高浓度和难降解有机废水有效治理是困扰工业水处理领域的重大难题。厌氧反应器高效、经济，还可产生沼气资源，是21世纪公认的绿色治理技术，备受行业青睐。在上世纪70年代以前，厌氧反应器主要形式以化粪池等为主（即第一代厌氧反应器），自70年代以后荷兰科学家Lettinga开发了以上流式厌氧污泥床（UASB）为代表的第二代厌氧反应器以来，厌氧反应器的结构被不断优化，随后又开发出了以厌氧折流板反应器（ABR）、厌氧内循环（IC）反应器、厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器等为代表的第三代厌氧反应器。纵观厌氧反应器的历次革新换代，其内部结构的不断改进功不可没。目前，第三代厌氧反应器容积效工程上能最高可达10-50 kg COD/(m3·d)，但仍远小于当前最大容积负荷（≥300 kg COD/(m3·d)），而且仍难于长期稳定运行，极大地限制了它的进一步推广应用。
为进一步提升厌氧反应器的高效稳定性能，东华大学陈小光课题组通过螺旋对称布置椭圆挡板（如图1），优化了床层空间结构，极大地改善了床层流态、增强了污泥持留和优化了菌群空间分布；通过螺旋对称布置气体导管，及时导出生物产气，极大地消除了产物抑制和促进了相际传质，从而发明了超高效螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB），其有机负荷（OLR）高达361.5 kg COD/(m3·d)，为同类型反应器国内外文献所见报道值最高水平。该反应器现已模块化和标准化（已有规模分别为Ø0.4m×2.5m Ӏ、Ø1.0m×3.5m Ⅱ、Ø1.2m×8.0m III、Ø1.5m×10.0mⅣ以及Ø2.3m×15.0mⅤ系列产品）。图1 螺旋对称流厌氧生物反应器物理模型及其床层流态模拟高浓度难降解有机污水生物流化床反应器处理及资源化技术为解决高浓度难降解有机废水的达标排放，陈小光课题组发明了“气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器”（如图2反应器Ӏ，反应器Ⅱ为传统气升式内循环生物脱氮反应器），在该反应器床层内部设立多级文丘里管结构，形成了多级串联涡旋流场（占床层总体积的90%~93.1%），强化了生物传质效果；通过左右对称设置循环管，形成了缺氧空间，强化了生物脱氮效能。团队将SSSAB与该反应器联用，并集成一种连体式含硫废气净化装置、一种沼气脱硫干燥贮存一体式装置和三段一体式矩形厌氧消化器等多项发明专利，开发了“高浓度难降解有机废水生物流化床反应器处理及资源化技术”，其工艺流程如图3。
（1）该技术高度集约。突破了以构筑物为主体的传统工艺，全部采用设备化的新型工艺，具有处理效果好、运行成本低、占地面积小、建设周期短、卫生条件好以及外形和谐美观等优点。（2）该技术工艺包括生物处理单元、沼气脱硫单元、污泥厌氧消化单元和中水回用单元，前一个单元以“厌氧+好氧生物流化床”为主，后三个单元既可新建又可组合现有设备设施，尤其适合中小型企业废水处理的改扩建工程。（3）该技术不仅能有效治污，还能高度实现资源化：可产生厌氧颗粒污泥作为菌种资源，收集甲烷能源，制作有机肥料或中水回用。 图2 气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器（反应器Ӏ）与传统气升式内循环生物脱氮反应器（反应器Ⅱ）图3 “生物流化床反应器处理及资源化技术”工艺流程食品行业示范工程（如图4）。以所研制的螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB）和高效生物流化床反应器为核心应用于豆制品加工高浓度有机废水的处理，研发了“豆制品加工废水处理及产沼气资源化技术”，该工程运行高效、稳定、经济：SSSAB的有机容积负荷稳定在20-30 kg COD/(m3·d)，COD去除率高于80%；进水COD 4000-10000mg/L，总去除率达96%以上，年可产沼气能源72万m3，出水水质能稳定达《污水综合排放标准》（GB 8978－2006）一级A标准；该技术还具有占地面积极省的特色：水处理量为150T/d，占地面积仅约200m2（不足传统工艺的1/3）。
喷水织造行业示范工程（如图5）。以所研制的螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB）和气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器为核心应用于喷水织机聚丙烯酸酯浆料废水高浓度难降解有机废水的处理，研发了“喷水织造废水处理回用技术”：该技术攻克了上浆废水难于生物降解技术难题，废水经SSSAB处理后的B/C值由0.086提升至0.312；进水COD 1600 mg /L，平均去除率为95. 2%；该工艺以废治废，采用生活污水作为厌氧共消化基质，可弥补喷水织造过程中的水消耗，使中水回用率高达99%，从而实现“近零排放”。目前，该技术已被工信部和水利部等纳入《国家鼓励的工业节水工艺、技术和装备目录（第三批）》（2019年）。基于厌氧微生物降解三阶段理论和反应器理想流态理论，通过分别在传统厌氧反应器床层内部和外部螺旋对称布置三块椭圆挡板和三根集气导管的独特设计，实现了水解酸化菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌三大菌群的快速区域化，建立了“际间全混流和级际平推流”的床层多釜串联流态，从而发明了超高效螺旋对称流厌氧反应器。该反应器历经了小试、中试再到生产性试验的逐级放大过程；针对工业水处理领域的高浓度和难降解有机废水，以该反应器为核心，研发了效果好、成本低、占地小、建设周期短和卫生条件好的高浓度难降解有机污水生物流化床反应器处理及资源化技术，并分别在食品行业和喷水织造行业展开了工程示范。
未来，厌氧反应器正朝着高效、稳定和易控的方向发展，单元技术不断创新突破并与之有机整合，从而研发出许多高效节能的高浓度难降解有机废水处理新技术。在未来的工作中，将持续完善以SSSAB为核心的高浓度难降解有机污水生物流化床反应器处理及资源化技术，进一步拓展其在麻纤维厌氧生物脱胶、印染废水厌氧生物过程强化以及纺织浆料废水处理方面的工程应用，并使主体工艺设备进一步标准化和模块化，努力将其建成行业独具特色的、主体工艺设备化的、无二次污染的、可资源化的生物处理技术。[1] Chen Xiaoguang∗, Wang Yu, Wang Zhiyao, Liu Shuai∗. Efficient treatment of traditional Chinese pharmaceutical wastewater using a pilot-scale spiral symmetry stream anaerobic bioreactor compared with internal circulation reactor[J]. Chemosphere, 2019, 228: 437-443.
[2] Dai Ruobin, Chen Xiaoguang*, Luo Ying, et al. Inhibitory effect and mechanism of azo dyes on anaerobic methanogenic wastewater treatment: Can redox mediator remediate the inhibition?[J]. Water Research, 2016, 104: 408-417.[3] 主要涉及专利：ZL201210054218.6、ZL201410321199.8、ZL201310231996.2和ZL201610017800.3本文作者是来自东华大学环境科学与工程学院的陈小光，他凭借”螺旋对称流厌氧反应器的研发与应用”项目获得了2019年度'首创水星奖'产业创新类铜奖。
“首创水星奖”由国际水协会中国青年委员会（IWA Young Water Professionals China Chapter）与北京首创股份有限公司联合创立，旨在推进中国水与环境领域青年科技人才开展创新基础研究、核心技术开发与产学研融合，推动并引领水与环境产业技术进步和跨越升级。 
2020年5月31日前，IWA将免费向读者开放旗下的14种专业期刊，37,000余篇论文全部免费下载阅读！
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