厌氧反应器原理、性能、优缺点介绍分析

1.厌氧处理原理概述

厌氧处理技术是有机废弃物生物处理方法的一种，近年来在污水处理领域内发展很快，是消减有机污染物、降低运行成本的有效途径。

污水中的有机废弃物始终是造成环境污染最重要的污染物，它是使水域变质、发黑发臭的主要原因。有机废弃物在废水中可以以悬浮物、胶状物或溶解性有机物的方式存在，在水污染控制中主要以 TS （固体物含量）、化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）作为监测目标。

一般而言，生物方法是去除废水中有机物最经济有效的方法，特别是对废水中BOD 含量较高的有机废水更为适宜。利用微生物生命过程中的代谢活动，将有机废弃物分解为简单无机物从而去除有机物污染的过程被称之为废水的生物处理。

根据代谢过程中对氧的需求情况，微生物可以分为好氧微生物、厌氧微生物和介于二者之间的兼性微生物，因此，相应的污水处理工艺也可以分为三大类。

好氧生物处理利用好氧微生物的代谢活动来处理废水，它需要不断向废水中补充大量空气或氧气，以维持其中好氧微生物所需要的足够的溶解氧浓度。在好氧条件下，有机物最终被氧化为水和二氧化碳等，部分有机物被微生物同化以产生新的微生物细胞，活性污泥法、生物转盘法和好氧滤器等都属于好氧处理工艺。

厌氧生物处理则利用厌氧微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下把有机物转化为无机物和少量的细胞物质，这些无机物主要包括大量的生物气（即沼气）和水。

沼气的主要成分是约2/3 的甲烷和1/3 的二氧化碳，是一种可回收的能源。厌氧废水处理是一种低成本的废水处理技术，它又是把废水处理和能源回收利用相结合的一种技术。包括中国在内的大多数发展中国家面临严重的资金不足。这些国家需要既有效、简单又费用低廉的技术。厌氧技术因而是特别适合我国国情的一种技术。

厌氧废水处理技术同时可以作为能源生产和环境保护体系的一个核心部分，其产物可以被积极利用而产生经济价值。例如，处理过的洁净水能被用于鱼塘养鱼、灌溉和施肥；产生的沼气可作为能源；剩余污泥可以作为肥料并用于土壤改良。

2.厌氧处理的优点

考虑到我国的国情、环境污染的现状，有机废弃物的厌氧处理技术有以下明显的优点。

（1）厌氧废水处理可作为把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的核心技术，具有较好的环境与经济效益；

（2）厌氧废水处理技术是非常经济的技术，在废水处理成本上比好氧处理要便宜得多，特别是对中等以上浓度（COD>1500mg/L）的废水更是如此，尤其适用于高浓度有机废弃物的处理。厌氧处理成本的降低主要由于动力的大量节省，营养物添加费用和污泥脱水费用的减少。即使不计沼气作为能源所带来的收益，厌氧方法处理费用也仅为好氧方法处理费用的1/3 或更低。如所产生的沼气加以妥善的利用，则处理费用更会大大降低，甚至带来相当可观的利润。

（3）厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。

（4）厌氧废水处理设备负荷高，占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要好得多，单位反应器容积的有机物去除量也因此要高得多，特别是新一代的高速厌氧反应器容积负荷率更高，效果更好。因此其反应器体积小，占地少。

（5）厌氧处理方法产生的剩余污泥比好氧处理方法少得多，且剩余污泥脱水性能好，浓缩时不需要使用脱水剂，因此，厌氧剩余污泥的处理要容易得多。由于厌氧微生物增殖缓慢，因而处理同样数量的废水仅产生相当于好氧处理方法的1/10~1/6 的剩余污泥。厌氧处理方法所产生的污泥高度无机化，可用作农田肥料或作为新运行的厌氧处理装臵的菌种出售。

（6）厌氧处理方法对营养物的需求量小。一般认为，若以可以生物降解的 COD（COD BD ）为计算依据，好氧处理方法中氮和磷的需求量比例为COD BD ：N：P=100：5：1。而厌氧处理方法为COD BD ：N：P=（350~500）：5：1。有机废弃物中一般含已有一定量的氮和磷及多种微量元素，因此，厌氧处理方法可以不添加或少添加营养盐。

（7）厌氧处理方法可以处理很高浓度的有机废水。当有机废弃物浓度很高时，并不需要添加大量的稀释水。

（8）厌氧处理方法的菌种（例如厌氧颗粒污泥）可以在中止供给废水与营养物情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上。它的这一生物特性为其间断的或季节性的运

行提供了有利条件，厌氧污泥因此可以作为新建厌氧处理装臵的种泥出售。

（9）厌氧处理系统规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作，无特别昂贵的设备。

目前正在运行的单座厌氧处理装臵的规模从几十立方米到几万立方米不等。

3.各类厌氧反应器性能概述

（1）完全混合厌氧反应器（CSTR）传统的完全混合厌氧反应器（CSTR）是借助消化池内厌氧活性污泥来净化有机污染物。有机污染物进入池内，经过搅拌与池内原有的厌氧活性污泥充分接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解，使废水中的有机污染物转化为沼气。完全混合厌氧反应器（CSTR）池体体积较大，负荷较低，其污泥停留时间等于水力停留时间，因此不能在反应器内积累起足够浓度的污泥，一般仅用于城市污水厂的剩余好氧污泥以及粪便的厌氧消化处理。

（2）厌氧接触反应器厌氧接触工艺的反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被用于废水中SS 浓度较高的好氧污泥处理、酒精废醪处理。

（3）厌氧滤器（AF）厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS 含量较高时，容易发生短路和堵塞。

（4）厌氧流化床反应器厌氧流化床反应器采用微粒状填料作为微生物固定化材料，厌氧微生物附着在这些微粒上形成生物膜。由于这些微粒粒径较小，反应器内采用一定范围的上流速度，因此在反应器内这些微粒形成流态化。厌氧流化床反应器由于使用了较小的颗粒，由于形成比表面积很大的生物膜，流态化又充分改善了有机物向生物膜传递的传质速率，同时它克服了厌氧滤器中可能出现的短路和堵塞。

在这一工艺中，流态化的形成前提条件，较轻的颗粒或絮状的污泥将会从反应器中连续冲出，流态化的真正形成必须依赖于所形成的生物膜在厚度、密度、强度等方面相对均匀或形成的颗粒均匀。但实际上，生物膜的形成与剥落难于控制，真正的流化床形态很难实现，致使工艺控制困难，投资和运行成本较高。

（5）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）待处理的废水被引入 UASB 反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB 反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30 天以上），较高的进水容积负荷率，从而大大提高了厌氧反应器单位体积的处理能力。但是对于SS 含量很高的污水，由于三相分离器泥气水分离能力的限制，不可避免地造成出水中含泥量很高，整个系统的投资费用也较大。

（6）膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB） EGSB 是在UASB 反应器的结构相似，所不同的是在EGSB 反应器中采用相当高的上流速度，因此，在EGSB 反应器中颗粒污泥处于完全或部分“膨胀化”的状态，即污泥床的体积由于颗粒之间的平均距离的增加而扩大。为了提高上升速度，EGSB 反应器采用较大的高度与直径比和很大的回流比。在高速上升速度和产气的搅拌作用下，废水与颗粒污泥间的接触更充分，因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间，从而EGSB 可以高速地处理浓度较低的有机废水。

4.几种典型的厌氧反应器适用性能比较

①完全混合厌氧反应器（CSTR）：

优点：投资小、运行管理简单容积负荷率低，效率较低，出水水质较差适用于SS 含量很高的污泥处理厌氧接触反应器。投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高，耐冲击负荷能力强。

缺点：停留时间相对较长，出水水质相对较差。

适用范围：适用于高浓度、高悬浮物的有机废水。

②厌氧滤器（AF）：

优点：处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好

缺点：投资较大，反应器容易短路和堵塞，适用于SS 含量较低的有机废水厌氧流化床反应器处理效率高，不易短路和堵塞实现真正的流态化污泥床难度较大，运行管理要求较高

适用范围：适用于处理特种工业废水

③上流式厌氧污泥床反应器（UASB）：

优点：处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好

缺点：投资相对较大，对废水SS 含量要求严格

适用范围：适用于SS 含量适低的有机废水。

④膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）：

优点：处理效率高，负荷能力强，出水水质相对较好。

缺点：投资相对较大，对废水SS 含量要求严格。

适用范围：适用于SS 含量较少和浓度相对较低的有机废水