厌氧处理器的发展及新技术的特点、原理、启动要素
厌氧生物处理，又被称为厌氧消化、厌氧发酵，是指在厌氧条件下由厌氧或兼性微生物的共同作用，使有机物分解并产生甲烷和二氧化碳的过程。最初的厌氧处理工艺仅被应用于生活污水的处理，之后又被应用于污泥消化分解，进而应用于工业废水的处理，并且发展了很多效果良好的厌氧生物处理工艺。传统厌氧生物处理技术具有水力停留时间长、有机负荷低、池容大等的缺点，制约了厌氧生物处理技术的推广和应用。
随着对全球能源短缺和温室效应等问题的关注，可再生能源的重要性日益显现，而厌氧生物处理技术可将污废水转化为乙酸、甲烷、氢气等可再生能源，既能实现资源化、能源化利用，又能减轻环境污染。因此，对于厌氧处理技术、厌氧反应器的开发研究也变得越来越多。随着对厌氧消化机理研究的不断深人和各种高效厌氧反应器的飞速发展，污废水的生物处理技术已经成为资源和环境保护的核心技术之一。同时，污水厌氧生物处理技术以其成本低廉、稳定高效等特点，在高浓度有机废水、难降解有机度水的处理领域中得到了广泛的应用。
厌氧生物处理工艺的发展
第一代厌氧反应器
早在19世纪，人们就利用厌氧工艺处理废水废物。1881年，法国工程师Louis Mouras发明了用以处理污水污泥的“自动净化器”，从而开始了人类利用庆氧生物过程处理废水废物的历程。1896年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，产生的沼气用于照明。1904 年德国的工程师Imhoff将其发展成为Imhoff双层沉淀池(即腐化池)，这一工艺至今仍然在有效地利用。1912 年英国的伯明翰市建立了第一个用土堤围成的露天敞开式消化池。至1914年，美国有14座城市建立了厌氧消化池。1925 年至1926年，美国、德国相继建成了较为标准的消化池。二战结束后，厌氧处理技术的发展又掀起了一个高潮，高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展，厌氧污泥与废水的加温、搅拌提高了处理效率。但从本质上，反应器中的微生物(即厌氧污泥)与废水或废料是完全混合在一起的，污泥在反应器里的停留时间(SRT) 与废水的停留时间(HRT)是相同的，因此污泥在反应器里浓度低，废水在反应器里要停留几天到几十天之久，处理效果差。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪肥的消化，它尚不能经济地用于工业废水的处理。直至1955年，Soefer开发了用以处理食品包装废水的厌氧接触反应器(AC法)， 取得了良好的效果。
如图1所示，这种反应器是在出水沉淀池中增设了污泥回流装置，增大了厌氧反应器中的污泥浓度，处理负荷和效率显著提高。上述反应器被称为第一代厌氧反应器，由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，而厌氧消化池无法将水力停留时间和污泥停留时间分离， 由此造成水力停留时间必须较长。一般来讲，第一代厌氧反应器处理废水的停留时间至少需要20~30d。
第二代厌氧反应器
随着生物发酵工程中固定化技术的发展，人们认识到提高反应器中污泥浓度的重要性，于是，基于微生物固定化原理的高效厌氧生物反应器得以发展。第二代高效厌氧生物反应器必须满足以下两个条件:
1)系统内能够保持大量的活性厌氧污泥；
2) 反应器进水应与污泥保持良好的接触。
依据这一原则，20世纪60年代末，第一个基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器——厌氧滤池诞生。它的成功之处在于，在反应器中加人固体填料(如沙砾等)，微生物由于附着生长在填料的表面，免于水力冲刷而得到保留，巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离，其固体停留时间可以长达上百天，这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。在相同的温度下，厌氧滤池的负荷高出厌氧接触工艺2～3倍，同时有很高的COD去除率，而且反应器内易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。
1974 年，荷兰研究和开发了UASB反应器技术，其最大特点是反应器内颗粒污泥保证了高浓度的厌氧污泥，标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。随后，研究者们基于一些厌氧处理经验和厌氧处理所涉及的微生物学、生物化学和生化工程的最新研究成果，开发出的一批厌氧反应器被称为第二代废水厌氧处理反应器，其中比较典型的有:升流式固体厌氧反应器(USR)、升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、 厌氧滤池(AF)、厌氧流化床(AFB)等。
第二代厌氧反应器解决了厌氧微生物生长缓慢、生物量易随液体流出等无益于反应器高效运转的关键问题，这些反应器的突出优点有: 1)具有较高有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统装置减少90%以上;
2)在低温、冲击负荷、存在抑制物等不利条件下仍可保持良好的稳定性;
3) 反应器结构简单，占地面积小，适合各种规模，并可作为运行单元被结合在整体的处理技术中，操作简便，人工管理费用得到降低。
然而第二代厌氧反应器的缺陷仍然非常明显:对于进水无法采用高的水力和有机负荷，反应器的应用负荷和产气率受到限制。
第三代厌氧反应器
20世纪90年代初，人们为实现高效厌氧反应器的有效运行，结合第二代反应器的优缺点，研发了第三代厌氧反应器。第三代厌氧反应器具备占地面积小、动力损耗小等特点，微生物均以颗粒污泥固定化的方式存在于反应器当中，反应器单位容积的生物量比以往更高，能承受更高的水力负荷且具备较高的有机污染物净化效果。反应器内的微生物在不同区域内生长，可以与不同区域内的进水充分接触，完成了一定程度上的生物相分离。第三代反应器的主要代表有:厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)、内循环反应器(IC)、升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)等。
新型厌氧生物处理工艺与反应器
升流式厌氧污泥床反应器(UASB 反应器)
升流式厌氧污泥床(UASB)是第二代废水厌氧生物处理反应器中典型的一种。由于在UASB反应器中能形成产甲烷活性高、沉降性能良好的颗粒污泥，因而UASB反应器具有很高的有机负荷，近10年来得到了最广泛的应用，目前约占全世界正在运行的厌氧反应器中总数的70%。
1. UASB反应器的工作原理
UASB反应器的结构如图2所示，其主体可分为两个区域，即反应区和气、液、固三相分离区。在反应区下部是大量具有良好沉降性能与生物活性的厌氧颗粒污泥所形成的污泥床，在污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层。当反应器运行时，待处理的废水以一定流速(一般为0.5～l.5m/h)从污泥床底部进人后与污泥接触，污泥中包含的大量活性厌氧菌起着生物代谢的主要作用，经过酸化与甲烷化两个过程，分解污水中的有机物，产生的沼气以气泡的形式由污泥床区上升，并带动周围混合液产生一定的搅拌作用。经过气体的搅拌，污泥床区的松散污泥被带人污泥悬浮层区，与悬浮污泥碰撞接触，-部分污泥比重加大，沉人污泥床区。悬浮层混合液的污泥松散， 颗粒比重小，污泥浓度较低。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，气体受反射板的作用而进人集气室被分离，污泥和水进人沉降室，由于气体已被分离，沉降室的扰动很小，液体的运动趋于层流形态，在重力作用下泥、水分离，污泥沿斜壁返回反应区，上清液从沉淀区上部排走。
2. UASB反应器的特点
UASB反应器的污泥颗粒化是该反应器的一个主要的特征。颗粒污泥可以定义为具有自我平衡的微生态系统，其特性特别适宜于升流式废水处理系统的微生物聚集体。这一聚集体在体积上相对较大，与絮状污泥短时间形成的聚集体不同，颗粒污泥物理性状是相对稳定的。UASB工艺的稳定性和高效性很大程度上取决于颗粒污泥的形成。如果反应器内的污泥以松散的絮状体存在，往往容易出现污泥上浮流失， 使反应器不能在高负荷下稳定运行。颗粒污泥具有极好的沉降性能，可以保持UASB反应器内高浓度的厌氧污泥。当产气量较高，废水上升速度增加，絮状污泥由于沉降性能差，容易被冲洗出反应器。反应器内气体和水流产生的剪切力也会使得絮状污泥进一步分散，加剧系统厌氧污泥的流失。不同于絮状污泥，颗粒污泥有极好的沉降性能，不易受到气体和水流上升流速的影响。因此，污泥的颗粒化可以使UASB反应器有更高的有机物容积负荷和水力负荷。
除了污泥颗粒化外， UASB反应器还具有以下特点:
1)反应器内污泥浓度高。一般平均污泥浓度为30～40g/L, 其中底部污泥床污泥浓度达60～80g/L,悬浮层污泥浓度为5～7g/L。
2)有机负荷高，水力停留时间短。
3)反应器内设三相分离器。被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备。
4)无混合搅拌设备。反应器投产运行正常后，利用自身产生的气体和进水来达到搅拌的目的。
5)污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。
6) 反应器中污泥泥龄长，污泥表观产率低，所排出的污泥数量极少，从而降低了污泥处理的费用。
3. UASB反应器的启动
1)污泥的驯化
UASB反应器启动的难点是获得大量沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。用最好的办法加以驯化，一般需要3～6个月， 如果靠设备自身积累，投产期最长可长达1～2年。实践表明，投加少量的载体，有利于厌氧菌的附着，促进初期颗粒污泥的形成;比重大的絮状污泥比轻的易于颗粒化；比甲烷活性高的厌氧污泥可缩短启动期。
2)启动操作要点
①最好一次投加足量的接种污泥；
②启动初期从污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特别轻的和细碎污泥跟悬浮物连续地从污泥床排出体外，使较重的活性污泥在床内积累，并促进其增殖逐步达到颗粒化；
③启动开始废水COD浓度较低时，未必就能让污泥颗粒化速度加快；
④最初污泥负荷一般在0.1～0.2kg COD/ (kg TSS·d)左右比较合适；
⑤污水中原来存在的和厌氧分解出来的多种挥发酚未能有效分解之前，不应随意提高有机容积负荷，这需要跟踪观察和水样化验；
⑥可降解COD的去除率达到70%～80%左右时，可以逐步增加有机容积负荷；
⑦为促进污泥颗粒化，反应器应采用较高的表面水力负荷，这样有利于小颗粒污泥与污泥絮凝分开，使小颗粒污泥并未形成大颗粒。
4.厌氧颗粒污泥的性质和形成机理
1)厌氧颗粒污泥性质
颗粒污泥因所处理废水的组成、操作条件和分析方法等的不同而有所不同。颗粒污泥主要由厌氧菌组成，如共生单胞菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷丝状菌属等，但同时还存在一些好氧菌和兼性厌氧菌。颗粒污泥的形成实际上是微生物固定化的一种形式，但与其他类型不同，其形成与存在不依赖于任何惰性生物载体，惰性载体对颗粒污泥的形成和它的稳定性都不是必须的。颗粒污泥的形状有球形、杆形、椭球形，以球形为主。颗粒污泥的颜色为黑色或灰色，还有研究者观察到了白色的颗粒污泥。颗粒污泥有两个重要特性:良好的沉降性能和高比产甲烷活性。
在UASB反应器中，颗粒污泥的沉降速度为0. 3～0.8m/h, 而在清水中，颗粒污泥自由沉降的速率可达2m/h。颗粒污泥根据其沉降速度可分三类:①沉降性能差的颗粒污泥，其在UASB反应器中的沉降速度小于20m/h; ②沉降性能一般的颗粒污泥，其在UASB反应器中的沉降速度为20～50m/h;③沉降性能良好的颗粒污泥，其在UASB反应器中的沉降速度大于50m/h。
2)颗粒污泥的形成机理
关于颗粒污泥形成的机理目前还处于研究阶段，研究者提出了种种假说，大多数是根据观察颗粒污泥在形成过程中所出现的现象提出的，以下为几种有代表性的假说:
①晶核假说。该假说认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在晶核基础上，颗粒不断发育，直到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源于接种污泥或在运行过程中产生的无机盐，如CaCO3或其他颗粒物质。
②不少研究结果表明，在多数成熟的颗粒污泥中很难找到晶核。颗粒污泥的形成可不以晶核为基础而成长，而是完全靠微生物本身形成的，因而又产生了其他的观点:
电中和作用。这一假说认为，在厌氧污泥颗粒化过程中，Ca2+ 能中和细菌细胞表面的负电荷，减弱细胞间的电荷斥力作用，并通过盐桥作用而促进细胞的凝聚反应；
胞外多聚物架桥作用。这是目前比较流行的假说。这一假说认为，颗粒污泥是由于微生物(如细菌)分泌的胞外多糖使细胞粘结在一起而形成的。
新加坡南洋理工大学Y.G.Yen等认为污泥颗粒化过程可分成三个阶段，即积累阶段、颗粒化阶段和成熟阶段。大量初始颗粒污泥在反应器的底部形成并开始逐渐增长，这种状态为颗粒初始化。从反应器刚开始启动到颗粒初始化这段时间称为积累阶段。在此阶段中，颗粒化过程进行的很慢。相应地，当用粒径表示的颗粒比生长速率急剧下降时(约为最大生长速率Vφ的20%或更低)，颗粒成熟，这种状态称为颗粒成熟化。颗粒化阶段介于颗粒初始和颗粒成熟之间。在成熟阶段，尽管颗粒的平均大小仍然变化，但是成熟颗粒污泥较稳定，达到动力学平衡。
周孟津等人把UASB反应器中颗粒污泥的形成过程分为5个时期，即絮凝污泥丝状菌增长期、颗粒污泥亚单位生成期、亚单位聚集期、初生颗粒生长期和颗粒污泥生长和成熟期。因此，颗粒污泥的形成过程通常分为四步:①细菌向惰性物质或其他菌体表面移动；②通过理化作用可逆地吸附在一起或惰性物质上；③通过微生物附属物的作用将细菌不可逆地粘附一起或惰性物质上；④细菌的倍增和颗粒污泥的增大。
5. UASB反应器的应用研究
UASB反应器自1977年实现工业化应用以来，已成功地应用于处理多种不同成分、不同浓度的污水，如高浓度制糖废水、土豆加工废水、淀粉废水、啤酒废水、酒精废水、乳品废水、屠宰废水、造纸废水，表1所列为国内外部分UASB反应器的统计设计资料。
厌氧膨胀颗粒床反应器(EGSB)
20世纪80年代后期，Lettinga教授等人在利用UASB反应器处理生活污水时，为了增加污水与污泥的接触，更加有效地利用反应器的容积，优化UASB反应器的结构设计和操作参数，使反应器中颗粒污泥床在高的液体表面上升流速下充分膨胀，从而处理效果大大提高，由此形成了早期的厌氧膨胀颗粒床(Expanded Granular Sludge Bed, EGSB)反应器。
1. EGSB反应器的工作原理
EGSB反应器是对UASB反应器的改进，与UASB反应器相比，它们最大的区别在于反应器内液体上升流速的不同。在UASB反应器中，水力上升流速Vup一般小于1m/h,污泥床更像一个静止床，而EGSB反应器通过采用出水循环，其流速Vup一般可达到5～10m/h,所以整个颗粒污泥床是膨胀的。EGSB反应器这种独有的特征使它可以进一步向着空间化方向发展，反应器的高径比可高达20或更高。因此对于相同容积的反应器而言，EGSB反应器的占地面积大为减少。除反应器主体外，EGSB反应器的主要组成部分有进水分配系统、气、液、固三相分离器以及出水循环部分，其结构示意图如图3所示。
EGSB反应器在运行过程中，待处理废水与被回流的出水混合经反应器底部的进水分配系统均匀进人反应器的反应区。反应区内的泥水混合液及厌氧消化产生的沼气向上流动，部分沉降性能较好的污泥经过膨胀床区后自然回落到污泥床区，沼气及其余的泥水混合液继续向上流动，经三相分离器后，沼气进入集气室，部分污泥经沉淀后返回反应区，液相夹带部分沉降性极差的污泥排出反应器。
进水分配系统的主要作用是将进水均匀地分配到整个反应器的底部，并产生一个均匀的上升流速。与UASB反应器相比，EGSB反应器由于高径比更大，其所需要的配水面积会较小，同时EGSB反应器采用了出水循环，其配水孔口的流速会更大，因此系统更容易保证配水均匀。
三相分离器仍然是EGSB反应器最关键的构造，其主要作用是将出水、沼气、污泥三相进行有效分离，使污泥在反应器内有效持留。与UASB反应器相比，EGSB反应器内的液体上升流速要大得多，因此必须对三相分离器进行特殊改进。改进可以有以下几种方法:
①增加一个可以旋转的叶片，在三相分离器底部产生一股向下水流，有利于污泥的回流；
②采用筛鼓或细格栅，可以截留细小颗粒污泥；
③在反应器内设置搅拌器，使气泡与颗粒污泥分离；
④在出水堰处设置挡板，以截留颗粒污泥。
出水循环部分是EGSB反应器不同于UASB反应器之处，其主要目的是提高反应器内的液体上升流速，使颗粒污泥床层充分膨胀，污水与微生物之间充分接触，加强传质效果，还可以避免反应器内死角和短流的产生。
2. EGSB反应器的特点
与废水的好氧生物法相比，厌氧法具有负荷高、产泥少、能耗低、回收部分生物能等优点。EGSB反应器与UASB反应器相比，具有以下的特点(表2)。
3. EGSB反应器的启动
EGSB反应器的常规启动：
反应器能否快速启动直接影响其应用与推广，因此快速成功地启动EGSB反应器成为国内外学者研究的焦点。
EGSB反应器的启动一般分为三个步骤:
1)启动初期，接种污泥适应期。由于所处环境的改变，接种污泥会经过一段的适应期。此时的水力停留时间一般为6～10h;
2)启动中期，提高水力负荷，降低停留时间。随着污泥活性的恢复， 系统表现为COD去除率逐渐上升，此时可逐渐提高水力负荷，将其从初始的2～3m3/ (m3 .d)提高到4～6m3/ (m2.d)，水力停留时间降低至2～4h。通过改变水力负荷，反应器内沉淀性能较差的细小絮状污泥会随水流流出，由此完成颗粒污泥的筛选;
3)启动稳定期。维持进水COD容积负荷，反应器出水COD去除率较高且稳定，启动过程完成。
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