【正文】 氧生物處理工藝中，由于厭氧細(xì)菌生長(zhǎng)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： eec XXHRTQXVX ???? 對(duì)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(mǎn)足產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖， SRT 要求 20~30d，因此高速厭氧消化池的 HRT 為 20~30d。 污泥消化過(guò)程中沼氣產(chǎn)量的估算 沼氣成分：一般認(rèn)為 CH4 50~70%， CO2 20~30%， H2 2~5%， 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 13 率、發(fā)酵溫度等有關(guān)；當(dāng)污泥來(lái)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) 10~12 m3沼氣 /m3生污泥；高溫消化，投配率為 6~8%，產(chǎn)氣率可達(dá) 22~26 m3沼氣 /m3生污泥；投配率為 13~15%，產(chǎn)氣率可達(dá) 13~15 m3沼氣 /m3生污泥 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。 而國(guó)外則多按固體負(fù)荷率來(lái)計(jì)算消化池的有效容積，即： vsLGV? 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/。 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 消化池體積的計(jì)算與池體設(shè)計(jì)； ② 消化池內(nèi)攪拌設(shè)備的設(shè)計(jì)與計(jì)算； ③ 消化池所需要的加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算；等。其中的機(jī)械攪拌又分為：① 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 螺旋 漿攪拌：在一個(gè)豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳； ③ 水射器攪拌：利用污泥泵從消化池中抽取污泥后通過(guò)水射器噴射進(jìn)入消化池，可以起到循環(huán)攪拌的作用。 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（ 30~35?C）條件下，其 HRT 可以為 15 天左右，運(yùn)行效果穩(wěn)定；但攪拌使高速消化池內(nèi)的污泥得不到濃縮，上清液與熟污泥不易分離。 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(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，厭氧生物處理被認(rèn)為是效率低、HRT 長(zhǎng)、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(lái)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(kāi)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(chēng)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)。 三、厭氧生物處理技術(shù)是我國(guó)水污染控制的重要手段 我國(guó)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(guó)當(dāng)前的水體污染物還主要是有機(jī)污染物以及營(yíng)養(yǎng)元素 N、 P 的污染；目前的形勢(shì)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(lái)越高；厭氧工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是： ① 能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用； ② 運(yùn)行能耗低； ③ 有機(jī)負(fù)荷高，占地面積少； ④ 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。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”。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：① HRT 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；③ HRT 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。 ③ 厭氧微生物有可能對(duì)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； 7 ④ 反應(yīng)過(guò)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(guò)程； 厭氧生物處理過(guò)程的主要缺點(diǎn)： ① 對(duì)溫度、 pH 等環(huán)境因素較敏感； ② 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 氣味較大； ④ 對(duì)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(jiǎn)史 實(shí)際上，厭氧生物過(guò)程廣泛地存在于自然界中，但人類(lèi)第一次有意識(shí)地利用厭氧生物過(guò)程來(lái)處理廢棄物，則是在 1881 年由法國(guó)的 Louis Mouras 所發(fā)明的“自動(dòng)凈化器”開(kāi)始的，隨后人類(lèi)開(kāi)始較大規(guī)模地應(yīng)用厭氧消化過(guò)程來(lái)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）。 有毒物質(zhì)： —— 常見(jiàn)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 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(guò)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(huì)對(duì)厭氧消化過(guò)程主要是產(chǎn)甲烷過(guò)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。 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(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。 產(chǎn)甲烷菌 20 世紀(jì) 60 年代 Hungate 開(kāi)創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)之后，對(duì)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(guò)程得以順利進(jìn)行；主要可分為兩大類(lèi)：乙酸營(yíng)養(yǎng)型和 H2營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱(chēng)為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細(xì)菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細(xì)菌；一般來(lái)說(shuō)，在自然界中乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類(lèi)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(lái)說(shuō)有 70%左右的甲烷是來(lái)自乙酸的氧化分解； 典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)： ① 243 COCHC O O HCH ?? ② OHCHCOH 2422 24 ??? ③ ??? ???? 324 224 HCCOCHHH C O O ④ 242 324 COCHOHCO ??? ⑤ OHHH C OCHOHCH 2343 34 ???? ?? ⑥ ???? ?????? 4342433 43399)(4 NHHH C OCHOHNHCH ⑦ SHHH C OCHOHSCH 234233 233)(2 ?????? ?? ⑧ OHCHHOHCH 24234 ??? 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(lèi)如下： 5 —— 最新的分類(lèi)（ Bergy’s 細(xì)菌手冊(cè)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(jiàn)的有： ① 產(chǎn)甲烷桿菌； ② 產(chǎn)甲烷球菌； ③ 產(chǎn)甲烷八疊球菌； ④ 產(chǎn)甲烷絲菌；等 等。 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(lèi)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(guò)程較緩 慢，并受多種因素影響（ pH、 SRT、有機(jī)物種類(lèi)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(lái)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。 總體來(lái)說(shuō)，“三階段理論”、“四階段理論”是目前公認(rèn)的對(duì)厭氧生物處理過(guò)程較全面和較準(zhǔn)確的描述。 第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱(chēng)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(chēng)為產(chǎn)甲烷菌（ Methane producing bacteria）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點(diǎn)是： 1）生長(zhǎng)速率慢，世代時(shí) 間長(zhǎng)； 2）對(duì)環(huán)境條件（溫度、 pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 一、厭氧生物處理的基本生物過(guò)程 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” 第一階段：發(fā)酵階段，又稱(chēng)產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；主要功能是水解和酸化，主要產(chǎn)物是脂肪酸、醇類(lèi)、 CO2和 H2等；主要參與反應(yīng)的微生物統(tǒng)稱(chēng)為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；這些微生物的特點(diǎn)是： 1）生長(zhǎng)速率快， 2）對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性（溫度、 pH 等）強(qiáng)。但研究表明，實(shí)際上這一部分由 H2/CO2合成而來(lái)的乙酸的量較少，只占厭氧體系中總乙酸量的 5%左右。 二、厭氧消化過(guò)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。 主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌多為：互營(yíng)單胞菌屬、互營(yíng)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。 pH值和堿度： pH 值是厭氧消化過(guò)程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì) pH 值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適 pH 值范圍為 ~，在 或 時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過(guò)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(lèi)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 6 鹽體系所控制；一般來(lái)說(shuō)：系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加（累積），將消耗 ?3HCO ，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(huì)產(chǎn)生 ?3HCO ，使系統(tǒng)的 pH 值回升。 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。 ④ 氰化物： ⑤ 有毒有機(jī)物： 四、厭氧生物處理的主要特征 厭氧生物處理過(guò)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 ~，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率 Y 為 ，而好氧微生物的產(chǎn)率約為 ~。 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(duì)利用厭氧消化過(guò)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(chēng)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(kāi)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。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。 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(guò)程中所涉及到的生化反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，因?yàn)閰捬跸^(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)氨氮的去除效果不好，一般認(rèn)為在厭氧條件下氨氮不會(huì)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。 這些早期的厭氧生物反應(yīng)器的共同特點(diǎn)是： ① 處理廢水的同時(shí)，也處理從廢水中沉淀下來(lái)的污泥； ② 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 雙層沉淀池則有了很大改進(jìn)，有上層沉淀池和