厌氧处理器的发展及新技术的特点、原理、启动要素

内循环厌氧反应器(IC)

内循环(IC) 厌氧反应器是由荷兰PAQUES公司于20世纪80年代后期，在对升流式厌氧污泥床(UASB)的应用现状及其优缺点进行深人分析的基础上，研究开发成功的第三代高效厌氧反应器。与前两代厌氧反应器相比，IC厌氧反应器主要有以下两个特点: 一是在反应器塔体内实现了无需外加动力的内循环，从而使污泥和废水得以充分混合，加强了传质效果，提高了生化反应速率;二是三相分离不在塔体内完成，而是在塔体外的分离包内实现了三相分离，从而增加了反应器的有效容积。

随着对该反应器技术研究的不断深人，其众多优势被人们认识并接受，使其废水处理工程中的应用得到了很大程度的推广和普及。目前，IC厌氧反应器已成功应用于啤酒生产、食品加工、造纸等行业的生产污水处理中。我国于1996年引进该技术用于啤酒废水的处理，并对该技术进行研究。国内自主生产的IC厌氧反应器用于规模较大的废水处理。由于其容积负荷高、能耗低、投资少、占地省、可再生、运行稳定等特点，被视为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。进一步研究开发IC厌氧反应器，推广其应用范围已成为厌氧废水处理的热点之一。

1. IC厌氧反应器的开发背景

厌氧反应器的处理效率主要取决于反应器所能保有的微生物浓度及其生化反应速率，而传质条件对生化反应速率起着至关重要的作用。依托适宜的营养、水力条件以及利用微生物的自固定化作用培养出的活性和沉降性能俱佳的颗粒污泥，再加上特有的三相分离器结构，UASB成功地使污泥停留时间与水力停留时间相分离，解决了反应器内生物量保持的问题。但UASB的传质过程并不理想，这对进一步提高有机负荷产生负面影响。由于污泥与有机物的传质过程主要依赖于进水与产气的搅动，因此强化传质过程最有效的方法就是提高表面水力负荷和表面产气负荷。但高负荷产生的剧烈搅拌会使UASB反应器中的污泥处于完全膨胀的状态，使原本SRT>HRT的反应器向SRT=HRT的方向转变，导致污泥过度流失。为避免出现过高的水力负荷与产气负荷，UASB反应器常常将进水的上升流速控制在1～2m/h以内。传质与微生物生物量保有之间的矛盾，成为UASB进一步提高有机负荷的根本制约因素。为解决这一问题，开发出了以出水回流来提高反应器内水流的上升流速为主要特征的第三代厌氧反应器，即IC厌氧反应器。与普通EGSB反应器的显著差别在于，IC厌氧反应器巧妙地利用特有的内循环系统，利用自身产生的沼气膨胀做功，在无须外加能源的条件下实现了内循环污泥回流。

2. IC厌氧反应器的结构及工作原理

IC厌氧反应器由5个基本部分组成:进液混合一布水区，第一反应区，内循环系统，第二反应区，沉淀出水区，其中内循环系统是IC厌氧反应器的核心构造，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器、泥水下降管组成。IC厌氧反应器的基本结构示意图如图4所示。

进水由底部进人第一反应区与颗粒污泥混合，大部分有机物在此被降解，产生大量沼气，沼气被一级三相分离器收集。由于产气量大和液相上升流速较快，沼气、废水和污泥不能很好分离，形成了气、固、液混合流体。又由于气液分离器中的压力小于反应区压力，混合液体在沼气的夹带作用下通过沼气提升管进入气液分离器中，在此大部分沼气脱离混合液外排，混合流体的密度变大，在重力作用下通过泥水下降管回到第一反应区的底部，与第一反应区的废水、颗粒污泥混合，从而实现了流体在反应器内部的循环。内循环使得第一反应区的液相上升流速大大增加，可以达到10～20m/h。

第二反应区的液相上升流速小于第一反应区，一般仅为2～10m/h。这个区域除了继续进行生物反应之外，由于上升流速的降低，还充当第一反应区和沉淀出水区之间的缓冲段，对解决跑泥、确保沉淀后出水水质起着重要作用。

3. IC厌氧反应器的特点

基于前面的论述可以知道，IC厌氧反应器具有很多优点，其主要的优点如下:

1)污泥可以大量保留。①第二反应区的液相上升流速一般仅为2～10m/h,远小于第一反应区，混合液在此区具有相对长的水力停留时间;②由于大部分COD在第一反应区已被去除，此区产气量很少，不足以产生很大的水流湍动，混合液接近于推流状态;③内循环系统不通过第二反应区，对此区流体的流速几乎无影响。上述三点非常有利于颗粒污泥的沉降和保留，即使在数倍于UASB的进水负荷条件下也是如此，不存在高COD负荷下污泥被冲出系统的问题。由于内循环系统的存在，使得反应器具有SRT>HRT的特征，实现了“高负荷与污泥流失相分离”的第三代厌氧反应器的设计思想，既保持了污泥的高浓度，又强化了传质过程。同时，由于第二反应区的存在，使得第一反应区与沉淀出水区之间有了缓冲段，也同样防止了高峰负荷时污泥的流失。

2) 具有很高的容积负荷。IC厌氧反应器通过采用内循环技术，提高了第一反应区的液相上升流速，使得混合液处于推流状态，强化了废水中有机物和颗粒污泥的传质，提高了生物处理能力，从而大幅度提高了反应器的容积负荷。容积负荷的提高会导致反应器沼气量的提升，进一步增强了沼气升流对污泥床的湍动和传质效果。通常，IC厌氧反应器的进水负荷可以高出UASB反应器的三倍之多。在采用IC厌氧反应器处理土豆加工废水时，当进水COD为10000～15000mg/L时， 进水容积负荷可达35～50kg COD/ (m3·d)，当处理啤酒废水时，进水COD为2000～3000mg/L,容积负荷可高达40kgCOD/ (m3 ·d)，COD去除率在75%～80%。

3) 沼气提升实现内循环，不必外加动力。IC厌氧反应器实际上是一种特殊的气提式反应器，其工作原理与空气提升液体循环反应器(气体式反应器)十分相似，区别仅在于IC厌氧反应器中的提升动力源自反应器中的自产沼气，而气提式反应器中的提升动力源自反应器外动力提供的空气。因此，与气提式反应器相比，IC厌氧反应器不必通过外力实现强制循环， 从而可节省能耗。

4)抗冲击负荷能力强，运行稳定。内循环的形成使得IC厌氧反应器第一反应区的实际水量远大于进口水量，例如在处理与啤酒废水浓度相当的废水时，循环流量可达进水流量的2～3倍;处理土豆加工废水时，循环流量可达10～20倍。循环水稀释了进水，提高了反应器的抗冲击能力和酸碱调节能力。即使入水中含有一定浓度的有毒有害物质，由于内循环水的稀释作用，其对反应器内的活性污泥生化反应所构成的威胁也将大大减弱。由于内循环水对进水所起到的pH调节的能力，从而大大节约了反应器运行过程中中和剂酸碱的用量。

5) 出水稳定性好，系统启动快。IC厌氧反应器相当于两个UASB反应器的串联系统，一般情况下，两级处理系统的出水水质、稳定性高于一级处理系统。IC厌氧反应器内污泥活性高，生物增殖快，为反应器快速启动提供有利条件。IC厌氧反应器启动周期一般为1～2个月，而普通UASB启动周期长达4～6个月。

6)基建投资省，占地面积小。在处理相同的废水时，IC厌氧反应器的容积负荷是普通UASB反应器的4倍左右，故其所需的反应体积仅为UASB反应器的1/4～1/3，节省了基建投资，加上IC厌氧反应器不仅体积小而且有很大的高径比(一般高度可达16～25m，高径比为4～8)，所以占地面积特别省，非常适用于占地面积紧张的企业。

厌氧序批式反应器(ASBR)

厌氧序批式反应器(Anaerobic Sequecing Batch Reactor, ASBR) 是20世纪90年代美国爱荷华州立大学Dague教授等人将好氧生物处理中的SBR法用于厌氧处理中，从而开发出的一种新型高效厌氧反应器。这种工艺能克服污泥流失的问题，且在反应器内能培养出沉降好、活性高颗粒污泥，具有较高的污泥停留时间，低的水力停留时间。虽然ASBR运行上类似于厌氧接触，但ASBR的固液分离在反应器内部进行，不需设澄清池，不需真空脱气设备。另外，ASBR中不需UASB中复杂的三相分器，与其他高效厌氧反应器如AF、UASB等相比，ASBR具有工艺简单、运行方式灵活、生化反应推动力大、耐冲击负荷强等优点。近些年，ASBR受到世界范围内的广泛关注，已成为厌氧生物处理领域的研究热点之一。

1. ASBR的运行模式

典型的ASBR运行周期包括四个阶段，即进水、反应、沉淀、出水，可以再加一个闲置阶段，闲置是指出水阶段与下一个周期的进水阶段之间的时间间隔，这可以增加进水的灵活性，其运行模式如图5所示。在多池并联的运行系统中，各个反应器可以按序列进水，但是每个反应器必须在出水阶段完成后，才能开始下一轮的进水。

1)进水期。废水进人反应器，反应器内基质浓度骤然增高。由莫诺特 (Monod)动力学方程可知，在此条件下，微生物获得了进行代谢活动的巨大推动力，基质转化速率高。进水水量由预期的水力停留时间、有机负荷、期待的污泥沉降性能来确定。ASBR反应器的进水方式有两种:连续进水和集中进水。连续进水就是进水的同时开始搅拌，反应器始终处于反应状态，即进人反应期;集中进水则是将废水进人到预定水位以后再开始搅拌从而进人反应期。

2)反应期。该阶段是有机物转化为生物气的关键步骤，反应所需时间取决于几个因素，:包括废水成分和浓度、要求达到的水质、活性污泥浓度、搅拌效果以及温度。其中，搅拌对于均化环境条件(温度、pH值、基质浓度等)是很重要的。但是根据其他相关研究发现，过强的搅拌会剪碎污泥絮体，从而导致较差的沉淀效果。

3)沉降期。停止搅拌混匀，让生物团在静止的条件下沉降，使固液分离，形成低悬浮固体的。上清液。反应器此时变成澄清器，沉降时间可根据生物团的沉降特性确定，典型时间在10～30min间变化，沉降时间不能过长，否则因生物气继续产出会造成沉降颗粒重新悬浮。混合液悬浮固体浓度 (MLSS)、进料量与生物量之比(F/M)是影响生物团沉降速率及排出液清澈程度的重要因素。

4)出水期。出水阶段是在有效的泥水分离之后进行的。出水阶段所需要的时间是由进水量与出水流速来控制的。出水阶段结束，则下一个周期的进水阶段立即开始。

2. ASBR反应器的运行特征

厌氧微生物的代谢缓慢，生长速率低，如果出水微生物流失量过大的话会导致传统厌氧工艺的失败，但是这也使厌氧工艺的污泥产率低，减少了污泥的处理费用。在低浓度基质条件下，微生物对基质的利用率低，导致厌氧工艺不适合处理低浓度(COD <1000mg/L)废水。同时，传统厌氧工艺需要在较高温度下运行，对外加热源的要求增加了传统厌氧工艺的投资。ASBR系统污泥沉降性能良好，出水中沉降性能较差污泥的流失有利于ASBR反应器中污泥的颗粒化，微生物持留量高，可以在低温条件下处理低浓度废水，有效地克服了传统厌氧工艺的缺点。相对于传统厌氧反应器，ASBR反应器具有生物污泥颗粒化、耐冲击负荷、适应性广和受温度影响小等主要运行特征。

1)活性污泥颗粒化。ASBR反应器排水时将沉淀性能较差的絮体洗出反应器，留下较重的、沉淀性能较好的生物絮凝体，进一步互相吸附成为活性高、沉降性能好的活性污泥颗粒。

2)耐冲击负荷，适应性广。ASBR反应器是间歇运行的非稳态厌氧生物处理工艺，时间上为推流式反应器，空间上为完全混合式反应器，耐冲击负荷。

3)受温度影响小。ASBR反应器的工作温度区间为5～65℃。温度较低时，生物的生命活动节奏变慢，对基质的去除率降低，但是ASBR反应器出水中的微生物流失量少使反应器内可保持较高的生物量，同时微生物的衰减也下降，最终提高反应器内污泥的浓度，可以抵消前者对处理效果的影响。

厌氧迁移式污泥床反应器(AMBR)

厌氧迁移式污泥床反应器(Anaerobic Migrating Blanket Reactor, AMBR)是一种新型高效处理工艺，可以用来处理工业废水和城市污水，它融合了UASB与ASBR的优点，属于多格室串联反应器，在流态上整体呈现推流式，局部则又呈现完全混合式，其对有机物的降解速率和处理效果高于单个完全混合反应器，而且在一定的处理能力下所需的反应器容积也比单个完全混合反应器要小得多，并且无需三相分离器和配水系统，运行方式灵活、结构简单、运行稳定，有较强的耐冲击能力，易于实现自动控制。

1. AMBR工艺的基本构造

如图6、图7所示，AMBR工艺由三个隔室组成，中间隔室用于在改变进水流向前短时进水防止短流，作为运行过渡区;两侧隔室均设有进水口和出水口(如果左面隔室作为进水口，那么右面隔室则作为出水口)，按设定的时间开启不同的进水口。整个反应器的运行由PLC编程控制。

AMBR反应器有两种不同的构造型式。一种是在反应器中间格室底部有一圆形开孔(圆孔尺寸可以调整)，底部的小孔可以使底物与污泥充分接触，保证污泥的迁移，同时可防止发生短路循环。当COD负荷增加时，产气量也会增加，从而导致进水室的扰动增大，污泥迁移速率增大，此时增加孔的尺寸可以显著地减小污泥迁移速率。这种型式的反应器水力停留时间通常较长。另外一种是在相邻格室中间设置一系列垂直安装的导流板(导流板间距可调)，以减少底物的短路循环。导流板与反应器壁要有足够的距离以防止大的颗粒污泥通过时发生阻塞。该种型式的反应器适用于HRT较低的情况，此外在相同的条件下，使用具有导流板的反应器发生短路循环的机会将会大大降低。

2. AMBR工艺的基本原理

AMBR反应器是多室串联运行，至少有三个格室，反应器两侧各有进、出水口。运行时进水从反应器的一-端水平流人，另一端流出，从整个反应器内的水流状态来看属于推流式，但每个隔室内由于机械混合、产气的搅拌作用表现为完全混合的状态。这种整体上为推流式， 局部区域内为完全混合式的多个反应器串联工艺对有机物的降解速率和处理效果无疑高于单个完全混合反应器，而且在一定的处理能力下所需的反应器容积也比单个完全混合低得多。因而出水室中的有机底物浓度最低，生物体对底物的利用效率也最低，产气量小，出水室可作为内部澄清池，起到泥水分离的作用，减少出水中的生物量，防止生物体随出水流失。为了防止微生物在出水室累积， 需定期反向运行，使出水室变为进水室，进水室变为出水室。为达到连续进出水的目的，反向运行前有从中间单元室进水的过渡阶段。为促进污泥与污水的充分接触，三个格室中均设置污泥搅拌设施间歇搅拌，系统出水口前设置挡板以防止污泥的流失。

3.AMBR反应器的特点

AMBR反应器运行方式灵活、结构简单，不需要气固分离系统和配水系统。装置采用隔室结构，废水以推流式运行，出水室中H2分压和H2S水平低，有利于甲烷化反应。废水水平流动，出水室中的有机底物浓度最低，生物体对底物的利用效率也最低，产气量小，出水室可作为内部澄清池。反应器内水流方向周期性改变，有利于污泥的迁移，防止污泥在最后隔室积累，还可防止挥发性脂肪酸( Volatile Fatty Acid, VFA)在进水室中积累。另外可为产甲烷创造有利条件，反应过程不需投加缓冲液或出水循环。系统工艺不需要预酸化，不会出现污泥膨胀和污泥上浮现象，且工艺耐冲击负荷能力强，对有机物的去除效果好。

厌氧膜生物反应器(AnMBR)

厌氧膜生物反应器可以简单定义为膜分离技术和厌氧生物处理单元相结合的废水处理技术。它的提出始于20世纪70年代，至此，这一技术的研究和开发相继展开。20世纪80年代，美国、日本和南非相继开发了AnMBR技术并用于工业和生活污水处理。由于当时膜生产技术不够发达，膜价格昂贵且膜的使用寿命短，膜通量小等原因，这些技术还是主要局限于实验室和中试规模的废水处理应用。20世纪90年代后，随着研究日益增多，针对AnMBR的研究就主要集中在膜材质与膜组件形式的开发与优化、膜污染表征与控制、反应器的配置与构造以及在各种废水处理中的应用等方面。

1. AnMBR反应器的结构配置

厌氧膜生物反应器以膜过滤代替传统活性污泥法中的沉淀池，由于膜的过滤作用，不仅能够将所有的生物固体截留在生物反应器中，而且将大分子污染物也截留在反应器中，实现水力停留时间与污泥龄的彻底分离，消除传统厌氧活性污泥工艺中的污泥膨胀问题，因此厌氧膜生物反应器体现出了明显的技术优势。同时由于厌氧膜生物反应器对污染物去除效率高，膜对微生物有较强截留能力，所以，该反应器对难降解和有毒有害化合物有较好处理效果。采用膜系统易具有良好的水力状态，膜的耐久性、抗堵性较好，膜自身易于优化。另外，还具有出水水质稳定，系统设计和操作简单，基建费用低，便于管理和自动控制，升级改造潜力大等优点。厌氧膜生物反应器系统工艺如图8所示。

AnMBR常用的厌氧系统主要有:升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧颗粒膨胀污泥床(EGSB)、厌氧流动床(FB)、厌氧生物滤池(AF)、折流式厌氧反应器(ABR)等。

AnMBR的膜组件主要是超滤和微滤膜，在膜组件的配置上主要有两种形式，即外置式和内置式，如图9所示。主要分为外置式[图9(a)]和内置式[图9 (b)、图9 (c) ] 两种。

2. AnMBR反应器的工艺设计原理

AnMBR的启动包含三个过程:驯化阶段、启动阶段和稳定运行阶段。结合上面的任意一个反应器，反应器的大小尺寸要根据实际情况而定，产生的沼气通过集气罩收集并通过泵进行曝气，选择合适的膜组件放置在上部的膜分离区，通过泵的抽吸作用出水，压力计显示膜的跨膜压力(TMP)。. 上部设有回流泵，将AnMBR上部的，上清液回流至底部，保证污水和污泥混合均匀。通过向进水中投加NaHCO3以保证反应器的pH在6.8～7.4，pH自动控制系统控制pH。通过流量计控制水力负荷，温度由温度控制计控制，选择错流式来代替死端过滤。

驯化阶段的进水负荷不能太高，因为刚刚接种的产甲烷菌活性往往比较低，在工程实践中常常要引入产甲烷活性用来表征接种泥中的甲烷菌的含量，定义为:

启动阶段是反应器从一个进水负荷较低的状态发展到进水负荷较高的稳定状态。在启动阶段进水负荷应该缓慢的增加，且每天增加的幅度要根据气体的总产量来确定。

3. AnMBR反应主要运行参数

AnMBR反应主要运行参数主要是指生物反应器的主要参数和膜系统主要参数，其中生物反应器的操作参数对膜的结垢和整体效能的发挥影响都很大，同时还与AnMBR的性能如膜通量、COD去除率、出水水质等有很大的关系。

1)有机负荷的选择

AnMBR的优势之一就是适宜处理高浓度有机废水。如果系统运行稳定，则挥发性脂肪酸也会保持在一定范围，一般把挥发性脂肪酸作为有机负荷的指示物，不同的有机废水，有机负荷相差很大。从AnMBR处理各种废水的效果，可以看出AnMBR优良的性能，COD的去除率一般均超过90%，而有机负荷可以超过40kg/ (m3 .d)，甚至近70kg/ (m3 .d)。

2)温度的控制

要达到较好的处理效果，AnMBR的操作温度通常需较高。温度较高时，可以降低溶解性微生物代谢产物(SMP) 浓度(粘度也降低)，使膜通量也提高。在一定的温度范围与压力条件下，温度每升高l℃,膜通量增加1%～2%。然而有研究发现，在常温或低温条件下，AnMBR也能够取得较好的处理效果和较大的膜通量。

3)膜通量、压力和膜面流速

由于AnMBR本身的特点，目前都采用分置式AnMBR和错流过滤的方式，压力和膜面流速是很重要的参数，因此对这两个参数进行了很多研究。BeaubienA等人考察AnMBR的最佳操作条件时发现，压力与通量之间的关系明显出现两个截然不同的区域，即高压区和低乐区。在低压区，透过流速主要与膜间压力有关;在高压区，水力条件则成为控制因素。在低压力区膜的渗透性和高压区的临界通量的影响因素主要是微生物的浓度。在比较高的错流流速下(大于3m/s),并没有观察到膜通量的下降。临界通量的确定对于控制膜结垢相当重要，操作压力高于临界通量时结垢严重。在膜过滤器中设置折流板，可以减轻结垢，大幅提高膜通量。

4.AnMBR反应器的特点

在保留厌氧生物处理技术投资省、能耗低、可回收利用沼气能源、负荷高、产泥少、耐冲击负荷等诸多优点的基础上，由于引入膜组件，还带来了一系列优点:

1)实现了SRT和HRT的有效分离，因而AnMBR可以有更高的有机负荷和容积负荷。有研究发现，当引人膜组件后，氧反应器的有机负荷率(OLR)从4kgCOD/ (m3·d)提高到12kg COD/ (m3·d)，而处理效果不受影响。

2)膜的截留作用使得浊度、细菌和病毒等物质得到大幅度去除，提高了出水水质。

3)膜分离作用还体现在对厌氧反应器的构造和处理效果有特殊的强化作用。

4)对于两相厌氧MBR,膜分离作用可以使产酸反应器中的产酸细菌浓度增加，提高水解发酵的能力并使系统保持较高的酸化率。

5)显著改善反应器固液分离效果，在处理生物难降解的有机物和高浓度有机废水有很好的应用前景。

当然AnMBR系统的要想能够有更大发展前景还需要解决以下问题:

1)膜污染问题

膜污染问题很大程度上决定了AnMBR系统的经济性和实用性。AnMBR中污泥特性与好氧情况有较大改变，膜污染情况往往更复杂。膜污染的影响因素很多，污泥组成、操作条件、膜组件的材料和构造都对膜污染有重要影响，因而研究它们之间的关系对于膜污染控制有重要意义，目前这方面的研究还不多。

2)能耗的问题

由于目前的AnMBR大多数使用的是外置式的，之所以采用外置式是因为反应器中缺少有效的水力条件(水力紊动)，所以需要通过水泵来进行液体循环以改善污染状况。这就造成了耗能相对较高。

3)经验参数缺乏

由于AnMBR的研究不多，尤其是在国内，对各种不同行业的废水处理的经验参数缺乏，例如停留时间、有机负荷等，这就要求大量的实验支持。