一、概述

長(zhǎng)期以來(lái)好氧生物處理技術(shù)，尤其是活性污泥法一直是我國(guó)城市污水處理廠的主體工藝，它具有處理效率高、出水水質(zhì)好的特點(diǎn)，但它也存在能耗高、運(yùn)行費(fèi)用大、剩余污泥產(chǎn)量多等缺點(diǎn)。隨著大批城鎮(zhèn)污水處理廠建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，急需開(kāi)發(fā)能耗低、剩余污泥產(chǎn)量少、適合中小型污水處理廠的新工藝。厭氧生物處理技術(shù)因其具有能耗低、污泥產(chǎn)量少的特點(diǎn)，在許多發(fā)展中的城市污水處理中得到廣泛應(yīng)用。廢水厭氧生物處理是環(huán)境工程與能源工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)，是有機(jī)廢水強(qiáng)有力的處理方法之一。過(guò)去它多用于城市污水處理廠的污泥、有機(jī)廢料以及部分高濃度有機(jī)廢水的處理。厭氧氧化時(shí)僅能釋放出少量的能量，因此細(xì)胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少?？衫么颂匦詫⒑醚鹾腿毖踹^(guò)程產(chǎn)生的污泥通過(guò)厭氧分解加以穩(wěn)定。很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣發(fā)電，如北京高碑店污水處理廠。

目前，厭氧生化法不僅可用于處理有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水，也用于處理中、低濃度有機(jī)廢水，包括城市污水。厭氧生物處理方法和基本功能有二：（1）酸發(fā)酵，目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物降解的基質(zhì)；（2）甲烷發(fā)酵，目的是為進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料。

二、厭氧生物處理的機(jī)理

廢水厭氧生物處理是指在無(wú)分子氧條件下通過(guò)厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物質(zhì)的過(guò)程，也稱為厭氧消化(anaerobic digestion) 。與好氧過(guò)程的根本區(qū)別在于不以分子態(tài)氧作為受氫體，而以化合態(tài)氧、碳、硫、氮等作為受氫體。厭氧生物處理是一個(gè)復(fù)雜的微生物化學(xué)過(guò)程，依靠三大主要類(lèi)群的細(xì)菌，即水解產(chǎn)酸細(xì)菌(fermentative bacteria)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌(acetogenic bacteria)和產(chǎn)甲烷細(xì)菌(methanogenic bacteria)的聯(lián)合作用完成。厭氧消化過(guò)程劃分為三個(gè)連續(xù)的階段，即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

階段為水解酸化階段。復(fù)雜的大分子、不溶性有機(jī)物先在細(xì)胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機(jī)物，然后滲入細(xì)胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸、醇類(lèi)、醛類(lèi)等。這個(gè)階段主要產(chǎn)生較脂肪酸。

第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下，階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H₂、CO₂。

第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、CO₂和H₂等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過(guò)程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的l/3后者約占2/3。

上述三個(gè)階段的反應(yīng)速度依廢水性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類(lèi)等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡(jiǎn)單的糖類(lèi)、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對(duì)含這類(lèi)有機(jī)物為主的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。

 

 

 

 

 

有機(jī)物厭氧分解的三個(gè)階段

三、影響厭氧生物處理的主要因素

控制厭氧處理效率的基本因素有兩類(lèi)：一類(lèi)是基礎(chǔ)因素，包括微生物量 (污泥濃度)、營(yíng)養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機(jī)負(fù)荷等；另一類(lèi)是環(huán)境因素，如溫度、pH值、有毒物質(zhì)等。產(chǎn)甲烷細(xì)菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產(chǎn)甲烷階段是厭氧過(guò)程速率的限制步驟。

1、溫度條件

各類(lèi)微生物適宜的溫度范圍是不同的，一般認(rèn)為，產(chǎn)甲烷菌的溫度范圍為5-60℃。在35℃和53℃上下可以分別獲得較高的消化效率，溫度為40-45℃時(shí)，厭氧消化效率較低。據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為常溫消化、中溫消化和高溫消化三種類(lèi)型。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

溫度對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響

溫度的急劇變化和上下波動(dòng)不利于厭氧消化作用。短時(shí)內(nèi)溫度升降5℃，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動(dòng)的幅度過(guò)大時(shí)，甚至停止產(chǎn)氣。

溫度的波動(dòng)，不僅影響沼氣產(chǎn)量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對(duì)溫度變化為敏感。溫度的暫時(shí)性突然降低不會(huì)使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞，溫度一經(jīng)恢復(fù)到原來(lái)水平時(shí)，處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復(fù)

2、pH值

每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動(dòng)，產(chǎn)酸細(xì)菌對(duì)酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近，適宜pH值為7.0-7.2，pH6.6-7.4較為適宜。在厭氧法處理廢水的應(yīng)用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行，故為了維持平衡，避免過(guò)多的酸積累，常保持反應(yīng)器內(nèi)的pH值在6.5-7.5(好在6.8-7.2)的范圍內(nèi)。在厭氧消化過(guò)程中，pH值的升降變化除了外界因素的影響之外，還取決于有機(jī)物代謝過(guò)程中某些產(chǎn)物的增減。產(chǎn)酸作用產(chǎn)物使有機(jī)酸的含量增加，會(huì)使pH值下降。含氮有機(jī)物分解產(chǎn)物氨的增加，會(huì)引起pH值升高。在厭氧處理中，pH值除受進(jìn)水的pH影響外，主要取決于代謝過(guò)程中自然建立的緩沖平衡，取決于揮發(fā)酸、堿度、CO₂、氨氮、氫之間的平衡。

3、有機(jī)負(fù)荷

在厭氧法中，有機(jī)負(fù)荷通常指容積有機(jī)負(fù)荷，簡(jiǎn)稱容積負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機(jī)物量（kgCOD/m³·d)。對(duì)懸浮生長(zhǎng)工藝，也有用污泥負(fù)荷表達(dá)的，即kg CODcr/(kg污泥·d)。在污泥消化中，有機(jī)負(fù)荷習(xí)慣上以投配率或進(jìn)料率表達(dá)，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分?jǐn)?shù)。由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致，投配率不能反映實(shí)際的有機(jī)負(fù)荷，為此，又引入反應(yīng)器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù)，即kgMLVSS/m³·d。有機(jī)負(fù)荷值因工藝類(lèi)型、運(yùn)行條件以及廢水中污染物的種類(lèi)及其濃度而異。

在通常的情況下，常規(guī)厭氧消化工藝中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機(jī)負(fù)荷為2-3 kgCODcr/(m³·d)，在高溫下為4-6 kgCODcr /(m³·d)。

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧流化床等厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下為5-15 kgCODcr/(m³·d)，可高達(dá)30kgCODcr/(m³·d)。在處理具體廢水時(shí)，好通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定其適宜的有機(jī)負(fù)荷。

4、厭氧活性污泥

厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關(guān)系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎(chǔ)保證。厭氧活性污泥的性質(zhì)主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉降性能。故在一定的范圍內(nèi)，活性污泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。

5、攪拌和混合

通過(guò)攪拌可消除池內(nèi)梯度，增加食料與微生物之間的接觸，避免產(chǎn)生分層，促進(jìn)沼氣分離。在連續(xù)投料的消化池中，還使進(jìn)料迅速與池中原有料液相混勻。在傳統(tǒng)厭氧消化工藝中，也將有攪拌的消化器稱為消化器。攪拌程度與強(qiáng)度要適當(dāng)。攪拌的方法有：

（1）機(jī)械攪拌器攪拌法；（2）消化液循環(huán)攪拌法；（3）沼氣循環(huán)攪拌法等。其中沼氣循環(huán)攪拌，還有利于使沼氣中的CO₂作為產(chǎn)甲烷的底物被細(xì)菌利用，提高甲烷的產(chǎn)量。

厭氧濾池和上流式厭氧污泥床等厭氧消化設(shè)備，雖沒(méi)有專(zhuān)設(shè)攪拌裝置，但以上流的方式連續(xù)投入料液，通過(guò)液流及其擴(kuò)散作用，也起到一定程度的攪拌作用。

6、廢水的營(yíng)養(yǎng)比

厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷比例，因?yàn)槠渌麪I(yíng)養(yǎng)元素不足的情況較少見(jiàn)。厭氧法中碳:氮:磷控制為200-300:5:1為宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對(duì)厭氧消化的影響為重要。研究表明，合適的C/N為10-18:1。

7、有毒物質(zhì)

包括有毒有機(jī)物、重金屬離子和一些陰離子等。對(duì)有機(jī)物來(lái)說(shuō)，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結(jié)構(gòu)，往往具有抑制性。有毒物質(zhì)的高容許濃度與處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關(guān)。

四、厭氧法的工藝和設(shè)備

按微生物生長(zhǎng)狀態(tài)分為厭氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厭氧生物膜法(anaerobic slime)；按投料、出料及運(yùn)行方式分為分批式(batch)、連續(xù)式(continuous)和半連續(xù)式(semi-continuous)；厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等；厭氧生物膜法包括厭氧濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)等。

根據(jù)厭氧消化中物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的總過(guò)程是否在同一反應(yīng)器中并在同一工藝條件下完成，又可分為一步厭氧消化(one stage digestion)與兩步厭氧消化(two stage digestion)等。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等。

1、普通厭氧消化池

普通消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池(conventional digester)。消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續(xù)進(jìn)入池中，經(jīng)消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產(chǎn)沼氣從頂部排出。池徑從幾米至三、四十米，柱體部分的高度約為直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。為使進(jìn)水與微生物盡快接觸，需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種：(a)池內(nèi)機(jī)械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環(huán)消化液攪拌。

普通消化池的特點(diǎn)是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個(gè)池內(nèi)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。缺乏持留或補(bǔ)充厭氧活性污泥的特殊裝置，消化器中難以保持大量的微生物細(xì)胞。對(duì)無(wú)攪拌的消化器，還存在料液的分層現(xiàn)象嚴(yán)重，微生物不能與料液均勻接觸的問(wèn)題。溫度不均勻，消化效率低。

2、厭氧接觸法

在消化池后設(shè)沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobic contact process)。

厭氧接觸法的特點(diǎn)：

（1）通過(guò)污泥回流，保持消化池內(nèi)污泥濃度較高，一般為10-15g/L，耐沖擊能力強(qiáng)；

（2）消化池的容積負(fù)荷較普通消化池高，中溫消化時(shí)，一般為2-l0kgCODcr/m³·d，水力停留時(shí)間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15-30天，而接觸法小于10天；

（3）可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問(wèn)題；

（4）混合液經(jīng)沉降后，出水水質(zhì)好，

（5）但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設(shè)備

（6）厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進(jìn)行固液分離的缺點(diǎn)。

幾種脫氣方法：

(1)真空脫氣，由消化池排出的混合液經(jīng)真空脫氣器(真空度為0.005 MPa)，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉降性能；

(2)熱交換器急冷法，將從消化池排出的混合液進(jìn)行急速冷卻。

(3)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝劑，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降；

(4)用超濾器代替沉淀池，以改善固液分離效果。

3、厭氧濾池

厭氧濾池（anaerobic filter）又稱厭氧固定膜反應(yīng)器，是上世紀(jì)60年代末開(kāi)發(fā)的厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形，池內(nèi)裝放填料，池底和池頂密封。厭氧微生物附著于填料的表面生長(zhǎng)，當(dāng)廢水通過(guò)填料層時(shí)，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機(jī)物被降解，并產(chǎn)生沼氣，沼氣從池頂部排出。廢水從池底進(jìn)入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進(jìn)入，以降流的形式流過(guò)填料層，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池。

厭氧生物濾池的特點(diǎn)及改進(jìn)：

在厭氧生物濾池中，厭氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。厭氧微生物總量沿池高度分布是很不均勻的，在池進(jìn)水部位高，相應(yīng)的有機(jī)物去除速度快。當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高時(shí)，特別是進(jìn)水懸浮固體濃度和顆粒較大時(shí)，進(jìn)水部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。對(duì)厭氧生物濾池采取如下改進(jìn)：

（1）出水回流；

（2）部分充填載體；

（3）采用軟性填料。

厭氧生物濾池的特點(diǎn)是：

（1）由于填料為微生物附著生長(zhǎng)提供了較大的表面積，濾池中的微生物量較高，又因生物膜停留時(shí)間長(zhǎng)，平均停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100天左右，因而可承受的有機(jī)容積負(fù)荷高，COD容積負(fù)荷為2-16kgCODcr/(m³·d)，且耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；

（2）廢水與生物膜兩相接觸面大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，因而有機(jī)物去除速度快；

（3）微生物固著生長(zhǎng)為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設(shè)備；

（4）啟動(dòng)或停止運(yùn)行后再啟動(dòng)比前述厭氧工藝法時(shí)間短。

（5）處理含懸浮物濃度高的有機(jī)廢水，易發(fā)生堵塞，尤以進(jìn)水部位嚴(yán)重。因此，進(jìn)水懸浮物濃度不應(yīng)超過(guò)200mg/L。

4、厭氧流化床

厭氧流化床特點(diǎn):

（1）載體顆粒細(xì)，比表面積大，可高達(dá)2000-3000m²/m³左右，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，因此有機(jī)物容積負(fù)荷大，一般為10-40kgCODcr/m³·d，水力停留時(shí)間短，具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，運(yùn)行穩(wěn)定；

（2）載體處于流化狀態(tài)，無(wú)床層堵塞現(xiàn)象，對(duì)高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能；

（3）載體流化時(shí)，廢水與微生物之間接觸面大，同時(shí)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，從而具有較高的有機(jī)物凈化速度；

（4）床內(nèi)生物膜停留時(shí)間較長(zhǎng)，剩余污泥量少；

（5）結(jié)構(gòu)緊湊、占地少以及基建投資省等。

（6）但載體流化耗能較大，且對(duì)系統(tǒng)的管理技術(shù)要求較高。

為了降低動(dòng)力消耗和防止床層堵塞，可采取如下措施：

（1）間歇性流化床工藝，即以固定床與流化床間歇**替操作。固定床操作時(shí)，不需回流，在一定時(shí)間間歇后，又啟動(dòng)回流泵，呈流化床運(yùn)行；

（2）盡可能取質(zhì)輕、粒細(xì)的載體，如粒徑20-30mm、相對(duì)密度1.05-1.2g/cm³的載體。保持低的回流量，甚至免除回流就可實(shí)現(xiàn)床層流態(tài)化。

5、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)和擋板反應(yīng)器

厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的構(gòu)造與好氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)相似，不同之處在于盤(pán)片大部分 (70％以上)或全部浸沒(méi)在廢水中，為保證厭氧條件和收集沼氣，整個(gè)生物轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)在一個(gè)密閉的容器內(nèi)。厭氧擋板反應(yīng)器是從研究厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)展而來(lái)的，生物轉(zhuǎn)盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)即變成厭氧擋板反應(yīng)器。擋板反應(yīng)器與生物轉(zhuǎn)盤(pán)相比，可減少盤(pán)的片數(shù)和省去轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。

厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的特點(diǎn)：

（1）厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)微生物濃度高，因此有機(jī)物容積負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短；

（2）無(wú)堵塞問(wèn)題，可處理較高濃度的有機(jī)廢水；

（3）一般不需回流，所以動(dòng)力消耗低；

（4）耐沖擊能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便。但盤(pán)片造價(jià)高。

6、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，簡(jiǎn)稱UASB反應(yīng)器，是由荷蘭的G. Lettnga等人在上世紀(jì)70年代初研制開(kāi)發(fā)的。UASB厭氧反應(yīng)器以其獨(dú)特的特點(diǎn)，成為上應(yīng)用為廣泛的厭氧生物處理方法。從UASB反應(yīng)器次建立生產(chǎn)性裝置以來(lái)，全已有超過(guò)600座UASB反應(yīng)器投入使用，其處理的廢水幾乎囊括了所有有機(jī)廢水。污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有載體，是一種懸浮生長(zhǎng)型的消化器。其主要的特點(diǎn)有：反應(yīng)器負(fù)荷高，體積小，占地少；可以不添加或少添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；能耗低，產(chǎn)生的甲烷可以作為能源利用；不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少的剩余污泥；規(guī)?？纱罂尚?，操作靈活方便。

 UASB反應(yīng)器的機(jī)構(gòu)可以分為污泥床，污泥懸浮層，三相分離器和沉淀區(qū)四個(gè)部分。廢水由底部進(jìn)入反應(yīng)器，UASB能去除的有機(jī)物70％在污泥床中完成，剩下的30％在污泥懸浮層內(nèi)去除，被氣泡挾帶的污泥在三相分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣固分離，一些沉降性能好，活性高的污泥由沉淀區(qū)返回反應(yīng)器，而沉降性能差，活性低的污泥則被沖洗出反應(yīng)器，保證了活性高的污泥的基質(zhì)利用，從而實(shí)現(xiàn)淘劣存優(yōu)的效果。

上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設(shè)置氣、液、固三相分離器，則一般為矩形，高度一般為3-8m，其中污泥床1-2m，污泥懸浮層2-4m，多用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

UASB反應(yīng)器良好的污染物去除效果（一般80％以上）依靠反應(yīng)器中形成的厭氧顆粒污泥實(shí)現(xiàn)的。厭氧顆粒污泥性狀各異，大多數(shù)具有相對(duì)規(guī)則的球形或橢球形，直徑在0.15～5mm之間，顏色通常四黑色或灰色，沉降性能良好，文獻(xiàn)報(bào)道其沉降速度的典型范圍在18～100m/h。顆粒污泥本質(zhì)上是多種微生物的聚集體，主要是由厭氧微生物組成，顆粒污泥中參與分解復(fù)雜有機(jī)物，

 顆粒污泥的形成過(guò)程即顆?；^(guò)程是單一分散厭氧微生物聚集生長(zhǎng)成顆粒污泥的過(guò)程，是一個(gè)復(fù)雜而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的過(guò)程，可以看成是一個(gè)多階段的過(guò)程。先是細(xì)菌與基體（可以是細(xì)菌，也可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料）相互吸引粘連，這是污泥形成的開(kāi)始階段，也是決定污泥結(jié)構(gòu)的重要階段。細(xì)菌與基體接近后，通過(guò)細(xì)菌的附屬物如菌絲和菌毛等，或通過(guò)多聚物的粘連，將細(xì)菌粘接到基體上。隨著粘接到基體上的細(xì)菌的數(shù)目的增多，就開(kāi)始形成具有初步代謝作用的微生物聚集體。微生物聚集體在適宜的條件下，各種微生物大量繁殖，后形成沉降性

能良好，產(chǎn)甲烷活性高的顆粒污泥。

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器的特點(diǎn):

（1）反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥濃度60-80g/L，污泥懸浮層(sludgeblanket)污泥濃度5-7g/L；污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度發(fā)展的顆粒污泥(sludge granules)組成，顆粒的直徑一般在0.5-5.0mm之間，顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的一個(gè)重要特征。

（2）有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，中溫消化，COD容積負(fù)荷一般為10-20kg COD/（m³·d）；

（3）反應(yīng)器內(nèi)設(shè)三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動(dòng)回流到反應(yīng)區(qū)，一般無(wú)污泥回流設(shè)備；

（4）無(wú)混合攪拌設(shè)備。投產(chǎn)運(yùn)行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來(lái)攪動(dòng)；

（5）污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免堵塞問(wèn)題。

（6）反應(yīng)器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高，以免對(duì)污泥顆?；焕驕p少反應(yīng)區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；

（7）運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。

7、厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器（EGSB）和內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC）

上世紀(jì)七、八年代開(kāi)發(fā)的厭氧污泥膨脹床反應(yīng)器（EGSB）、內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（IC），已成功應(yīng)用于多項(xiàng)工程實(shí)踐。

厭氧顆粒污泥膨脹床（Expanded Granular Sludge Bed, EGSB）反應(yīng)器雖然在結(jié)構(gòu)形式、污泥形態(tài)等方面與UASB非常相似，但其工作運(yùn)行方式與UASB顯然不同，主要表現(xiàn)在EGSB中一般采用2.5-6m/h的液體表面上升流速（高可達(dá)10m/h），高COD負(fù)荷（8-15kgCODcr/m³?d)。高的液體表面上升流速使顆粒污泥床層處于膨脹狀態(tài)，不僅使進(jìn)水能與顆粒污泥能充分接觸，提高了傳質(zhì)效率，而且有利于基質(zhì)和代謝產(chǎn)物在顆粒污泥內(nèi)外的擴(kuò)散、傳送，保證了反應(yīng)器在較高的容積負(fù)荷條件下正常運(yùn)行。EGSB反應(yīng)器實(shí)質(zhì)上是固體流態(tài)化技術(shù)在有機(jī)廢水生物處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用。EGSB反應(yīng)器的工作區(qū)為流態(tài)化的初期，即膨脹階段（容積膨脹率約為10-30%），在此條件下，進(jìn)水流速較低，一方面可保證進(jìn)水基質(zhì)與污泥顆粒的充分接觸和混合，加速生化反應(yīng)進(jìn)程，另一方面有利于減輕或消靜態(tài)床（如UASB)中常見(jiàn)的底部負(fù)荷過(guò)重的狀況,增加反應(yīng)器對(duì)有機(jī)負(fù)荷,特別是對(duì)毒性物質(zhì)的承受能力。EGSB反應(yīng)器  適用范圍廣，可用于SS含量高和對(duì)微生物有抑制性的廢水處理，在低溫和處理低濃度有機(jī)廢水時(shí)有明顯。

內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器（Internal Circulation,IC）構(gòu)造的特點(diǎn)是具有很大的高徑比，一般可達(dá)4－8，反應(yīng)器的高度達(dá)到20m左右。整個(gè)反應(yīng)器由厭氧反應(yīng)室和第二氧反應(yīng)室疊加而成。每個(gè)厭氧反應(yīng)室的頂部各設(shè)一個(gè)氣、固、液三相分離器。級(jí)三相分離器主要分離沼氣和水，第二級(jí)三相分離器主要分離污泥和水，進(jìn)水和回流污泥在厭氧反應(yīng)室進(jìn)行混合。反應(yīng)室有很大的去除有機(jī)能力，進(jìn)入第二厭氧反應(yīng)室的廢水可繼續(xù)進(jìn)行處理。去除廢水中的剩余有機(jī)物，提高出水水質(zhì)。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器具有高COD負(fù)荷（15-25kgCODcr/m³?d)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省占地面積，借沼氣內(nèi)能提升實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，不必外加動(dòng)力，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，具有緩沖pH的能力，出水穩(wěn)定性好，可靠性高，基建投資低。

五、兩相厭氧處理系統(tǒng)

厭氧消化反應(yīng)分別在兩個(gè)的反應(yīng)器中進(jìn)行，每一反應(yīng)器完成一個(gè)階段的反應(yīng)，比如一為產(chǎn)酸階段，另一為產(chǎn)甲烷階段，故又稱兩段式厭氧消化法。按照所處理的廢水水質(zhì)情況，兩步可以采用同類(lèi)型或不同類(lèi)型的消化反應(yīng)器。步反應(yīng)器可采用簡(jiǎn)易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值范圍條件下運(yùn)行；第二步反應(yīng)器則要求嚴(yán)格密封、嚴(yán)格控制溫度和pH值范圍。接觸消化池-上流式污泥床兩步消化工藝如下圖：

 

 

 

 

 

1、熱交換器；2、接觸消化池；3、沉淀池；4、上流式厭氧污泥床

兩步厭氧法具有如下特點(diǎn):

（1）耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，避免了一步法不耐高有機(jī)酸濃度的缺陷；

（2）兩階段反應(yīng)不在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，互相影響小，可好地控制工藝條件；

（3）消化效率高，尤其適于處理含懸浮固體多、難消化降解的高濃度有機(jī)廢水。

（4）但兩步法設(shè)備較多，流程和操作復(fù)雜。

六、厭氧制氫技術(shù)

制氫技術(shù)有：（1）基于化石燃料的方法，如天然氣的蒸氣氣化、石油碳?xì)浠衔镏亟M分的部分氧化、煤的氣化等占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的90%以上。（2）基于以水為原料的方法：電解、光解、直接熱分解等占整個(gè)氫氣產(chǎn)量的4%左右。（3）基于生物技術(shù)的方法，如：藻類(lèi)和藍(lán)細(xì)菌光解水、光合細(xì)菌光分解有機(jī)物、有機(jī)物的發(fā)酵制氫、光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運(yùn)用制氫等等。

由于厭氧生物發(fā)酵制氫具有產(chǎn)氫能力大、無(wú)需光源、底物來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而逐漸受到人們青睞。厭氧制氫根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物不同分為以下兩種：

?    (1)當(dāng)乙酸為終產(chǎn)物時(shí)：

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O→ 2CH₃COOH +4H₂ + 2CO₂

 (2)當(dāng)丁酸為終產(chǎn)物時(shí)：

C₆H₁₂O₆→ CH₃CH₂CH₂COOH +2H₂ + 2CO₂

 當(dāng)H₂、CO₂分壓增加，產(chǎn)氫速率明顯降低，合成多與產(chǎn)氫競(jìng)爭(zhēng)的底物。氫氣產(chǎn)生速率與：pH、水力停留時(shí)間、氫分壓等有很大關(guān)系。研究表明：碳水化合物具有厭氧生物產(chǎn)氫可行性，而在碳水化合物中，溶解性糖類(lèi)比溶解性差的淀粉等具有產(chǎn)氫可行性。在碳水化合物中。對(duì)于溶解性好的糖，生物產(chǎn)氫穩(wěn)定運(yùn)行的PH值工程控制參數(shù)為4. 5左右，對(duì)于溶解性較差的淀粉廢水，其控制參數(shù)為PH值4. 0左右。

厭氧制氫技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：耗能低、效率高；清潔、節(jié)能和可再生；原料成本低，制氫過(guò)程不污染環(huán)境。利用厭氧細(xì)菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分子有機(jī)物，具有很強(qiáng)的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。

厭氧制氫技術(shù)還有一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究，如：（1）研究氣體快速分離技術(shù)，減少因氫、二氧化碳分壓增加抑制產(chǎn)氫速率———膜技術(shù)的使用；（2）誘變高產(chǎn)氫能力的菌株；（3）優(yōu)化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)—如固定床的使用等等。生物制氫技術(shù)總體上還處在初步研究階段，但其在原料來(lái)源、能源消耗、環(huán)境方面具有較強(qiáng)的，所以仍是值得深入研究的領(lǐng)域。

七、各種厭氧與好氧技術(shù)的比較和聯(lián)合運(yùn)用

1、、各種厭氧和好氧技術(shù)的比較

   厭氧工藝與好氧工藝相比較，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

厭氧工藝與好氧工藝相比較，優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）、應(yīng)用范圍廣

因供氧限制，好氧法一般只適用于中、低濃度有機(jī)廢水的處理，而厭氧法既適用于高濃度有機(jī)廢水，又適用于中、低濃度有機(jī)廢水。有些有機(jī)物對(duì)好氧生物處理法來(lái)說(shuō)是難降解的，但對(duì)厭氧生物處理是可降解的，如固體有機(jī)物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。

（2）、能耗低

好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費(fèi)用隨著有機(jī)物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要充氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機(jī)物達(dá)一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。研究表明，當(dāng)原水BOD₅達(dá)到1500mg/L時(shí)，采用厭氧處理即有能量剩余。有機(jī)物濃度愈高，剩余能量愈多。一般厭氧法的動(dòng)力消耗約為活性污泥法的1/10。理論上每去除1kgCOD可生產(chǎn)0.35m³純甲烷(0℃,1atm)。

（3）、負(fù)荷高

通常好氧法的有機(jī)容積負(fù)荷為0.7-1.2 kgBOD/(m³·d)，而厭氧法為2-10 kgCODcr/(m³·d)，高的可達(dá)30-50kgCODcr/(m³·d)。

（4）、剩余污泥量少，且其濃縮性、脫水性良好

好氧法每去除l kgCODcr將產(chǎn)生0.4-0.6 kg生物量，而厭氧出去除l kgCODcr只產(chǎn)生0.02-0.l kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％-20％。同時(shí)，消化污泥在衛(wèi)生學(xué)上和化學(xué)上都是穩(wěn)定的。因此，剩余污泥處理和處置簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低，甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。

（5）、氮、磷營(yíng)養(yǎng)需要量較少

好氧法一般要求BOD:N:P為l00:5:1，而厭氧法的BOD:N:P為l00:2.5:0.5，對(duì)氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營(yíng)養(yǎng)鹽量較少。

 

（6）、有殺菌作用

厭氧處理過(guò)程有一定的殺菌作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲(chóng)卵、病毒等。

（7）、污泥易貯存

厭氧活性污泥可長(zhǎng)期貯存，反應(yīng)器能季節(jié)性或間歇性運(yùn)轉(zhuǎn)。

厭氧工藝與好氧工藝相比較，缺點(diǎn)如下：

（1）、厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設(shè)備啟動(dòng)和處理所需時(shí)間比好氧設(shè)備長(zhǎng)（活性污泥法15℃培養(yǎng)7-10天，生物膜法20℃培養(yǎng)30天左右）；

（2）、出水往往達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步處理，故一般在厭氧處理后串聯(lián)好氧處理；

（3）、厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復(fù)雜；

（4）、厭氧過(guò)程會(huì)產(chǎn)生氣味對(duì)空氣有污染。

2、厭氧和好氧技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用

實(shí)際工業(yè)廢水中有機(jī)物的濃度較高，COD 可以達(dá)到幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)。高濃度有機(jī)廢水用一種方法很難處理到要求的水平，所以需要用厭氧和好氧處理方法聯(lián)合應(yīng)用才能達(dá)到好的效果。厭氧-好氧工藝的可能比沒(méi)有厭氧的單獨(dú)好氧工藝有一些特別的?，F(xiàn)以UASB加一個(gè)活性污泥工藝來(lái)分析厭氧-好氧工藝的特點(diǎn)。

厭氧-好氧工藝的特點(diǎn)：

（1）由于UASB反應(yīng)器會(huì)去除大量有機(jī)物和懸浮物，其后的好氧工藝污泥量會(huì)少得多，因此，在實(shí)踐中，厭氧-好氧工藝的總?cè)莘e常不到單獨(dú)好氧工藝容積的一半。

（2）由于好氧部分的剩余污泥可以循環(huán)至UASB反應(yīng)器，并在那里消化和增濃，因此，厭氧-好氧工藝可以省掉污泥穩(wěn)定所需的操作單元，剩余污泥量也比單獨(dú)好氧工藝少得多，且易處理。

（3）由于厭氧反應(yīng)器已去除大分子有機(jī)物，所以在好氧部分的需氧量大為減少，由此可以節(jié)約能源。同時(shí)由于UASB反應(yīng)器實(shí)際起到一種均衡作用，它減少了好氧部分的需氧量穩(wěn)定。

由以上分析，厭氧-好氧工藝是非常有吸引力的工藝。采用厭氧與好氧工藝相結(jié)合的工藝，還可以達(dá)到生物脫氮、脫磷的目的。目前厭氧與好氧聯(lián)合的工藝較多，有些仍處在研究階段，具體見(jiàn)第五節(jié)，此處僅以某啤酒廠廢水的處理流程（見(jiàn)多媒體課件）舉例。

3、應(yīng)用實(shí)例

（1）、某啤酒廠廢水水質(zhì)情況如下：

廢水水量：Q＝3000m³/d

進(jìn)水水質(zhì)：COD＝2500mg/L；BOD₅＝1600mg/L；SS＝500mg/L

出水水質(zhì)：處理后的廢水達(dá)到GB8978－1996一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即COD≤100mg/L；BOD₅≤20mg/L；SS≤70mg/L。

（2）、UASB反應(yīng)器的形狀和尺寸、水力停留時(shí)間（HRT）和水力負(fù)荷率（Vr）

對(duì)于中等濃度和高濃度的有機(jī)廢水，一般情況下，有機(jī)容積負(fù)荷率是限制因數(shù)，反應(yīng)器的容積與廢水量、廢水濃度和允許的有機(jī)物容積負(fù)荷去除率有關(guān)。

設(shè)計(jì)容積負(fù)荷為N_V＝4.0kgCOD/(m³?d)，COD去除率為80％，則UASB反應(yīng)器的有效容積為：

 V_有效＝Q（C₀－C_e）/N_V                

式中：Q－設(shè)計(jì)處理量，m³/d；

C₀、C_e－進(jìn)、出水COD濃度，mg/L；

N_V－COD容積負(fù)荷，kgCOD/(m³?d)。

V_有效＝3000×（2500－500）×10^-3/4.0＝1500（m³）

   據(jù)資料，經(jīng)濟(jì)的反應(yīng)器高度一般為4~6m之間，并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)優(yōu)化的運(yùn)行范圍。升流式厭氧污泥床的池型有矩形、方形和圓形。圓形反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是建造圓形反應(yīng)器的三相分離器要比矩形和方形的要復(fù)雜的多，因此本次設(shè)計(jì)采用矩形池。從布水均勻性和經(jīng)濟(jì)性考慮，矩形池長(zhǎng)寬比為2：1左右為合適。

    設(shè)計(jì)反應(yīng)器有效高度為h＝6m，則橫截面積S＝V_有效/h＝1500/6＝250（m²）。

   設(shè)池長(zhǎng)L約為池寬B的兩倍，則可取B＝12m，L＝21m。       一般應(yīng)用時(shí)反應(yīng)器裝液量為70～90％，本工程中設(shè)計(jì)反應(yīng)器總高H＝7.5m，其中超高0.5m。

反應(yīng)器的總?cè)莘eV＝BLH＝12×21×（7.5－0.5）＝1764m³，有效容積為1500m³，則體積有效系數(shù)為85.0％，符合有機(jī)負(fù)荷要求。

 

 

 

對(duì)于顆粒污泥，水力負(fù)荷Vr＝0.1~0.9m³/（m²?h），符合要求。

由于有機(jī)負(fù)荷較高，產(chǎn)氣量大，因此設(shè)置一個(gè)水封罐，水封罐出來(lái)的沼氣先通入氣水分離器，然后再進(jìn)入沼氣貯柜。氣水分離器起到對(duì)沼氣干燥的作用，選用直徑500mm×H1800mm鋼制氣水分離器一個(gè)，氣水分離器中預(yù)裝鋼絲填料，在氣水分離器前設(shè)置過(guò)濾器以凈化沼氣，在分離器出氣管上裝設(shè)流量計(jì)及壓力表。

4、思考題：

（1）、玉米酒精廠廢水處理方案

淀粉質(zhì)原料(玉米) 酒精發(fā)酵產(chǎn)生廢糟液，糟液污染重要指標(biāo)之一是總固體，它包括溶解性固體、懸浮固體和膠體，它是由有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和生物菌體所組成。廢糟液固液分離后，濾渣組分經(jīng)過(guò)烘干后可以制成蛋白質(zhì)飼料。廢水CODcr大約9400—12000mg/ L，BOD₅大約8300mg/ L ，SS達(dá)到3000 mg/L，且pH值較低。請(qǐng)對(duì)450 t/d酒精廢水設(shè)計(jì)一處理方案。

參考方案如下：

工藝流程說(shuō)明：廢水進(jìn)入調(diào)節(jié)沉淀池，去除大部分SS，調(diào)節(jié)池中的廢水經(jīng)泵提升進(jìn)入U(xiǎn)SBA反應(yīng)器，經(jīng)厭氧反應(yīng)后重力自流進(jìn)水解酸化池，其中UASB中反應(yīng)產(chǎn)生的沼氣經(jīng)三相分離器收集后通過(guò)水封、氣水分離器，脫硫罐等裝置進(jìn)入氣柜存放，以便加以利用。水解酸化池出水進(jìn)入好氧接觸氧化池，處理水經(jīng)過(guò)二沉池經(jīng)固液分離后達(dá)標(biāo)后排放。UASB和二沉池中排放出的剩余污泥與調(diào)節(jié)池的污泥一起排入污泥濃縮池進(jìn)行濃縮，隨后經(jīng)壓濾機(jī)處理后外運(yùn)。

(2)、肉聯(lián)廠綜合廢水處理方案選擇

某肉聯(lián)廠綜合廢水量3000 t/d ，CODcr為800 mg/ L，BOD₅大約500mg/ L ，SS為150mg/L，氨氮60mg/L。要求出水處理后水質(zhì)達(dá)到GB8978－1996一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)針對(duì)此種廢水提出一處理方案。

參考方案：

細(xì)格柵機(jī)

水解酸化池

SBR池

砂濾池

廢水

粗格柵機(jī)

清水池