厭氧反應(yīng)器組成及分類(lèi)：
厭氧過(guò)程實(shí)質(zhì)是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，其中的底物、各類(lèi)中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物以及各種群的微生物之間相互作用，形成一個(gè)復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，類(lèi)似于宏觀(guān)生態(tài)中的食物鏈關(guān)系，各類(lèi)微生物間通過(guò)營(yíng)養(yǎng)底物和代謝產(chǎn)物形成共生關(guān)系或共營(yíng)養(yǎng)關(guān)系。因此，反應(yīng)器作為提供微生物生長(zhǎng)繁殖的微型生態(tài)系統(tǒng)，各類(lèi)微生物的平穩(wěn)生長(zhǎng)、物質(zhì)和能量流動(dòng)的高效順暢是保持該系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的必要條件。
厭氧反應(yīng)器由密閉反應(yīng)器、攪拌系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)以及固液氣三相分離系統(tǒng)組成。
厭氧反應(yīng)器常見(jiàn)類(lèi)型：常規(guī)消化反應(yīng)器（沼氣池）、連續(xù)攪拌式反應(yīng)器、推流式反應(yīng)器、序批式反應(yīng)器以及上流式污泥床反應(yīng)器。
 
常見(jiàn)幾種類(lèi)型的消化罐
1).歐美型：
d/H>1,頂部具有浮罩，頂部和底部都有小的坡度，由四周向中心凹陷，形成一個(gè)小錐體。
圖7.3.1.歐美型消化罐側(cè)面圖
2).古典型：
中間是一個(gè)d/H=1的圓桶，上下兩頭均為圓錐體。底部錐體的傾斜度為1.0～1.7，頂部為0.6～1.0。有助于消化污泥處于均勻、完全循環(huán)的狀態(tài)。
 
圖7.3.2.古典型消化罐側(cè)面圖
 
3).蛋型：
消化罐兩端的錐體與中部罐體結(jié)合時(shí)是光滑的，逐步過(guò)渡的。底部錐體比較陡峭，反應(yīng)污泥與罐壁的接觸面積比較小。有利于消化污泥完全徹底的循環(huán)，不會(huì)形成循環(huán)死角。
 
圖7.3.3.古典型消化罐側(cè)面圖
4).平底型：
介于歐美型和古典型之間。施工費(fèi)用比古典型低，直徑與高度的比值比歐美型合理，在污泥循環(huán)設(shè)備方面，選擇余地小。
 
圖7.3.4.古典型消化罐側(cè)面圖
 
循環(huán)系統(tǒng)攪拌設(shè)備
1).機(jī)械攪拌
①螺旋槳攪拌：在一個(gè)豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳。
 
圖7.3.5.螺旋槳式攪拌裝置
②水射器攪拌：
水射器攪拌也稱(chēng)噴射泵。一般設(shè)置在池中心，用水泵將消化池底部的污泥抽出后壓入水射器的噴嘴，當(dāng)污泥射入水射器的喉嚨時(shí)，形成很大的負(fù)壓，將消化池液面的消化液吸入，通過(guò)擴(kuò)散管從池子下部排出形成一個(gè)循環(huán)攪拌。
 
圖7.3.6.水射攪拌裝置
2).沼氣攪拌
①氣提式攪拌：將沼氣壓入設(shè)在消化池的導(dǎo)管流管中部或底部，使沼氣與消化液混合，含氣泡的污泥即沿導(dǎo)流管上升，起提升作用，使池內(nèi)消化液不斷循環(huán)攪拌。
 
 
圖7.3.7.氣提式攪拌
②豎管式攪拌：在池內(nèi)均勻布置若干根豎管，經(jīng)過(guò)加壓的沼氣通過(guò)配器總管分配到各根豎管，從下端吹出，起攪拌作用。
 
圖7.3.8.豎管式攪拌裝置
 
3).泵循環(huán)物料攪拌
    用泵將消化污泥從池底抽出，加壓后送至浮渣表層表面或消化池不同部位進(jìn)行循環(huán)攪拌。一般只適用于小型消化池。
 
圖7.3.9.傳統(tǒng)發(fā)酵裝置與現(xiàn)代發(fā)酵裝置比較
（a）傳統(tǒng)消化池 （b）現(xiàn)代消化池
 
厭氧反應(yīng)器的發(fā)展已經(jīng)歷了三個(gè)時(shí)代:第一代反應(yīng)器:以厭氧消化池為代表,廢水與厭氧污泥完全混合,屬低負(fù)荷系統(tǒng)。第二代反應(yīng)器:可以將固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間分離,能保持大量的活性污泥和足夠長(zhǎng)的污泥齡,并注重培養(yǎng)顆粒污泥,屬高負(fù)荷系。第三代反應(yīng)器:在將固體停留時(shí)間和水力停留時(shí)間相分離的前提下,使固、液兩相充分接觸,從而既能保持大量污泥又能使廢水和活性污泥之間充分混合、接觸,以達(dá)到真正高效的目的。
1.第一代厭氧反應(yīng)器
從1881年法國(guó)“Cosmos”雜志報(bào)道應(yīng)用厭氧生物技術(shù)處理市政污水中的大量易腐敗有機(jī)物起,厭氧生物處理技術(shù)已經(jīng)有了百余年的歷史。1896年英國(guó)出現(xiàn)了第一座用于處理生活污水的厭氧消化池,所產(chǎn)生的沼氣用于照明。隨后的幾十年中,厭氧處理技術(shù)迅速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用。至1914年美國(guó)有14座城市建立了厭氧消化池。20世紀(jì)40年代澳大利亞出現(xiàn)了連續(xù)攪拌的厭氧消化池。這些最初的厭氧反應(yīng)器采用污泥與廢水完全混合的模式,污泥停留時(shí)間(SRT)與水力停留時(shí)間(HRT)相同,厭氧微生物濃度低,處理效果差。Schroepfer在20世紀(jì)50年代開(kāi)發(fā)了厭氧接觸反應(yīng)器,在連續(xù)攪拌反應(yīng)器基礎(chǔ)上于出水沉淀池中增設(shè)污泥回流裝置,使厭氧污泥在反應(yīng)器中的停留時(shí)間第一次大于水力停留時(shí)間,提高了負(fù)荷與處理效
率,一般其容積負(fù)荷在4～5kgCOD/(m³?d)以下。第一代厭氧反應(yīng)器主要用于污泥和糞肥的消化,以及生活污水的處理。
“第一代厭氧生物反應(yīng)器”的特點(diǎn)是：①水力停留時(shí)間（HRT）很長(zhǎng)，有時(shí)在污泥處理時(shí)，污泥消化池的HRT會(huì)長(zhǎng)達(dá)90天，即使是目前在很多現(xiàn)代化城市污水處理廠(chǎng)內(nèi)所采用的污泥消化池的HRT也還長(zhǎng)達(dá)20～30天；②雖然HRT相當(dāng)長(zhǎng)，但處理效率仍十分低，處理效果還很不好；③具有濃臭的氣味，因?yàn)樵趨捬跸^(guò)程中原污泥中含有的有機(jī)氮或硫酸鹽等會(huì)在厭氧條件下分別轉(zhuǎn)化為氨氮或硫化氫，而它們都具有十分特別的臭味。以上這些特點(diǎn)使得人們對(duì)于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和利用厭氧生物過(guò)程的興趣大大降低，而且此時(shí)利用活性污泥法或生物膜法處理城市污水已經(jīng)十分成功。
2.第二代厭氧反應(yīng)器
隨著人們對(duì)厭氧生物處理技術(shù)研究的深入,以提高厭氧微生物濃度和停留時(shí)間,強(qiáng)化傳質(zhì)作用,縮短液體停留時(shí)間為基礎(chǔ)的一系列高速厭氧反應(yīng)器相繼出現(xiàn).主要有厭氧濾器(簡(jiǎn)稱(chēng)AF)、厭氧流化床(簡(jiǎn)稱(chēng)AFB)反應(yīng)器、上流式厭氧污泥床(簡(jiǎn)稱(chēng)UASB)反應(yīng)器等。
這些被稱(chēng)為現(xiàn)代高速厭氧消化反應(yīng)器的厭氧生物處理工藝又被統(tǒng)一稱(chēng)為“第二代厭氧生物反應(yīng)器”，它們的主要特點(diǎn)有：①HRT大大縮短，有機(jī)負(fù)荷大大提高，處理效率大大提高；②主要包括：厭氧接觸法、厭氧濾池（AF）、上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器、厭氧流化床（AFB）、AAFEB、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)（ARBC）和擋板式厭氧反應(yīng)器等；③HRT與SRT分離，SRT相對(duì)很長(zhǎng)，HRT則可以較短，反應(yīng)器內(nèi)生物量很高。以上這些特點(diǎn)徹底改變了原來(lái)人們對(duì)厭氧生物過(guò)程的認(rèn)識(shí)，因此其實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。
 
3.第三代厭氧反應(yīng)器
雖然第二代厭氧生物反應(yīng)器在應(yīng)用中取得了很大的成功,但為了解決UASB在運(yùn)行中出現(xiàn)的短流、死角和堵塞等一些問(wèn)題,進(jìn)一步增強(qiáng)厭氧微生物與廢水的混合與接觸,提高負(fù)荷及處理效率,擴(kuò)大適用范圍,人們?cè)谄浠A(chǔ)上繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)了第三代反應(yīng)器.主要有厭氧顆粒污泥膨脹床(簡(jiǎn)稱(chēng)EGSB)、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)IC)、厭氧折板式反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)ABR)、厭氧序列式反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)ASBR)、厭氧膜生物系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)AMBS)等,目前生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較少。
進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著以顆粒污泥為主要特點(diǎn)的UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來(lái)了同樣以顆粒污泥為根本的顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應(yīng)器和厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器。其中EGSB反應(yīng)器利用外加的出水循環(huán)可以使反應(yīng)器內(nèi)部形成很高的上升流速，提高反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)與微生物之間的接觸和反應(yīng)，可以在較低溫度下處理較低濃度的有機(jī)廢水，如城市廢水等；而IC反應(yīng)器則主要應(yīng)用于處理高濃度有機(jī)廢水，依靠厭氧生物過(guò)程本身所產(chǎn)生的大量沼氣形成內(nèi)部混合液的充分循環(huán)與混合，可以達(dá)到更高的有機(jī)負(fù)荷。這些反應(yīng)器又被統(tǒng)一稱(chēng)為“第三代厭氧生物反應(yīng)器”。
可以看出,隨著厭氧反應(yīng)器的發(fā)展,其處理效率不斷提高,適用范圍也由原來(lái)的污泥、糞肥消化擴(kuò)展到對(duì)各種濃度的生活污水和工業(yè)廢水的處理。而如何有效保持反應(yīng)器中性能優(yōu)良的厭氧活性污泥,使污泥與進(jìn)水充分接觸,最大限度的利用微生物的處理能力,始終是厭氧反應(yīng)器發(fā)展的主導(dǎo)方向。今后厭氧反應(yīng)器的研究應(yīng)著眼于以下幾個(gè)方面：
(1)追求高效率的處理能力：使厭氧微生物與廢水最大程度的接觸,避免短流和死角現(xiàn)象的出現(xiàn),從而使反應(yīng)器獲得較高的容積負(fù)荷,廢水在更短的HRT下得以處理。
(2)擴(kuò)大適用范圍：傳統(tǒng)的厭氧生物技術(shù)在處理高濃度有機(jī)廢水方面已取得了很大的成功。經(jīng)濟(jì)、有效的處理低濃度生活污水是人們關(guān)心的新領(lǐng)域,這也為厭氧反應(yīng)器的發(fā)展開(kāi)辟了新的空間。
(3)提高出水水質(zhì)：現(xiàn)行的厭氧工藝出水大都很難達(dá)到二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(SS30mg/L,BOD530mg/L),還需進(jìn)行后續(xù)處理才能達(dá)標(biāo)排放,一般采用厭氧-好氧系統(tǒng)或厭氧-濕地系統(tǒng).如何解決兩套處理系統(tǒng)所帶來(lái)的工藝和操作上的復(fù)雜性的問(wèn)題,在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的反應(yīng)器內(nèi)達(dá)到處理效果,這為厭氧反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)提供了新的思路。
(4)縮短啟動(dòng)時(shí)間：由于厭氧微生物世代時(shí)間長(zhǎng)且自身增殖緩慢,厭氧反應(yīng)器從開(kāi)始啟動(dòng)到達(dá)到穩(wěn)定處理效果所用時(shí)間較好氧處理工藝長(zhǎng)的多,從而限制了厭氧生物技術(shù)在一些方面的應(yīng)用。選擇合適的接種污泥和啟動(dòng)方案對(duì)縮短厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間有很大幫助。
(5)耐沖擊負(fù)荷：有效的減少水力沖擊和有機(jī)物負(fù)荷沖擊所帶來(lái)的不利影響,使厭氧系統(tǒng)對(duì)不良因素(如毒性物質(zhì))的適應(yīng)性大為提高,強(qiáng)化厭氧技術(shù)在處理難降解物質(zhì)和毒性物質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì)。