厌氧处理技术概述

一、厌氧处理原理概述

厌氧处理技术是一种利用厌氧微生物的代谢活动，在无需提供外源能量的条件下，将有机废弃物转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨等小分子物质的处理方法。这一过程主要包括水解、酸化、产乙酸和产甲烷四个阶段。厌氧生物处理因其高效率、低成本、高有机负荷和多用途等优点，在污水处理领域内发展迅速，成为消减有机污染物、降低运行成本的有效途径。

二、厌氧处理的优点

（1）环境与经济效益显著

厌氧处理不仅有效去除有机物污染，还能产生可回收的能源（沼气），实现了环境保护与能源回收的双重目标。

（2）经济高效

相比好氧处理，厌氧处理在运行成本上更低，特别是对于高浓度有机废水处理效果更佳。其成本节约主要来源于动力消耗少、营养物添加费用和污泥脱水费用的减少。

（3）能源自给自足

厌氧处理过程中产生的沼气可作为能源利用，进一步降低了处理费用，甚至带来经济收益。

（3）占地面积小

厌氧反应器的容积负荷比好氧法高，单位反应器容积的有机物去除量大，因此所需设备占地面积小。

（4）污泥处理简便

厌氧处理产生的剩余污泥量少，且脱水性能好，处理更加容易。

三、厌氧处理主要工艺类型

1、厌氧接触法

基本原理：

厌氧接触法是在一个厌氧的完全混合反应器后增加污泥分离和回流装置，使污泥停留时间大于水力停留时间，从而有效增加反应器中污泥浓度的方法。厌氧接触法基于微生物的厌氧代谢作用，通过提高反应器内的污泥浓度，增加微生物与有机物的接触机会，促进有机物的降解。在厌氧条件下，微生物通过一系列酶促反应将有机物转化为甲烷、二氧化碳等无机物质，实现废水的净化。

该技术基于传统的完全混合反应器（CSTR）设计理念，但通过增设沉淀池和污泥回流系统，显著提升了反应器内的污泥浓度，从而缩短了水力停留时间，提高了处理效率。特别在处理高浓度有机废水时，厌氧接触法展现出卓越的降解能力，能够迅速降低废水中的有机物含量。然而，该技术的复杂性也相对较高，需要配备搅拌装置以维持污泥的悬浮状态。同时，对运行管理的要求也更为严格，以确保系统的稳定运行。

工艺流程如下：

（1）废水预处理，对进入厌氧接触系统的废水进行预处理，如调节pH值、去除悬浮物等，以提高后续处理效果。

（2）废水进入厌氧反应器，预处理后的废水进入厌氧完全混合反应器，与反应器内的厌氧污泥充分混合。

（3）混合反应，在厌氧反应器内，废水中的有机物与厌氧污泥中的微生物发生接触，通过微生物的厌氧代谢作用进行降解。

（4）三相分离，混合液在厌氧反应器内经过一段时间的停留后，通过三相分离器实现气（沼气）、液（处理后的废水）、固（剩余污泥）的分离。

（5）污泥回流，分离出的部分污泥通过污泥回流系统回流至厌氧反应器，以维持反应器内的高污泥浓度。剩余污泥则作为废弃物排出系统。

（6）出水处理，经过厌氧处理后的废水可能还需要进一步的处理才能达到排放标准，如进行好氧处理、深度处理等。

2、厌氧生物滤池（AF）

    基本原理：

厌氧生物滤池（AF）是一种内部装填有微生物载体的厌氧生物反应器。这些微生物载体，即滤料，通常由具有高比表面积的填料构成，如陶瓷粒、活性炭、炉渣、瓷环、塑料等。厌氧微生物部分附着生长在滤料上，形成厌氧生物膜，而另一部分则在滤料空隙间处于悬浮状态。厌氧生物滤池通常包括布水系统、填料（反应区）、沼气收集系统、出水管等组成部分，有些还设有回流系统。

厌氧生物滤池的优势在于其高生物量浓度、强耐冲击负荷能力以及低能耗、简设备的特点。在食品加工、造纸等行业的废水处理中，厌氧生物滤池展现出了出色的处理效果。对于含有大量悬浮物的废水，厌氧生物滤池可能面临堵塞的风险，因此，在实际应用中，往往需要结合预处理技术，以确保系统的顺畅运行。

工艺流程：

（1）废水进入，废水通过管道进入厌氧生物滤池。

（2）厌氧条件，在滤池内创造缺氧环境，使微生物在厌氧条件下生存和繁殖。这通常通过遮光、封闭和静止等手段实现。

（3）微生物附着，废水中的有机物被附着在生物滤料上，形成生物膜。这些生物滤料为微生物提供了附着生长的表面及悬浮生长的空间。

（4）有机物降解，生物膜中的厌氧微生物利用有机物作为能源进行代谢，将其降解为水和二氧化碳等无害物质。在厌氧条件下，微生物主要通过厌氧呼吸来进行有机物降解。

（5）水质改善，随着有机物的降解，废水中的污染物浓度逐渐降低，水质得到改善。同时，微生物还可以去除一部分氮、磷等营养物质。

（6）沼气收集，降解过程中产生的沼气（主要为甲烷和二氧化碳）被收集利用，作为能源回收。

（7）沉淀与分离，处理后的水体中未降解的物质和微生物团会沉淀到底部形成污泥。处理后的水体经过物理处理（如沉淀池或集水池）进行固液分离。

（8）出水排放，达到排放标准的水体被安全地排放到水体中，或进行后续工艺段处理后排放。

3、升流式厌氧污泥床（UASB）

基本原理：

升流式厌氧污泥床（ UASB）是一种高效厌氧生物反应器，由荷兰的Lettinga教授等人在20世纪70年代开发，主要用于处理高浓度有机废水。UASB反应器通过底部的高浓度厌氧污泥床对上升流废水进行厌氧处理。废水进入反应器底部后，与污泥层中的厌氧微生物充分接触，有机物被分解为沼气（主要为甲烷和二氧化碳）。沼气以微小气泡形式上升，形成污泥悬浮层，最终通过三相分离器实现气、液、固三相分离。

升流式厌氧污泥床特点是在反应器底部装有厌氧污泥。污水从底部进入反应器，穿过污泥层时与微生物进行接触降解。在UASB中，产生的生物气附着在污泥颗粒上，使其悬浮于污水中，形成了下密上疏的悬浮污泥层。UASB具有污泥床内生物量多、容积负荷率高、设备简单且运行方便等优点。广泛应用于高浓度有机废水的处理，如酒精、制药等行业的废水。UASB对进水水质有一定的要求，对于含有大量悬浮物或颗粒物的废水，需要进行预处理。

工作流程：

（1）进水与布水，污水通过布水装置均匀进入反应器底部，避免在反应器内形成不均匀的流速和浓度分布。

（2）厌氧反应，污水自下而上通过厌氧污泥床反应器，与污泥层中的厌氧微生物充分接触，有机物被微生物分解为沼气。

（3）气、液、固三相分离，沼气、污泥和液体混合液上升至三相分离器，沼气被收集导出，用于发电、供热等，污泥在重力和回流作用下回到污泥悬浮层，保持反应器内污泥浓度，处理后的出水从沉淀区流出。

（4）污泥回流与排泥，污泥悬浮层中的污泥在上升气泡的搅拌作用下保持悬浮状态，部分污泥通过三相分离器回流到污泥床区，维持反应器内高污泥浓度，剩余污泥通过排泥系统定期排出。

（5）出水处理，经过三相分离器处理后的出水达到排放标准或回用标准后排出反应器。

4、厌氧膨胀床和厌氧流化床

基本原理：

厌氧膨胀床是一种应用固体流态化技术的厌氧生物反应器，通过控制水流速度使载体颗粒部分膨胀，增加微生物与废水的接触面积。利用反应器中膨胀床载体上的生物膜对废水进行厌氧生物处理，通过控制水流速度使载体颗粒在水中处于部分膨胀状态，提高降解效率。

厌氧流化床是利用高速气体流动和固体颗粒床的流化作用，使废弃物在无氧条件下进行生物降解的高效反应器。通过底部进气口将压缩空气喷入固体颗粒床中，形成气流使颗粒流态化，同时带动废水和微生物混合，提高降解效率。

厌氧膨胀床和厌氧流化床是两种相似的厌氧处理技术，它们都采用细颗粒填料作为微生物附着生长的材料。在这些反应器中，通过控制水流速度和水力梯度，使得填料颗粒处于流态化状态，从而提高了有机物向生物膜的传递速率。这两种技术都具有微生物浓度高、有机物容积负荷高、耐冲击负荷能力强等优点。特别适用于高浓度有机废水的处理，如化工、印染等行业的废水。由于流态化控制的复杂性，这两种技术的投资和运行成本相对较高。

厌氧膨胀床工作流程：

（1）废水从反应器底部进入，与膨胀床载体上的生物膜接触。

（2）废水中的有机物被生物膜上的厌氧微生物分解，产生沼气等气体。

（3）气体在反应器中上升，带动部分载体颗粒轻微膨胀，形成稳定的膨胀床层。

（4）分解后的废水和气体通过三相分离器分离，处理后的水排出，沼气收集利用。

厌氧流化床工作流程：

（1）压缩空气从反应器底部进入，形成高速气流使颗粒床层流态化。

（2）废水从反应器顶部或侧部进入，与流化的颗粒床层充分混合。

（3）废水中的有机物被颗粒床层上的厌氧微生物分解，产生沼气等气体。

（4）气体带动废水和颗粒在床层中循环流动，增强传质效果。

（5）分解后的废水和气体通过三相分离器分离，处理后的水排出，沼气收集利用。

5、厌氧生物转盘

基本原理：

厌氧生物转盘的工作原理基于厌氧生物膜技术，转盘上的生物膜吸附废水中的有机物，在厌氧条件下，通过厌氧细菌的作用，将有机物分解为无机物质（如二氧化碳、甲烷等），同时产生生物气体。

厌氧生物转盘是一种微型化与精细化的厌氧处理技术，以其独特的转盘设计和生物膜附着方式，为小型污水处理系统或特殊场合的废水处理提供了新的解决方案。厌氧生物转盘通过塑料或金属制成的转盘表面附着生物膜，实现了有机物的高效降解。该技术具有处理效果好、操作简单、占地面积小等优点，特别适用于难以采用其他厌氧处理技术的场合。由于转盘的制作和安装成本较高，以及对运行管理的精细化要求，厌氧生物转盘在实际应用中的推广仍需进一步的技术创新和经济性分析。

工作流程：

（1）进水阶段，待处理的有机废水通过进水管进入厌氧生物转盘反应器，覆盖在转盘上的生物膜表面。

（2）吸附阶段，废水中的有机物被转盘上的生物膜所吸附，附着在生物膜上的厌氧细菌开始分解有机物。

（3）降解阶段，在厌氧条件下，厌氧细菌利用有机物作为能源和碳源，通过代谢过程将其分解为无机物质，并产生生物气体。

（4）出水阶段，经过生物膜处理的废水从转盘的下方流出，此时废水中的有机物质已经大大减少。

（5）生物膜更新，随着转盘的不断转动，生物膜上的固着水层从空气中吸收氧（尽管是厌氧环境，但转盘转动时部分区域会短暂暴露于空气中），同时生物膜逐渐增厚。衰老的生物膜在水流剪切力作用下脱落，并随污水排出，新的生物膜在转盘上重新形成，保持生物膜的活性和净化能力。

6、两相厌氧消化系统

基本原理：

两相厌氧消化系统是一种厌氧生物处理新工艺，由美国戈什和波兰特于20世纪70年代初开发，并于1977年在比利时首次应用于生产。它通过将厌氧消化的产酸阶段和产甲烷阶段完全分开，在两个串联的反应器中分别进行，以创造各自最佳的环境条件，提高处理效率。两相厌氧消化系统基于厌氧消化过程中产酸菌和产甲烷菌在生理生化特性上的差异。产酸菌种类繁多、生长快、对环境条件变化不太敏感，而产甲烷菌则专一性强、繁殖缓慢、对环境条件要求苛刻。通过分离这两个阶段，可以分别优化菌种的生长条件，提高各自的活性，从而提高整体处理效果。

两相厌氧消化系统能够维持各自的最佳环境条件，从而提高有机物的降解效率和甲烷的产生量。两相厌氧消化系统具有较高的抗毒物负荷及环境条件突变的能力，运行稳定。由于两相工作条件不同，运行管理相对复杂，需要较高的技术水平和管理经验。

工作流程：

（1）产酸阶段

废水通过预处理（如调节pH值、温度等）后，进入产酸反应器，在产酸反应器内，水解、发酵细菌等微生物将废水中的复杂有机物分解为小分子有机物，如有机酸、氨基酸、单糖等，在此过程中，通过控制反应器的pH值（通常在5~6之间）、温度等条件，优化产酸菌的生长环境，产生的有机酸等物质随水流进入产甲烷阶段，部分未完全分解的有机物则返回产酸反应器继续分解。

（2）产甲烷阶段

产酸阶段出水进入产甲烷反应器，产甲烷菌在此阶段将有机酸进一步转化为甲烷等生物气体，通过控制反应器的pH值（通常在6.8~7.5之间）、温度等条件，优化产甲烷菌的生长环境，产生的生物气体通过收集系统导出，用于能源回收或其他用途，处理后的水达到排放标准后，从反应器中排出。

四、应用领域

厌氧处理技术作为一种高效、经济、环保的有机废弃物处理方法，具有广阔的发展前景和应用潜力。目前，厌氧处理技术已广泛应用于造纸、皮革、制糖、酒精、制药、肉类食品加工等多个行业的高、中、低浓度有机废水处理中。例如，在造纸行业中，厌氧处理技术被用于处理含木质素和纤维素等难降解有机物的废水，在制药行业中，厌氧处理技术则用于处理含有大量有机溶剂和药物的废水。