厭氧生物處理，又被稱為厭氧消化、厭氧發酵，是指在厭氧條件下由厭氧或兼性微生物的共同作用，使有機物分解并產生甲烷和二氧化碳的過程。最初的厭氧處理工藝僅被應用于生活污水的處理，之后又被應用于污泥消化分解，進而應用于工業廢水的處理，并且發展了很多效果良好的厭氧生物處理工藝。傳統厭氧生物處理技術具有水力停留時間長、有機負荷低、池容大等的缺點，制約了厭氧生物處理技術的推廣和應用。

隨著對全球能源短缺和溫室效應等問題的關注，可再生能源的重要性日益顯現，而厭氧生物處理技術可將污廢水轉化為乙酸、甲烷、氫氣等可再生能源，既能實現資源化、能源化利用，又能減輕環境污染。因此，對于厭氧處理技術、厭氧反應器的開發研究也變得越來越多。隨著對厭氧消化機理研究的不斷深人和各種高效厭氧反應器的飛速發展，污廢水的生物處理技術已經成為資源和環境保護的核心技術之一。同時，污水厭氧生物處理技術以其成本低廉、穩定高效等特點，在高濃度有機廢水、難降解有機度水的處理領域中得到了廣泛的應用。?

厭氧生物處理工藝的發展

第一代厭氧反應器

早在19世紀，人們就利用厭氧工藝處理廢水廢物。1881年，法國工程師Louis Mouras發明了用以處理污水污泥的“自動凈化器”，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年英國出現了第一座用于處理生活污水的厭氧消化池，產生的沼氣用于照明。1904 年德國的工程師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。1912 年英國的伯明翰市建立了第一個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準的消化池。二戰結束后，厭氧處理技術的發展又掀起了一個高潮，高效的、可加溫和攪拌的消化池得到了發展，厭氧污泥與廢水的加溫、攪拌提高了處理效率。但從本質上，反應器中的微生物(即厭氧污泥)與廢水或廢料是完全混合在一起的，污泥在反應器里的停留時間(SRT) 與廢水的停留時間(HRT)是相同的，因此污泥在反應器里濃度低，廢水在反應器里要停留幾天到幾十天之久，處理效果差。此時的厭氧處理技術主要用于污泥與糞肥的消化，它尚不能經濟地用于工業廢水的處理。直至1955年，Soefer開發了用以處理食品包裝廢水的厭氧接觸反應器(AC法)， 取得了良好的效果。

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

第二代厭氧反應器

隨著生物發酵工程中固定化技術的發展，人們認識到提高反應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器得以發展。第二代高效厭氧生物反應器必須滿足以下兩個條件:

1)系統內能夠保持大量的活性厭氧污泥；

2) 反應器進水應與污泥保持良好的接觸。

依據這一原則，20世紀60年代末，第一個基于微生物固定化原理的高速厭氧反應器——厭氧濾池誕生。它的成功之處在于，在反應器中加人固體填料(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間與生物固體停留時間相分離，其固體停留時間可以長達上百天，這就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。在相同的溫度下，厭氧濾池的負荷高出厭氧接觸工藝2～3倍，同時有很高的COD去除率，而且反應器內易于培養出適應有毒物質的厭氧污泥。

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

第二代厭氧反應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器高效運轉的關鍵問題，這些反應器的突出優點有: 1)具有較高有機負荷和水力負荷，反應器容積比傳統裝置減少90%以上;

2)在低溫、沖擊負荷、存在抑制物等不利條件下仍可保持良好的穩定性;

3) 反應器結構簡單，占地面積小，適合各種規模，并可作為運行單元被結合在整體的處理技術中，操作簡便，人工管理費用得到降低。

然而第二代厭氧反應器的缺陷仍然非常明顯:對于進水無法采用高的水力和有機負荷，反應器的應用負荷和產氣率受到限制。

第三代厭氧反應器

20世紀90年代初，人們為實現高效厭氧反應器的有效運行，結合第二代反應器的優缺點，研發了第三代厭氧反應器。第三代厭氧反應器具備占地面積小、動力損耗小等特點，微生物均以顆粒污泥固定化的方式存在于反應器當中，反應器單位容積的生物量比以往更高，能承受更高的水力負荷且具備較高的有機污染物凈化效果。反應器內的微生物在不同區域內生長，可以與不同區域內的進水充分接觸，完成了一定程度上的生物相分離。第三代反應器的主要代表有:厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內循環反應器(IC)、升流式厭氧污泥床過濾器(UBF)等。

新型厭氧生物處理工藝與反應器

升流式厭氧污泥床反應器(UASB 反應器)

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

1. UASB反應器的工作原理

UASB反應器的結構如圖2所示，其主體可分為兩個區域，即反應區和氣、液、固三相分離區。在反應區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。當反應器運行時，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，經過酸化與甲烷化兩個過程，分解污水中的有機物，產生的沼氣以氣泡的形式由污泥床區上升，并帶動周圍混合液產生一定的攪拌作用。經過氣體的攪拌，污泥床區的松散污泥被帶人污泥懸浮層區，與懸浮污泥碰撞接觸，-部分污泥比重加大，沉人污泥床區。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，氣體受反射板的作用而進人集氣室被分離，污泥和水進人沉降室，由于氣體已被分離，沉降室的擾動很小，液體的運動趨于層流形態，在重力作用下泥、水分離，污泥沿斜壁返回反應區，上清液從沉淀區上部排走。

2. UASB反應器的特點

UASB反應器的污泥顆粒化是該反應器的一個主要的特征。顆粒污泥可以定義為具有自我平衡的微生態系統，其特性特別適宜于升流式廢水處理系統的微生物聚集體。這一聚集體在體積上相對較大，與絮狀污泥短時間形成的聚集體不同，顆粒污泥物理性狀是相對穩定的。UASB工藝的穩定性和高效性很大程度上取決于顆粒污泥的形成。如果反應器內的污泥以松散的絮狀體存在，往往容易出現污泥上浮流失， 使反應器不能在高負荷下穩定運行。顆粒污泥具有極好的沉降性能，可以保持UASB反應器內高濃度的厭氧污泥。當產氣量較高，廢水上升速度增加，絮狀污泥由于沉降性能差，容易被沖洗出反應器。反應器內氣體和水流產生的剪切力也會使得絮狀污泥進一步分散，加劇系統厭氧污泥的流失。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，污泥的顆粒化可以使UASB反應器有更高的有機物容積負荷和水力負荷。

除了污泥顆粒化外， UASB反應器還具有以下特點:

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

2)有機負荷高，水力停留時間短。

3)反應器內設三相分離器。被沉淀區分離的污泥能自動回流到反應區，一般無污泥回流設備。

4)無混合攪拌設備。反應器投產運行正常后，利用自身產生的氣體和進水來達到攪拌的目的。

5)污泥床內不填載體，節省造價及避免堵塞問題。

6) 反應器中污泥泥齡長，污泥表觀產率低，所排出的污泥數量極少，從而降低了污泥處理的費用。

3. UASB反應器的啟動

1)污泥的馴化

UASB反應器啟動的難點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個月， 如果靠設備自身積累，投產期最長可長達1～2年。實踐表明，投加少量的載體，有利于厭氧菌的附著，促進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期。

2)啟動操作要點

①最好一次投加足量的接種污泥；

②啟動初期從污泥床流出的污泥可以不予回流，以使特別輕的和細碎污泥跟懸浮物連續地從污泥床排出體外，使較重的活性污泥在床內積累，并促進其增殖逐步達到顆粒化；

③啟動開始廢水COD濃度較低時，未必就能讓污泥顆粒化速度加快；

④最初污泥負荷一般在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酚未能有效分解之前，不應隨意提高有機容積負荷，這需要跟蹤觀察和水樣化驗；

⑥可降解COD的去除率達到70%～80%左右時，可以逐步增加有機容積負荷；

⑦為促進污泥顆粒化，反應器應采用較高的表面水力負荷，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。

4.厭氧顆粒污泥的性質和形成機理

1)厭氧顆粒污泥性質

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，但同時還存在一些好氧菌和兼性厭氧菌。顆粒污泥的形成實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，惰性載體對顆粒污泥的形成和它的穩定性都不是必須的。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。顆粒污泥有兩個重要特性:良好的沉降性能和高比產甲烷活性。

在UASB反應器中，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2m/h。顆粒污泥根據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反應器中的沉降速度大于50m/h。

2)顆粒污泥的形成機理

關于顆粒污泥形成的機理目前還處于研究階段，研究者提出了種種假說，大多數是根據觀察顆粒污泥在形成過程中所出現的現象提出的，以下為幾種有代表性的假說:

①晶核假說。該假說認為顆粒污泥的形成類似于結晶過程，在晶核基礎上，顆粒不斷發育，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行過程中產生的無機鹽，如CaCO3或其他顆粒物質。

②不少研究結果表明，在多數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而成長，而是完全靠微生物本身形成的，因而又產生了其他的觀點:

電中和作用。這一假說認為，在厭氧污泥顆粒化過程中，Ca2+ 能中和細菌細胞表面的負電荷，減弱細胞間的電荷斥力作用，并通過鹽橋作用而促進細胞的凝聚反應；

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

新加坡南洋理工大學Y.G.Yen等認為污泥顆粒化過程可分成三個階段，即積累階段、顆粒化階段和成熟階段。大量初始顆粒污泥在反應器的底部形成并開始逐漸增長，這種狀態為顆粒初始化。從反應器剛開始啟動到顆粒初始化這段時間稱為積累階段。在此階段中，顆粒化過程進行的很慢。相應地，當用粒徑表示的顆粒比生長速率急劇下降時(約為最大生長速率Vφ的20%或更低)，顆粒成熟，這種狀態稱為顆粒成熟化。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定，達到動力學平衡。

周孟津等人把UASB反應器中顆粒污泥的形成過程分為5個時期，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細菌向惰性物質或其他菌體表面移動；②通過理化作用可逆地吸附在一起或惰性物質上；③通過微生物附屬物的作用將細菌不可逆地粘附一起或惰性物質上；④細菌的倍增和顆粒污泥的增大。

5. UASB反應器的應用研究

UASB反應器自1977年實現工業化應用以來，已成功地應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所列為國內外部分UASB反應器的統計設計資料。

厭氧膨脹顆粒床反應器(EGSB)

20世紀80年代后期，Lettinga教授等人在利用UASB反應器處理生活污水時，為了增加污水與污泥的接觸，更加有效地利用反應器的容積，優化UASB反應器的結構設計和操作參數，使反應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)反應器。

1. EGSB反應器的工作原理

EGSB反應器是對UASB反應器的改進，與UASB反應器相比，它們最大的區別在于反應器內液體上升流速的不同。在UASB反應器中，水力上升流速Vup一般小于1m/h,污泥床更像一個靜止床，而EGSB反應器通過采用出水循環，其流速Vup一般可達到5～10m/h,所以整個顆粒污泥床是膨脹的。EGSB反應器這種獨有的特征使它可以進一步向著空間化方向發展，反應器的高徑比可高達20或更高。因此對于相同容積的反應器而言，EGSB反應器的占地面積大為減少。除反應器主體外，EGSB反應器的主要組成部分有進水分配系統、氣、液、固三相分離器以及出水循環部分，其結構示意圖如圖3所示。

EGSB反應器在運行過程中，待處理廢水與被回流的出水混合經反應器底部的進水分配系統均勻進人反應器的反應區。反應區內的泥水混合液及厭氧消化產生的沼氣向上流動，部分沉降性能較好的污泥經過膨脹床區后自然回落到污泥床區，沼氣及其余的泥水混合液繼續向上流動，經三相分離器后，沼氣進入集氣室，部分污泥經沉淀后返回反應區，液相夾帶部分沉降性極差的污泥排出反應器。

進水分配系統的主要作用是將進水均勻地分配到整個反應器的底部，并產生一個均勻的上升流速。與UASB反應器相比，EGSB反應器由于高徑比更大，其所需要的配水面積會較小，同時EGSB反應器采用了出水循環，其配水孔口的流速會更大，因此系統更容易保證配水均勻。

三相分離器仍然是EGSB反應器最關鍵的構造，其主要作用是將出水、沼氣、污泥三相進行有效分離，使污泥在反應器內有效持留。與UASB反應器相比，EGSB反應器內的液體上升流速要大得多，因此必須對三相分離器進行特殊改進。改進可以有以下幾種方法:

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

②采用篩鼓或細格柵，可以截留細小顆粒污泥；

③在反應器內設置攪拌器，使氣泡與顆粒污泥分離；

④在出水堰處設置擋板，以截留顆粒污泥。

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

2. EGSB反應器的特點

與廢水的好氧生物法相比，厭氧法具有負荷高、產泥少、能耗低、回收部分生物能等優點。EGSB反應器與UASB反應器相比，具有以下的特點(表2)。

3. EGSB反應器的啟動

EGSB反應器的常規啟動：

反應器能否快速啟動直接影響其應用與推廣，因此快速成功地啟動EGSB反應器成為國內外學者研究的焦點。

EGSB反應器的啟動一般分為三個步驟:

1)啟動初期，接種污泥適應期。由于所處環境的改變，接種污泥會經過一段的適應期。此時的水力停留時間一般為6～10h;

2)啟動中期，提高水力負荷，降低停留時間。隨著污泥活性的恢復， 系統表現為COD去除率逐漸上升，此時可逐漸提高水力負荷，將其從初始的2～3m3/ (m3 .d)提高到4～6m3/ (m2.d)，水力停留時間降低至2～4h。通過改變水力負荷，反應器內沉淀性能較差的細小絮狀污泥會隨水流流出，由此完成顆粒污泥的篩選;

3)啟動穩定期。維持進水COD容積負荷，反應器出水COD去除率較高且穩定，啟動過程完成。

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