厭氧生物處理工藝-學(xué)生講義

PAGEPAGE31厭氧生物處理工藝第一節(jié)厭氧生物處理的基本原理第二節(jié)厭氧生物處理工藝的發(fā)展及特征第三節(jié)早期的厭氧生物反應(yīng)器第四節(jié)厭氧消化池第五節(jié)現(xiàn)代高速厭氧生物反應(yīng)器第六節(jié)厭氧生物處理工藝的新進(jìn)展第七節(jié)厭氧生物處理工藝的運(yùn)行管理第一節(jié)廢水厭氧生物處理原理廢水厭氧生物處理在早期又被稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵；是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。一、厭氧生物處理的基本生物過程1、兩階段理論：20世紀(jì)30~60年代，被普遍接受的是“兩階段理論”圖1厭氧反應(yīng)的兩階段理論圖示內(nèi)源呼吸產(chǎn)物堿性發(fā)酵階段酸性發(fā)酵階段水解胞外酶圖1厭氧反應(yīng)的兩階段理論圖示內(nèi)源呼吸產(chǎn)物堿性發(fā)酵階段酸性發(fā)酵階段水解胞外酶胞內(nèi)酶產(chǎn)甲烷菌胞內(nèi)酶產(chǎn)酸菌不溶性有機(jī)物可溶性有機(jī)物細(xì)菌細(xì)胞脂肪酸、醇類、H2、CO2其它產(chǎn)物細(xì)菌細(xì)胞CO2、CH4第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；是指產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；主要參與反應(yīng)的微生物被統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌（Methaneproducingbacteria）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn)是：1）生長速率慢，世代時(shí)間長；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。2、三階段理論對厭氧微生物學(xué)的深入研究后，發(fā)現(xiàn)將厭氧消化過程簡單地劃分為上述兩個(gè)過程，不能真實(shí)反映厭氧反應(yīng)過程的本質(zhì)；厭氧微生物學(xué)的研究表明，產(chǎn)甲烷菌是一類十分特別的古細(xì)菌（Archea），除了在分類學(xué)和其特殊的學(xué)報(bào)結(jié)構(gòu)外，其最主要的特點(diǎn)是：產(chǎn)甲烷細(xì)菌只能利用一些簡單有機(jī)物作為基質(zhì)，其中主要是一些簡單的一碳物質(zhì)如甲酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，兩碳物質(zhì)中只有乙酸，而不能利用其它含兩碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；說明：1）I、II、III為三階段理論，I、II、III、IV為四類群理論；2）所產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)未表示在圖中III發(fā)酵性細(xì)菌脂肪酸、醇類產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌II同型產(chǎn)乙酸菌IV有機(jī)物乙酸H2+CO2CH4I產(chǎn)甲烷菌說明：1）I、II、III為三階段理論，I、II、III、IV為四類群理論；2）所產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)未表示在圖中III發(fā)酵性細(xì)菌脂肪酸、醇類產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌II同型產(chǎn)乙酸菌IV有機(jī)物乙酸H2+CO2CH4I產(chǎn)甲烷菌圖2厭氧反應(yīng)的三階段理論和四類群理論水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。3、四階段理論（四菌群學(xué)說）：幾乎與Bryant提出“三階段理論”的同時(shí)，又有人提出了厭氧消化過程的“四菌群學(xué)說”：實(shí)際上，是在上述三階段理論的基礎(chǔ)上，增加了一類細(xì)菌——同型產(chǎn)乙酸菌，其主要功能是可以將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)生的H2/CO2合成為乙酸。但研究表明，實(shí)際上這一部分由H2/CO2合成而來的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的5%左右。總體來說，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對厭氧生物處理過程較全面和較準(zhǔn)確的描述。4、多階段理論但是，當(dāng)利用厭氧生物處理工藝處理含有復(fù)雜有機(jī)物的時(shí)候，在厭氧反應(yīng)器中發(fā)生的反應(yīng)會遠(yuǎn)比上述“三階段理論”、“四階段理論”中所描述的反應(yīng)過程復(fù)雜，可以參見“厭氧復(fù)雜體系示意圖”。IWA-ADM1號模型：將厭氧消化過程分為五類19個(gè)子過程：初步分解：1)復(fù)雜顆?；衔锉怀醪椒纸鉃轭w粒狀碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂類；水解：2)碳水化合物被水解為單糖；3)蛋白質(zhì)被水解為氨基酸；4)脂類被水解為長鏈脂肪酸和單糖；產(chǎn)酸產(chǎn)氫作用：5)單糖被降解為戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氫；6)氨基酸被降解為戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氫；7)長鏈脂肪酸(LCFA)被轉(zhuǎn)化為乙酸和氫；8)戊酸被降解為丙酸、乙酸和氫；9)丁酸被降解為乙酸和氫；10)丙酸被降解為乙酸和氫；產(chǎn)甲烷作用11)乙酸被乙酸營養(yǎng)型的產(chǎn)甲烷菌消耗；12)氫被氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌消耗；細(xì)菌的衰亡13)單糖降解微生物的衰亡；14)氨基酸降解微生物的衰亡；15)長鏈脂肪酸降解微生物的衰亡；16)戊酸和丁酸降解微生物的衰亡；17)丙酸鹽降解微生物的衰亡；18)乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的衰亡；19)氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的衰亡。二、厭氧消化過程中的主要微生物主要介紹其中的發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。1、發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌）：發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌的主要功能有兩種：①水解——在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物；②酸化——將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；主要的發(fā)酵產(chǎn)酸細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機(jī)物種類等），有時(shí)回成為厭氧反應(yīng)的限速步驟；產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細(xì)菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細(xì)菌處于共生互營關(guān)系。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)有：乙醇：丙酸：丁酸：注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓也很低時(shí)才能順利進(jìn)行，因此產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)的順利進(jìn)行，常常需要后續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)能及時(shí)將其主要的兩種產(chǎn)物乙酸和H2消耗掉。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。3、產(chǎn)甲烷菌20世紀(jì)60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對產(chǎn)甲烷細(xì)菌的研究才得以廣泛進(jìn)行；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來說，在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有Methanosarcina（產(chǎn)甲烷八疊球菌）和Methanothrix（產(chǎn)甲烷絲狀菌），但這兩種產(chǎn)甲烷細(xì)菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因?yàn)樵趨捬醴磻?yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③=4\*GB3④=5\*GB3⑤=6\*GB3⑥=7\*GB3⑦=8\*GB3⑧根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：產(chǎn)甲烷桿菌目產(chǎn)甲烷桿菌目產(chǎn)甲烷桿菌科產(chǎn)甲烷球菌目產(chǎn)甲烷球菌科產(chǎn)甲烷微菌目產(chǎn)甲烷微菌科產(chǎn)甲烷八疊球菌科產(chǎn)甲烷桿菌屬產(chǎn)甲烷桿短菌屬甲酸產(chǎn)甲烷桿菌瘤胃產(chǎn)甲烷桿菌產(chǎn)甲烷球菌屬范氏產(chǎn)甲烷球菌產(chǎn)甲烷微菌屬產(chǎn)甲烷菌屬產(chǎn)甲烷螺菌屬產(chǎn)甲烷八疊球菌屬產(chǎn)甲烷絲菌屬運(yùn)動(dòng)產(chǎn)甲烷微菌黑海產(chǎn)甲烷微菌亨氏產(chǎn)甲烷螺菌巴氏產(chǎn)甲烷八疊球菌索氏產(chǎn)甲烷絲菌屬——最新的分類（Bergy’s細(xì)菌手冊第九版），共分為：三目、七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：=1\*GB3①產(chǎn)甲烷桿菌；=2\*GB3②產(chǎn)甲烷球菌；=3\*GB3③產(chǎn)甲烷八疊球菌；=4\*GB3④產(chǎn)甲烷絲菌；等等。在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細(xì)菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細(xì)菌（Eubacteria）相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊；在自然界的分布，一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)崛?、深?；鹕娇凇⒊练e物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應(yīng)器等；產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150-400mv，氧和氧化劑對其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長，可達(dá)46天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟三、厭氧生物處理的影響因素產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過程的控制階段，因此，一般來說，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；主要影響因素有：溫度、pH值、氧化還原電位、營養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。1、溫度：溫度對厭氧微生物的影響尤為顯著；厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化（55C左右）和中溫消化（352、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適pH值范圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)（有機(jī)物濃度、有機(jī)物種類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個(gè)pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來說：系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會產(chǎn)生，使系統(tǒng)的pH值回升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持合適的pH值；厭氧體系一旦發(fā)生酸化，則需要很長的時(shí)間才能恢復(fù)。3、氧化還原電位：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100~-100mv的環(huán)境正常生長和活動(dòng)；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150~-400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mv；4、營養(yǎng)要求：厭氧微生物對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200：5：1；多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時(shí)需要投加：=1\*GB3①K、Na、Ca等金屬鹽類；=2\*GB3②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；=3\*GB3③有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5、F/M比：厭氧生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)5~10kgCOD/m3.d，甚至可達(dá)50~80kgCOD/m3.d；無傳氧的限制；可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷；高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短HRT，減少反應(yīng)器容積。6、有毒物質(zhì)：——常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(jī)物；=1\*GB3①硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化物；可溶的硫化物達(dá)到一定濃度時(shí)，會對厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。=2\*GB3②氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過高，則會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力會得到加強(qiáng)。=3\*GB3③重金屬：——使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。=4\*GB3④氰化物：=5\*GB3⑤有毒有機(jī)物：四、厭氧生物處理的主要特征1、厭氧生物處理過程的主要優(yōu)點(diǎn)：①能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；②污泥產(chǎn)量很低；——厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解；④反應(yīng)過程較為復(fù)雜——厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物過程；2、厭氧生物處理過程的主要缺點(diǎn)：=1\*GB3①對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；=2\*GB3②處理出水水質(zhì)較差，需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理；=3\*GB3③氣味較大；④對氨氮的去除效果不好；等等第二節(jié)厭氧生物處理工藝的發(fā)展概況及特征一、厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡史實(shí)際上，厭氧生物過程廣泛地存在于自然界中，但人類第一次有意識地利用厭氧生物過程來處理廢棄物，則是在1881年由法國的LouisMouras所發(fā)明的“自動(dòng)凈化器”開始的，隨后人類開始較大規(guī)模地應(yīng)用厭氧消化過程來處理城市污水（如化糞池、雙層沉淀池等）和剩余污泥（如各種厭氧消化池等）。這些厭氧反應(yīng)器現(xiàn)在通稱為“第一代厭氧生物反應(yīng)器”，它們的共同特點(diǎn)是：①水力停留時(shí)間（HRT）很長，有時(shí)在污泥處理時(shí)，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?yàn)樵趨捬跸^程中原污泥中含有的有機(jī)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(diǎn)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(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。但是，當(dāng)進(jìn)入上世紀(jì)50、60年代，特別是70年代的中后期，隨著世界范圍的能源危機(jī)的加劇，人們對利用厭氧消化過程處理有機(jī)廢水的研究得以強(qiáng)化，相繼出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應(yīng)器的處理工藝，從此厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理，真正成為一種可以與好氧生物處理工藝相提并論的廢水生物處理工藝。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(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（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(diǎn)徹底改變了原來人們對厭氧生物過程的認(rèn)識，因此其實(shí)際應(yīng)用也越來越廣泛。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)一稱為“第三代厭氧生物反應(yīng)器”。二、厭氧生物處理的主要特征1、主要優(yōu)點(diǎn)與廢水的好氧生物處理工藝相比，廢水的厭氧生物處理工藝具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：①能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；因?yàn)閰捬跎锾幚砉に嚐o需為微生物提供氧氣，所以不需要鼓風(fēng)曝氣，減少了能耗，而且厭氧生物處理工藝在大量降低廢水中的有機(jī)物的同時(shí)，還會產(chǎn)生大量的沼氣，其中主要的有效成分是甲烷，是一種可以燃燒的氣體，具有很高的利用價(jià)值，可以直接用于鍋爐燃燒或發(fā)電；②污泥產(chǎn)量很低；這是由于在厭氧生物處理過程中廢水中的大部分有機(jī)污染物都被用來產(chǎn)生沼氣——甲烷和二氧化碳了，用于細(xì)胞合成的有機(jī)物相對來說要少得多；同時(shí)，厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解；因此，對于某些含有難降解有機(jī)物的廢水，利用厭氧工藝進(jìn)行處理可以獲得更好的處理效果，或者可以利用厭氧工藝作為預(yù)處理工藝，可以提高廢水的可生化性，提高后續(xù)好氧處理工藝的處理效果。2、主要缺點(diǎn)與廢水的好氧生物處理工藝相比，廢水厭氧生物處理工藝也存在著以下的明顯缺點(diǎn)：①厭氧生物處理過程中所涉及到的生化反應(yīng)過程較為復(fù)雜，因?yàn)閰捬跸^程是由多種不同性質(zhì)、不同功能的厭氧微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的生化過程，不同種屬間細(xì)菌的相互配合或平衡較難控制，因此在運(yùn)行厭氧反應(yīng)器的過程中需要很高的技術(shù)要求；②厭氧微生物特別是其中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌對溫度、pH等環(huán)境因素非常敏感，也使得厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行和應(yīng)用受到很多限制和困難；③雖然厭氧生物處理工藝在處理高濃度的工業(yè)廢水時(shí)常?？梢赃_(dá)到很高的處理效率，但其出水水質(zhì)仍通常較差，一般需要利用好氧工藝進(jìn)行進(jìn)一步的處理；④厭氧生物處理的氣味較大；⑤對氨氮的去除效果不好，一般認(rèn)為在厭氧條件下氨氮不會降低，而且還可能由于原廢水中含有的有機(jī)氮在厭氧條件下的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致氨氮濃度的上升。三、厭氧生物處理技術(shù)是我國水污染控制的重要手段我國高濃度有機(jī)工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等有機(jī)物；我國當(dāng)前的水體污染物還主要是有機(jī)污染物以及營養(yǎng)元素N、P的污染；目前的形勢是：能源昂貴、土地價(jià)格劇增、剩余污泥的處理費(fèi)用也越來越高；厭氧工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是：=1\*GB3①能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用；=2\*GB3②運(yùn)行能耗低；=3\*GB3③有機(jī)負(fù)荷高，占地面積少；=4\*GB3④污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費(fèi)用低；等等；厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個(gè)方面。四、厭氧消化過程中沼氣產(chǎn)量的估算糖類、脂類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物經(jīng)過厭氧消化能轉(zhuǎn)化為甲烷和CO2等氣體，這樣的混合氣體統(tǒng)稱為沼氣（Biogas）；產(chǎn)生沼氣的數(shù)量和成分取決于被消化的有機(jī)物的化學(xué)組成，一般可以用下式進(jìn)行估算：理論上認(rèn)為，1gCOD在厭氧條件下完全降解可以生成0.25gCH4，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的甲烷氣體體積為0.35L；沼氣中CO2和CH4的百分含量不僅與有機(jī)物的化學(xué)組成有關(guān)，還與其各自的溶解度有關(guān)；由于一部分沼氣（主要是其中的CO2）會溶解在出水中而被帶走，同時(shí)，一小部分有機(jī)物還會被用于微生物細(xì)胞的合成，所以實(shí)際的產(chǎn)氣量要比理論產(chǎn)氣量小。、早期厭氧生物反應(yīng)器這是厭氧消化應(yīng)用于廢水處理的初級階段，是從1881年法國Mouras設(shè)計(jì)的自動(dòng)凈化器開始到本世紀(jì)的20年代；主要代表有：①1881年法國Mouras的自動(dòng)凈化器：②1891年英國Moncriff的裝有填料的升流式反應(yīng)器：③1895年，英國設(shè)計(jì)的化糞池（SepticTank）；④1905年，德國的Imhoff池（又稱隱化池、雙層沉淀池）；等等。這些早期的厭氧生物反應(yīng)器的共同特點(diǎn)是：=1\*GB3①處理廢水的同時(shí)，也處理從廢水中沉淀下來的污泥；=2\*GB3②前幾種構(gòu)筑物由于廢水與污泥不分隔而影響出水水質(zhì)；=3\*GB3③雙層沉淀池則有了很大改進(jìn)，有上層沉淀池和下層消化池；=4\*GB3④停留時(shí)間很長，出水水質(zhì)也較差；=5\*GB3⑤后兩種反應(yīng)器曾在英、美、德、法等國得到廣泛推廣，在我國目前仍有應(yīng)用。第四節(jié)厭氧消化池隨著活性污泥法、生物濾池等好氧生物處理工藝的開發(fā)和推廣應(yīng)用，厭氧生物處理被認(rèn)為是效率低、HRT長、受溫度等環(huán)境條件的影響大，因此處于一種被遺棄的狀態(tài)；但好氧生物處理工藝的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的剩余污泥也越來越多，其穩(wěn)定化處理的主要手段是厭氧消化，這是第二階段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加熱裝置，使產(chǎn)氣速率顯著提高；隨后，又增加了機(jī)械攪拌器，反應(yīng)速率進(jìn)一步提高；50年代初又開發(fā)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置；帶加熱和攪拌裝置的消化池被稱為高速消化池，至今仍是城市污水處理廠中污泥處理的主要技術(shù)。一、消化池的類型與構(gòu)造厭氧消化池主要應(yīng)用于處理城市污水廠的污泥，也可應(yīng)用于處理固體含量很高的有機(jī)廢水；它的主要作用是：=1\*GB3①將污泥中的一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化為沼氣；=2\*GB3②將污泥中的一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)；=3\*GB3③提高污泥的脫水性能；=4\*GB3④使得污泥的體積減少1/2以上；=5\*GB3⑤使污泥中的致病微生物得到一定程度的滅活，有利于污泥的進(jìn)一步處理和利用。1、消化池的分類消化池可以按其形狀分為：圓柱形、橢圓形（卵形）和龜甲形等幾種形式；也可以按其池頂結(jié)構(gòu)形式的不同將其分為：固定蓋式和浮動(dòng)蓋式的消化池；或者還可以按其運(yùn)行方式的不同分為：傳統(tǒng)消化池和高速消化池。1)傳統(tǒng)消化池：傳統(tǒng)消化池又稱為低速消化池，在池內(nèi)沒有設(shè)置加熱和攪拌裝置，所以有分層現(xiàn)象，一般分為浮渣層、上清液層、活性層、熟污泥層等，其中只有在活性層中才有有效的厭氧反應(yīng)過程在進(jìn)行，因此在傳統(tǒng)消化池中只有部分容積有效；傳統(tǒng)消化池的最大特點(diǎn)就是消化反應(yīng)速率很低，HRT很長，一般為30~90天。2)高速消化池與傳統(tǒng)消化池不同的是，在高速消化池中設(shè)有加熱和/或攪拌裝置，因此縮短了有機(jī)物穩(wěn)定所需的時(shí)間，也提高了沼氣產(chǎn)量，在中溫（30~353)兩級串聯(lián)消化池兩級串聯(lián)，第一級采用高速消化池，第二級則采用不設(shè)攪拌和加熱的傳統(tǒng)消化池，主要起沉淀濃縮和貯存熟污泥的作用，并分離和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1:1~1:4，一般為1:2。2、消化池的構(gòu)造消化池一般由池頂、池底和池體三部分組成；消化池的池頂有兩種形式，即固定蓋和浮動(dòng)蓋，池頂一般還兼做集氣罩，可以收集消化過程中所產(chǎn)生的沼氣；消化池的池底一般為倒圓錐形，有利于排放熟污泥。1)消化池內(nèi)的攪拌：在高速消化池內(nèi)均設(shè)有攪拌裝置，可以分為機(jī)械攪拌和沼氣攪拌兩種形式。其中的機(jī)械攪拌又分為：=1\*GB3①泵攪拌：從池底抽出消化污泥，用泵加壓后送至浮渣層表面或其它部位，進(jìn)行循環(huán)攪拌，一般與進(jìn)料和池外加熱合并一起進(jìn)行；=2\*GB3②螺旋漿攪拌：在一個(gè)豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳；=3\*GB3③水射器攪拌：利用污泥泵從消化池中抽取污泥后通過水射器噴射進(jìn)入消化池，可以起到循環(huán)攪拌的作用。而沼氣攪拌又可以分為：=1\*GB3①氣提式攪拌；=2\*GB3②豎管式攪拌；=3\*GB3③氣體擴(kuò)散式攪拌。2)消化池內(nèi)的加熱：在高速消化池內(nèi)一般需要將反應(yīng)溫度控制在中溫范圍內(nèi)，即約為35C左右，因此必須考慮對進(jìn)入消化池的污泥或直接在消化池內(nèi)部進(jìn)行加熱。消化池內(nèi)的加熱方式主要有：=1\*GB3①池內(nèi)蒸汽直接加熱，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，但容易造成局部污泥過熱，會影響厭氧微生物的正常活動(dòng)，而且蒸氣直接通入池內(nèi)會增加污泥的含水率；=2\*GB3②池外加熱：將進(jìn)入消化池的污泥預(yù)熱后再投配到消化池中，所需預(yù)熱的污泥量較少，易于控制；預(yù)熱溫度較高，有利于殺滅蟲卵；不會對厭氧微生物不利；但設(shè)備較復(fù)雜。二、消化池的設(shè)計(jì)計(jì)算消化池的設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容包括：=1\*GB3①消化池體積的計(jì)算與池體設(shè)計(jì)；=2\*GB3②消化池內(nèi)攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)與計(jì)算；=3\*GB3③消化池所需要的加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算；等。1、消化池的池體設(shè)計(jì)目前，國內(nèi)一般按污泥投配率來計(jì)算所需的消化池容積，即：式中：V——消化池的有效容積，m3；V’——每天需要處理的新鮮污泥的統(tǒng)計(jì)，m3/d；p——污泥投配率。一般當(dāng)采用高速消化池來處理來自城市生活污水處理長的剩余污泥時(shí)，在消化溫度為30~35C時(shí)，投配率p可取6~18%；在實(shí)際工程中，一般要求消化池不少于2個(gè)，以便輪流檢修。而國外則多按固體負(fù)荷率來計(jì)算消化池的有效容積，即：式中：Gs——每日需要處理的污泥干固體量，kgVSS/d；Lv——單位容積消化池固體負(fù)荷率，kgVSS/m3.d。一般認(rèn)為固體負(fù)荷率Lv值與污泥的含固率、消化池內(nèi)的反應(yīng)溫度等有關(guān)，下表中的數(shù)據(jù)可供參考：污泥含固率（%）固體負(fù)荷率（kgVSS/m3.d）24C29C33C35C41.532.042.553.0651.912.553.193.8362.303.063.834.5972.683.574.465.362、消化池的結(jié)構(gòu)尺寸在確定了所需的消化池的有效容積后，就可計(jì)算消化池各部的結(jié)構(gòu)尺寸，其一般要求如下：=1\*GB3①圓柱形池體的直徑一般為6~35m；=2\*GB3②柱體高徑之比為1：2；=3\*GB3③池總高與直徑之比為0.8~1.0；=4\*GB3④池底坡度一般為0.08；=5\*GB3⑤池頂部的集氣罩，高度和直徑相同，一般為2.0m；=6\*GB3⑥池頂至少設(shè)兩個(gè)直徑為0.7m的人孔。3、消化池的工藝管道在消化池中還需要設(shè)置多種工藝管道，其中主要包括：①污泥管：進(jìn)泥管、出泥管、循環(huán)攪拌管；②上清液排放管；③溢流管；④沼氣管；⑤取樣管；等。三、沼氣的收集與利用污泥和高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧消化時(shí)均會產(chǎn)生大量沼氣；沼氣的熱值很高（一般為21000~25000kJ/m3，即5000~6000kCal/m3），是一種可利用的生物能源。1、污泥消化過程中沼氣產(chǎn)量的估算沼氣成分：一般認(rèn)為CH450~70%，CO220~30%，H22~5%，N2~10%，微量H2S等；沼氣產(chǎn)率是指每處理單位體積的生污泥所產(chǎn)生的沼氣量，即m3沼氣/m3生污泥；產(chǎn)氣率與污泥的性質(zhì)、污泥投配率、污泥含水率、發(fā)酵溫度等有關(guān)；當(dāng)污泥來自城市污水處理廠，生污泥含水率為96%時(shí)：中溫消化，投配率為6~8%，產(chǎn)氣率可達(dá)10~12m3沼氣/m3生污泥；高溫消化，投配率為6~8%，產(chǎn)氣率可達(dá)22~26m3沼氣/m3生污泥；投配率為13~15%，產(chǎn)氣率可達(dá)13~15m3沼氣/m3生污泥2、沼氣的收集在沼氣管道沿程上應(yīng)設(shè)置凝結(jié)水罐；注意安全；設(shè)置阻火器；為防止在冬季結(jié)冰引起堵塞，有時(shí)在沼氣管上還應(yīng)采取保溫措施。3、沼氣的貯存與利用一般需要采用沼氣柜來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量與用氣量之間的平衡；調(diào)節(jié)容積一般為日平均產(chǎn)氣量的25~40%，即6~10h的產(chǎn)氣量；注意防腐、防火。第五節(jié)現(xiàn)代高速厭氧生物反應(yīng)器厭氧消化技術(shù)發(fā)展上的第三個(gè)時(shí)期；1955年，Schroepter提出了厭氧接觸法，主要是在參考好氧活性污泥法的基礎(chǔ)上，在高速消化池之后增設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于有機(jī)廢水的處理；處理能力提高，應(yīng)用于食品包裝廢水的處理；標(biāo)志著厭氧技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的開端。隨后又相繼出現(xiàn)了厭氧生物濾池AF(AnaerobicFilter)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)、厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器AAFEB(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed)、厭氧流化床AFB(AnaerobicFluidizedBed)等高效厭氧反應(yīng)器，在這些厭氧反應(yīng)器中，主要具有如下特點(diǎn)：微生物不呈懸浮生長狀態(tài)，而是呈附著生長；有機(jī)容積負(fù)荷大大提高，水力停留時(shí)間顯著縮短；首先應(yīng)用于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理，如食品工業(yè)廢水、酒精工業(yè)廢水、發(fā)酵工業(yè)廢水、造紙廢水、制藥工業(yè)廢水、屠宰廢水等；也有應(yīng)用于城市廢水的處理；如果與好氧生物處理工藝進(jìn)行串聯(lián)或組合，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫氮和除磷；并對含有難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水具有較好的處理效果。一、厭氧接觸法1、工藝流程與特點(diǎn)從上述的工藝流程圖中可看出，厭氧接觸法工藝（AnaerobicContactProcess）的最大的特點(diǎn)是污泥回流，由于增加了污泥回流，就使得消化池的HRT與SRT得以分離，即整個(gè)系統(tǒng)的污泥齡可以用下式進(jìn)行計(jì)算：在厭氧生物處理工藝中，由于厭氧細(xì)菌生長緩慢，基本可以作到不從系統(tǒng)中排放剩余污泥，則Qw=0，則有：對于普通高速厭氧消化池，由于其Xe=X，所以其c=HRT，因此在中溫條件下，為了滿足產(chǎn)甲烷菌的生長繁殖，SRT要求20~30d，因此高速厭氧消化池的HRT為20~30d。對于厭氧接觸法，由于X>>Xe，所以HRT<<SRT；而且X越大，Xe越小，則HRT可以越短。與普通厭氧消化池相比，厭氧接觸法的特點(diǎn)有：=1\*GB3①污泥濃度高，一般為5~10gVSS/l，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；=2\*GB3②有機(jī)容積負(fù)荷高，中溫時(shí)，COD負(fù)荷1~6kgCOD/m3.d，去除率為70~80%；BOD負(fù)荷0.5~2.5kgBOD/m3.d，去除率80~90%；=3\*GB3③出水水質(zhì)較好；=4\*GB3④增加了沉淀池、污泥回流系統(tǒng)、真空脫氣設(shè)備，流程較復(fù)雜；=5\*GB3⑤適合于處理懸浮物和有機(jī)物濃度均很高的廢水。在厭氧接觸法工藝中，最大的問題是污泥的沉淀，因?yàn)閰捬跷勰嗌弦话憧偸歉街行〉臍馀荩矣捎谖勰嘣诙脸刂羞€具有活性，還會繼續(xù)產(chǎn)生沼氣，有可能導(dǎo)致已下沉的污泥上浮。因此，必須采用有效的改進(jìn)措施，主要有以下兩種，即：①真空脫氣設(shè)備（真空度為500mmH2O）；②增加熱交換器，使污泥驟冷，暫時(shí)抑制厭氧污泥的活性。2、工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)消化池容積的計(jì)算：有機(jī)容積負(fù)荷法：——有機(jī)容積負(fù)荷，。3、應(yīng)用實(shí)例=1\*GB3①美國：HRT=12~13h，X=7~12g/l，SRT=3.6~6d，Lv=2.5=2\*GB3②日本：T=52C，CODi=11~12g/l，CODe=2100~2700mg/l，V=3000m3；=3\*GB3③我國：南陽酒精廠Lv=9~12，=~83%，=87%，HRT=4~4.5d，CODi=50~54g/l，BODi=26~34g/l二、厭氧生物濾池1、工藝特征與主要型式60年代末，美國的Young和McCarty首先開發(fā)出厭氧生物濾池；1972年以后，一批生產(chǎn)規(guī)模的厭氧生物濾池投入運(yùn)行，它們所處理的廢水的COD濃度范圍較寬，約在300~85000mg/l之間，處理效果良好，運(yùn)行管理方便；與好氧生物濾池相似，厭氧生物濾池是裝填有濾料的厭氧生物反應(yīng)器，在濾料的表面形成了以生物膜形態(tài)生長的微生物群體，在濾料的空隙中則截留了大量懸浮生長的厭氧微生物，廢水通過濾料層向上流動(dòng)或向下流動(dòng)時(shí)，廢水中的有機(jī)物被截留、吸附及分解轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳等。根據(jù)廢水在厭氧生物濾池中的流向的不同，可分為升流式厭氧生物濾池、降流式厭氧生物濾池和升流式混合型厭氧生物濾池等三種形式，即分別如下圖所示：從工藝運(yùn)行的角度，厭氧生物濾池具有以下特點(diǎn)：①厭氧生物濾池中的厭氧生物膜的厚度約為1~4mm；②與好氧生物濾池一樣，其生物固體濃度沿濾料層高度而有變化；③降流式較升流式厭氧生物濾池中的生物固體濃度的分布更均勻；④厭氧生物濾池適合于處理多種類型、濃度的有機(jī)廢水，其有機(jī)負(fù)荷為0.2~16kgCOD/m3.d；⑤當(dāng)進(jìn)水COD濃度過高(>8000或12000mg/l)時(shí)，應(yīng)采用出水回流的措施：減少堿度的要求；降低進(jìn)水COD濃度；增大進(jìn)水流量，改善進(jìn)水分布條件。與傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝相比，厭氧濾池的突出優(yōu)點(diǎn)是：①生物固體濃度高，有機(jī)負(fù)荷高；②SRT長，可縮短HRT，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；③啟動(dòng)時(shí)間較短，停止運(yùn)行后的再啟動(dòng)也較容易；④無需回流污泥，運(yùn)行管理方便；⑤運(yùn)行穩(wěn)定性較好。而主要缺點(diǎn)是易堵塞，會給運(yùn)行造成困難。2、厭氧生物濾池的組成厭氧生物濾池主要由以下幾個(gè)重要部分組成的，即：濾料、布水系統(tǒng)、沼氣收集系統(tǒng)。分述如下：1)濾料：濾料是厭氧生物濾池的主體，其主要作用是提供微生物附著生長的表面及懸浮生長的空間，因此，應(yīng)具備下列條件：①比表面積大，以利于增加厭氧生物濾池中的生物量；②孔隙率高，以截留并保持大量懸浮微生物，同時(shí)也可防止堵塞；③表面粗糙度較大，以利于厭氧細(xì)菌附著生長；④其它方面，如：機(jī)械強(qiáng)度高；化學(xué)和生物學(xué)穩(wěn)定性好；質(zhì)量輕；價(jià)格低廉；等。很多研究者對多種不同的濾料進(jìn)行過研究，但所得出的結(jié)論也不盡相同，如有人認(rèn)為濾料的孔隙率更重要，即他們認(rèn)為厭氧生物濾池中是懸浮細(xì)菌所起的作用更大；也有人認(rèn)為濾料最重要的特性是：粗糙度、孔隙率以及孔隙大小。在厭氧濾池中經(jīng)常使用的濾料由多種，可以簡單分為如下幾種：=1\*GB3①實(shí)心塊狀濾料：30~45mm的碎塊；比表面積和孔隙率都較小，分別為40~50m2/m3和50~60%；這樣的厭氧生物濾池中的生物濃度較低，有機(jī)負(fù)荷也低，僅為3~6kgCOD/m3.d；易發(fā)生局部堵塞，產(chǎn)生短流。=2\*GB3②空心塊狀濾料：多用塑料制成，呈圓柱形或球形，內(nèi)部有不同形狀和大小的孔隙；比表面積和孔隙率都較大。=3\*GB3③管流型濾料：包括塑料波紋板和蜂窩填料等；比表面積為100~200m2/m3，孔隙率可達(dá)80~90%；有機(jī)負(fù)荷可達(dá)5~15kgCOD/m3.d。=4\*GB3④交叉流型濾料：=5\*GB3⑤纖維濾料：包括軟性尼龍纖維濾料、半軟性聚乙烯、聚丙烯濾料、彈性聚苯乙烯填料；比表面積和孔隙率都較大；偶有纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；價(jià)格較低，應(yīng)用普遍。2)布水系統(tǒng)：在厭氧生物濾池中布水系統(tǒng)的作用是將進(jìn)水均勻分配于全池，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)特別注意孔口的大小和流速。與好氧生物濾池不同的是，因?yàn)樾枰占a(chǎn)生的沼氣，厭氧生物濾池多是封閉式的，即其內(nèi)部的水位應(yīng)高于濾料層，將濾料層完全淹沒。其中升流式厭氧生物濾池的布水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置在濾池底部，這種形式在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛，一般濾池的直徑為6~26m，高為3~13m；而降流式厭氧生物濾池的水流方向正好與之相反；升流式混合型厭氧生物濾池的特點(diǎn)是減小了濾料層的厚度，留出了一定空間，以便懸浮狀態(tài)的顆粒污泥在其中生長和累積。3)沼氣收集系統(tǒng)：厭氧生物濾池的沼氣收集系統(tǒng)基本與厭氧消化池的類似。3、厭氧生物濾池的工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)厭氧生物濾池的工藝計(jì)算與設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：=1\*GB3①濾料的選擇；=2\*GB3②濾料體積的計(jì)算；=3\*GB3③布水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；=4\*GB3④沼氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。但目前尚無定型的設(shè)計(jì)計(jì)算程序，所以本文中僅主要介紹濾料體積的計(jì)算方法和某些關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的選取。1)濾料體積的計(jì)算：濾料體積的計(jì)算方法仍以有機(jī)負(fù)荷法為主，即：V=Q（Si–Se）/LvCOD其中LvCOD為有機(jī)容積負(fù)荷，一般為0.5~12kgCOD/m3.d；需要根據(jù)具體的廢水水質(zhì)以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或直接的小試試驗(yàn)結(jié)果最終決定。2)常用設(shè)計(jì)參數(shù)：一般來說，厭氧生物濾池的有機(jī)容積去除負(fù)荷可達(dá)0.5~12kgCOD/m3.d；有機(jī)物去除率可達(dá)60~95%；一般采用的濾料層的高度為2~5m；相鄰進(jìn)水孔口距離——1~2m（不大于2m）；污泥排放口距離——不大于3m。3)出水水質(zhì)關(guān)于Se：Se取決于對處理后出水的水質(zhì)要求；Se還取決于厭氧生物濾池一般能達(dá)到的有機(jī)物去除率；Se還取決于所采用的有機(jī)負(fù)荷的高低。4)關(guān)于有機(jī)容積負(fù)荷，其影響因素主要有：廢水水質(zhì)，包括有機(jī)物的種類和濃度；濾料性質(zhì)；溫度；其它，如：pH值、營養(yǎng)物、有毒物質(zhì)濃度等。一般，當(dāng)廢水性質(zhì)較特殊，無可靠資料可借鑒時(shí)，應(yīng)通過小試或中試試驗(yàn)結(jié)果來確定。4、厭氧生物濾池的應(yīng)用實(shí)例厭氧生物濾池在美、加已被廣泛應(yīng)用；處理對象包括多種不同類型的廢水，如生活污水及COD為3000~24000mg/l的各種工業(yè)廢水；處理規(guī)模也大小不等，最大的厭氧生物濾池為12500m3；COD的去除率在61~94%之間；有機(jī)負(fù)荷為0.1~15kgCOD/m3.d。三、升流式厭氧污泥層(床)(UASB)反應(yīng)器UASB反應(yīng)器的英文全稱為UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)Reactor,中文為上（升）流式厭氧污泥床（層）反應(yīng)器，是由荷蘭Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)的GatzeLettinga教授于上世紀(jì)70年代初開發(fā)出來的。1、UASB反應(yīng)器的基本原理與特征UASB反應(yīng)器的工作原理可用下圖表示：從上圖中可以看出，UASB反應(yīng)器具有如下的主要工藝特征：=1\*GB3①在反應(yīng)器的上部設(shè)置了氣、固、液三相分離器；=2\*GB3②在反應(yīng)器底部設(shè)置了均勻布水系統(tǒng)；=3\*GB3③反應(yīng)器內(nèi)的污泥能形成顆粒污泥，所謂的顆粒污泥的特點(diǎn)是：直徑為0.1~0.5cm，濕比重為1.04~1.08；具有良好的沉降性能和很高的產(chǎn)甲烷活性。上述工藝特征使得UASB反應(yīng)器與前面已經(jīng)述及的兩種厭氧工藝——厭氧接觸法以及厭氧生物濾池相比，具有如下的主要特點(diǎn)：①污泥的顆?；狗磻?yīng)器內(nèi)的平均濃度50gVSS/l以上，污泥齡一般為30天以上；②反應(yīng)器的水力停留時(shí)間相應(yīng)較短；③反應(yīng)器具有很高的容積負(fù)荷；④不僅適合于處理高、中濃度的有機(jī)工業(yè)廢水，也適合于處理低濃度的城市污水；⑤UASB反應(yīng)器集生物反應(yīng)和沉淀分離于一體，結(jié)構(gòu)緊湊；⑥無需設(shè)置填料，節(jié)省了費(fèi)用，提高了容積利用率；⑦一般也無需設(shè)置攪拌設(shè)備，上升水流和沼氣產(chǎn)生的上升氣流起到攪拌的作用；⑧構(gòu)造簡單，操作運(yùn)行方便。2、UASB反應(yīng)器的組成UASB反應(yīng)器的主要組成部分包括：進(jìn)水配水系統(tǒng)、反應(yīng)區(qū)、三相分離器、出水系統(tǒng)、氣室、浮渣收集系統(tǒng)、排泥系統(tǒng)等，下面將分別敘述：1)進(jìn)水配水系統(tǒng)：其功能主要有兩個(gè)方面：=1\*GB3①將廢水均勻地分配到整個(gè)反應(yīng)器的底部；=2\*GB3②水力攪拌；一個(gè)有效的進(jìn)水配水系統(tǒng)是保證UASB反應(yīng)器高效運(yùn)行的關(guān)鍵之一。2)反應(yīng)區(qū)：反應(yīng)區(qū)是UASB反應(yīng)器中生化反應(yīng)發(fā)生的主要場所，又分為污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū)，其中的污泥床區(qū)主要集中了大部分高活性的顆粒污泥，是有機(jī)物的主要降解場所；而污泥懸浮區(qū)則是絮狀污泥集中的區(qū)域。3)三相分離器：三相分離器由沉淀區(qū)、回流縫和氣封等組成；其主要功能有：=1\*GB3①將氣體(沼氣)、固體(污泥)、和液體(出水)分開；=2\*GB3②保證出水水質(zhì)；=3\*GB3③保證反應(yīng)器內(nèi)污泥量；=4\*GB3④有利于污泥顆?；?。4)出水系統(tǒng)：出水系統(tǒng)的主要作用是將經(jīng)過沉淀區(qū)后的出水均勻收集，并排出反應(yīng)器。5)氣室：氣室也稱集氣罩，其主要作用是收集沼氣。6)浮渣收集系統(tǒng)：浮渣收集系統(tǒng)的主要功能是清除沉淀區(qū)液面和氣室液面的浮渣。7)排泥系統(tǒng)：排泥系統(tǒng)的主要功能是均勻地排除反應(yīng)器內(nèi)的剩余污泥。3、UASB反應(yīng)器的型式一般來說，UASB反應(yīng)器主要有兩種型式，即開敞式UASB反應(yīng)器和封閉式UASB反應(yīng)器，分述如下。1)開敞式UASB反應(yīng)器開敞式UASB反應(yīng)器的頂部不加密封，或僅加一層不太密封的蓋板；多用于處理中低濃度的有機(jī)廢水；其構(gòu)造較簡單，易于施工安裝和維修。2)封閉式UASB反應(yīng)器封閉式UASB反應(yīng)器的頂部加蓋密封，這樣在UASB反應(yīng)器內(nèi)的液面與池頂之間形成氣室；主要適用于高濃度有機(jī)廢水的處理；這種形式實(shí)際上與傳統(tǒng)的厭氧消化池有一定的類似，其池頂也可以做成浮動(dòng)蓋式。在實(shí)際工程中，UASB的斷面形狀一般可以做成圓形或矩形，一般來說矩形斷面便于三相分離器的設(shè)計(jì)和施工；UASB反應(yīng)器的主體常為鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；UASB反應(yīng)器一般不在反應(yīng)器內(nèi)部直接加熱，而是將進(jìn)入反應(yīng)器的廢水預(yù)先加熱，而UASB反應(yīng)器本身多采用保溫措施。反應(yīng)器內(nèi)壁必須采取防腐措施，因?yàn)樵趨捬醴磻?yīng)過程中肯定會有較多的硫化氫或其它具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)產(chǎn)生。4、UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算由于UASB反應(yīng)器在一定程度上還屬于較新的廢水處理工藝技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中還存在著許多不確定因素，因此到目前為止，還沒有形成完整的工程設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。UASB反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容有：=1\*GB3①池型選擇、有效容積以及各主要部位尺寸的確定；=2\*GB3②進(jìn)水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、三相分離器等主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算；=3\*GB3③其它設(shè)備和管道如排泥和排渣系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)計(jì)算。下面將分別進(jìn)行敘述。1)有效容積及主要構(gòu)造尺寸的確定：UASB反應(yīng)器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應(yīng)區(qū)的總?cè)莘e作為反應(yīng)器的有效容積進(jìn)行考慮，多采用進(jìn)水容積負(fù)荷法確定，即：式中：Q——廢水流量，m3/d；Si——進(jìn)水有機(jī)物濃度，mgCOD/l；Lv——COD容積負(fù)荷，kgCOD/m3.d。UASB反應(yīng)器的容積負(fù)荷與反應(yīng)溫度、廢水性質(zhì)和濃度以及是否能夠在反應(yīng)器內(nèi)形成顆粒污泥等多種因素有關(guān)，如果對于食品工業(yè)廢水或與之性質(zhì)相近的廢水，一般認(rèn)為是可以在反應(yīng)器內(nèi)形成顆粒污泥的，在不同的反應(yīng)溫度下的進(jìn)水容積負(fù)荷的選擇可參考如下數(shù)據(jù)：溫度（0C）設(shè)計(jì)容積負(fù)荷（kgCOD/m3.d）高溫（55~65）20~30中溫（35~38）10~20常溫（20~25）5~10低溫（~15）2~52)進(jìn)水配水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：3)三相分離器的設(shè)計(jì)：三相分離器的基本原理與構(gòu)造如下圖所示：一般來說，在UASB反應(yīng)器中三相分離器可以有以下幾種布置形式：三相分離器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：=1\*GB3①沉淀區(qū)的設(shè)計(jì)：要求表面負(fù)荷應(yīng)小于1.0m3/m2.d；集氣罩斜面的坡度應(yīng)為55~60；沉淀區(qū)的總水深應(yīng)不小于1.5m，廢水在沉淀區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)在1.5~2.0h之間；=2\*GB3②回流縫的設(shè)計(jì)；=3\*GB3③氣液分離效果的計(jì)算與校核；等?；疽鬄椋海黄渲懈鶕?jù)Stocks公式有：4)出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：5)浮渣清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：6)排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)：7)其他設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題：加熱和保溫；沼氣的收集、貯存和利用；防腐；等5、UASB反應(yīng)器中的顆粒污泥1)顆粒污泥的性質(zhì)與形成能在反應(yīng)器內(nèi)形成沉降性能良好、活性高的顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的重要特征，顆粒污泥的形成與成熟，也是保證UASB反應(yīng)器高效穩(wěn)定運(yùn)行的前提，因此有許多研究者都對UASB反應(yīng)器中的顆粒污泥進(jìn)行多方面的研究，下面將分別進(jìn)行簡單敘述。①顆粒污泥的外觀：顆粒污泥的外觀實(shí)際上是多種多樣，有呈卵形、球形、絲形等；其平均直徑為1mm,一般為0.1~2mm,最大可達(dá)3~5mm；反應(yīng)區(qū)底部的顆粒污泥多以無機(jī)粒子作為核心，外包生物膜；顆粒的核心多為黑色，生物膜的表層則呈灰白色、淡黃色或暗綠色等；反應(yīng)區(qū)上部的顆粒污泥的揮發(fā)性相對較高；顆粒污泥質(zhì)軟，有一定的韌性和粘性。②顆粒污泥的組成在顆粒污泥中主要包括：各類微生物、無機(jī)礦物以及有機(jī)的胞外多聚物等，其VSS/SS一般為70~90%；顆粒污泥的主體是各類為微生物，包括水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、和產(chǎn)甲烷菌，有時(shí)還會有硫酸鹽還原菌等，細(xì)菌總數(shù)為1~4×1012個(gè)/gVSS；常見的優(yōu)勢產(chǎn)甲烷菌有：索氏甲烷絲菌、馬氏和巴氏甲烷八疊球菌等；一般顆粒污泥中C、H、N的比例為C約為40~50%、H約為7%、N約為10%；灰分含量因接種污泥的來源、處理水質(zhì)等的不同而有較大差距，一般灰分含量可達(dá)8.8~55%；灰分含量與顆粒的密度有很好的相關(guān)性，但與顆粒的強(qiáng)度的相關(guān)性不是很好；灰分中的FeS、Ca2+等對于顆粒污泥的穩(wěn)定性有著重要的作用，一般認(rèn)為在顆粒污泥中鐵的含量比例特別高。胞外多聚物是另一重要組成，在顆粒污泥的表面和內(nèi)部，一般可見透明發(fā)亮的粘液狀物質(zhì)，主要是聚多糖、蛋白質(zhì)和糖醛酸等；含量差異很大，以胞外聚多糖為例，少的占顆粒干重的1~2%，多的占20~30%；有人認(rèn)為胞外多聚物對于顆粒污泥的形成有重要作用，但現(xiàn)在仍有較大爭議；但至少可以認(rèn)為其存在有利于保持顆粒污泥的穩(wěn)定性。2)顆粒污泥的類型有人將顆粒污泥分為以下三種類型，即：A型、B型、C型，分述如下：①A型顆粒污泥：這種顆粒污泥中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌以巴氏甲烷八疊球菌為主體，外層常有絲狀產(chǎn)甲烷桿菌纏繞；比較密實(shí)，粒徑很小，約為0.1~0.1mm。②B型顆粒污泥：B型顆粒污泥則以絲狀產(chǎn)甲烷桿菌為主體，也稱桿菌顆粒；表面規(guī)則，外層繞著各種形態(tài)的產(chǎn)甲烷桿菌的絲狀體；在各種UASB反應(yīng)器中的出現(xiàn)頻率極高；密度為1.033~1.054g/cm3，粒徑約為1~3mm。③C型顆粒污泥：C型顆粒污泥由疏松的纖絲狀細(xì)菌繞粘連在惰性微粒上所形成的球狀團(tuán)粒，也稱絲菌顆粒；C型顆粒污泥大而重，粒徑一般為1~5mm，比重為1.01~1.05，沉降速度一般為5~10mm/s。研究表明，不同類型顆粒污泥的形成與廢水中化學(xué)物質(zhì)（營養(yǎng)基質(zhì)和無機(jī)物）以及反應(yīng)器的工藝條件（水力表面負(fù)荷和產(chǎn)氣強(qiáng)度）等的不同有關(guān)；當(dāng)反應(yīng)器中乙酸濃度高時(shí)，易形成A型顆粒污泥；當(dāng)反應(yīng)器中的乙酸濃度降低后，A型顆粒污泥將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)锽型顆粒污泥；當(dāng)存在適量的懸浮固體時(shí)，易形成C型顆粒污泥。3)顆粒污泥的生物活性通過多種研究手段對多種顆粒污泥的研究都表明，顆粒污泥中的細(xì)菌是成層分布的，即外層中占優(yōu)勢的細(xì)菌是水解發(fā)酵菌，而內(nèi)層則是產(chǎn)甲烷菌；顆粒污泥實(shí)際上是一種生物與環(huán)境條件相互依存和優(yōu)化的生態(tài)系統(tǒng)，各種細(xì)菌形成了一條很完整的食物鏈，有利于種間氫和種間乙酸的傳遞，因此其活性很高。4)顆粒污泥的培養(yǎng)條件在UASB反應(yīng)器種培養(yǎng)出高濃度高活性的顆粒污泥，一般需要1~3個(gè)月；可以分為三個(gè)階段：啟動(dòng)期、顆粒污泥形成期、顆粒污泥成熟期。影響顆粒污泥形成的主要因素有以下幾種：①接種污泥的選擇；②維持穩(wěn)定的環(huán)境條件，如溫度、pH值等；③初始污泥負(fù)荷一般為0.05~0.1kgCOD/kgSS.d，容積負(fù)荷一般應(yīng)小于0.5kgCOD/m3.d；④保持反應(yīng)器中低的VFA濃度；⑤表面水力負(fù)荷應(yīng)大于0.3m3/m2.d，以保持較大的水力分級作用，沖走輕質(zhì)的絮體污泥；⑥進(jìn)水COD濃度不宜大于4000mg/l，否則可采取水回流或稀疏等措施；⑦進(jìn)水中可適當(dāng)提供無機(jī)微粒，特別可以補(bǔ)充鈣和鐵，同時(shí)應(yīng)補(bǔ)充微量元素(如Ni、Co、Mo)。6、UASB反應(yīng)器的應(yīng)用實(shí)例四、其它厭氧生物處理工藝1、厭氧膨脹床和厭氧流化床Anaerobic(AttachedFilm)ExpandedBed&AnaerobicFluidizedBedReactors1)基本原理：在厭氧反應(yīng)器內(nèi)添加固體顆粒載體，常用的有石英砂、無煙煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒徑一般為0.2~1mm。一般需要采用出水回流的方法使載體顆粒在反應(yīng)器內(nèi)膨脹或形成流化狀態(tài)；一般將床體內(nèi)載體略有松動(dòng)，載體間空隙增加但仍保持互相接觸的反應(yīng)器稱為膨脹床反應(yīng)器；將上升流速增大到可以使載體在床體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)而互不接觸的反應(yīng)器稱為流化床反應(yīng)器。2)主要特點(diǎn)：細(xì)顆粒的載體為微生物的附著生長提供了較大的比表面積，使床內(nèi)的微生物濃度很高（一般可達(dá)30gVSS/l）；具有較高的有機(jī)容積負(fù)荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留時(shí)間較短；具有較好的耐沖擊負(fù)荷的能力，運(yùn)行較穩(wěn)定；載體處于膨脹或流化狀態(tài)，可防止載體堵塞；床內(nèi)生物固體停留時(shí)間較長，運(yùn)行穩(wěn)定，剩余污泥量較少；既可應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理，也應(yīng)用于低濃度城市廢水的處理。膨脹床或流化床的主要缺點(diǎn)是：載體的流化耗能較大；系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行的要求也較高。3)影響生物濃度的主要因素：厭氧膨脹床或流化床中的微生物濃度與載體粒徑和密度、上升流速、生物膜厚度和孔隙率等有關(guān)；在一定的上升流速、生物膜厚度、不同載體粒徑時(shí)，微生物濃度也不同；對于不同生物膜厚度，有一個(gè)污泥量最大的載體粒徑；載體的物理性質(zhì)對流化床的特性也有影響：如：顆粒粒徑過大時(shí)，顆粒自由沉降速度大，為保證一定的接觸時(shí)間必須增加流化床的高度；水流剪切力大，生物膜易于脫落；比表面積較小，容積負(fù)荷低；但過小時(shí)，則操作運(yùn)行較困難。4)應(yīng)用實(shí)例①城市廢水：Jewell等人，美國：進(jìn)水COD平均為186mg/l，SS平均為88mg/l；厭氧消化池污泥作為接種污泥，反應(yīng)溫度為20C；啟動(dòng)期為50天，之后連續(xù)運(yùn)行100天，COD負(fù)荷為0.65~35kgCOD/m3.d；當(dāng)水力停留時(shí)間在1h以上時(shí)，出水SS在10mg/l以下，COD為40~45mg/l。②工業(yè)廢水序號12345公司名稱EcolotrolDorr-OliverGist-BrocadesGist-BrocadesEnso-Gutyeit流化床所在地Birmingham(英國)Muscatine(美國)Delft(荷蘭)Drouvy(法國)Kaukapaa-Will(芬蘭)投產(chǎn)時(shí)間1984.41984.81985.101984廢水種類清涼飲料大豆加工酵母發(fā)酵酵母發(fā)酵KP紙漿漂白廢水量(m3/d)38077043201200COD濃度(mg/l)69001200032003600700pH值6.7~7.16.87.46~3厭氧消化相數(shù)單相兩相兩相兩相單相流化床容積(m3)120360380125有效容積30022580流化床高度(m)12.52117流化部分1312流化床直徑(m)6.14.73.0系列數(shù)222水力停留時(shí)間(h)6162.43.23~12消化溫度(C)353737352COD去除負(fù)荷(kgCOD/m3.d)9.6122220微生物濃度(kg/m3)122020殘余脂肪酸(mg/l)600<100100COD去除率(%)7776707550~602、厭氧生物轉(zhuǎn)盤1)基本原理：厭氧生物轉(zhuǎn)盤的基本原理與好氧生物轉(zhuǎn)盤類似，只是，在厭氧生物轉(zhuǎn)盤中，所有轉(zhuǎn)盤盤片均完全浸沒在廢水之中，處于厭氧狀態(tài)。2)主要特點(diǎn)：微生物濃度高，有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短；廢水沿水平方向流動(dòng)，反應(yīng)槽高度小，節(jié)省了提升高度；一般不需回流；不會發(fā)生堵塞，可處理含較高懸浮固體的有機(jī)廢水；多采用多級串聯(lián)，厭氧微生物在各級中分級，處理效果更好；運(yùn)行管理方便；但盤片的造價(jià)較高。3)應(yīng)用情況：厭氧生物轉(zhuǎn)盤目前還多處于小試階段。在國外有研究者針對多種廢水如：牛奶廢水、奶牛糞、生活污水等，在進(jìn)水TOC為110~6000mg/l的范圍內(nèi)，進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，厭氧生物轉(zhuǎn)盤對遠(yuǎn)廢水中TOC的去除率可達(dá)60~80%，有機(jī)負(fù)荷可達(dá)20gTOC/m3.d；在國內(nèi)也有研究者對于玉米淀粉廢水和酵母廢水進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，其COD去除率可達(dá)70~90%，有機(jī)容積負(fù)荷可高達(dá)30~70gCOD/m3.d。3、厭氧擋板反應(yīng)器1)基本原理：在反應(yīng)器中設(shè)置多個(gè)垂直擋板，將反應(yīng)器分隔為數(shù)個(gè)上向流和下向流的小室，使廢水循序流過這些小室；有人認(rèn)為，厭氧擋板式反應(yīng)器相當(dāng)于多個(gè)UASB反應(yīng)器的串聯(lián)；當(dāng)廢水濃度過高時(shí)，可將處理后的出水回流。2)主要特點(diǎn)：與厭氧生物轉(zhuǎn)盤相比，可省去轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；與UASB相比，可不設(shè)三相分離器而截流污泥；反應(yīng)器啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間較短，遠(yuǎn)行較穩(wěn)定；不需設(shè)置混合攪拌裝置；不存在污泥堵塞問題。3)應(yīng)用情況：厭氧擋板式反應(yīng)器目前還多處于小試階段；美國McCarty的研究結(jié)果如下表所示：數(shù)據(jù)組1234進(jìn)水COD濃度(g/l)7.37.68.18.3水力負(fù)荷(m3/m3.d)0.51.11.11.3回流比0.00.42.32.0有機(jī)物負(fù)荷(kgCOD/m3.d)3.58.39.010.6COD去除率(%)90827891產(chǎn)氣率(m3/m3.d)2.34.54.36.9甲烷含量(%)70565653出水揮發(fā)酸濃度(g/l)0.340.80.70.4美國夏威荑大學(xué)應(yīng)用平流式擋板厭氧反應(yīng)器處理養(yǎng)豬場廢水，當(dāng)溫度為30C，進(jìn)水COD為1190~4580mg/l，容積負(fù)荷為2.5~8.5kgCOD/m3.d，HRT為0.25~5d，COD去除率可達(dá)80%。4、兩相厭氧消化工藝1)基本原理與工藝流程：產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷相產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷相出水進(jìn)水兩相厭氧消化工藝是在上世紀(jì)70年代后期隨著厭氧微生物學(xué)的研究不斷深入應(yīng)運(yùn)而生的；它著重于工藝流程的變革，而不是向上述多種現(xiàn)代高速厭氧反應(yīng)器那樣著重于反應(yīng)器構(gòu)造變革；其基本出發(fā)點(diǎn)是，在單相反應(yīng)器中，存在著脂肪酸的產(chǎn)生與被利用之間的平衡，維持兩類微生物之間的協(xié)調(diào)與平衡十分不易；兩相厭氧消化工藝就是為了克服單相厭氧消化工藝的上述缺點(diǎn)而提出的；兩個(gè)反應(yīng)器中分別培養(yǎng)發(fā)酵細(xì)菌和產(chǎn)甲烷菌，并控制不同的運(yùn)行參數(shù)，使其分別滿足兩類不同細(xì)菌的最適生長條件；反應(yīng)器可以采用前述任一種反應(yīng)器，二者可以相同也可以不同。在兩相厭氧工藝中，最本質(zhì)的特征是實(shí)現(xiàn)相的分離，方法主要有：=1\*GB3①化學(xué)法：投加抑制劑或調(diào)整氧化還原電位，抑制產(chǎn)甲烷菌在產(chǎn)酸相中的生長；=2\*GB3②物理法：采用選擇性的半透明膜使進(jìn)入兩個(gè)反應(yīng)器的基質(zhì)有顯著的差別，以實(shí)現(xiàn)相的分離；=3\*GB3③動(dòng)力學(xué)控制法：利用產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個(gè)反應(yīng)器的水力停留時(shí)間，使產(chǎn)甲烷菌無法在產(chǎn)酸相中生長。目前應(yīng)用的最多的相分離的方法，是最后一種，即動(dòng)力學(xué)控制法。但實(shí)際上，很難做到相的完全分離。2)主要優(yōu)點(diǎn)：與常規(guī)單相厭氧生物處理工藝相比，兩相厭氧工藝主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：①有機(jī)負(fù)荷比單相工藝明顯提高；②產(chǎn)甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌活性得到提高，產(chǎn)氣量增加；③運(yùn)行更加穩(wěn)定，承受沖擊負(fù)荷的能力較強(qiáng)；④當(dāng)廢水中含有SO42-等抑制物質(zhì)時(shí)，其對產(chǎn)甲烷菌的影響由于相的分離而減弱；⑤對于復(fù)雜有機(jī)物（如纖維素等），可以提高其水解反應(yīng)速率，因而提高了其厭氧消化的效果。3)應(yīng)用情況①比利時(shí)肯特大學(xué)的Anodex工藝以厭氧接觸法作為產(chǎn)酸相，以UASB反應(yīng)器作為產(chǎn)甲烷相。②荷蘭：淀粉廢水項(xiàng)目沉淀池產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷相容積(m3)70017005000HRT(h)3.259.520溫度(C)333335pH6.26.27.5項(xiàng)目沉淀池進(jìn)料產(chǎn)酸相產(chǎn)甲烷相進(jìn)水出水進(jìn)水出水COD(mg/l)17,500~18,00017,80016,40011,7003,000TKN(mmol)7577745246氨氮(mmol)329473342硫酸鹽(mmol)3.33.01.30.70.1硫化物(mmol)0.10.11.91.31.4③我國首都師范大學(xué)：豆制品廢水HRT(h)出水pH有機(jī)負(fù)荷(kgCOD/m3.d)COD去除率(%)產(chǎn)氣率(m3/m3.d)出水揮發(fā)酸(mg/l)沼氣中CH4(%)產(chǎn)酸相1.84.7~5.584.46.4180012產(chǎn)甲烷相(UASB)13.87.0~7.212.092.35.9565全系統(tǒng)15.67.0~7.210.593.25.265④其它國家廢水性質(zhì)規(guī)模進(jìn)水COD(mg/l)COD去除率(%)有機(jī)負(fù)荷(kgCOD/m3.d)處理能力(kgCOD/d)投入運(yùn)行年份比利時(shí)酶和酒精中試7500~1000079~84141801977德國甜菜制糖中試6000~700090~9220451980比利時(shí)酵母、酒精中試28200~3200067~72211351980德國檸檬酸中試4257470~8015~201201981比利時(shí)亞麻處理生產(chǎn)性6500~700085~909~123501980德國淀粉、葡萄糖生產(chǎn)性200001982德國甜菜制糖生產(chǎn)性320001982德國甜菜制糖生產(chǎn)性150001982第六節(jié)厭氧生物處理工藝的新進(jìn)展一、厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應(yīng)器在多年的研究與應(yīng)用中，UASB反應(yīng)器已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的一種厭氧生物反應(yīng)器。但在UASB反應(yīng)器大量應(yīng)用于處理多種工業(yè)廢水的實(shí)際運(yùn)行中，卻發(fā)現(xiàn)，在UASB反應(yīng)器處理中低濃度（1500~2000mgCOD/L）廢水時(shí)，為防止水力上升流速太大而使厭氧污泥大量流失，其容積負(fù)荷一般限制在5~8kgCOD/m3.d之間；而在處理高濃度（5000~9000mgCOD/L）廢水時(shí)，其容積負(fù)荷一般限制在10~20kgCOD/m3.d之間，以避免由于過高的產(chǎn)氣負(fù)荷導(dǎo)致厭氧污泥的流失。為此，1985年荷蘭Paques公司開發(fā)了一種稱為內(nèi)循環(huán)（InternalCirculation）反應(yīng)器，簡稱IC反應(yīng)器，該反應(yīng)器在處理中低濃度廢水時(shí)，容積負(fù)荷可達(dá)到20~24kgCOD/m3.d，而在處理高濃度有機(jī)廢水時(shí)，其容積負(fù)荷更可高達(dá)35~50kgCOD/m3.d。如此高的容積負(fù)荷是對現(xiàn)代高效厭氧反應(yīng)器的一種突破，有著重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。因此，在本小節(jié)中，將對內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的基本構(gòu)造、工作原理、運(yùn)行特性、以及應(yīng)用與研究現(xiàn)狀等進(jìn)行簡單介紹。1、內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的基本構(gòu)造與工作原理內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器是在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高效厭氧反應(yīng)器，它被兩層三相分離器分隔成為第一反應(yīng)區(qū)、第二反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)以及氣液分離器，通過升流管、降流管將第一反應(yīng)區(qū)于氣液分離器相連，其基本結(jié)構(gòu)示意圖可參見圖636。進(jìn)水進(jìn)水升流管配水系統(tǒng)降流管第一層三相分離器第二層三相分離器第一反應(yīng)區(qū)第二反應(yīng)區(qū)出水氣液分離器沼氣圖636內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的循環(huán)流體是由廢水、沼氣和厭氧顆粒污泥等組成的混合物。進(jìn)水與顆粒污泥在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)混合、接觸并發(fā)生厭氧反應(yīng)，其中大部分有機(jī)物在此被轉(zhuǎn)化為沼氣，沼氣被位于第一反應(yīng)區(qū)上部的第一層三相分離器收集，致使與第一層三相分離器相連的升流管內(nèi)的混合液的密度減小，在密度差的作用下，升流管內(nèi)的流體向上流動(dòng)進(jìn)入氣液分離器。在氣液分離器中，大部分沼氣從液相中逸出，使混合液的密度增加，因此脫氣后的混合液會從氣液分離器通過降流管回流到第一反應(yīng)區(qū)的底部，再與進(jìn)水和顆粒污泥混合，至此完成了一次完整的內(nèi)循環(huán)。在內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器中，內(nèi)循環(huán)的出現(xiàn)使第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)的水力上升流速大大增加，一般可達(dá)10~20m/h，加強(qiáng)了其中顆粒污泥與廢水中基質(zhì)的混合、接觸和反應(yīng)的速率。經(jīng)過多次內(nèi)循環(huán)后的廢水會由第一反應(yīng)區(qū)的頂部進(jìn)入第二反應(yīng)區(qū)。由于在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)，不再存在內(nèi)循環(huán)，因此其中的水力上升流速會明顯降低，但一般也可達(dá)到2~10m/h。在第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)，殘留在廢水中的部分基質(zhì)會繼續(xù)與其中的厭氧顆粒污泥反應(yīng)生化反應(yīng)，并被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為沼氣。同時(shí)，由于第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)的水力上升流速較低，而且進(jìn)入該反應(yīng)區(qū)的沸石中所殘留的基質(zhì)較少，因此在該反應(yīng)區(qū)內(nèi)的沼氣產(chǎn)量也較低，因此第二反應(yīng)區(qū)還能起到第一反應(yīng)區(qū)與沉淀區(qū)之間的緩沖段的作用，對于防止污泥流失，增加反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定性等方面起著重要的作用。在內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器中，內(nèi)循環(huán)的形成是其最關(guān)鍵的特征，也是其與UASB反應(yīng)器的最大區(qū)別，是其之所以能夠在“超高”容積負(fù)荷下高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。內(nèi)循環(huán)的功能主要有以下三點(diǎn)：①內(nèi)循環(huán)的流量很大，使得第一反應(yīng)區(qū)的水力上升流速很高，增加了第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)的混合強(qiáng)度，強(qiáng)化了廢水中有機(jī)物與顆粒污泥之間的傳質(zhì)效果；②對進(jìn)水具有很好的稀釋作用，提高了反應(yīng)器對進(jìn)水沖擊負(fù)荷的抵抗能力；③內(nèi)循環(huán)的形成還有利于提高反應(yīng)器內(nèi)的堿度，有助于于在反應(yīng)器內(nèi)維持穩(wěn)定的pH值，可減少在進(jìn)水中所需要的投堿量。綜上所述，內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器實(shí)際上是由兩個(gè)上下重疊的UASB反應(yīng)器串聯(lián)而組成的，由下部的第一個(gè)UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣作為提升混合液的內(nèi)動(dòng)力，使部分混合液通過升流管上升至氣液分離器，脫氣后的混合液再通過降流管回流到第一反應(yīng)區(qū)的底部，由此實(shí)現(xiàn)了第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)混合液的內(nèi)循環(huán)，使廢水獲得了強(qiáng)化預(yù)處理。上部的第二個(gè)UASB反應(yīng)器對廢水的繼續(xù)進(jìn)行后處理，使出水達(dá)到預(yù)期的處理要求。2、內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的主要特點(diǎn)與其它高效厭氧生物反應(yīng)器相比較，內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器具有如下優(yōu)點(diǎn)：①有機(jī)負(fù)荷極高，基建投資省，占地面積??；由于內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器中的廢水與顆粒污泥的傳質(zhì)得到了強(qiáng)化，使得在處理同類廢水時(shí)該反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷可以達(dá)到UASB反應(yīng)器的4倍左右，因此它所需要的有效容積僅為UASB反應(yīng)器的1/4左右，所以基建費(fèi)用更省。而且內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器多采用高徑比較大的塔式反應(yīng)器的形式，其高徑比多為4~8:1，所以其占地面積更少，特別適合于用地緊張的企業(yè)。②抗沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定性好；由于內(nèi)循環(huán)流量可達(dá)進(jìn)水流量的數(shù)倍以上，對進(jìn)水起到了很好的稀釋作用，提高了反應(yīng)器對進(jìn)水中有毒物質(zhì)和高濃度有機(jī)負(fù)荷沖擊的抵抗能力；內(nèi)循環(huán)的形成能提高反應(yīng)器內(nèi)的堿度，有助于維持反應(yīng)器內(nèi)pH值的穩(wěn)定，使內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器具有較強(qiáng)的抵抗進(jìn)水酸堿度沖擊的能力；內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器上下分層的結(jié)構(gòu)稀釋也增強(qiáng)了其抗沖擊負(fù)荷的能力，其中第一反應(yīng)區(qū)主要承擔(dān)了去除進(jìn)水中大部分有機(jī)物的任務(wù)，第二反應(yīng)區(qū)則主要起著強(qiáng)化處理、增強(qiáng)反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定性的作用，因此，通常情況下，內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行非常穩(wěn)定，處理效果也非常好。③內(nèi)循環(huán)無需外加動(dòng)力；在內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器中，內(nèi)循環(huán)的形成是依靠在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的大量沼氣的提升作用來自動(dòng)形成的，無需外加動(dòng)力，因此其運(yùn)行的能耗較省。雖然內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對工藝設(shè)計(jì)的要求較高，而且在其運(yùn)行管理過程中所需的技術(shù)水平也較高，因此，這在一定程度上限制了內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的大量推廣應(yīng)用。3、內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器是首先由荷蘭Paques公司開發(fā)研究的。1985年，荷蘭Paques公司建立了一個(gè)中試規(guī)模的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，對其處理土豆加工廢水進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該反應(yīng)器的高度為16.6m，總體積為17m3，采用處理造紙廢水的UASB反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥接種，試驗(yàn)結(jié)果表明，該反應(yīng)器的容積負(fù)荷可以高達(dá)35~50kgCOD/m3.d。1987年，Paques公司建成了第一座生產(chǎn)性規(guī)模的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，其容積為100m3，試驗(yàn)運(yùn)行的結(jié)果也很好。但出于商業(yè)保密的考慮，直到上世紀(jì)90年代，Paques公司才開始在全球范圍大力推廣內(nèi)循環(huán)（IC）厭氧反應(yīng)器，引起世界范圍內(nèi)研究者們的注意。迄今為止，Paques公司已經(jīng)在世界范圍內(nèi)建造了幾十座生產(chǎn)性的內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器，其中多數(shù)應(yīng)用于啤酒廢水的處理，容積負(fù)荷約在15~32kgCOD/m3.d的范圍內(nèi)。在中國，Paques公司也已經(jīng)建立了數(shù)座內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器。1995年，上海富仕達(dá)釀酒公司引進(jìn)了國內(nèi)第一座內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器處理其啤酒廢水，反應(yīng)器的容積為400m3，容積負(fù)荷為15kgCOD/m3.d，處理能力為4800m3/d。1996年，沈陽雪化啤酒公司從Paques公司購買了全套有關(guān)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的技術(shù)，建起了一座高度為16m、有效容積為70m3的內(nèi)循環(huán)厭氧