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來源：環(huán)保小蜜蜂 

厭氧生物處理，又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵，是指在厭氧條件下由厭氧或兼性微生物的共同作用，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過程。最初的厭氧處理工藝僅被應(yīng)用于生活污水的處理，之后又被應(yīng)用于污泥消化分解，進(jìn)而應(yīng)用于工業(yè)廢水的處理，并且發(fā)展了很多效果良好的厭氧生物處理工藝。傳統(tǒng)厭氧生物處理技術(shù)具有水力停留時(shí)間長、有機(jī)負(fù)荷低、池容大等的缺點(diǎn)，制約了厭氧生物處理技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

隨著對(duì)全球能源短缺和溫室效應(yīng)等問題的關(guān)注，可再生能源的重要性日益顯現(xiàn)，而厭氧生物處理技術(shù)可將污廢水轉(zhuǎn)化為乙酸、甲烷、氫氣等可再生能源，既能實(shí)現(xiàn)資源化、能源化利用，又能減輕環(huán)境污染。因此，對(duì)于厭氧處理技術(shù)、厭氧反應(yīng)器的開發(fā)研究也變得越來越多。隨著對(duì)厭氧消化機(jī)理研究的不斷深人和各種高效厭氧反應(yīng)器的飛速發(fā)展，污廢水的生物處理技術(shù)已經(jīng)成為資源和環(huán)境保護(hù)的核心技術(shù)之一。同時(shí)，污水厭氧生物處理技術(shù)以其成本低廉、穩(wěn)定高效等特點(diǎn)，在高濃度有機(jī)廢水、難降解有機(jī)度水的處理領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。?

一、厭氧生物處理工藝的發(fā)展

1.1第一代厭氧反應(yīng)器

早在19世紀(jì)，人們就利用厭氧工藝處理廢水廢物。1881年，法國工程師Louis Mouras發(fā)明了用以處理污水污泥的“自動(dòng)凈化器”，從而開始了人類利用慶氧生物過程處理廢水廢物的歷程。1896年英國出現(xiàn)了第一座用于處理生活污水的厭氧消化池，產(chǎn)生的沼氣用于照明。1904 年德國的工程師Imhoff將其發(fā)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。1912 年英國的伯明翰市建立了第一個(gè)用土堤圍成的露天敞開式消化池。至1914年，美國有14座城市建立了厭氧消化池。1925 年至1926年，美國、德國相繼建成了較為標(biāo)準(zhǔn)的消化池。二戰(zhàn)結(jié)束后，厭氧處理技術(shù)的發(fā)展又掀起了一個(gè)高潮，高效的、可加溫和攪拌的消化池得到了發(fā)展，厭氧污泥與廢水的加溫、攪拌提高了處理效率。但從本質(zhì)上，反應(yīng)器中的微生物(即厭氧污泥)與廢水或廢料是完全混合在一起的，污泥在反應(yīng)器里的停留時(shí)間(SRT) 與廢水的停留時(shí)間(HRT)是相同的，因此污泥在反應(yīng)器里濃度低，廢水在反應(yīng)器里要停留幾天到幾十天之久，處理效果差。此時(shí)的厭氧處理技術(shù)主要用于污泥與糞肥的消化，它尚不能經(jīng)濟(jì)地用于工業(yè)廢水的處理。直至1955年，Schroefer開發(fā)了用以處理食品包裝廢水的厭氧接觸反應(yīng)器(AC法)， 取得了良好的效果。

如圖1所示，這種反應(yīng)器是在出水沉淀池中增設(shè)了污泥回流裝置，增大了厭氧反應(yīng)器中的污泥濃度，處理負(fù)荷和效率顯著提高。上述反應(yīng)器被稱為第一代厭氧反應(yīng)器，由于厭氧微生物生長緩慢，世代時(shí)間長，而厭氧消化池?zé)o法將水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分離， 由此造成水力停留時(shí)間必須較長。一般來講，第一代厭氧反應(yīng)器處理廢水的停留時(shí)間至少需要20~30d。

1.2第二代厭氧反應(yīng)器

隨著生物發(fā)酵工程中固定化技術(shù)的發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)到提高反應(yīng)器中污泥濃度的重要性，于是，基于微生物固定化原理的高效厭氧生物反應(yīng)器得以發(fā)展。第二代高效厭氧生物反應(yīng)器必須滿足以下兩個(gè)條件:

（1）系統(tǒng)內(nèi)能夠保持大量的活性厭氧污泥；

（2） 反應(yīng)器進(jìn)水應(yīng)與污泥保持良好的接觸。

依據(jù)這一原則，20世紀(jì)60年代末，第一個(gè)基于微生物固定化原理的高速厭氧反應(yīng)器——厭氧濾池誕生。它的成功之處在于，在反應(yīng)器中加人固體填料(如沙礫等)，微生物由于附著生長在填料的表面，免于水力沖刷而得到保留，巧妙地將平均水力停留時(shí)間與生物固體停留時(shí)間相分離，其固體停留時(shí)間可以長達(dá)上百天，這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時(shí)間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時(shí)或幾天。在相同的溫度下，厭氧濾池的負(fù)荷高出厭氧接觸工藝2～3倍，同時(shí)有很高的COD去除率，而且反應(yīng)器內(nèi)易于培養(yǎng)出適應(yīng)有毒物質(zhì)的厭氧污泥。

1974 年，荷蘭研究和開發(fā)了UASB反應(yīng)器技術(shù)，其最大特點(diǎn)是反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥保證了高濃度的厭氧污泥，標(biāo)志著厭氧反應(yīng)器的研究進(jìn)入了新的時(shí)代。隨后，研究者們基于一些厭氧處理經(jīng)驗(yàn)和厭氧處理所涉及的微生物學(xué)、生物化學(xué)和生化工程的最新研究成果，開發(fā)出的一批厭氧反應(yīng)器被稱為第二代廢水厭氧處理反應(yīng)器，其中比較典型的有:升流式固體厭氧反應(yīng)器(USR)、升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、 厭氧濾池(AF)、厭氧流化床(AFB)等。

第二代厭氧反應(yīng)器解決了厭氧微生物生長緩慢、生物量易隨液體流出等無益于反應(yīng)器高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵問題，這些反應(yīng)器的突出優(yōu)點(diǎn)有:

（1）具有較高有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷，反應(yīng)器容積比傳統(tǒng)裝置減少90%以上;

（2）在低溫、沖擊負(fù)荷、存在抑制物等不利條件下仍可保持良好的穩(wěn)定性;

（3） 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，適合各種規(guī)模，并可作為運(yùn)行單元被結(jié)合在整體的處理技術(shù)中，操作簡便，人工管理費(fèi)用得到降低。

然而第二代厭氧反應(yīng)器的缺陷仍然非常明顯:對(duì)于進(jìn)水無法采用高的水力和有機(jī)負(fù)荷，反應(yīng)器的應(yīng)用負(fù)荷和產(chǎn)氣率受到限制。

1.3第三代厭氧反應(yīng)器

20世紀(jì)90年代初，人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)高效厭氧反應(yīng)器的有效運(yùn)行，結(jié)合第二代反應(yīng)器的優(yōu)缺點(diǎn)，研發(fā)了第三代厭氧反應(yīng)器。第三代厭氧反應(yīng)器具備占地面積小、動(dòng)力損耗小等特點(diǎn)，微生物均以顆粒污泥固定化的方式存在于反應(yīng)器當(dāng)中，反應(yīng)器單位容積的生物量比以往更高，能承受更高的水力負(fù)荷且具備較高的有機(jī)污染物凈化效果。反應(yīng)器內(nèi)的微生物在不同區(qū)域內(nèi)生長，可以與不同區(qū)域內(nèi)的進(jìn)水充分接觸，完成了一定程度上的生物相分離。第三代反應(yīng)器的主要代表有:厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)、升流式厭氧污泥床過濾器(UBF)等。

二、新型厭氧生物處理工藝與反應(yīng)器

2.1升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB 反應(yīng)器)

升流式厭氧污泥床(UASB)是第二代廢水厭氧生物處理反應(yīng)器中典型的一種。由于在UASB反應(yīng)器中能形成產(chǎn)甲烷活性高、沉降性能良好的顆粒污泥，因而UASB反應(yīng)器具有很高的有機(jī)負(fù)荷，近10年來得到了最廣泛的應(yīng)用，目前約占全世界正在運(yùn)行的厭氧反應(yīng)器中總數(shù)的70%。

2.1.1 UASB反應(yīng)器的工作原理

UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主體可分為兩個(gè)區(qū)域，即反應(yīng)區(qū)和氣、液、固三相分離區(qū)。在反應(yīng)區(qū)下部是大量具有良好沉降性能與生物活性的厭氧顆粒污泥所形成的污泥床，在污泥床上部是濃度較低的懸浮污泥層。當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)，待處理的廢水以一定流速(一般為0.5～l.5m/h)從污泥床底部進(jìn)人后與污泥接觸，污泥中包含的大量活性厭氧菌起著生物代謝的主要作用，經(jīng)過酸化與甲烷化兩個(gè)過程，分解污水中的有機(jī)物，產(chǎn)生的沼氣以氣泡的形式由污泥床區(qū)上升，并帶動(dòng)周圍混合液產(chǎn)生一定的攪拌作用。經(jīng)過氣體的攪拌，污泥床區(qū)的松散污泥被帶人污泥懸浮層區(qū)，與懸浮污泥碰撞接觸，-部分污泥比重加大，沉人污泥床區(qū)。懸浮層混合液的污泥松散， 顆粒比重小，污泥濃度較低。氣、水、泥的混合液上升至三相分離器內(nèi)，氣體受反射板的作用而進(jìn)人集氣室被分離，污泥和水進(jìn)人沉降室，由于氣體已被分離，沉降室的擾動(dòng)很小，液體的運(yùn)動(dòng)趨于層流形態(tài)，在重力作用下泥、水分離，污泥沿斜壁返回反應(yīng)區(qū)，上清液從沉淀區(qū)上部排走。

2.1.2 UASB反應(yīng)器的特點(diǎn)

UASB反應(yīng)器的污泥顆?；窃摲磻?yīng)器的一個(gè)主要的特征。顆粒污泥可以定義為具有自我平衡的微生態(tài)系統(tǒng)，其特性特別適宜于升流式廢水處理系統(tǒng)的微生物聚集體。這一聚集體在體積上相對(duì)較大，與絮狀污泥短時(shí)間形成的聚集體不同，顆粒污泥物理性狀是相對(duì)穩(wěn)定的。UASB工藝的穩(wěn)定性和高效性很大程度上取決于顆粒污泥的形成。如果反應(yīng)器內(nèi)的污泥以松散的絮狀體存在，往往容易出現(xiàn)污泥上浮流失， 使反應(yīng)器不能在高負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。顆粒污泥具有極好的沉降性能，可以保持UASB反應(yīng)器內(nèi)高濃度的厭氧污泥。當(dāng)產(chǎn)氣量較高，廢水上升速度增加，絮狀污泥由于沉降性能差，容易被沖洗出反應(yīng)器。反應(yīng)器內(nèi)氣體和水流產(chǎn)生的剪切力也會(huì)使得絮狀污泥進(jìn)一步分散，加劇系統(tǒng)厭氧污泥的流失。不同于絮狀污泥，顆粒污泥有極好的沉降性能，不易受到氣體和水流上升流速的影響。因此，污泥的顆?；梢允筓ASB反應(yīng)器有更高的有機(jī)物容積負(fù)荷和水力負(fù)荷。

除了污泥顆?；猓?UASB反應(yīng)器還具有以下特點(diǎn):

（1）反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高。一般平均污泥濃度為30～40g/L, 其中底部污泥床污泥濃度達(dá)60～80g/L,懸浮層污泥濃度為5～7g/L。

（2）有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短。

（3）反應(yīng)器內(nèi)設(shè)三相分離器。被沉淀區(qū)分離的污泥能自動(dòng)回流到反應(yīng)區(qū)，一般無污泥回流設(shè)備。

（4）無混合攪拌設(shè)備。反應(yīng)器投產(chǎn)運(yùn)行正常后，利用自身產(chǎn)生的氣體和進(jìn)水來達(dá)到攪拌的目的。

（5）污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免堵塞問題。

（6） 反應(yīng)器中污泥泥齡長，污泥表觀產(chǎn)率低，所排出的污泥數(shù)量極少，從而降低了污泥處理的費(fèi)用。

2.1.3.UASB反應(yīng)器的啟動(dòng)

（1）污泥的馴化

UASB反應(yīng)器啟動(dòng)的難點(diǎn)是獲得大量沉降性能良好的厭氧顆粒污泥。用最好的辦法加以馴化，一般需要3～6個(gè)月， 如果靠設(shè)備自身積累，投產(chǎn)期最長可長達(dá)1～2年。實(shí)踐表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進(jìn)初期顆粒污泥的形成;比重大的絮狀污泥比輕的易于顆粒化；比甲烷活性高的厭氧污泥可縮短啟動(dòng)期。

（2）啟動(dòng)操作要點(diǎn)

①最好一次投加足量的接種污泥；

②啟動(dòng)初期從污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特別輕的和細(xì)碎污泥跟懸浮物連續(xù)地從污泥床排出體外，使較重的活性污泥在床內(nèi)積累，并促進(jìn)其增殖逐步達(dá)到顆?；?/span>

③啟動(dòng)開始廢水COD濃度較低時(shí)，未必就能讓污泥顆?；俣燃涌欤?/span>

④最初污泥負(fù)荷一般在0.1～0.2kg COD/ (kg TSS·d)左右比較合適；

⑤污水中原來存在的和厭氧分解出來的多種揮發(fā)酚未能有效分解之前，不應(yīng)隨意提高有機(jī)容積負(fù)荷，這需要跟蹤觀察和水樣化驗(yàn)；

⑥可降解COD的去除率達(dá)到70%～80%左右時(shí)，可以逐步增加有機(jī)容積負(fù)荷；

⑦為促進(jìn)污泥顆?；磻?yīng)器應(yīng)采用較高的表面水力負(fù)荷，這樣有利于小顆粒污泥與污泥絮凝分開，使小顆粒污泥并未形成大顆粒。

2.1.4厭氧顆粒污泥的性質(zhì)和形成機(jī)理

（1）厭氧顆粒污泥性質(zhì)

顆粒污泥因所處理廢水的組成、操作條件和分析方法等的不同而有所不同。顆粒污泥主要由厭氧菌組成，如共生單胞菌屬、甲烷八疊球菌屬、甲烷絲狀菌屬等，但同時(shí)還存在一些好氧菌和兼性厭氧菌。顆粒污泥的形成實(shí)際上是微生物固定化的一種形式，但與其他類型不同，其形成與存在不依賴于任何惰性生物載體，惰性載體對(duì)顆粒污泥的形成和它的穩(wěn)定性都不是必須的。顆粒污泥的形狀有球形、桿形、橢球形，以球形為主。顆粒污泥的顏色為黑色或灰色，還有研究者觀察到了白色的顆粒污泥。顆粒污泥有兩個(gè)重要特性:良好的沉降性能和高比產(chǎn)甲烷活性。

在UASB反應(yīng)器中，顆粒污泥的沉降速度為0. 3～0.8m/h, 而在清水中，顆粒污泥自由沉降的速率可達(dá)2m/h。顆粒污泥根據(jù)其沉降速度可分三類:①沉降性能差的顆粒污泥，其在UASB反應(yīng)器中的沉降速度小于20m/h; ②沉降性能一般的顆粒污泥，其在UASB反應(yīng)器中的沉降速度為20～50m/h;③沉降性能良好的顆粒污泥，其在UASB反應(yīng)器中的沉降速度大于50m/h。

（2）顆粒污泥的形成機(jī)理

關(guān)于顆粒污泥形成的機(jī)理目前還處于研究階段，研究者提出了種種假說，大多數(shù)是根據(jù)觀察顆粒污泥在形成過程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象提出的，以下為幾種有代表性的假說:

①晶核假說。該假說認(rèn)為顆粒污泥的形成類似于結(jié)晶過程，在晶核基礎(chǔ)上，顆粒不斷發(fā)育，直到最后形成成熟的顆粒污泥。晶核來源于接種污泥或在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽，如CaCO3或其他顆粒物質(zhì)。

②不少研究結(jié)果表明，在多數(shù)成熟的顆粒污泥中很難找到晶核。顆粒污泥的形成可不以晶核為基礎(chǔ)而成長，而是完全靠微生物本身形成的，因而又產(chǎn)生了其他的觀點(diǎn):

電中和作用。這一假說認(rèn)為，在厭氧污泥顆粒化過程中，Ca2+ 能中和細(xì)菌細(xì)胞表面的負(fù)電荷，減弱細(xì)胞間的電荷斥力作用，并通過鹽橋作用而促進(jìn)細(xì)胞的凝聚反應(yīng)；

胞外多聚物架橋作用。這是目前比較流行的假說。這一假說認(rèn)為，顆粒污泥是由于微生物(如細(xì)菌)分泌的胞外多糖使細(xì)胞粘結(jié)在一起而形成的。

新加坡南洋理工大學(xué)Y.G.Yen等認(rèn)為污泥顆?；^程可分成三個(gè)階段，即積累階段、顆?；A段和成熟階段。大量初始顆粒污泥在反應(yīng)器的底部形成并開始逐漸增長，這種狀態(tài)為顆粒初始化。從反應(yīng)器剛開始啟動(dòng)到顆粒初始化這段時(shí)間稱為積累階段。在此階段中，顆?；^程進(jìn)行的很慢。相應(yīng)地，當(dāng)用粒徑表示的顆粒比生長速率急劇下降時(shí)(約為最大生長速率Vφ的20%或更低)，顆粒成熟，這種狀態(tài)稱為顆粒成熟化。顆粒化階段介于顆粒初始和顆粒成熟之間。在成熟階段，盡管顆粒的平均大小仍然變化，但是成熟顆粒污泥較穩(wěn)定，達(dá)到動(dòng)力學(xué)平衡。

周孟津等人把UASB反應(yīng)器中顆粒污泥的形成過程分為5個(gè)時(shí)期，即絮凝污泥絲狀菌增長期、顆粒污泥亞單位生成期、亞單位聚集期、初生顆粒生長期和顆粒污泥生長和成熟期。因此，顆粒污泥的形成過程通常分為四步:①細(xì)菌向惰性物質(zhì)或其他菌體表面移動(dòng)；②通過理化作用可逆地吸附在一起或惰性物質(zhì)上；③通過微生物附屬物的作用將細(xì)菌不可逆地粘附一起或惰性物質(zhì)上；④細(xì)菌的倍增和顆粒污泥的增大。

2.1.5 UASB反應(yīng)器的應(yīng)用研究

UASB反應(yīng)器自1977年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用以來，已成功地應(yīng)用于處理多種不同成分、不同濃度的污水，如高濃度制糖廢水、土豆加工廢水、淀粉廢水、啤酒廢水、酒精廢水、乳品廢水、屠宰廢水、造紙廢水，表1所列為國內(nèi)外部分UASB反應(yīng)器的統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)資料。

2.2厭氧膨脹顆粒床反應(yīng)器(EGSB)

20世紀(jì)80年代后期，Lettinga教授等人在利用UASB反應(yīng)器處理生活污水時(shí)，為了增加污水與污泥的接觸，更加有效地利用反應(yīng)器的容積，優(yōu)化UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作參數(shù)，使反應(yīng)器中顆粒污泥床在高的液體表面上升流速下充分膨脹，從而處理效果大大提高，由此形成了早期的厭氧膨脹顆粒床(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)反應(yīng)器。

2.2.1 EGSB反應(yīng)器的工作原理

EGSB反應(yīng)器是對(duì)UASB反應(yīng)器的改進(jìn)，與UASB反應(yīng)器相比，它們最大的區(qū)別在于反應(yīng)器內(nèi)液體上升流速的不同。在UASB反應(yīng)器中，水力上升流速Vup一般小于1m/h,污泥床更像一個(gè)靜止床，而EGSB反應(yīng)器通過采用出水循環(huán)，其流速Vup一般可達(dá)到5～10m/h,所以整個(gè)顆粒污泥床是膨脹的。EGSB反應(yīng)器這種獨(dú)有的特征使它可以進(jìn)一步向著空間化方向發(fā)展，反應(yīng)器的高徑比可高達(dá)20或更高。因此對(duì)于相同容積的反應(yīng)器而言，EGSB反應(yīng)器的占地面積大為減少。除反應(yīng)器主體外，EGSB反應(yīng)器的主要組成部分有進(jìn)水分配系統(tǒng)、氣、液、固三相分離器以及出水循環(huán)部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

EGSB反應(yīng)器在運(yùn)行過程中，待處理廢水與被回流的出水混合經(jīng)反應(yīng)器底部的進(jìn)水分配系統(tǒng)均勻進(jìn)人反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)內(nèi)的泥水混合液及厭氧消化產(chǎn)生的沼氣向上流動(dòng)，部分沉降性能較好的污泥經(jīng)過膨脹床區(qū)后自然回落到污泥床區(qū)，沼氣及其余的泥水混合液繼續(xù)向上流動(dòng)，經(jīng)三相分離器后，沼氣進(jìn)入集氣室，部分污泥經(jīng)沉淀后返回反應(yīng)區(qū)，液相夾帶部分沉降性極差的污泥排出反應(yīng)器。

進(jìn)水分配系統(tǒng)的主要作用是將進(jìn)水均勻地分配到整個(gè)反應(yīng)器的底部，并產(chǎn)生一個(gè)均勻的上升流速。與UASB反應(yīng)器相比，EGSB反應(yīng)器由于高徑比更大，其所需要的配水面積會(huì)較小，同時(shí)EGSB反應(yīng)器采用了出水循環(huán)，其配水孔口的流速會(huì)更大，因此系統(tǒng)更容易保證配水均勻。

三相分離器仍然是EGSB反應(yīng)器最關(guān)鍵的構(gòu)造，其主要作用是將出水、沼氣、污泥三相進(jìn)行有效分離，使污泥在反應(yīng)器內(nèi)有效持留。與UASB反應(yīng)器相比，EGSB反應(yīng)器內(nèi)的液體上升流速要大得多，因此必須對(duì)三相分離器進(jìn)行特殊改進(jìn)。改進(jìn)可以有以下幾種方法:

①增加一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)的葉片，在三相分離器底部產(chǎn)生一股向下水流，有利于污泥的回流；

②采用篩鼓或細(xì)格柵，可以截留細(xì)小顆粒污泥；

③在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置攪拌器，使氣泡與顆粒污泥分離；

④在出水堰處設(shè)置擋板，以截留顆粒污泥。

出水循環(huán)部分是EGSB反應(yīng)器不同于UASB反應(yīng)器之處，其主要目的是提高反應(yīng)器內(nèi)的液體上升流速，使顆粒污泥床層充分膨脹，污水與微生物之間充分接觸，加強(qiáng)傳質(zhì)效果，還可以避免反應(yīng)器內(nèi)死角和短流的產(chǎn)生。

2.2.2 EGSB反應(yīng)器的特點(diǎn)

與廢水的好氧生物法相比，厭氧法具有負(fù)荷高、產(chǎn)泥少、能耗低、回收部分生物能等優(yōu)點(diǎn)。EGSB反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器相比，具有以下的特點(diǎn)(表2)。

2.2.3 EGSB反應(yīng)器的啟動(dòng)

EGSB反應(yīng)器的常規(guī)啟動(dòng)：

反應(yīng)器能否快速啟動(dòng)直接影響其應(yīng)用與推廣，因此快速成功地啟動(dòng)EGSB反應(yīng)器成為國內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。

EGSB反應(yīng)器的啟動(dòng)一般分為三個(gè)步驟:

（1）啟動(dòng)初期，接種污泥適應(yīng)期。由于所處環(huán)境的改變，接種污泥會(huì)經(jīng)過一段的適應(yīng)期。此時(shí)的水力停留時(shí)間一般為6～10h;

（2）啟動(dòng)中期，提高水力負(fù)荷，降低停留時(shí)間。隨著污泥活性的恢復(fù)， 系統(tǒng)表現(xiàn)為COD去除率逐漸上升，此時(shí)可逐漸提高水力負(fù)荷，將其從初始的2～3m3/ (m3 .d)提高到4～6m3/ (m2.d)，水力停留時(shí)間降低至2～4h。通過改變水力負(fù)荷，反應(yīng)器內(nèi)沉淀性能較差的細(xì)小絮狀污泥會(huì)隨水流流出，由此完成顆粒污泥的篩選;

（3）啟動(dòng)穩(wěn)定期。維持進(jìn)水COD容積負(fù)荷，反應(yīng)器出水COD去除率較高且穩(wěn)定，啟動(dòng)過程完成。

2.3 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(IC)

內(nèi)循環(huán)(IC) 厭氧反應(yīng)器是由荷蘭PAQUES公司于20世紀(jì)80年代后期，在對(duì)升流式厭氧污泥床(UASB)的應(yīng)用現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行深人分析的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)成功的第三代高效厭氧反應(yīng)器。與前兩代厭氧反應(yīng)器相比，IC厭氧反應(yīng)器主要有以下兩個(gè)特點(diǎn): 一是在反應(yīng)器塔體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無需外加動(dòng)力的內(nèi)循環(huán)，從而使污泥和廢水得以充分混合，加強(qiáng)了傳質(zhì)效果，提高了生化反應(yīng)速率;二是三相分離不在塔體內(nèi)完成，而是在塔體外的分離包內(nèi)實(shí)現(xiàn)了三相分離，從而增加了反應(yīng)器的有效容積。

隨著對(duì)該反應(yīng)器技術(shù)研究的不斷深人，其眾多優(yōu)勢(shì)被人們認(rèn)識(shí)并接受，使其廢水處理工程中的應(yīng)用得到了很大程度的推廣和普及。目前，IC厭氧反應(yīng)器已成功應(yīng)用于啤酒生產(chǎn)、食品加工、造紙等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中。我國于1996年引進(jìn)該技術(shù)用于啤酒廢水的處理，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究。國內(nèi)自主生產(chǎn)的IC厭氧反應(yīng)器用于規(guī)模較大的廢水處理。由于其容積負(fù)荷高、能耗低、投資少、占地省、可再生、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，被視為第三代厭氧生化反應(yīng)器的代表工藝之一。進(jìn)一步研究開發(fā)IC厭氧反應(yīng)器，推廣其應(yīng)用范圍已成為厭氧廢水處理的熱點(diǎn)之一。

2.3.1 IC厭氧反應(yīng)器的開發(fā)背景

厭氧反應(yīng)器的處理效率主要取決于反應(yīng)器所能保有的微生物濃度及其生化反應(yīng)速率，而傳質(zhì)條件對(duì)生化反應(yīng)速率起著至關(guān)重要的作用。依托適宜的營養(yǎng)、水力條件以及利用微生物的自固定化作用培養(yǎng)出的活性和沉降性能俱佳的顆粒污泥，再加上特有的三相分離器結(jié)構(gòu)，UASB成功地使污泥停留時(shí)間與水力停留時(shí)間相分離，解決了反應(yīng)器內(nèi)生物量保持的問題。但UASB的傳質(zhì)過程并不理想，這對(duì)進(jìn)一步提高有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響。由于污泥與有機(jī)物的傳質(zhì)過程主要依賴于進(jìn)水與產(chǎn)氣的攪動(dòng)，因此強(qiáng)化傳質(zhì)過程最有效的方法就是提高表面水力負(fù)荷和表面產(chǎn)氣負(fù)荷。但高負(fù)荷產(chǎn)生的劇烈攪拌會(huì)使UASB反應(yīng)器中的污泥處于完全膨脹的狀態(tài)，使原本SRT>HRT的反應(yīng)器向SRT=HRT的方向轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致污泥過度流失。為避免出現(xiàn)過高的水力負(fù)荷與產(chǎn)氣負(fù)荷，UASB反應(yīng)器常常將進(jìn)水的上升流速控制在1～2m/h以內(nèi)。傳質(zhì)與微生物生物量保有之間的矛盾，成為UASB進(jìn)一步提高有機(jī)負(fù)荷的根本制約因素。為解決這一問題，開發(fā)出了以出水回流來提高反應(yīng)器內(nèi)水流的上升流速為主要特征的第三代厭氧反應(yīng)器，即IC厭氧反應(yīng)器。與普通EGSB反應(yīng)器的顯著差別在于，IC厭氧反應(yīng)器巧妙地利用特有的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，利用自身產(chǎn)生的沼氣膨脹做功，在無須外加能源的條件下實(shí)現(xiàn)了內(nèi)循環(huán)污泥回流。

2.3.2 IC厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

IC厭氧反應(yīng)器由5個(gè)基本部分組成:進(jìn)液混合一布水區(qū)，第一反應(yīng)區(qū)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，第二反應(yīng)區(qū)，沉淀出水區(qū)，其中內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)是IC厭氧反應(yīng)器的核心構(gòu)造，由一級(jí)三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器、泥水下降管組成。IC厭氧反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

進(jìn)水由底部進(jìn)人第一反應(yīng)區(qū)與顆粒污泥混合，大部分有機(jī)物在此被降解，產(chǎn)生大量沼氣，沼氣被一級(jí)三相分離器收集。由于產(chǎn)氣量大和液相上升流速較快，沼氣、廢水和污泥不能很好分離，形成了氣、固、液混合流體。又由于氣液分離器中的壓力小于反應(yīng)區(qū)壓力，混合液體在沼氣的夾帶作用下通過沼氣提升管進(jìn)入氣液分離器中，在此大部分沼氣脫離混合液外排，混合流體的密度變大，在重力作用下通過泥水下降管回到第一反應(yīng)區(qū)的底部，與第一反應(yīng)區(qū)的廢水、顆粒污泥混合，從而實(shí)現(xiàn)了流體在反應(yīng)器內(nèi)部的循環(huán)。內(nèi)循環(huán)使得第一反應(yīng)區(qū)的液相上升流速大大增加，可以達(dá)到10～20m/h。

第二反應(yīng)區(qū)的液相上升流速小于第一反應(yīng)區(qū)，一般僅為2～10m/h。這個(gè)區(qū)域除了繼續(xù)進(jìn)行生物反應(yīng)之外，由于上升流速的降低，還充當(dāng)?shù)谝环磻?yīng)區(qū)和沉淀出水區(qū)之間的緩沖段，對(duì)解決跑泥、確保沉淀后出水水質(zhì)起著重要作用。

2.3.3 IC厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)

基于前面的論述可以知道，IC厭氧反應(yīng)器具有很多優(yōu)點(diǎn)，其主要的優(yōu)點(diǎn)如下:

（1）污泥可以大量保留。①第二反應(yīng)區(qū)的液相上升流速一般僅為2～10m/h,遠(yuǎn)小于第一反應(yīng)區(qū)，混合液在此區(qū)具有相對(duì)長的水力停留時(shí)間;②由于大部分COD在第一反應(yīng)區(qū)已被去除，此區(qū)產(chǎn)氣量很少，不足以產(chǎn)生很大的水流湍動(dòng)，混合液接近于推流狀態(tài);③內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)不通過第二反應(yīng)區(qū)，對(duì)此區(qū)流體的流速幾乎無影響。上述三點(diǎn)非常有利于顆粒污泥的沉降和保留，即使在數(shù)倍于UASB的進(jìn)水負(fù)荷條件下也是如此，不存在高COD負(fù)荷下污泥被沖出系統(tǒng)的問題。由于內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)的存在，使得反應(yīng)器具有SRT>HRT的特征，實(shí)現(xiàn)了“高負(fù)荷與污泥流失相分離”的第三代厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)思想，既保持了污泥的高濃度，又強(qiáng)化了傳質(zhì)過程。同時(shí)，由于第二反應(yīng)區(qū)的存在，使得第一反應(yīng)區(qū)與沉淀出水區(qū)之間有了緩沖段，也同樣防止了高峰負(fù)荷時(shí)污泥的流失。

（2）具有很高的容積負(fù)荷。IC厭氧反應(yīng)器通過采用內(nèi)循環(huán)技術(shù)，提高了第一反應(yīng)區(qū)的液相上升流速，使得混合液處于推流狀態(tài)，強(qiáng)化了廢水中有機(jī)物和顆粒污泥的傳質(zhì)，提高了生物處理能力，從而大幅度提高了反應(yīng)器的容積負(fù)荷。容積負(fù)荷的提高會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器沼氣量的提升，進(jìn)一步增強(qiáng)了沼氣升流對(duì)污泥床的湍動(dòng)和傳質(zhì)效果。通常，IC厭氧反應(yīng)器的進(jìn)水負(fù)荷可以高出UASB反應(yīng)器的三倍之多。在采用IC厭氧反應(yīng)器處理土豆加工廢水時(shí)，當(dāng)進(jìn)水COD為10000～15000mg/L時(shí)， 進(jìn)水容積負(fù)荷可達(dá)35～50kg COD/ (m3·d)，當(dāng)處理啤酒廢水時(shí)，進(jìn)水COD為2000～3000mg/L,容積負(fù)荷可高達(dá)40kgCOD/ (m3 ·d)，COD去除率在75%～80%。

（3）沼氣提升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，不必外加動(dòng)力。IC厭氧反應(yīng)器實(shí)際上是一種特殊的氣提式反應(yīng)器，其工作原理與空氣提升液體循環(huán)反應(yīng)器(氣體式反應(yīng)器)十分相似，區(qū)別僅在于IC厭氧反應(yīng)器中的提升動(dòng)力源自反應(yīng)器中的自產(chǎn)沼氣，而氣提式反應(yīng)器中的提升動(dòng)力源自反應(yīng)器外動(dòng)力提供的空氣。因此，與氣提式反應(yīng)器相比，IC厭氧反應(yīng)器不必通過外力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)， 從而可節(jié)省能耗。

（4）抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定。內(nèi)循環(huán)的形成使得IC厭氧反應(yīng)器第一反應(yīng)區(qū)的實(shí)際水量遠(yuǎn)大于進(jìn)口水量，例如在處理與啤酒廢水濃度相當(dāng)?shù)膹U水時(shí)，循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水流量的2～3倍;處理土豆加工廢水時(shí)，循環(huán)流量可達(dá)10～20倍。循環(huán)水稀釋了進(jìn)水，提高了反應(yīng)器的抗沖擊能力和酸堿調(diào)節(jié)能力。即使入水中含有一定濃度的有毒有害物質(zhì)，由于內(nèi)循環(huán)水的稀釋作用，其對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥生化反應(yīng)所構(gòu)成的威脅也將大大減弱。由于內(nèi)循環(huán)水對(duì)進(jìn)水所起到的pH調(diào)節(jié)的能力，從而大大節(jié)約了反應(yīng)器運(yùn)行過程中中和劑酸堿的用量。

（5） 出水穩(wěn)定性好，系統(tǒng)啟動(dòng)快。IC厭氧反應(yīng)器相當(dāng)于兩個(gè)UASB反應(yīng)器的串聯(lián)系統(tǒng)，一般情況下，兩級(jí)處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)、穩(wěn)定性高于一級(jí)處理系統(tǒng)。IC厭氧反應(yīng)器內(nèi)污泥活性高，生物增殖快，為反應(yīng)器快速啟動(dòng)提供有利條件。IC厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)周期一般為1～2個(gè)月，而普通UASB啟動(dòng)周期長達(dá)4～6個(gè)月。

（6）基建投資省，占地面積小。在處理相同的廢水時(shí)，IC厭氧反應(yīng)器的容積負(fù)荷是普通UASB反應(yīng)器的4倍左右，故其所需的反應(yīng)體積僅為UASB反應(yīng)器的1/4～1/3，節(jié)省了基建投資，加上IC厭氧反應(yīng)器不僅體積小而且有很大的高徑比(一般高度可達(dá)16～25m，高徑比為4～8)，所以占地面積特別省，非常適用于占地面積緊張的企業(yè)。

2.4 厭氧序批式反應(yīng)器(ASBR)

厭氧序批式反應(yīng)器(Anaerobic Sequecing Batch Reactor, ASBR) 是20世紀(jì)90年代美國愛荷華州立大學(xué)Dague教授等人將好氧生物處理中的SBR法用于厭氧處理中，從而開發(fā)出的一種新型高效厭氧反應(yīng)器。這種工藝能克服污泥流失的問題，且在反應(yīng)器內(nèi)能培養(yǎng)出沉降好、活性高顆粒污泥，具有較高的污泥停留時(shí)間，低的水力停留時(shí)間。雖然ASBR運(yùn)行上類似于厭氧接觸，但ASBR的固液分離在反應(yīng)器內(nèi)部進(jìn)行，不需設(shè)澄清池，不需真空脫氣設(shè)備。另外，ASBR中不需UASB中復(fù)雜的三相分器，與其他高效厭氧反應(yīng)器如AF、UASB等相比，ASBR具有工藝簡單、運(yùn)行方式靈活、生化反應(yīng)推動(dòng)力大、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近些年，ASBR受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注，已成為厭氧生物處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

2.4.1 ASBR的運(yùn)行模式

典型的ASBR運(yùn)行周期包括四個(gè)階段，即進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、出水，可以再加一個(gè)閑置階段，閑置是指出水階段與下一個(gè)周期的進(jìn)水階段之間的時(shí)間間隔，這可以增加進(jìn)水的靈活性，其運(yùn)行模式如圖5所示。在多池并聯(lián)的運(yùn)行系統(tǒng)中，各個(gè)反應(yīng)器可以按序列進(jìn)水，但是每個(gè)反應(yīng)器必須在出水階段完成后，才能開始下一輪的進(jìn)水。

（1）進(jìn)水期。廢水進(jìn)人反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度驟然增高。由莫諾特 (Monod)動(dòng)力學(xué)方程可知，在此條件下，微生物獲得了進(jìn)行代謝活動(dòng)的巨大推動(dòng)力，基質(zhì)轉(zhuǎn)化速率高。進(jìn)水水量由預(yù)期的水力停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷、期待的污泥沉降性能來確定。ASBR反應(yīng)器的進(jìn)水方式有兩種:連續(xù)進(jìn)水和集中進(jìn)水。連續(xù)進(jìn)水就是進(jìn)水的同時(shí)開始攪拌，反應(yīng)器始終處于反應(yīng)狀態(tài)，即進(jìn)人反應(yīng)期;集中進(jìn)水則是將廢水進(jìn)人到預(yù)定水位以后再開始攪拌從而進(jìn)人反應(yīng)期。

（2）反應(yīng)期。該階段是有機(jī)物轉(zhuǎn)化為生物氣的關(guān)鍵步驟，反應(yīng)所需時(shí)間取決于幾個(gè)因素，:包括廢水成分和濃度、要求達(dá)到的水質(zhì)、活性污泥濃度、攪拌效果以及溫度。其中，攪拌對(duì)于均化環(huán)境條件(溫度、pH值、基質(zhì)濃度等)是很重要的。但是根據(jù)其他相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，過強(qiáng)的攪拌會(huì)剪碎污泥絮體，從而導(dǎo)致較差的沉淀效果。

（3）沉降期。停止攪拌混勻，讓生物團(tuán)在靜止的條件下沉降，使固液分離，形成低懸浮固體的。上清液。反應(yīng)器此時(shí)變成澄清器，沉降時(shí)間可根據(jù)生物團(tuán)的沉降特性確定，典型時(shí)間在10～30min間變化，沉降時(shí)間不能過長，否則因生物氣繼續(xù)產(chǎn)出會(huì)造成沉降顆粒重新懸浮。混合液懸浮固體濃度 (MLSS)、進(jìn)料量與生物量之比(F/M)是影響生物團(tuán)沉降速率及排出液清澈程度的重要因素。

（4）出水期。出水階段是在有效的泥水分離之后進(jìn)行的。出水階段所需要的時(shí)間是由進(jìn)水量與出水流速來控制的。出水階段結(jié)束，則下一個(gè)周期的進(jìn)水階段立即開始。

2.4.2 ASBR反應(yīng)器的運(yùn)行特征

厭氧微生物的代謝緩慢，生長速率低，如果出水微生物流失量過大的話會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)厭氧工藝的失敗，但是這也使厭氧工藝的污泥產(chǎn)率低，減少了污泥的處理費(fèi)用。在低濃度基質(zhì)條件下，微生物對(duì)基質(zhì)的利用率低，導(dǎo)致厭氧工藝不適合處理低濃度(COD <1000mg/L)廢水。同時(shí)，傳統(tǒng)厭氧工藝需要在較高溫度下運(yùn)行，對(duì)外加熱源的要求增加了傳統(tǒng)厭氧工藝的投資。ASBR系統(tǒng)污泥沉降性能良好，出水中沉降性能較差污泥的流失有利于ASBR反應(yīng)器中污泥的顆粒化，微生物持留量高，可以在低溫條件下處理低濃度廢水，有效地克服了傳統(tǒng)厭氧工藝的缺點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)厭氧反應(yīng)器，ASBR反應(yīng)器具有生物污泥顆?；?、耐沖擊負(fù)荷、適應(yīng)性廣和受溫度影響小等主要運(yùn)行特征。

（1）活性污泥顆?；?。ASBR反應(yīng)器排水時(shí)將沉淀性能較差的絮體洗出反應(yīng)器，留下較重的、沉淀性能較好的生物絮凝體，進(jìn)一步互相吸附成為活性高、沉降性能好的活性污泥顆粒。

（2）耐沖擊負(fù)荷，適應(yīng)性廣。ASBR反應(yīng)器是間歇運(yùn)行的非穩(wěn)態(tài)厭氧生物處理工藝，時(shí)間上為推流式反應(yīng)器，空間上為完全混合式反應(yīng)器，耐沖擊負(fù)荷。

（3）受溫度影響小。ASBR反應(yīng)器的工作溫度區(qū)間為5～65℃。溫度較低時(shí)，生物的生命活動(dòng)節(jié)奏變慢，對(duì)基質(zhì)的去除率降低，但是ASBR反應(yīng)器出水中的微生物流失量少使反應(yīng)器內(nèi)可保持較高的生物量，同時(shí)微生物的衰減也下降，最終提高反應(yīng)器內(nèi)污泥的濃度，可以抵消前者對(duì)處理效果的影響。

2.5 厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器(AMBR)

厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器(Anaerobic Migrating Blanket Reactor, AMBR)是一種新型高效處理工藝，可以用來處理工業(yè)廢水和城市污水，它融合了UASB與ASBR的優(yōu)點(diǎn)，屬于多格室串聯(lián)反應(yīng)器，在流態(tài)上整體呈現(xiàn)推流式，局部則又呈現(xiàn)完全混合式，其對(duì)有機(jī)物的降解速率和處理效果高于單個(gè)完全混合反應(yīng)器，而且在一定的處理能力下所需的反應(yīng)器容積也比單個(gè)完全混合反應(yīng)器要小得多，并且無需三相分離器和配水系統(tǒng)，運(yùn)行方式靈活、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定，有較強(qiáng)的耐沖擊能力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.5.1 AMBR工藝的基本構(gòu)造

如圖6、圖7所示，AMBR工藝由三個(gè)隔室組成，中間隔室用于在改變進(jìn)水流向前短時(shí)進(jìn)水防止短流，作為運(yùn)行過渡區(qū);兩側(cè)隔室均設(shè)有進(jìn)水口和出水口(如果左面隔室作為進(jìn)水口，那么右面隔室則作為出水口)，按設(shè)定的時(shí)間開啟不同的進(jìn)水口。整個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行由PLC編程控制。

AMBR反應(yīng)器有兩種不同的構(gòu)造型式。一種是在反應(yīng)器中間格室底部有一圓形開孔(圓孔尺寸可以調(diào)整)，底部的小孔可以使底物與污泥充分接觸，保證污泥的遷移，同時(shí)可防止發(fā)生短路循環(huán)。當(dāng)COD負(fù)荷增加時(shí)，產(chǎn)氣量也會(huì)增加，從而導(dǎo)致進(jìn)水室的擾動(dòng)增大，污泥遷移速率增大，此時(shí)增加孔的尺寸可以顯著地減小污泥遷移速率。這種型式的反應(yīng)器水力停留時(shí)間通常較長。另外一種是在相鄰格室中間設(shè)置一系列垂直安裝的導(dǎo)流板(導(dǎo)流板間距可調(diào))，以減少底物的短路循環(huán)。導(dǎo)流板與反應(yīng)器壁要有足夠的距離以防止大的顆粒污泥通過時(shí)發(fā)生阻塞。該種型式的反應(yīng)器適用于HRT較低的情況，此外在相同的條件下，使用具有導(dǎo)流板的反應(yīng)器發(fā)生短路循環(huán)的機(jī)會(huì)將會(huì)大大降低。

2.5.2 AMBR工藝的基本原理

AMBR反應(yīng)器是多室串聯(lián)運(yùn)行，至少有三個(gè)格室，反應(yīng)器兩側(cè)各有進(jìn)、出水口。運(yùn)行時(shí)進(jìn)水從反應(yīng)器的一-端水平流人，另一端流出，從整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)的水流狀態(tài)來看屬于推流式，但每個(gè)隔室內(nèi)由于機(jī)械混合、產(chǎn)氣的攪拌作用表現(xiàn)為完全混合的狀態(tài)。這種整體上為推流式， 局部區(qū)域內(nèi)為完全混合式的多個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)工藝對(duì)有機(jī)物的降解速率和處理效果無疑高于單個(gè)完全混合反應(yīng)器，而且在一定的處理能力下所需的反應(yīng)器容積也比單個(gè)完全混合低得多。因而出水室中的有機(jī)底物濃度最低，生物體對(duì)底物的利用效率也最低，產(chǎn)氣量小，出水室可作為內(nèi)部澄清池，起到泥水分離的作用，減少出水中的生物量，防止生物體隨出水流失。為了防止微生物在出水室累積， 需定期反向運(yùn)行，使出水室變?yōu)檫M(jìn)水室，進(jìn)水室變?yōu)槌鏊?。為達(dá)到連續(xù)進(jìn)出水的目的，反向運(yùn)行前有從中間單元室進(jìn)水的過渡階段。為促進(jìn)污泥與污水的充分接觸，三個(gè)格室中均設(shè)置污泥攪拌設(shè)施間歇攪拌，系統(tǒng)出水口前設(shè)置擋板以防止污泥的流失。

2.5.3 AMBR反應(yīng)器的特點(diǎn)

AMBR反應(yīng)器運(yùn)行方式靈活、結(jié)構(gòu)簡單，不需要?dú)夤谭蛛x系統(tǒng)和配水系統(tǒng)。裝置采用隔室結(jié)構(gòu)，廢水以推流式運(yùn)行，出水室中H2分壓和H2S水平低，有利于甲烷化反應(yīng)。廢水水平流動(dòng)，出水室中的有機(jī)底物濃度最低，生物體對(duì)底物的利用效率也最低，產(chǎn)氣量小，出水室可作為內(nèi)部澄清池。反應(yīng)器內(nèi)水流方向周期性改變，有利于污泥的遷移，防止污泥在最后隔室積累，還可防止揮發(fā)性脂肪酸( Volatile Fatty Acid, VFA)在進(jìn)水室中積累。另外可為產(chǎn)甲烷創(chuàng)造有利條件，反應(yīng)過程不需投加緩沖液或出水循環(huán)。系統(tǒng)工藝不需要預(yù)酸化，不會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹和污泥上浮現(xiàn)象，且工藝耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，對(duì)有機(jī)物的去除效果好。

2.6 厭氧膜生物反應(yīng)器(AnMBR)

厭氧膜生物反應(yīng)器可以簡單定義為膜分離技術(shù)和厭氧生物處理單元相結(jié)合的廢水處理技術(shù)。它的提出始于20世紀(jì)70年代，至此，這一技術(shù)的研究和開發(fā)相繼展開。20世紀(jì)80年代，美國、日本和南非相繼開發(fā)了AnMBR技術(shù)并用于工業(yè)和生活污水處理。由于當(dāng)時(shí)膜生產(chǎn)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，膜價(jià)格昂貴且膜的使用壽命短，膜通量小等原因，這些技術(shù)還是主要局限于實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模的廢水處理應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后，隨著研究日益增多，針對(duì)AnMBR的研究就主要集中在膜材質(zhì)與膜組件形式的開發(fā)與優(yōu)化、膜污染表征與控制、反應(yīng)器的配置與構(gòu)造以及在各種廢水處理中的應(yīng)用等方面。

2.6.1  AnMBR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)配置

厭氧膜生物反應(yīng)器以膜過濾代替?zhèn)鹘y(tǒng)活性污泥法中的沉淀池，由于膜的過濾作用，不僅能夠?qū)⑺械纳锕腆w截留在生物反應(yīng)器中，而且將大分子污染物也截留在反應(yīng)器中，實(shí)現(xiàn)水力停留時(shí)間與污泥齡的徹底分離，消除傳統(tǒng)厭氧活性污泥工藝中的污泥膨脹問題，因此厭氧膜生物反應(yīng)器體現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于厭氧膜生物反應(yīng)器對(duì)污染物去除效率高，膜對(duì)微生物有較強(qiáng)截留能力，所以，該反應(yīng)器對(duì)難降解和有毒有害化合物有較好處理效果。采用膜系統(tǒng)易具有良好的水力狀態(tài)，膜的耐久性、抗堵性較好，膜自身易于優(yōu)化。另外，還具有出水水質(zhì)穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作簡單，基建費(fèi)用低，便于管理和自動(dòng)控制，升級(jí)改造潛力大等優(yōu)點(diǎn)。厭氧膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)工藝如圖8所示。

AnMBR常用的厭氧系統(tǒng)主要有:升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧顆粒膨脹污泥床(EGSB)、厭氧流動(dòng)床(FB)、厭氧生物濾池(AF)、折流式厭氧反應(yīng)器(ABR)等。

AnMBR的膜組件主要是超濾和微濾膜，在膜組件的配置上主要有兩種形式，即外置式和內(nèi)置式，如圖9所示。主要分為外置式[圖9(a)]和內(nèi)置式[圖9 (b)、圖9 (c) ] 兩種。

2.6.2 AnMBR反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)原理

AnMBR的啟動(dòng)包含三個(gè)過程:馴化階段、啟動(dòng)階段和穩(wěn)定運(yùn)行階段。結(jié)合上面的任意一個(gè)反應(yīng)器，反應(yīng)器的大小尺寸要根據(jù)實(shí)際情況而定，產(chǎn)生的沼氣通過集氣罩收集并通過泵進(jìn)行曝氣，選擇合適的膜組件放置在上部的膜分離區(qū)，通過泵的抽吸作用出水，壓力計(jì)顯示膜的跨膜壓力(TMP)。. 上部設(shè)有回流泵，將AnMBR上部的，上清液回流至底部，保證污水和污泥混合均勻。通過向進(jìn)水中投加NaHCO3以保證反應(yīng)器的pH在6.8～7.4，pH自動(dòng)控制系統(tǒng)控制pH。通過流量計(jì)控制水力負(fù)荷，溫度由溫度控制計(jì)控制，選擇錯(cuò)流式來代替死端過濾。

馴化階段的進(jìn)水負(fù)荷不能太高，因?yàn)閯倓偨臃N的產(chǎn)甲烷菌活性往往比較低，在工程實(shí)踐中常常要引入產(chǎn)甲烷活性用來表征接種泥中的甲烷菌的含量，定義為:

啟動(dòng)階段是反應(yīng)器從一個(gè)進(jìn)水負(fù)荷較低的狀態(tài)發(fā)展到進(jìn)水負(fù)荷較高的穩(wěn)定狀態(tài)。在啟動(dòng)階段進(jìn)水負(fù)荷應(yīng)該緩慢的增加，且每天增加的幅度要根據(jù)氣體的總產(chǎn)量來確定。

2.6.3 AnMBR反應(yīng)主要運(yùn)行參數(shù)

AnMBR反應(yīng)主要運(yùn)行參數(shù)主要是指生物反應(yīng)器的主要參數(shù)和膜系統(tǒng)主要參數(shù)，其中生物反應(yīng)器的操作參數(shù)對(duì)膜的結(jié)垢和整體效能的發(fā)揮影響都很大，同時(shí)還與AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水質(zhì)等有很大的關(guān)系。

（1）有機(jī)負(fù)荷的選擇

AnMBR的優(yōu)勢(shì)之一就是適宜處理高濃度有機(jī)廢水。如果系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，則揮發(fā)性脂肪酸也會(huì)保持在一定范圍，一般把揮發(fā)性脂肪酸作為有機(jī)負(fù)荷的指示物，不同的有機(jī)廢水，有機(jī)負(fù)荷相差很大。從AnMBR處理各種廢水的效果，可以看出AnMBR優(yōu)良的性能，COD的去除率一般均超過90%，而有機(jī)負(fù)荷可以超過40kg/ (m3 .d)，甚至近70kg/ (m3 .d)。

（2）溫度的控制

要達(dá)到較好的處理效果，AnMBR的操作溫度通常需較高。溫度較高時(shí)，可以降低溶解性微生物代謝產(chǎn)物(SMP) 濃度(粘度也降低)，使膜通量也提高。在一定的溫度范圍與壓力條件下，溫度每升高l℃,膜通量增加1%～2%。然而有研究發(fā)現(xiàn)，在常溫或低溫條件下，AnMBR也能夠取得較好的處理效果和較大的膜通量。

（3）膜通量、壓力和膜面流速

由于AnMBR本身的特點(diǎn)，目前都采用分置式AnMBR和錯(cuò)流過濾的方式，壓力和膜面流速是很重要的參數(shù)，因此對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行了很多研究。BeaubienA等人考察AnMBR的最佳操作條件時(shí)發(fā)現(xiàn)，壓力與通量之間的關(guān)系明顯出現(xiàn)兩個(gè)截然不同的區(qū)域，即高壓區(qū)和低樂區(qū)。在低壓區(qū)，透過流速主要與膜間壓力有關(guān);在高壓區(qū)，水力條件則成為控制因素。在低壓力區(qū)膜的滲透性和高壓區(qū)的臨界通量的影響因素主要是微生物的濃度。在比較高的錯(cuò)流流速下(大于3m/s),并沒有觀察到膜通量的下降。臨界通量的確定對(duì)于控制膜結(jié)垢相當(dāng)重要，操作壓力高于臨界通量時(shí)結(jié)垢嚴(yán)重。在膜過濾器中設(shè)置折流板，可以減輕結(jié)垢，大幅提高膜通量。

2.6.4 AnMBR反應(yīng)器的特點(diǎn)

在保留厭氧生物處理技術(shù)投資省、能耗低、可回收利用沼氣能源、負(fù)荷高、產(chǎn)泥少、耐沖擊負(fù)荷等諸多優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，由于引入膜組件，還帶來了一系列優(yōu)點(diǎn):

（1）實(shí)現(xiàn)了SRT和HRT的有效分離，因而AnMBR可以有更高的有機(jī)負(fù)荷和容積負(fù)荷。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)引人膜組件后，氧反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷率(OLR)從4kgCOD/ (m3·d)提高到12kg COD/ (m3·d)，而處理效果不受影響。

（2）膜的截留作用使得濁度、細(xì)菌和病毒等物質(zhì)得到大幅度去除，提高了出水水質(zhì)。

（3）膜分離作用還體現(xiàn)在對(duì)厭氧反應(yīng)器的構(gòu)造和處理效果有特殊的強(qiáng)化作用。

（4）對(duì)于兩相厭氧MBR,膜分離作用可以使產(chǎn)酸反應(yīng)器中的產(chǎn)酸細(xì)菌濃度增加，提高水解發(fā)酵的能力并使系統(tǒng)保持較高的酸化率。

（5）顯著改善反應(yīng)器固液分離效果，在處理生物難降解的有機(jī)物和高濃度有機(jī)廢水有很好的應(yīng)用前景。

當(dāng)然AnMBR系統(tǒng)的要想能夠有更大發(fā)展前景還需要解決以下問題:

（1）膜污染問題

膜污染問題很大程度上決定了AnMBR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。AnMBR中污泥特性與好氧情況有較大改變，膜污染情況往往更復(fù)雜。膜污染的影響因素很多，污泥組成、操作條件、膜組件的材料和構(gòu)造都對(duì)膜污染有重要影響，因而研究它們之間的關(guān)系對(duì)于膜污染控制有重要意義，目前這方面的研究還不多。

（2）能耗的問題

由于目前的AnMBR大多數(shù)使用的是外置式的，之所以采用外置式是因?yàn)榉磻?yīng)器中缺少有效的水力條件(水力紊動(dòng))，所以需要通過水泵來進(jìn)行液體循環(huán)以改善污染狀況。這就造成了耗能相對(duì)較高。

（3）經(jīng)驗(yàn)參數(shù)缺乏

由于AnMBR的研究不多，尤其是在國內(nèi)，對(duì)各種不同行業(yè)的廢水處理的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)缺乏，例如停留時(shí)間、有機(jī)負(fù)荷等，這就要求大量的實(shí)驗(yàn)支持。

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