出，泥水混合液沿着回流管反回到第一厌氧反应室的底部，实现混合液的内部循环。废水处理后自动进入第二厌氧反应室，反应后的泥水经固液分离后，上清液由出水管排走，污泥自动返回第二厌氧反应室。2、IC反应器结构IC反应器基本构造如图所示，它相似由2层UASB反应器串联而成。按功能划分，反应器由下而上共分为5个区：混合区、第1厌氧区、第2厌氧区、沉淀区和气液分离区。（1）混合区：反应器底部进水、颗粒污泥和气液分离区回流的泥水混合物有效地在此区混合。（2）第1厌氧区：混合区形成的泥水混合物进入该区，在高浓度污泥作用下，大部分有机物转化为沼气。混合液上升流和沼气的剧烈扰动使该反应区内污泥呈膨胀和流化状态，加强了泥水表面接触，污泥由此而保持着高的活性。随着沼气产量的增多，一部分泥水混合物被沼气提升至顶部的气液分离区。（3）气液分离区：被提升的混合物中的沼气在此与泥水分离并导出处理系统，泥水混合物则沿着回流管返回到最下端的混合区，与反应器底部的污泥和进水充分混合，实现了混合液的内部循环。（4）第2厌氧区：经第1厌氧区处理后的废水，除一部分被沼气提升外，其余的都通过三相分离器进入第2厌氧区。该区污泥浓度较低，且废水中大部分有机物已在第1厌氧区被降解，因此沼气产生量较少。沼气通过沼气管导入气液分离区，对第2厌氧区的扰动很小，这为污泥的停留提供了有利条件。（5）沉淀区：第2厌氧区的泥水混合物在沉淀区进行固液分离，上清液由出水管排走，沉淀的颗粒污泥返回第2厌氧区污泥床。3、IC工艺的技术特点IC反应器的构造及其工作原理决定了其在控制厌氧处理影响因素方面比其它反应器更具有优势。（1）容积负荷高：IC反应器内污泥浓度高，微生物量大，且存在内循环，传质效果好，进水有机负荷可超过普通厌氧反应器的3倍以上。（2）节省投资和占地面积：IC反应器容积负荷率高出普通UASB反应器3倍左右，其体积相当于普通反应器的1/4~1/3左右，大大降低了反应器的基建投资。而且IC反应器高径比很大（一般为4~8），所以占地面积特别省，非常适合用地紧张的工矿企业。（3）抗冲击负荷能力强：处理低浓度废水（COD=2000~3000mg/L）时，反应器内循环流量可达进水量的2~3倍；处理高浓度废水（COD=10000~15000mg/L）时，内循环流量可达进水量的10~20倍[5]。大量的循环水和进水充分混合，使原水中的有害物质得到充分稀释，大大降低了毒物对厌氧消化过程的影响。（4）抗低温能力强：温度对厌氧消化的影响主要是对消化速率的影响。IC反应器由于含有大量的微生物，温度对厌氧消化的影响变得不再显著和严重。通常IC反应器厌氧消化可在常温条件（20~25℃）下进行，这样减少了消化保温的困难，节省了能量。（5）具有缓冲pH的能力：内循环流量相当于第1厌氧区的出水回流，可利用COD转化的碱度，对pH起缓冲作用，使反应器内pH保持最佳状态，同时还可减少进水的投碱量。（6）内部自动循环，不必外加动力：普通厌氧反应器的回流是通过外部加压实现的，而IC反应器以自身产生的沼气作为提升的动力来实现混合液内循环，不必设泵强制循环，节省了动力消耗。（7）出水稳定性好：利用二级UASB串联分级厌氧处理，可以补偿厌氧过程中Ks高产生的不利影响。VanLier在1994年证明，反应器分级会降低出水VFA浓度，延长生物停留时间，使反应进行稳定。（8）启动周期短：IC反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC反应器启动周期一般为1～2个月，而普通UASB启动周期长达4～6个月。（9）沼气利用价值高：反应器产生的生物气纯度高，CH4为70％～80％，CO2为20％～30％，其它有机物为1％～5％，可作为燃料加以利用。4、IC技术应用现状及发展前景IC处理技术从问世以来已成功应用于土豆加工、啤酒、柠檬酸和造纸等废水处理中。1985年荷兰首次应用IC反应器处理土豆加工废水，容积负荷（以COD计）高达35～50kg/(m3•d)，停留时间4～6h；而处理同类废水的UASB反应器容积负荷仅有10～15kg/(m3.d)，停留时间长达十几到几十个小时。在啤酒废水处理工艺中，IC技术应用得较多，目前我国已有3家啤酒厂引进了此工艺。从运行结果看，IC工艺容积负荷（以COD计）可达15～30kg/(m3•d)，停留时间2～4.2h，COD去除率ηCOD75％；而UASB反应器容积负荷仅有4～7kg/(m3•d)，停留时间近10h。在国内沈阳、上海率先采用了IC厌氧工艺处理啤酒废水，进水COD一般在5000mg/L以上，pH5.0左右，容积负荷（以COD计）可达30kg/(m3•d)，出水COD基本在1000mg/L以下，且每千克COD产沼气0.42m3。1996年IC反应器首次应用于纸浆造纸行业，并迅速获得客户欢迎，至今全世界造纸行业已建造IC反应器23个。PAQUES公司在河南省内造纸行业应用IC反应器。5、IC反应器内的污泥性质（1）颗粒污泥的物理性质IC反应器颗粒的平均直径在0.66～0.87mm，略大于UASB反应器颗粒的平均直径0.51～0.83mm；IC反应器最大颗粒直径为3.14～3.57mm，UASB反应器颗粒的最大直径3.38～3.43mm；IC反应器颗粒密度为1.041～1.057g/cm3，与UASB反应器颗粒的密度1.039～1.065g/cm3较为接近。但是IC反应器颗粒相对剪切强度比UASB颗粒的强度差，如以UASB颗粒的相对强度为100%，则IC颗粒为32%～53%，这是由于IC反应器的污泥负荷率大大高于UASB反应器的污泥负荷率之故。IC颗粒污泥的灰分占0.13～0.15，低于UASB颗粒污泥的灰分0.2～0.26，这说明IC颗粒污泥中有机成分含量更高，污泥的活性更高。（2）颗粒大小分布有研究人员比较了IC反应器与UASB反应器污泥样品颗粒大小尺寸的分布，比较的结果表明，IC反应器颗粒尺寸较粗和分布较宽，这是由于IC反应器升流速度较大，使细小颗粒更易于被冲刷从而反应器内小颗粒比例减小，而留在反应器内的颗粒获得更充分的营养，在长期滞留情况下颗粒长得更大，因此IC反应器内颗粒大小的分布范围比UASB反应器更宽。（3）颗粒沉降速率UASB和IC反应器内颗粒的沉降速度一般都高于液体升流速度。IC颗粒（粒径0.5mm）的沉降速度仅略高于液体的升流速度（2.6mm/s）。在IC反应器的第二反应室，由于气体负荷率较低，创造了一个较为平稳的沉淀条件，有利于细小颗粒的滞留。（4）污泥的活性IC反应器污泥的活性远高于UASB反应器的污泥活性。这是由于IC反应器的污泥颗粒完全趋于流化状态，传质的限制因素小，UASB反应器污泥床局部地方的污泥浓度很高，甚至存在死区，传质受到一定限制。因此，IC反应器的平均污泥去除负荷率远高于UASB反应器的污泥去除负荷率。6、IC反应器存在的几个问题COD容积负荷大幅度提高，使IC反应器具备很高的处理容量，同时也带来了不少新的问题：（1）从构造上看，IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高。反应器高径比大，一方面增加了进水泵的动力消耗，提高了运行费用；另一方面加快了水流上升速度，使出水中细微颗粒物比UASB多，加重了后续处理的负担[12]。另外内循环中泥水混合液的上升还易产生堵塞现象，使内循环瘫痪，处理效果变差。（2）发酵细菌通过胞外酶作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸和醇类等，该类细菌水解过程相当缓慢。IC反应器较短的水力停留时间势必影响不溶性有机物的去除效果。（3）在厌氧反应中，有机负荷、产气量和处理程度三者之间存在着密切的联系和平衡关系。一般较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低[。因此，IC反应器的总体去除效率相比UASB反应器来讲要低些。（4）缺乏在IC反应器水力条件下培养活性和沉降性能良好的颗粒污泥关键技术。目前国内引进的IC反应器均采用荷兰进口的颗粒污泥接种，增加了工程造价。四、厌氧折流板（ABR）反应器厌氧折流板反应器