工艺技术关注: 厌氧装备技术发展历程

查看全部 · 发表于 2021-4-12 08:24:34

从厌氧技术诞生以来至今已经过了100多年的发展，期间共发生过两次高潮。第一次高潮是从20世纪50年代起，发达国家工业化和城市化进程加快，造成了严重的环境污染，此时科学家们开发了厌氧塘、普通厌氧消化池、厌氧接触工艺反应器即第一代厌氧反应器，并在世界范围内开始尝试应用厌氧生物技术。20世纪70年代，迎来了厌氧生物技术发展的第二个高潮。随着经济的快速发展，世界能源问题和环境污染问题越来越严重，科学家们开发了以UASB反应器（荷兰）为代表的第二代厌氧反应器，使得厌氧生物技术真正开始快速发展。而后在此基础上，一系列第三代更高效的厌氧反应器得以研发和应用。

第一代厌氧反应器的开发

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上述的反应器均为第一代厌氧反应器。这些反应器的特点是厌氧微生物生长极其缓慢，世代时间长，反应器内无法分离水力停留时间和污泥停留时间，所以第一代反应器必须保持足够长的停留时间，一般消化工艺在中温环境下的停留时间至少为20-30天。

此时的低负荷需要较长停留时间的厌氧系统使业界许多人认为厌氧系统运行结果不理想，本质上还是不如好氧系统。

代表反应器

1、厌氧消化池（1896年发明，1910至1950年代升级）

（1）工艺流程

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图1 厌氧消化池构造图

如图1所示，废水或污泥定期或连续进入消化池中，消化后的污泥和上清液分别从消化池底部和上部排出，所产生的沼气从顶部排出。普通厌氧消化池的池体高度一般为池径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥；池顶盖为半球形，以利收集沼气。为了使进泥或进水与厌氧污泥充分接触并使所产沼气及时逸出通常还设有搅拌装置，进行中温或高温消化时，还需要对消化液或进水进泥进行加热。

（2）特点

普通消化池的体积较大，负荷较低，一般中温为2～3kgCOD/(m3·d)，高温为5～6kgCOD/(m3·d)，其根本原因在于固体停留时间等于水力停留时间。为保证厌氧微生物在厌氧反应器内得以生长繁殖，污泥龄应该是甲烷菌世代时间的2～3倍，因此，普通消化池在中温条件下的停留时间为20～30d，如果消化池内不进行搅拌和加热，停留时间甚至长达30～90d，处理效率极低。没有对图1厌氧消化池构造图图2厌氧接触工艺系统构造图厌氧消化污泥进行浓缩和回流的设施，反应器内厌氧微生物容易流失而使厌氧处理效果下降。

2、厌氧接触工艺（20世纪50年代）

（1）工艺流程

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图2 厌氧接触工艺系统构造图

如图2所示，在普通消化池后串联沉淀池，将生物反应和泥水分离在两个独立的构筑物中进行，沉淀的污泥重新返回消化池，有效地增加了反应器中的污泥浓度。

（2）特点

增大了反应器内厌氧污泥的浓度，使得反应器中厌氧污泥的停留时间第一次大于水力停留时间，不仅操作简单，而且提高了负荷与处理效率。污泥回流量约为进水流量的2~3倍，消化池内的MLVSS为6~10g/L，可以直接处理固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题。但存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。

第二代厌氧反应器的开发

高效厌氧处理系统必须满足两大原则之一，在系统内保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄。要满足这一原则，可采用固定化（生物膜）或者培养沉淀性能较好的厌氧污泥的方式来保持污泥浓度，从而在采用高有机负荷和水力负荷时不会流失大量厌氧活性污泥。

20世纪60年代，McCarty和Young在早前科学家研究的基础上恢复了对厌氧滤池的研究，应用在中低浓度溶解性工业废水的预处理/处理领域。他们在反应器内装载各类填料，如卵石、炉渣、塑料等，在污水流动过程中在填料上生长出大量的生物膜。厌氧滤池在很短的水力停留时间内可以保持较长的污泥龄，平均的细胞停留时间可长达100天以上。

1970年，Lettinga因偶然看到了McCarty的文章，领导其研究团队发明了UASB反应器，并在甲醇废水处理上取得UASB的初步成功。UASB反应器集生物反应与污泥沉淀于一体，沿高程从上到下分为沉淀区、三相分离区和反应区，在反应器内通常能培养出沉降性能良好的颗粒污泥，从而在没有填料和载体的情况下完成了生物相的固定化，节省了空间和成本，同时使水力停留时间和污泥停留时间分开，以在反应器内保持较高的污泥浓度。

上述的反应器均为第二代厌氧反应器。这些反应器的特点是可将水力停留时间与污泥停留时间分离开，其污泥停留时间可以长达上百天，可使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。但如果第二代反应器在低温条件下采用低负荷工艺时，由于污泥床内的混合强度太低，就无法抵消反应器内的短流效应，所以第二代厌氧反应器在应用负荷和产气率方面有一定的限制。

代表反应器

1、厌氧滤池（20世纪60年代）

（1）工艺流程

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图3 厌氧滤池构造图

如图3所示，通过在反应器内填充各类过滤介质（碎石、焦炭、塑料球、软性或半软性填料等），废水从池底进入并从池顶连续排出，在通过填料层时与附着在填料上的微生物接触，使有机物得以降解。

（2）特点

无需沉淀池和污泥回流，设备简单，操作方便；生物膜折算的污泥量大，泥龄长，处理效果好；生物滤池的关键是滤料，表面积越大，形成的生物膜量越多，单位反应器的处理能力越大；滤料费用较贵，容易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚，堵塞后没有简单有效的清洗方法，因此仅适合SS含量低的污水。

2、UASB反应器（1970年）

（1）工艺流程

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图4 UASB 反应器构造图

UASB主要由进水系统、三相分离器、出水系统、罐体等组成，如图4所示，分为进水区（布水区）、反应区（含污泥床区、悬浮污泥层区）、沉淀区、出水区、沼气区等。

废水由进水系统从反应器的底部进入，进水系统兼有布水和水力搅拌的作用。布水器均匀布水，布水器出水口高速水流的冲击和上升气泡的扰动使污水与污泥混合。反应过程中，产生的沼气（气泡）在上升过程中将污泥颗粒托起，气泡带着污泥和水一起上升进入沉淀区，该区域的三相分离器将反应中产生的沼气、污泥和被处理废水加以分离。经泥水分离后的处理出水则从沉淀区上部的集水槽排出。气、固、液分离后的气体（沼气）由气室收集，再由沼气管通过水封器后安全燃烧或净化回收利用。反应器内的污泥超过一定高度，将随出水一起冲出反应器。

（2）特点

结构紧凑、处理能力大、处理效果好，具有污泥浓度高、有机负荷高等优点；除进水泵外，设备本身无任何动力消耗，运行能耗低；平面布置有圆形、矩形、方形；池体结构有钢制、钢筋混凝土（多为矩形布置）；上升流速：0.5~1.5m/h（多控制在0.6~0.9m/h）；高度一般为6~12m（最高可达15m）。

3、厌氧生物转盘（1980年）

（1）工艺流程

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图5厌氧生物转盘构造图

厌氧生物转盘在构造上类似于好氧生物转盘，即主要由盘片、传动轴与驱动装置、反应槽等部分组成。在结构上一种具有旋转水平轴的队列式密封长圆筒，轴上装有一系列圆盘。运行时圆盘大部分浸在污水中，厌氧微生物附着在旋转的圆盘表面形成生物膜，保持较长的污泥停留时间，代谢污水中的有机物并产生沼气。

（3）特点

微生物浓度高，有机负荷高，水力停留时间短；废水沿水平方向流动，反应槽高度小，节省了提升高度；一般不需回流；不会发生堵塞，可处理含较高悬浮固体的有机废水；多采用多级串联，厌氧微生物在各级中分级，处理效果更好；运行管理方便；但盘片的造价较高。

第三代厌氧反应器的开发

高效厌氧处理系统必须满足两大原则之二，还要保持污水和污泥之间的充分接触。要满足第二原则，需要保证反应器内布水均匀和混合均匀，最大程度避免短流。布水均匀方面主要要设计好布水系统，混合均匀则主要依靠进水混合和气体的扰动。所以如果在低温条件下采用低负荷工艺时，必须要采用高反应器或是出水回流的方法才能保证反应器内较高的搅拌强度。

1980年，美国斯坦福大学的McCarty团队在厌氧生物转盘的基础上改进开发出了厌氧折板式反应器（ABR），几乎完美实现了lettinga提出的分级多相厌氧工艺的思路，通过在反应器内设置导流板，增加反应三、第三代厌氧反应器的发展室和改变废水的水流方向使反应器泥水充分混合。

1985年，荷兰帕克公司基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念改进发明了厌氧内循环反应器（IC）。该反应器本质由2个UASB反应器的单元相互重叠而成，特点就是在高的反应器内分为2个部分，下部处于极端的高负荷，上部处于低负荷，通过混合液内循环的方式大大强化了泥水混合和传质效果，加快了反应速率。

1986年，lettinga教授团队发明了膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器。EGSB反应器实质就是改进了的UASB反应器，只是运行方式和UASB反应器不同，即在很高的上升流速下运行以保持颗粒污泥处于悬浮状态，从而保证了污水和污泥的充分接触。EGSB反应器的停留时间低于传统的UASB反应器。而后在2008年，荷兰HydroThane的研究团队又研发出ECSB（ExternalCirculationSludgeBed）即外循环污泥床反应器。

上述的反应器均为第三代厌氧反应器。此类反应器的特点是颗粒污泥（或生物膜）沉速比絮状污泥沉速高，不用外部沉淀池；采用比UASB高得多的液体和气体上升流速及有机负荷；污泥床处于悬浮和膨胀状态；颗粒污泥（或生物膜）比表面积大、生物浓度高、传质条件好、溶解有机物去除率高；反应器的径高比大，负荷高；污泥龄长，污泥产量少。

代表反应器

1、厌氧折流板反应器（1982年）

（1）工艺流程

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图6 ABR 反应器构造图

如图6所示，厌氧折流板反应器（ABR）内设置若干竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床系统，废水进入反应器后沿导流板上下折流前进，依次通过每个反应室的污泥床，废水中的有机基质通过与微生物充分的接触而得到去除。借助于废水流动和沼气上升的作用，反应室中的污泥上下运动，但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，污泥在水平方向的流速极其缓慢，从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中。将生理条件完全不同的发酵细菌和甲烷细菌两大菌群进行的生化过程分别在两个容器中顺序独立完成，并且维持各自的最佳环境条件，就形成了两相厌氧消化系统。、

（2）特点

结构简单，没有特殊的气固分离系统，运用挡板构造在反应器内形成多个独立的反应器，实现了分相多阶段缺氧，其流态以推流为主，对冲击负荷及进水中的有毒物质具有很好的缓冲适应能力，还具有不短流，不堵塞，无需搅拌和易启动的特点。

2、IC反应器（1985年）

（1）工艺流程：

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图7 IC 反应器构造图

IC主要由进水系统、两层三相分离器、出水系统、循环系统、气液分离器、罐体等组成，具体构造如图7所示，分为进水区（布水区）、主反应区、精处理区、沉淀区、出水区、沼气区等。简单地说，IC实际上是由上下两个UASB一体化组合而成。

废水由进水系统从反应器底部进入主反应区，并通过进水系统使其与污泥混合，废水中大部分有机物在此得到降解，并产生沼气。沼气由集气罩收集后经上升管上升至气液分离器。在沼气的上升过程中，把主反应图7IC反应器构造图区的混合液提升至气液分离器，经分离后的沼气由顶部管道排出反应器，分离后的泥水混合液则经气液分离器底部的下降管返回至主反应区，并与底部污泥、进水充分混合，实现了主反应区混合液的内部循环。经主反应区处理后的混合液继续上升至精处理区，废水中剩余有机物在此得到进一步处理。处理过程中，产生的沼气由集气罩收集后经集气管进入气液分离器。其泥水混合液在沉淀区进行分离，上清液经集水槽排出反应器，分离后的污泥则自动返回精处理区。

（2）特点

通过增加高径比，提高反应器上升流速，提高传质效率，维持反应器较高的污泥浓度，增强对于有机物的去除效果；同时，降低了停留时间、减小了占地面积，提高了抗冲击负荷和容积负荷。平面布置一般为圆形、矩形、方形，池体结构多为钢制、钢筋混凝土，上升流速：2~10m/h，高度一般为16~25m。

3、EGSB反应器（1986年）

（1）工艺流程

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图8 EGSB 反应器构造图

EGSB厌氧反应器其构造与UASB反应器有相似之处，如图8所示，其构造根据功能划分为混合区、膨胀区、沉淀区和集气部分。废水经过污水泵进入EGSB厌氧反应器的有机物充分与厌氧罐底部的污泥接触，大部分被处理吸收。高水力负荷和高产气负荷使污泥与有机物充分混合，污泥处于充分的膨胀状态，传质速率高，大大提高了厌氧反应速率和有机负荷。所产生的沼气上升到顶部经过三相分离器把污泥、污水、沼气分离开来。

（2）特点

除具有UASB反应器的全部特性外，还具有以下特征：设有专门的出水回流系统；具有高的液体表面上升流速和COD去除负荷，有机负荷是UASB有机负荷的2-5倍；厌氧污泥颗粒粒径较大，反应器抗冲击负荷能力强；反应器为塔形结构设计，具有较高的高径比，占地面积小；主要用于高浓度有机废水处理，可用于SS含量高的和对微生物有毒性的废水处理。EGSB反应器一般为圆柱状塔形，具有很大的高径比，一般可达3~5，生产装置反应器的高度可达15~20米。从实际运行情况看，EGSB厌氧反应器对有机物的去除率高达85%以上，运行稳定，出水稳定，已广泛运用到国内中大型企业。

4、ECSB（2008年）

（1）工艺流程：

ECSB主要由进水系统、出水系统、循环系统、中和罐、ECSB罐等组成，如图9所示，分为进水区（布水区）、中和区、反应区、出水区、沼气区等。

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图9 ECSB 反应器构造图

废水进入中和罐，在中和罐中，原废水与循环的厌氧出水进行混合调质。调质好的废水泵送至ECSB罐中，废水从ECSB罐底部通过进水系统进入，经过两层相分离器后，从反应器顶部排出。ECSB罐底层为高浓度污泥床，由进水、外部循环及其沼气产生的上升流带动污泥床扩张、膨胀。废水和颗粒污泥的有效接触导致污泥活性高，使得高有机负荷及高转化速率成为可能。ECSB罐中间层可以进行有效的后处理，同时进一步产生一定的颗粒污泥。

（2）特点

通过外循环的方式，强制加强水力搅拌混合作用，强化处理效果和系统抗冲击负荷能力；同时，在运行过程中由于中和罐和ECSB罐水位高差几乎相等，外循环并不会给系统带来较大的能力损失；ECSB结构简洁，操作性强，免维护。平面布置为圆形、矩形、方形，池体结构多为钢制、钢筋混凝土，高度一般为20~24m。

结语

厌氧反应器经过一百多年的发展已经从第一代发展到了第三代。第一代反应器以腐化池、厌氧消化池为代表的低负荷系统，必须保证足够长的停留时间，反应效率极低；第二代反应器以厌氧滤池、UASB反应器为代表的高负荷系统，实现了固体停留时间和水力停留时间的分离，大大提高了反应效率；第三代反应器以IC反应器、EGSB反应器为代表，不仅分离了固体停留时间和水力停留时间，在系统内保留大量的活性污泥，还实现了废水和污泥的充分接触，从而成为真正高效的厌氧反应器。

通过梳理厌氧反应器的发展及目前存在的问题可以看出其未来的发展方向：

1、适用于各种环境及更多的领域，比如在低温和低浓度的情况下，极端不良进水水质的领域等等；

2、更快速的反应速率；

3、更高标准的出水水质；

4、更短的启动时间。来源: 俞岚 JIEI创新实验室