厌氧生物处理工艺

四、厌氧生物处理工艺

同好氧生物处理工艺一样，厌氧生物处理工艺可分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法两大类。但在长期的实践中，一直以厌氧活性污泥为主，并开发出多种新型高效的厌氧反应器。厌氧活性污泥法主要包括普通厌氧消化池、厌氧接触法、升流式厌氧污泥床反应器和厌氧折流板反应器等。厌氧生物膜法则主要有厌氧生物滤池、厌氧流化床和厌氧生物转盘等。

1.普通厌氧消化池

普通厌氧消化池是应用最早的废水处理构筑物之一，早期多用于污泥的消化，目前也常用于处理含较高悬浮物的废水。

普通厌氧消化池的工作原理是污泥或废水从消化池上部或顶部连续加入池内，经搅拌装置与厌氧活性污泥充分混合、接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使其中的有机物转化为以CH₄和CO₂为主的沼气;沼气从消化池顶部排出;消化后的污泥和污水分别从底部和上部排出。普通厌氧消化池中污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)相等，故有机负荷低，容积大。

化粪池是出现最早的普通厌氧消化池，一些地区至今仍在沿用。化粪池主要用于居住房屋及公用建筑的生活污水的预处理。化粪池分为两室，污水于第一室中进行固液分离，悬浮物沉于池底或浮于池面，污水可以得到初步的澄清和厌氧处理;污水于第二室中进一步进行澄清和厌氧处理，处理后的水经出水管导出。污水在池内的停留时间一般为12～24h;污泥在池底进行厌氧消化，一般半年左右清除一次。由于污水在池内的停留时间较短、温度较低(不加温，与气温接近)、污水与厌氧微生物的接触也较差。因而化粪池的主要功能是预处理作用，即仅对生活污水中悬浮固体加以截留并消化，而对溶解性和胶态的有机物的去除率则很低，远不能达到国家规定的有关城市污水的排放标准。

2.厌氧接触法

厌氧接触法被认为是现代高效厌氧反应器的开端。厌氧接触法最初用于处理肉类加工废水，目前除广泛应用于高浓度有机废水的处理外，还应用于污泥等固体废弃物的处理。

厌氧接触工艺的主要构筑物包括普通厌氧消化池、沉淀池和脱气器等。厌氧接触法受活性污泥法的启发，在消化池后设有污泥沉淀池以截流污泥和回流污泥，从而减少了消化池的水停留时间，提高了消化速率。在厌氧接触工艺中，废水进入厌氧消化池后，在搅拌设备的作用下能迅速地与池内厌氧活性污泥充分接触，依靠厌氧微生物对有机物的降解作用得到处理;经厌氧消化池处理的混合液进入沉淀池进行泥水分离，上清液从沉淀池上部排出，沉淀污泥回流至消化池以保证消化池内的生物量。

3.升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB)反应器

UASB是在20世纪70年代开发的一种新型高效的厌氧生物处理技术，目前已广泛应用于各类工业废水、生活污水和垃圾渗滤液处理。

(1)UASB反应器的结构组成

UASB是在上流式厌氧生物膜法基础上发展起来的，主要分为:进水配水系统、反应区和三相分离区三部分。废水自下而上地通过厌氧污泥床，床体底部是一层絮凝和沉淀性能良好的污泥层，中部是一层悬浮层，上部是澄清区。澄清区设有三相分离器，用以完成气、液、固三相分离;被分离出的消化气由上部导出，被分离的污泥则自动落到下部反应区，出水进入后续构筑物。其分离原理与好氧的完全混合活性污泥法类似。厌氧消化过程所产生的微小沼气气泡，对污泥床进行缓和的搅拌作用。

进水配水系统由布水管和布水管嘴组成，主要功能是保证废水在整个过水断面均匀布水，避免短流和死水区，并在升流过程中，对污泥起到水力搅拌的作用。

反应区是UASB反应器的工作主体，由下部生物颗粒污泥床层和上部悬浮污泥层组成。其中生物颗粒污泥床层占反应区总高的1/3～1/2，密集堆集着活性高、沉淀和絮凝性良好的颗粒污泥，污泥固体浓度高达40～80g(vss)/L或60～120g(ss)/L，是废水中有机物降解的主要场所，占整个反应器降解有机物的70%～90%。悬浮污泥层占反应区总高的1/2～2/3，是在废水的升流过程和厌氧消化产生的沼气释放过程中，将颗粒污泥床内的细小污泥絮体挟带上升形成的，是防止污泥颗粒流失的缓冲层;该层悬浮着粒径较小的絮体污泥和游离污泥，污泥固体浓度较小为5～25g(vss)/L或5～30 g(ss)/L，对废水的降解作用不明显，仅为整个反应器降解有机物的10%～30%。

由于反应区废水由下而上推移式运动、污泥床内沼气的释放和沉淀区沉淀污泥的回落，对反应区造成了良好的搅拌混合作用，因此，UASB反应器不需外加搅拌装置。

三相分离区是保证UASB反应器高效工作的基本条件，类似于活性污泥法中的二沉池功能，对固体(反应器内的污泥)、液体(处理后的废水)和气体(反应过程所产生的沼气)三相进行分离，并将沉淀污泥引入反应区。三相分离器由合理设计的上部倾斜导流板和下部反射锥组成。固-液-气三相混合液上升时，首先受到底部反射锥的阻挡，向四面散开，污泥絮体和附着在其表面的微小气泡得到分离，沼气进入集气室由导气管排出。固-液混合液的分离则由导流板上的沉淀区完成，颗粒污泥在沉淀区被沉淀并流入反应区，上清液从溢流堰溢出由出水管排出。

(2)颗粒污泥的性质及微生物组成

UASB反应器中的颗粒污泥其形状一般为球形或椭球形，粒径一般为0.1～3mm，最大可达5mm;其颜色一般呈灰黑色或褐黑色，肉眼可观察到颗粒表面包裹着灰白色的生物膜。颗粒污泥主要由各类厌氧微生物、胞外多聚物和矿物质等组成，比重一般为1.01～1.05，污泥指数(SVI)一般为10～20ml/g SS，沉降速度多为5～10mm/s，VSS/SS值一般为70%～80%。

颗粒污泥是一微生态系统，其中生长有大量不同类型的厌氧微生物群。据统计，成熟的颗粒污泥每个含有10¹²～4×10¹²个生物体，其中产甲烷菌占40%～50%。常见的优势菌有:孙氏甲烷丝菌、马氏甲烷八叠球菌、巴氏甲烷八叠球菌、甲酸甲烷杆菌、索氏甲烷杆菌和半生假单胞菌等。

(3)颗粒污泥的形成过程及影响因素

颗粒污泥在UASB反应器中的形成是保证其运行效果的关键因素之一。颗粒污泥形成过程可分为三个阶段:第一阶段为UASB反应器启动的初始与污泥活性提高阶段，有机负荷低于2kgCOD/(m³·d)，种泥中细小的分散污泥被废水的升流过程和逐渐产生的少量沼气的释放过程洗出，运行时间需1～1.5个月。第二阶段为颗粒污泥形成阶段，有机负荷上升至2～5 kgCOD/(m³·d)，随着有机负荷的逐渐提高，大量粒径较小、沉降性能较差的污泥被上升水流和产气洗出，而截留在反应器内的污泥则在重质污泥颗粒表面富集、絮凝并生长繁殖，最终形成粒径为1～5mm的颗粒状污泥，该阶段也需要1～1.5个月。第三阶段为污泥床形成阶段，有机负荷超过5 kgCOD/(m³·d)以上，反应器内所含絮状污泥迅速减少，颗粒污泥加速形成，颗粒污泥床高度不断增加;当接种污泥充足且操作条件控制得当时，形成一定高度的颗粒污泥床需要3～4个月。

颗粒污泥的形成过程受废水水质、运行条件、环境条件和金属离子等多种因素影响。具体表现如下:

①废水水质:以含碳水化合物为主的废水比含脂类较多的废水易形成颗粒污泥，废水中过量的悬浮物能阻碍污泥的颗粒化。

②运行条件:进水COD浓度低时有利于污泥颗粒化，但为维持良好的细菌生长条件，COD最小浓度应大于1000mg/L，最佳浓度为1500～4000 mg/L。UASB反应器启动过程中，应逐步增加有机负荷;当可降解COD去除率达80%后，应增加有机负荷，否则污泥层易板结，不利于污泥颗粒化的形成。

③环境条件:温度适宜，中温控制在35～40℃范围，高温控制在50～55℃范围;pH值应保持在7～7.2之间;碱度一般不低于750 mg/L;毒性物质应低于抑制浓度或给予污泥足够的驯化时间。

④金属离子:一些金属离子如Zn²⁺等能影响污泥颗粒化，如当Ca²⁺浓度为80 mg/L、Co²⁺浓度为0.05、Zn²⁺浓度为0.5 mg/L时，能促进污泥颗粒化的形成。但这些离子浓度过高时，会引起化学沉淀，导致颗粒污泥灰分含量高而活性低。

4.厌氧生物滤池

厌氧生物滤池是一种淹没式固定厌氧生物膜法，微生物固着在滤料表面形成生物膜，当废水通过挂有生物膜的滤料时，废水中的有机物扩散到生物膜表面，被微生物吸附、降解，并产生消化气体。

厌氧生物滤池的构造与一般的好氧生物滤池相似，池内设置填料，但池顶密封。填料浸没于水中，微生物附着生长在填料之上。滤池中微生物量较高，平均停留时间可长达150h左右，因此可以得到较高的处理效果。

厌氧生物滤池按水流的方向可分为升流式和降流式两大类;它们的构造基本相同，主要包括布水区、反应区(滤料区)、出水区和集气区4部分;其中反应区的滤料是整个厌氧生物滤池的核心，滤料的形态、性质和装填方式对滤池的进行效果有着重要的影响。厌氧生物滤池中的滤料除应具备一定的强度、耐腐蚀、比表面积大和表面粗糙等特性;为防止滤料堵塞，滤料间应有一定的空隙率。目前常用的滤料有沙粒、碎石、焦炭和各种形状的塑料制品等。

厌氧生物滤池既适用于高浓度有机废水(COD高达24000 mg/L)的处理，也可用于低浓度废水(BOD₅为100～500 mg/L)处理，目前已应用于化工、酿酒、饮料和食品加工等工业废水和城市生活污水的处理。它的主要优点是:处理能力较高;滤池内可以保持很高的微生物浓度而不需要搅拌设备;不需要另外的泥水分离设备，出水SS较低;设备简单、操作管理方便。其主要缺点是易堵塞，特别是滤池下部的生物膜较厚，更易发生堵塞的现象。因而它主要适用于含悬浮物很少的溶解性有机废水。

5.厌氧流化床

厌氧流化床是在借鉴化工流化技术的基础上发展起来的，依靠惰性填料表面生物膜的厌氧代谢活动实现有机污染物的降解。废水从床底流入，做自下而上的升流式运动，使填料呈流化态。厌氧流化床中混合液与生物膜间的流化态有利于物质的传递，保证生物膜上微生物与污染物间最大的接触机会，实现最大的物质交换。因此，为使填料呈现良好的流化态，常用循环泵回流部分出水，提高床内水流的上升速度。

厌氧流化床内填充的填料粒径小(一般为0.2～1mm)，为微生物附着提供了较大的表面积，大大增加了反应器内的生物量(一般为30～40gVSS/L)，因此具有较大的有机负荷率(一般为10～40kgCOD/(m³·d))和较好的耐冲击负荷能力。

6.厌氧生物转盘

厌氧生物转盘是新开发的厌氧生物膜法，目前还处于试验研究阶段，具有有机负荷高、耐冲击负荷、处理性能稳定、水停留时间短、不易堵塞和操作简单等优点。

厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于:为保证厌氧条件、收集沼气，在其上部加有密封盖，圆盘的75%～100%浸没于废水中。其净化机理与厌氧生物滤池基本相同，主要靠转盘表面的生物膜和悬浮于反应槽中的厌氧微生物实现废水的净化。由于转盘缓慢转动，使反应器内的流态近似于完全混合式反应器，有利于有机物的降解;而从整体上看，反应器的进出水为水平流向类似于推流式反应器，不致形成沟流、短流和堵塞等。

7.两相厌氧消化工艺

两相厌氧消化工艺最本质的特征是相的分离，是在相分离技术研究中开发的一种新型厌氧生物处理工艺。

从化学过程看，厌氧生物处理过程包括水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段，然而从生态学的角度看，产氢产乙酸菌和产甲烷菌为共生互营菌，因此，总体上可分为产酸阶段和产甲烷阶段。在这两个阶段中起作用的微生物菌群的组成和生理生化特性存在很大的差异;第一阶段以发酵细菌占优势，细菌种类多，代谢能力强，繁殖速度快，对环境条件的变化不太敏感;第二阶段主要由产甲烷菌起作用，种类较少，利用底物的专一性强，繁殖速度很慢，对环境因素如pH值、温度和有毒物质的影响十分敏感。因此，在同一个反应器内维持这两类微生物的代谢进程处于平衡和协调状态是十分不易的，一旦平衡被破坏，就会出现VFA累积，反应器酸化、处理能力降低，甚至完全失效。

两相厌氧消化工艺将厌氧消化过程中的产酸菌和产甲烷菌分离到不同的反应器中，根据它们对环境因子的不同要求，分别控制，充分发挥各类微生物的代谢能力，从而提高了厌氧生物处理系统的效率和稳定性。该工艺可由各种类型的两个厌氧反应器串联组成，我国常采用两UASB反应器串联，欧洲国家常采用接触消化池作为产酸相，UASB反应器作为产甲烷相。

与单相厌氧消化工艺相比，两相厌氧消化工艺具有更高的处理能力、有机负荷、处理效果显著提高，抗冲击负荷能力增强，运行更加稳定、产气量增多等优点。但由于两相厌氧消化工艺需设两个反应器，处理构筑物增加，使得运行管理相对复杂。

8.厌氧稳定塘

一般情况下，厌氧稳定塘是作为预处理和兼性塘、好氧塘组合运行的。特别适用于高温高浓度废水的预处理，可以减少后续塘的面积和污泥量。

厌氧生物处理系统具有许多优点，如:设备构造简单(主要是厌氧反应器);运行操作方便，可以间歇运行或连续运行，厌氧污泥可以长期存在于厌氧反应器中;剩余污泥量少，无需污泥浓缩设施;动力消耗小，仅是好氧生物处理的十分之一;产生大量的沼气，回收的甲烷成为清洁能源;可降解好氧过程中不可生物降解的物质;没有曝气和污泥浓缩的固体通量的限制，能处理高浓度的工业废水等。实践中，当废水中的有机物浓度较高，一般当BOD大于1500mg/L时，或者处理污水污泥时，就不宜采用好氧处理，而只能采用厌氧生物处理技术。另外，厌氧生物处理能降解种类繁多的有机物，在自然界有机物质中，除矿物油和木质素外，一般都可作为厌氧发酵的原料，高浓度的有机工业废水也可用于沼气发酵。如酒精蒸馏废液、纸浆废水、中药制药厂废水等。厌氧生物处理还对一些有毒物质和特殊的污染物有降解能力。但厌氧生物处理也存在一些缺点，如:厌氧污泥增长缓慢，故系统启动时间较长;对温度的变化比较敏感，温度的波动对去除效果影响很大;对负荷的变化也较敏感，尤其对可能存在的毒性物质，运行中需特别小心;出水水质较差，往往只能作为预处理工艺来使用，厌氧出水还需要进一步处理等。在实践中厌氧生物处理往往与好氧生物处理结合使用，厌氧处理先进行，再续以好氧处理，以保证出水水质达到排放标准。

长期以来，厌氧消化被认为是一种较慢的生物处理过程，而且仅仅适用于很有限的一些有机污染物质，并且往往在废水中BOD浓度很高时才考虑用厌氧处理。近年来的研究和实践表明对厌氧处理的这些偏见是毫无根据的。厌氧生物处理应用范围很广，既可用于高浓度有机废水的处理，又可用于中低浓度有机废水处理;厌氧微生物的生物化学转化能力是可以和好氧微生物的生物化学转化能力相比拟的，单位生物量能以与好氧处理大致相同的速率代谢大多数可生物降解的有机污染物。问题不在于厌氧微生物的活性而在于厌氧微生物的世代时间。

目前，由于观念的更新以及新技术、新工艺的应用，特别是随着能源危机加剧、水质污染成分日趋复杂，节能、高效的厌氧生物处理技术重新受到人们的关注和青睐。