高速厌氧反应器的现状与发展

汪艳霞

（太原学院环境工程系，山西太原 030032）

传统厌氧消化工艺水力停留时间长、处理效率低，其主要原因有以下两点：（1）厌氧反应器内没有足够量的高活性微生物，尤其是产甲烷微生物；（2）污水和微生物间没有充分接触.传统厌氧消化工艺的这些缺点导致了传统厌氧消化工艺的使用受到了限制.近年来，世界能源危机显著，生物化学和微生物学的发展比较迅速，于是人们把焦点再次投向厌氧生物处理技术，相继出现了以UASB反应器为代表的第二代厌氧反应器和EGSB反应器为代表的第三代厌氧反应器.采用第二代反应器，可使反应器内水力停留时间（HRT）和污泥停留时间（SRT）进行分离，污水在反应器内的水力停留时间得到大大缩减（由原来的数十天缩减至几天，有时甚至是几个小时），反应器的容积大大减小.第三代反应器相比较第二代反应器，在构造上进行了改进，改进后它可有效截留反应器内的生物固体，使得反应器内不同区域均生长微生物，污水和污泥进行充分接触，从而提高处理效率.第三代厌氧反应器的应用范围也发生了改变，由对高浓度有机废水的处理扩展到对低温、低浓度废水以及一些含难降解物质、有毒物质的处理.

1 UASB反应器

UASB反应器是目前应用最为广泛的厌氧反应器，是20世纪70年代由荷兰的Lettlnga等人开发的，反应器由气、液、固三部分组成，反应器底部为厌氧颗粒污泥床，污泥床的生物活性很高，沉降性能也很好.颗粒污泥床上部是悬浮污泥层，其浓度较低.

废水由反应器的底部进入反应器，流经厌氧颗粒污泥床和悬浮污泥层时，被微生物降解，产生沼气，随着水流方向，反应器内的水、气、泥混合液也上升，上升至三相分离器后，气体进入集气室，水和泥进入沉降室.在沉降室内，进行泥水分离，污泥沉降至反应区，处理以后的上清液从沉降室上方排走.

反应器利用污泥颗粒化不仅实现了污泥停留时间与水力停留时间的分离[1]，而且保证了高有机负荷率（一般为10 kg COD/（m3.d）和高生物量（一般为20～40 g VSS/L））[2].

尽管如此，UASB反应器仍面临很多问题：（1）污泥流失比较严重，水力负荷难以提高；（2）对所处理废水的温度有要求，适宜处理水温为17℃以上；（3）不能有效处理难生物降解物质和有毒物质；（4）颗粒污泥的处理能力很难得到大幅提高，不能使得泥水进行很好的接触；（5）无法强化传质过程，传质依然是限制生化反应速率的主要因素；（6）COD去除率并不高，通常为45%～75%.

2 EGSB反应器

基于对上述UASB反应器的研究结论，人们考虑可以设计一种反应器，使颗粒污泥床能够在反应器内充分膨胀，EGSB反应器由此就产生了.该反应器采用较大的高径比，且对上清液部分出水采用回流进水，这样就使反应器内的液体上升流速得以较大提高，从而达到污泥床充分膨胀的目的.

出水循环是EGSB反应器不同于UASB反应器之处（见图1），从而使EGSB反应器具有以下显著特点：

图1 UASB反应器和EGSB反应器

（1）在高负荷下取得高处理率，尤其是在低温下，对低浓度有机废水的高处理率.如处理未酸化的废水达到同样去除率，在10℃时，UASB负荷为0.5～1.5 kg COD/（m3.d），而EGSB可达到2～5 kg COD/（m3.d）；在15℃时，UASB负荷为2～4 kg COD/（m3.d），而EGSB可达到6～10 kgCOD/（m3.d）[3].

（2）由于采用较大高径比，使反应器内液体上升流速可维持在3～10m/h的范围内，从而可有效减少占地面积.

（3）EGSB的颗粒污泥的凝聚性能和沉降性能均很好，污泥的粒径很大，可达到3～4mm，颗粒沉速可达60～80m/h，机械强度也较高[4，5].

（4）三相分离器设计是EGSB高效稳定运行的关键[6].

（5）低基质浓度低温度废水会导致微生物活性降低，但EGSB反应器采用较高的基质浓度和温度的废水，污泥和污水可充分接触，使得处理低温低浓度废水的效率大大提高[7，8].Kato[9]等人采用225.5 L的EGSB反应器在30℃时处理以乙醇为基质的模拟低浓度废水.结果表明，当控制在2.5～5.5m/h范围内时，只要选择适当的OLR，当进水浓度为300～700mg COD/L甚至100～200mg COD/L时，COD去除率均可达90%以上.

（6）对超高COD浓度废水和含毒性、难降解物质的废水，EGSB反应器可通过稀释作用、强化传质来促进微生物降解基质，从而达到较好处理效果[10].荷兰Calidic Europoort化工厂对该厂COD为40000mg/L、甲醛为10000mg/L、甲醇为2000mg/L的废水用EGSB反应器进行处理.发现EGSB反应器在进水流量5 m3/h，循环流量145m3/h，HRT1.8 h，9.4m3/h，容积负荷17 kg COD/m3.d的运行条件下，出水COD从未超过800mg/L，COD去除率高达98%，出水甲醇和甲醛浓度平均为20mg/L，去除率可高达99.8%[11].

3 微氧EGSB反应器

虽然传统设计的EGSB反应器的去除效率较高，但对目前越来越多的含难降解、有毒物质的废水，仅是通过稀释、强化传质、保证微生物与污染物质的充分接触、提高SRT等手段，并不能彻底降解.因有许多难降解物质，如DDT、多环芳香烃、高氯化有机物等，在严格厌氧或严格好氧条件下是不能彻底降解或不能降解的，需要厌氧与好氧微生物共同作用才能降解.

微氧产甲烷技术正是适应这种需求而产生的.微氧产甲烷技术是美国学者D.H.Zitomer和J.Dshrout提出的，通过往厌氧反应器中加入少量氧气使得在同一反应器中可同时进行好氧呼吸和产甲烷两个过程，从而使该系统的特点如下：

3.1 污泥产量少（接近厌氧）

Zitomer以丙酸、乙醇为基质，反应器采用血清瓶，废水中分别通入0%、10%、30%COD的氧气添加量，分析污泥产率系数（Y），结果表明：（1）当氧气添加量为0%COD时，此时反应为厌氧状态，丙酸和乙醇的Y值分别为0.062和0.058 g VSS/g COD；（2）当氧气添加量为30%COD、10%COD时，反应为微氧状态，丙酸和乙醇的Y值分别为0.093、0.067 g VSS/g COD和0.12、0.081 g VSS/g COD[12].而一般采用好氧工艺时，污泥产率系数通常为0.4 g VSS/g COD左右，因此，微氧产甲烷条件下的Y值与严格厌氧条件下的Y值很接近，污泥产量少.

3.2 出水COD低

在好氧条件下，乙酸盐能被大量好氧微生物代谢，而在厌氧条件下只有少数几种微生物能代谢乙酸盐，从而使厌氧处理系统的出水中挥发性脂肪酸浓度较高[13].董春娟[14]等人在实验过程中，向蔗糖内通入部分氧气，使系统处于微好氧产甲烷系统，发现系统的COD去除率高.原因是系统在微好氧产甲烷状态时，乙酸、丙酸等这类中间代谢产物可以发生好氧反应进行降解.另外微好氧产甲烷系统由于厌氧形成的部分还原性物质（如H2S）和挥发性脂肪酸（VFA）被氧化、可溶性微生物产物（SMP）少等原因而降低了出水的COD浓度.

3.3 高产甲烷活性

高产甲烷活性很高，原因是在微氧产甲烷系统中，能迅速氧化VFA，能氧化和吹脱H2S，从而减少了毒性中间产物的积累，而中间产物的积累和高H2S浓度、高VFA浓度均可使产甲烷活性有所降低.

3.4 抗冲击负荷能力强

系统的pH值能够迅速回升.在实验中将有机负荷由0.25 g COD/LR·d增至4 g COD/LR·d，考察反应器内pH值的变化，结果发现，pH值由大约7降至5，而在厌氧反应器内，pH值在经过52 d后仍未恢复到原值[15].分析原因在微氧产甲烷状态下，H2和CO2被吹脱，VFA的微好氧代谢，使得pH值的恢复加速了.

基于微氧产甲烷系统的上述特点，可在EGSB反应器的基础上设计出微氧EGSB反应器，使其不仅具有传统EGSB反应器的优点，更重要的是由于微量氧的参与，使得反应器内氧化与还原作用可以同时发生，厌氧菌、好氧菌、兼性菌等可以同时存在，对一些单纯在绝对厌氧或者绝对好氧状态下难降解的物质进行有效降解.微氧反应器结构见图2.

图2 微氧EGSB反应器

4 结语

EGSB反应器通过颗粒污泥的形成实现了HRT与SRT的真正分离，采用出水外循环保证了污泥与污水的良好接触，保证了系统的高效运行.对于一些难降解、有毒污染物质的处理，EGSB反应器仅仅是通过外循环产生的稀释作用来实现.在传统EGSB反应器内通入微量氧，可产生氧化还原、厌氧好氧共存环境，对一些单纯在绝对厌氧或者绝对好氧状态下难降解的物质进行有效降解.随着越来越多含难降解、有毒污染物质工业废水的出现，微氧EGSB反应器的应用必将引起更多人的高度重视.

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