【正文】 內(nèi)循環(huán)（ IC）厭氧反應(yīng)器的主要特點 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： 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。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)。為此， 1985 年荷蘭 Paques 公司開發(fā)了一種稱為內(nèi)循環(huán)（ Internal Circulation）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，容積負(fù)荷可達(dá)到 20~24 kgCOD/，而在處理高濃度有機(jī)廢水時，其容積負(fù)荷更可高達(dá) 35~50kgCOD/。 產(chǎn)酸相 產(chǎn)甲烷相 出水 進(jìn)水 25 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而提出的；兩個反應(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。 ② 工業(yè)廢水 序號 1 2 3 4 5 公司名稱 Ecolotrol DorrOliver GistBrocades GistBrocades EnsoGutyeit 流化床所在地 Birmingham(英國 ) Muscatine(美國 ) Delft(荷蘭 ) Drouvy(法國 ) KaukapaaWill(芬蘭 ) 投產(chǎn)時間 1984 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) 380 770 4320 1200 COD 濃 度 (mg/l) 6900 12020 3200 3600 700 pH 值 ~ 6~3 厭氧消化相數(shù) 單相 兩相 兩相 兩相 單相 流化床容積 (m3) 120 360 380 125 有效容積 300 225 80 流化床高度 (m) 21 17 流化部分 13 12 流化床直徑 (m) 系列數(shù) 2 2 2 水力停留時間(h) 6 16 3~12 消化溫度 (?C) 35 37 37 35?2 COD 去除負(fù)荷(kgCOD/) 12 22 20 微生物濃度(kg/m3) 12 20 20 殘余脂肪酸(mg/l) 600 100 100 COD 去除率 (%) 77 76 70 75 50~60 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)。 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 ~ kgCOD/，容積負(fù)荷一般應(yīng)小于 kgCOD/；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 m3/，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 4000 mg/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，同時應(yīng)補(bǔ)充微量元素 (如 Ni、 Co、 Mo)。 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 ，有時還會有硫酸鹽還原菌等，細(xì)菌總數(shù)為 1~4 1012個 /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) ~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 21 般認(rèn)為在顆粒污泥中鐵的含量比例特別高。反應(yīng)器內(nèi)壁必須采取防腐措施，因為在厭氧反應(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) 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。一般，當(dāng)廢水性質(zhì)較特殊，無可靠資料可借鑒時，應(yīng)通過小試或中試試驗結(jié)果來確定。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。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 16 懸浮微生物，同時也可防止堵塞；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；價格低廉；等。 在厭氧接觸法工藝中，最大的問題是污泥的沉淀，因為厭氧污泥上一般總是附著有小的氣泡，且由于污泥在二沉池中還具有活性，還會繼續(xù)產(chǎn)生沼氣，有可能導(dǎo)致已下沉的污泥上浮。 三、沼氣的收集與利用 污泥和高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧消化時均會產(chǎn)生大量沼氣；沼氣的熱值很高（一般為 21000~25000 kJ/m3，即 5000~6000 kCal/m3），是一種可利用的生物能源。消化 池內(nèi)的加熱方式主要有： ① 池內(nèi)蒸汽直接加熱，其優(yōu)點是設(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?；顒樱艺魵庵苯油ㄈ氤貎?nèi)會增加污泥的含水率； ② 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。 10 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)消化池的最大特點就是消化反應(yīng)速率很低， HRT 很長，一般為 30~90 天。 主要缺點 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： 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，因為厭氧消化過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)廢水時常常可以達(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。 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。 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。 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。但研究表明，實際上這一部分由 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。 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（ Methane producing bacteria）；產(chǎn)甲烷細(xì)菌的主要特點是： 1）生長速率慢，世代時 間長； 2）對環(huán)境條件（溫度、 pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 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。 堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個至關(guān)重要的影響因素，但實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，則需要很長的時間才能恢復(fù)。 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； 7 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)同工作的一個連續(xù)的微生物過程； 厭氧生物處理過程的主要缺點： ① 對溫度、 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 Louis Mouras 所發(fā)明的“自動凈化器”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）。這些反應(yīng)器又被統(tǒng)一稱為“第三代厭氧生物反應(yīng)器”。 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)。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水射器噴射進(jìn)入消化池，可以起到循環(huán)攪拌的作用。 而國外則多按固體負(fù)荷率來計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/。 一、厭氧接觸法 工藝流程與特點 從上述的工藝流程圖中可看出，厭氧接觸法工藝（ Anaerobic Contact Process）的最大的特點是污泥回流 ，由于增加了污泥回流，就使得消化池的 HRT 與 SRT 得以分離，即整個系統(tǒng)的污泥齡可以用下式進(jìn) 14 行計算： Wwewc XQXVX ??? )(? 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： eec XXHRTQXVX ???? 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。 與傳統(tǒng)的厭氧生物處理工藝相比，厭氧濾池的突出 優(yōu)點是：① 生物固體濃度高，有機(jī)負(fù)荷高；② SRT長，可縮短 HRT，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；③ 啟動時間較短，停止運(yùn)行后的再啟動也較容易；④ 無需回流污泥，運(yùn)行管理方便；⑤ 運(yùn)行穩(wěn)定性較好。 ④ 交叉流型濾料： ⑤