工艺技术 探析：厌氧反应器总汇及优劣

食品、生物、化工等行业排放大部分废水都属于高浓度有机废水，仅利用常规的物化、生化处理较难达到处理目的，同时存在投资大，操作管理难，运行成本高等一系列问题。随着科研的不断深入，厌氧反应器作为一种高效的生物膜处理方法渐渐登上舞台，它主要是利用微生物与污水中的有机物接触吸附分解有机物，以达到有效处理有机废水、废弃物的目的。


目前厌氧反应器的发展已经历了三代，本期小沼将对这三代最具代表性的厌氧反应器及其优劣势进行梳理，望对君从事有机废水、废弃物处理及大中型沼气工程的建设有所帮助！




第一代厌氧反应器

第一代反应器以厌氧消化池为代表，废水与厌氧污泥完全混合，属低负荷系统。包括：常规厌氧反应器（CADT）、全混式反应器（CSTR）、厌氧接触消化器（ACP）等。

1 常规厌氧反应器（CADT）

常规厌氧反应器也叫常规沼气池，是一种结构简单、应用广泛的工艺类型。



CADT结构图

该消化器无搅拌装置，原料在其中呈自然沉淀状态，一般分为4层，自上而下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层，其中易于消化、活动旺盛的场所只限活性层，因而效率较低。

我国农村较为常见。

2 全混式反应器（CSTR）

全混式消化器是在常规消化器中安装了搅拌装置，使得原料处于完全混合状态，因而，使得活性区域遍布于整个消化区，效率相比于常规消化器明显提高，故又称高效消化器。该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。



CSTR结构图



搅拌器工作原理

工艺优点

1、原料适应性广。适用于畜禽粪便等各种有机垃圾，城市污水厂污泥稳定化处理及高浓度、高悬浮物、难降解有机废水的处理。  

2、消化池具有完全混合的流态，原料与底物接触充分，发酵速率高，容积产气率较高。

3、消化器内温度分布均匀。

4、厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构简单、能耗低、运行管理方便。

5、由于有强制机械搅拌，在高浓度状态可有效控制原料的沉淀、分层以及表层浮渣结壳、气体溢出不畅和短流等问题。

工艺缺点

1、工艺池体体积较大，负荷较低。

2、无法分离水力停留时间和固体停留时间，污泥停留时间等于水力停留时间，反应器内不能累计足够浓度的污泥，不能滞留微生物。

3 厌氧接触消化器（ACP）

厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在CSTR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。



ACP结构图

工艺优点

1、保证污泥不流失，提高厌氧消化池内污泥浓度。

2、反应器的有机负荷率和处理效率较高。

3、易启动。
4、与普通厌氧消化池相比，水力停留时间大大缩短。

5、适用于SS浓度较高的废水处理，如生活污水和工业废水。
6、耐冲击负荷。

工艺缺点

1、去除率相对较低，增加好氧负担。

2、需污泥回流，固液分离相对困难。

3、出水水质也相对较差，对后序处理工艺产生影响。

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第二代厌氧反应器

第二代反应器可以将固体停留时间和水力停留时间分离，能保持大量的活性污泥和足够长的污泥龄，并注重培养颗粒污泥，属高负荷系统。包括：厌氧滤池（AF）、厌氧流化床和膨胀床反应器（AFBR）、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧折流板反应器（ABR）等。

1 附着膜型消化器

附着膜型消化器的特征是在反应器内安装有惰性支持物（又称填料）供微生物附着，并形成生物膜。进料中的液体和固体在穿过填料时，滞留微生物附着在生物膜内，并且在HRT相当短的情况下，可阻止微生物冲出。因其具有短的SRT而影响固体物的转化，这类反应器只适用于处理低浓度、低SS有机废水。这种消化器主要有厌氧滤器、流化床和膨胀床两种。

1）厌氧滤器（AF）

AF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。



AF结构图

工艺优点

1、处理能力高，滤池内可以保持较高的微生物浓度。

2、不需另设泥水分离设备，出水SS较低。

3、低操作费用，无需搅拌、效率高、运转稳定、可承受负荷变化。

4、出泥少，能耗低。

工艺缺点

1、填料费用高。

2、易发生堵塞和短路。

3、启动期较长。

4、微生物积累，增加了运转期间料液的阻力。

2）厌氧流化床和膨胀床反应器（AFBR）

流化床和膨胀床反应器属于附着生长型生物膜反应器，在其内部填有像砂粒一样大小的（半径0.2～0.5mm）惰性颗粒供微生物附着，如焦炭粉、硅藻土、粉炭灰和合成材料等，当有机污水自下而上穿过细小的颗粒层时，污水和所产气体的升流速度足以使介质颗粒呈膨胀或流动状态，每一个颗粒表面都被生物膜所覆盖，能支持更多的微生物附着，使MRT比HRT更长，因而使消化器具有更高的效率。



AFBR结构图

工艺优点

1、有较大表面积供微生物附着。

2、可以达到更高的负荷。

3、高浓度的微生物使运行更稳定。

4、能承受负荷的变化。

5、在长时间停运后可更快地启动。

6、消化器内混合状态较好。

工艺缺点

1、使颗粒膨胀或流态化需较高能耗和维持费。

2、支持介质易被冲出，损坏泵或其他设备。

3、有时需要脱气装置从出水中有效地分开介质颗粒和悬浮固体。

2 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）

UASB是目前发展最快的消化器之一，其特征是自下而上流动的污水流过膨胀的颗粒状的污泥床。消化器分为三个区，即污泥床、污泥层和三相分离器。分离器将气体分流并阻止固体物漂浮和冲出，使MRT比HRT大大增长，产甲烷效率明显提高，污泥床区平均只占消化器体积的30%，但80~90%的有机物在这里降解。

三相分离器是UASB厌氧消化器的关键设备，主要功能是气液分离、固液分离和污泥回流，但均由气封、沉淀区和回流缝组成。



UASB结构图

工艺优点

1、消化器结构简单，没有搅拌装置及填料（除三相分离器）。

3、颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性。

2、较长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率。

4、出水SS含量低。

工艺缺点

1、需安装三相分离器。

2、需要有效的布水器，使进料均匀分布。

3、要求浸水SS含量低。

4、在水力负荷较高或SS负荷较高时易流失固体和微生物。

5、运行技术要求高。

3 厌氧折流板反应器（ABR）

在这种消化器里，由于挡板的阻隔使污水上下折流穿过污泥层。这样每个单元就相当于一个反应器，反应器的总数等于各反应器之和。我国前些年曾引起该型消化器，用来处理酒精废醪的丙酮丁醇废醪，但在实际应用过程中其效果一直欠佳。同时由于要造成折流，使得消化器结构复杂、施工难、造价高。目前难以在生产中获得广泛应用。



ABR结构图

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第三代厌氧反应器

第三代反应器在将固体停留时间和水力停留时间相分离的前提下，使固、液两相充分接触，既能保持大量污泥又能使废水和活性污泥之间充分混合、接触，以达到真正高效的目的。包括：膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环厌氧反应器（IC）、上流式污泥床过滤器（UBF）等。

1 膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）

EGSB与UASB反应器的结构相似，不同的是EGSB反应器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。



EGSB结构图

工艺优点

1、在高速上升速度和产气的搅拌作用下，废水与颗粒污泥接触更充分。

2、水力停留时间短，反应器有机负荷和处理效率高，高负荷有利于颗粒长大，高的剪切力有利于形成更光滑和更密实的生物膜。

3、高径比大，占地面积大大缩小。

4、均匀布水，污泥处于膨胀状态，不易产生沟流和死角。

5、三相分离器工作状态和条件稳定。

6、ICOD有机负荷率高，污泥截留能力强。

7、颗粒污泥活性高，沉降性能好，颗粒大，强度较好，处理低浓度有机废水优势明显。

8、适用于中低浓度有机废水的处理。

工艺缺点

1、气温和水温的大幅降低会影响EGSB的运行稳定性。

2、投资相对较大，对废水SS含量要求严格。

3、由于采用高的升流速度运行，运行条件和控制技术要求高。

2 内循环厌氧反应器（IC）

内循环厌氧反应器，是目前世界上效率最高的厌氧反应器。该反应器集UASB反应器和流化床反应器于一身，利用反应器内所产生沼气的提升力实现发酵料液的内循环。



IC结构图

工艺优点

1、通过内循环自动稀释进水，保证反应室进水浓度的稳定性。

3、运行稳定，抗冲击负荷效果好，容积负荷高，投资成本少。

2、仅需要较短的停留时间，适用于可生化性较好的废水处理。

4、上升流速大，SS不会在反应器内大量积累，可保持污泥较高活性。

工艺缺点

1、在污水可生化性不是太好的情况下，由于水力停留时间较短，去除率远没有UASB高，增加了好氧的负担。

2、由于气体内循环，特别是对进水水质不太稳定的厂，易导致出水水量不稳定，出水水质也相对不稳定，有时可能会出现短暂不出水现象，对后序处理工艺产生影响。

3 上流式污泥床反应器（UBF）

UBF反应器是有UASB和AF结构的复合式反应器。反应器的下面是高浓度颗粒污泥组成的污泥床，上部是填料及其附着的生物膜组成的滤料层。其突出优势是反应器上部空间所架设的填料，不但在其表面生长微生物，且在其空隙截留悬浮微生物，利用原有的无效容积增加了生物总量，防止生物量的突然洗出，且由于填料的存在，夹带污泥的气泡在上升过程中与之碰撞，加速了污泥与气泡的分离，从而降低了污泥的流失。



UBF结构图

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其它几种厌氧消化器

1 升流式固定床反应器（USR）

USR是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料的反应器。原料从底部进入消化器内，与消化器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的生物质固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于消化器内，上清液从消化器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和消化器的效率。在当前畜禽养殖行业粪污资源化利用方面，有较多的应用。许多大中型沼气工程，均采用该工艺。



USR结构图

工艺优点

1、反应器内不设三相分离器和其它构件。

4、沼气随水流上升具有搅拌混合作用，促使有机固体与厌氧微生物充分接触反应。

2、比重较大的固体物累积使反应器内保持较高的固体量和生物量，保证较长的微生物和固体滞留时间。

5、当超负荷运行时，污泥沉降性能变差，出水COD升高，但一般不会造成酸化。

3、浮渣层不易堵塞，产气效率高。

6、RT较长，出水带出的污泥不需回流，固体物可得到较彻底的消化，SS去除率60%～70%。

工艺缺点

1、进料固形物悬浮物浓度控制不好，易出现堵塞布水管、单管布水易短流等问题。

2、对含纤维素较高的料液，表面易结壳。

3、沼渣沼液COD浓度含量较高，不适宜达标排放，一般用于农田施肥进行生态化处理。

2 塞流式反应器（PFR）

塞流式反应器也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，从另一端排出。消化器内沼气的产生可以为料液提供垂直的搅拌作用，料液在沼气池内无纵向混合，发酵后的料液借助于新鲜料液的推动作用而排走。



PFR结构图

工艺优点

1、不需要搅拌，池形结构简单，能耗低。

2、适用于高SS废水的处理。

3、运行方便，故障少，管理简单，稳定性好。

工艺缺点

1、固体物易沉淀，影响反应器有效体积，使HRT和SRT降低，效率较低。

3、因反应器面积、体积较大，反应器内难以保持一致的温度。

2、需要固体和微生物的回流作为接种物。

4、易产生厚的结壳，堵塞反应器。

3 纤维填料生物膜消化器

纤维填料固定床生物膜消化器实质上是 AF 结构形式的一种。采用维纶制成的纤维填料。



纤维填料生物膜消化器结构图

工艺优点

1、维纶具有较好的耐腐蚀性能，在一般有机溶剂及石油等溶剂内均不溶解，是一种理想的填料。

2、孔隙率大、理论比表面积大、不易堵塞。

3、因生物膜的表面积大，具有极强的消化能力。

工艺缺点

1、若进料浓度过高，会造成进料量超负荷，导致消化器底部物料酸化，影响消化器的稳定运行。

2、纤维填料若间距设计不合理，长期使用易发生粘连和堵塞。


4 单元混合塞流式厌氧消化器（RPR）

RPR是在高浓度、塞流及搅拌三结合厌氧消化器（HCPF）基础上根据厌氧发酵的不同阶段，将消化器分解成若干个单元，并通过厌氧单元内的不同搅拌强度及单元之间的料液混合，实现高效厌氧消化的过程。



RPR结构图

目前较为常见的几种厌氧消化反应器优劣势及适用范围对比总结如下：

名 称	优    点	缺    点	适 用 范 围
CADT	结构简单，投资小	水力停留时间长，管理不便	高浓度、高悬浮物的有机废水
CSTR	结构简单、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	适用于高SS含量的污泥处理
ACP	投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高，耐负荷能力强	停留时间相对较长，出水水质相对较差	适用于高浓度、高悬浮物的有机废水
AF	处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好	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
AFBR	内部混合状态好，耐负荷能力强，启动速度快	投资较大，设备维护成本高	适用于SS含量较低的有机废水
UASB	处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好，工艺结构简单	投资相对较大，对废水SS含量要求严格	适用于SS含量适低的有机废水
EGSB	处理效率高，耐负荷能力强，出水水质相对较好	投资相对较大，对废水SS含量要求严格	适用于SS含量较少和浓度相对较低的有机废水
IC	处理效率高，不易堵塞，投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高，抗冲击负荷效果好	停留时间相对较长，出水水质相对较差	适用于SS含量适低的有机废水
USR	处理效率高，不易堵塞，投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高	结构限制相对严格，单体体积较小	适用于高含固量的有机废水
PFR	投资较省、运行管理简单，能耗低	容积负荷率低，效率较低，反应器易堵塞，温度不稳定	适用于SS含量较高的污泥处理

以上就是目前较为常见的厌氧消化反应器，每一种反应器都有其优缺点，但针对不同反应器的缺点，国内外都会有相应的解决方案，以实现厌氧消化的高效化，故以上优劣势的分析与梳理，仅供大家参考。如您对本次总结有所补充或者建议，欢迎在下方留言，大家共同学习进步！