厭氧反應(yīng)器組成及分類：
厭氧過程實質(zhì)是一系列復(fù)雜的生化反應(yīng)，其中的底物、各類中間產(chǎn)物、最終產(chǎn)物以及各種群的微生物之間相互作用，形成一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，類似于宏觀生態(tài)中的食物鏈關(guān)系，各類微生物間通過營養(yǎng)底物和代謝產(chǎn)物形成共生關(guān)系或共營養(yǎng)關(guān)系。因此，反應(yīng)器作為提供微生物生長繁殖的微型生態(tài)系統(tǒng)，各類微生物的平穩(wěn)生長、物質(zhì)和能量流動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)器常見類型：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。
 
常見幾種類型的消化罐
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)合時是光滑的，逐步過渡的。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).機械攪拌
①螺旋槳攪拌：在一個豎向?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，形成很大的負(fù)壓，將消化池液面的消化液吸入，通過擴散管從池子下部排出形成一個循環(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)過加壓的沼氣通過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)歷了三個時代: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:可以將固體停留時間和水力停留時間分離,能保持大量的活性污泥和足夠長的污泥齡,并注重培養(yǎng)顆粒污泥,屬高負(fù)荷系。第三代反應(yīng)器:在將固體停留時間和水力停留時間相分離的前提下,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“Cosmos”雜志報道應(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,污泥停留時間(SRT)與水力停留時間(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)器中的停留時間第一次大于水力停留時間,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”的特點是：①水力停留時間（HRT）很長，有時在污泥處理時，污泥消化池的HRT會長達(dá)90天，即使是目前在很多現(xiàn)代化城市污水處理廠內(nèi)所采用的污泥消化池的HRT也還長達(dá)20～30天；②雖然HRT相當(dāng)長，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，因為在厭氧消化過程中原污泥中含有的有機氮或硫酸鹽等會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。以上這些特點使得人們對于進(jìn)一步開發(fā)和利用厭氧生物過程的興趣大大降低，而且此時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間,強化傳質(zhì)作用,縮短液體停留時間為基礎(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(簡稱AF)、厭氧流化床(簡稱AFB)反應(yīng)器、上流式厭氧污泥床(簡稱UASB)反應(yīng)器等。
這些被稱為現(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)一稱為“第二代厭氧生物反應(yīng)器”，它們的主要特點有：①HRT大大縮短，有機負(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（ARBC）和擋板式厭氧反應(yīng)器等；③HRT與SRT分離，SRT相對很長，HRT則可以較短，反應(yīng)器內(nèi)生物量很高。以上這些特點徹底改變了原來人們對厭氧生物過程的認(rèn)識，因此其實際應(yīng)用也越來越廣泛。
 
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在運行中出現(xiàn)的短流、死角和堵塞等一些問題,進(jìn)一步增強厭氧微生物與廢水的混合與接觸,提高負(fù)荷及處理效率,擴大適用范圍,人們在其基礎(chǔ)上繼續(xù)研究和開發(fā)了第三代反應(yīng)器.主要有厭氧顆粒污泥膨脹床(簡稱EGSB)、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(簡稱IC)、厭氧折板式反應(yīng)器(簡稱ABR)、厭氧序列式反應(yīng)器(簡稱ASBR)、厭氧膜生物系統(tǒng)(簡稱AMBS)等,目前生產(chǎn)實踐中應(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的UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來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廢水，依靠厭氧生物過程本身所產(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)到更高的有機負(fù)荷。這些反應(yīng)器又被統(tǒng)一稱為“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,適用范圍也由原來的污泥、糞肥消化擴展到對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)擴大適用范圍：傳統(tǒng)的厭氧生物技術(shù)在處理高濃度有機廢水方面已取得了很大的成功。經(jīng)濟、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)所帶來的工藝和操作上的復(fù)雜性的問題,在結(jié)構(gòu)較為簡單的反應(yīng)器內(nèi)達(dá)到處理效果,這為厭氧反應(yīng)器的開發(fā)提供了新的思路。
(4)縮短啟動時間：由于厭氧微生物世代時間長且自身增殖緩慢,厭氧反應(yīng)器從開始啟動到達(dá)到穩(wěn)定處理效果所用時間較好氧處理工藝長的多,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方案對縮短厭氧反應(yīng)器啟動時間有很大幫助。
(5)耐沖擊負(fù)荷：有效的減少水力沖擊和有機物負(fù)荷沖擊所帶來的不利影響,使厭氧系統(tǒng)對不良因素(如毒性物質(zhì))的適應(yīng)性大為提高,強化厭氧技術(shù)在處理難降解物質(zhì)和毒性物質(zhì)方面的優(yōu)勢。