厌氧生物处理工艺-学生讲义

PAGEPAGE31厌氧生物处理工艺第一节厌氧生物处理的基本原理第二节厌氧生物处理工艺的发展及特征第三节早期的厌氧生物反应器第四节厌氧消化池第五节现代高速厌氧生物反应器第六节厌氧生物处理工艺的新进展第七节厌氧生物处理工艺的运行管理第一节废水厌氧生物处理原理废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。一、厌氧生物处理的基本生物过程1、两阶段理论：20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论”图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、H2、CO2其它产物细菌细胞CO2、CH4第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methaneproducingbacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。2、三阶段理论对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质；厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。3、四阶段理论（四菌群学说）：几乎与Bryant提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌群学说”：实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。4、多阶段理论但是，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复杂，可以参见“厌氧复杂体系示意图”。IWA-ADM1号模型：将厌氧消化过程分为五类19个子过程：初步分解：1)复杂颗粒化合物被初步分解为颗粒状碳水化合物、蛋白质、脂类；水解：2)碳水化合物被水解为单糖；3)蛋白质被水解为氨基酸；4)脂类被水解为长链脂肪酸和单糖；产酸产氢作用：5)单糖被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢；6)氨基酸被降解为戊酸、丁酸、丙酸、乙酸和氢；7)长链脂肪酸(LCFA)被转化为乙酸和氢；8)戊酸被降解为丙酸、乙酸和氢；9)丁酸被降解为乙酸和氢；10)丙酸被降解为乙酸和氢；产甲烷作用11)乙酸被乙酸营养型的产甲烷菌消耗；12)氢被氢营养型产甲烷菌消耗；细菌的衰亡13)单糖降解微生物的衰亡；14)氨基酸降解微生物的衰亡；15)长链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)丙酸盐降解微生物的衰亡；18)乙酸营养型产甲烷菌的衰亡；19)氢营养型产甲烷菌的衰亡。二、厌氧消化过程中的主要微生物主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。1、发酵细菌（产酸细菌）：发酵产酸细菌的主要功能有两种：①水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。2、产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要的产氢产乙酸反应有：乙醇：丙酸：丁酸：注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，因此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。3、产甲烷菌20世纪60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌的研究才得以广泛进行；产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产甲烷丝状菌），但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解；典型的产甲烷反应：=1\*GB3①=2\*GB3②=3\*GB3③=4\*GB3④=5\*GB3⑤=6\*GB3⑥=7\*GB3⑦=8\*GB3⑧根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其分类如下：产甲烷杆菌目产甲烷杆菌目产甲烷杆菌科产甲烷球菌目产甲烷球菌科产甲烷微菌目产甲烷微菌科产甲烷八叠球菌科产甲烷杆菌属产甲烷杆短菌属甲酸产甲烷杆菌瘤胃产甲烷杆菌产甲烷球菌属范氏产甲烷球菌产甲烷微菌属产甲烷菌属产甲烷螺菌属产甲烷八叠球菌属产甲烷丝菌属运动产甲烷微菌黑海产甲烷微菌亨氏产甲烷螺菌巴氏产甲烷八叠球菌索氏产甲烷丝菌属——最新的分类（Bergy’s细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、65种；产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：=1\*GB3①产甲烷杆菌；=2\*GB3②产甲烷球菌；=3\*GB3③产甲烷八叠球菌；=4\*GB3④产甲烷丝菌；等等。在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊；在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达46天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤三、厌氧生物处理的影响因素产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素；主要影响因素有：温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。1、温度：温度对厌氧微生物的影响尤为显著；厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（55C左右）和中温消化（352、pH值和碱度：pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素；重要原因：产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化；厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制；一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗，使pH下降；但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生，使系统的pH值回升。碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的pH值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。3、氧化还原电位：严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~-100mv的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~-400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv；4、营养要求：厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：=1\*GB3①K、Na、Ca等金属盐类；=2\*GB3②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；=3\*GB3③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。5、F/M比：厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80kgCOD/m3.d；无传氧的限制；可以积聚更高的生物量。产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷；高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷；高的有机容积负荷可以缩短HRT，减少反应器容积。6、有毒物质：——常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物；=1\*GB3①硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。=2\*GB3②氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂；但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。=3\*GB3③重金属：——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。=4\*GB3④氰化物：=5\*GB3⑤有毒有机物：四、厌氧生物处理的主要特征1、厌氧生物处理过程的主要优点：①能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；②污泥产量很低；——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；④反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；2、厌氧生物处理过程的主要缺点：=1\*GB3①对温度、pH等环境因素较敏感；=2\*GB3②处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；=3\*GB3③气味较大；④对氨氮的去除效果不好；等等第二节厌氧生物处理工艺的发展概况及特征一、厌氧生物处理工艺的发展简史实际上，厌氧生物过程广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的LouisMouras所发明的“自动净化器”开始的，随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。这些厌氧反应器现在通称为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是：①水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。但是，当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。以上这些特点彻底改变了原来人们对厌氧生物过程的认识，因此其实际应用也越来越广泛。进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。二、厌氧生物处理的主要特征1、主要优点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：①能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气，其中主要的有效成分是甲烷，是一种可以燃烧的气体，具有很高的利用价值，可以直接用于锅炉燃烧或发电；②污泥产量很低；这是由于在厌氧生物处理过程中废水中的大部分有机污染物都被用来产生沼气——甲烷和二氧化碳了，用于细胞合成的有机物相对来说要少得多；同时，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；因此，对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果，或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后续好氧处理工艺的处理效果。2、主要缺点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水厌氧生物处理工艺也存在着以下的明显缺点：①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术要求；②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；③虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。三、厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是：=1\*GB3①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；=2\*GB3②运行能耗低；=3\*GB3③有机负荷高，占地面积少；=4\*GB3④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等；厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。四、厌氧消化过程中沼气产量的估算糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气（Biogas）；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。、早期厌氧生物反应器这是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；主要代表有：①1881年法国Mouras的自动净化器：②1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；④1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）；等等。这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是：=1\*GB3①处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥；=2\*GB3②前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；=3\*GB3③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；=4\*GB3④停留时间很长，出水水质也较差；=5\*GB3⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。第四节厌氧消化池随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。一、消化池的类型与构造厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水；它的主要作用是：=1\*GB3①将污泥中的一部分有机物转化为沼气；=2\*GB3②将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；=3\*GB3③提高污泥的脱水性能；=4\*GB3④使得污泥的体积减少1/2以上；=5\*GB3⑤使污泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。1、消化池的分类消化池可以按其形状分为：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；也可以按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；或者还可以按其运行方式的不同分为：传统消化池和高速消化池。1)传统消化池：传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设置加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统消化池的最大特点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为30~90天。2)高速消化池与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有加热和/或搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温（30~353)两级串联消化池两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1:1~1:4，一般为1:2。2、消化池的构造消化池一般由池顶、池底和池体三部分组成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一般为倒圆锥形，有利于排放熟污泥。1)消化池内的搅拌：在高速消化池内均设有搅拌装置，可以分为机械搅拌和沼气搅拌两种形式。其中的机械搅拌又分为：=1\*GB3①泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌，一般与进料和池外加热合并一起进行；=2\*GB3②螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；=3\*GB3③水射器搅拌：利用污泥泵从消化池中抽取污泥后通过水射器喷射进入消化池，可以起到循环搅拌的作用。而沼气搅拌又可以分为：=1\*GB3①气提式搅拌；=2\*GB3②竖管式搅拌；=3\*GB3③气体扩散式搅拌。2)消化池内的加热：在高速消化池内一般需要将反应温度控制在中温范围内，即约为35C左右，因此必须考虑对进入消化池的污泥或直接在消化池内部进行加热。消化池内的加热方式主要有：=1\*GB3①池内蒸汽直接加热，其优点是设备简单，但容易造成局部污泥过热，会影响厌氧微生物的正常活动，而且蒸气直接通入池内会增加污泥的含水率；=2\*GB3②池外加热：将进入消化池的污泥预热后再投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。二、消化池的设计计算消化池的设计计算的主要内容包括：=1\*GB3①消化池体积的计算与池体设计；=2\*GB3②消化池内搅拌设备的设计与计算；=3\*GB3③消化池所需要的加热保温系统的设计与计算；等。1、消化池的池体设计目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：式中：V——消化池的有效容积，m3；V’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d；p——污泥投配率。一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度为30~35C时，投配率p可取6~18%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。而国外则多按固体负荷率来计算消化池的有效容积，即：式中：Gs——每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d；Lv——单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m3.d。一般认为固体负荷率Lv值与污泥的含固率、消化池内的反应温度等有关，下表中的数据可供参考：污泥含固率（%）固体负荷率（kgVSS/m3.d）24C29C33C35C41.532.042.553.0651.912.553.193.8362.303.063.834.5972.683.574.465.362、消化池的结构尺寸在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下：=1\*GB3①圆柱形池体的直径一般为6~35m；=2\*GB3②柱体高径之比为1：2；=3\*GB3③池总高与直径之比为0.8~1.0；=4\*GB3④池底坡度一般为0.08；=5\*GB3⑤池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m；=6\*GB3⑥池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。3、消化池的工艺管道在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括：①污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管；②上清液排放管；③溢流管；④沼气管；⑤取样管；等。三、沼气的收集与利用污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；沼气的热值很高（一般为21000~25000kJ/m3，即5000~6000kCal/m3），是一种可利用的生物能源。1、污泥消化过程中沼气产量的估算沼气成分：一般认为CH450~70%，CO220~30%，H22~5%，N2~10%，微量H2S等；沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥；产气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关；当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为6~8%，产气率可达10~12m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26m3沼气/m3生污泥；投配率为13~15%，产气率可达13~15m3沼气/m3生污泥2、沼气的收集在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。3、沼气的贮存与利用一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的25~40%，即6~10h的产气量；注意防腐、防火。第五节现代高速厌氧生物反应器厌氧消化技术发展上的第三个时期；1955年，Schroepter提出了厌氧接触法，主要是在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速消化池之后增设二沉池和污泥回流系统，并将其应用于有机废水的处理；处理能力提高，应用于食品包装废水的处理；标志着厌氧技术应用于有机废水处理的开端。随后又相继出现了厌氧生物滤池AF(AnaerobicFilter)、上流式厌氧污泥床反应器UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)、厌氧附着膜膨胀床反应器AAFEB(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed)、厌氧流化床AFB(AnaerobicFluidizedBed)等高效厌氧反应器，在这些厌氧反应器中，主要具有如下特点：微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长；有机容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；首先应用于高浓度有机工业废水的处理，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药工业废水、屠宰废水等；也有应用于城市废水的处理；如果与好氧生物处理工艺进行串联或组合，还可以同时实现脱氮和除磷；并对含有难降解有机物的工业废水具有较好的处理效果。一、厌氧接触法1、工艺流程与特点从上述的工艺流程图中可看出，厌氧接触法工艺（AnaerobicContactProcess）的最大的特点是污泥回流，由于增加了污泥回流，就使得消化池的HRT与SRT得以分离，即整个系统的污泥龄可以用下式进行计算：在厌氧生物处理工艺中，由于厌氧细菌生长缓慢，基本可以作到不从系统中排放剩余污泥，则Qw=0，则有：对于普通高速厌氧消化池，由于其Xe=X，所以其c=HRT，因此在中温条件下，为了满足产甲烷菌的生长繁殖，SRT要求20~30d，因此高速厌氧消化池的HRT为20~30d。对于厌氧接触法，由于X>>Xe，所以HRT<<SRT；而且X越大，Xe越小，则HRT可以越短。与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有：=1\*GB3①污泥浓度高，一般为5~10gVSS/l，抗冲击负荷能力强；=2\*GB3②有机容积负荷高，中温时，COD负荷1~6kgCOD/m3.d，去除率为70~80%；BOD负荷0.5~2.5kgBOD/m3.d，去除率80~90%；=3\*GB3③出水水质较好；=4\*GB3④增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂；=5\*GB3⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。在厌氧接触法工艺中，最大的问题是污泥的沉淀，因为厌氧污泥上一般总是附着有小的气泡，且由于污泥在二沉池中还具有活性，还会继续产生沼气，有可能导致已下沉的污泥上浮。因此，必须采用有效的改进措施，主要有以下两种，即：①真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；②增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。2、工艺计算与设计消化池容积的计算：有机容积负荷法：——有机容积负荷，。3、应用实例=1\*GB3①美国：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我国：南阳酒精厂Lv=9~12，=~83%，=87%，HRT=4~4.5d，CODi=50~54g/l，BODi=26~34g/l二、厌氧生物滤池1、工艺特征与主要型式60年代末，美国的Young和McCarty首先开发出厌氧生物滤池；1972年以后，一批生产规模的厌氧生物滤池投入运行，它们所处理的废水的COD浓度范围较宽，约在300~85000mg/l之间，处理效果良好，运行管理方便；与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或向下流动时，废水中的有机物被截留、吸附及分解转化为甲烷和二氧化碳等。根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式，即分别如下图所示：从工艺运行的角度，厌氧生物滤池具有以下特点：①厌氧生物滤池中的厌氧生物膜的厚度约为1~4mm；②与好氧生物滤池一样，其生物固体浓度沿滤料层高度而有变化；③降流式较升流式厌氧生物滤池中的生物固体浓度的分布更均匀；④厌氧生物滤池适合于处理多种类型、浓度的有机废水，其有机负荷为0.2~16kgCOD/m3.d；⑤当进水COD浓度过高(>8000或12000mg/l)时，应采用出水回流的措施：减少碱度的要求；降低进水COD浓度；增大进水流量，改善进水分布条件。与传统的厌氧生物处理工艺相比，厌氧滤池的突出优点是：①生物固体浓度高，有机负荷高；②SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；③启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易；④无需回流污泥，运行管理方便；⑤运行稳定性较好。而主要缺点是易堵塞，会给运行造成困难。2、厌氧生物滤池的组成厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。分述如下：1)滤料：滤料是厌氧生物滤池的主体，其主要作用是提供微生物附着生长的表面及悬浮生长的空间，因此，应具备下列条件：①比表面积大，以利于增加厌氧生物滤池中的生物量；②孔隙率高，以截留并保持大量悬浮微生物，同时也可防止堵塞；③表面粗糙度较大，以利于厌氧细菌附着生长；④其它方面，如：机械强度高；化学和生物学稳定性好；质量轻；价格低廉；等。很多研究者对多种不同的滤料进行过研究，但所得出的结论也不尽相同，如有人认为滤料的孔隙率更重要，即他们认为厌氧生物滤池中是悬浮细菌所起的作用更大；也有人认为滤料最重要的特性是：粗糙度、孔隙率以及孔隙大小。在厌氧滤池中经常使用的滤料由多种，可以简单分为如下几种：=1\*GB3①实心块状滤料：30~45mm的碎块；比表面积和孔隙率都较小，分别为40~50m2/m3和50~60%；这样的厌氧生物滤池中的生物浓度较低，有机负荷也低，仅为3~6kgCOD/m3.d；易发生局部堵塞，产生短流。=2\*GB3②空心块状滤料：多用塑料制成，呈圆柱形或球形，内部有不同形状和大小的孔隙；比表面积和孔隙率都较大。=3\*GB3③管流型滤料：包括塑料波纹板和蜂窝填料等；比表面积为100~200m2/m3，孔隙率可达80~90%；有机负荷可达5~15kgCOD/m3.d。=4\*GB3④交叉流型滤料：=5\*GB3⑤纤维滤料：包括软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯填料；比表面积和孔隙率都较大；偶有纤维结团现象；价格较低，应用普遍。2)布水系统：在厌氧生物滤池中布水系统的作用是将进水均匀分配于全池，因此在设计计算时，应特别注意孔口的大小和流速。与好氧生物滤池不同的是，因为需要收集所产生的沼气，厌氧生物滤池多是封闭式的，即其内部的水位应高于滤料层，将滤料层完全淹没。其中升流式厌氧生物滤池的布水系统应设置在滤池底部，这种形式在实际应用中较为广泛，一般滤池的直径为6~26m，高为3~13m；而降流式厌氧生物滤池的水流方向正好与之相反；升流式混合型厌氧生物滤池的特点是减小了滤料层的厚度，留出了一定空间，以便悬浮状态的颗粒污泥在其中生长和累积。3)沼气收集系统：厌氧生物滤池的沼气收集系统基本与厌氧消化池的类似。3、厌氧生物滤池的工艺计算与设计厌氧生物滤池的工艺计算与设计的主要内容包括：=1\*GB3①滤料的选择；=2\*GB3②滤料体积的计算；=3\*GB3③布水系统的设计；=4\*GB3④沼气系统的设计等。但目前尚无定型的设计计算程序，所以本文中仅主要介绍滤料体积的计算方法和某些关键设计参数的选取。1)滤料体积的计算：滤料体积的计算方法仍以有机负荷法为主，即：V=Q（Si–Se）/LvCOD其中LvCOD为有机容积负荷，一般为0.5~12kgCOD/m3.d；需要根据具体的废水水质以及经验数据或直接的小试试验结果最终决定。2)常用设计参数：一般来说，厌氧生物滤池的有机容积去除负荷可达0.5~12kgCOD/m3.d；有机物去除率可达60~95%；一般采用的滤料层的高度为2~5m；相邻进水孔口距离——1~2m（不大于2m）；污泥排放口距离——不大于3m。3)出水水质关于Se：Se取决于对处理后出水的水质要求；Se还取决于厌氧生物滤池一般能达到的有机物去除率；Se还取决于所采用的有机负荷的高低。4)关于有机容积负荷，其影响因素主要有：废水水质，包括有机物的种类和浓度；滤料性质；温度；其它，如：pH值、营养物、有毒物质浓度等。一般，当废水性质较特殊，无可靠资料可借鉴时，应通过小试或中试试验结果来确定。4、厌氧生物滤池的应用实例厌氧生物滤池在美、加已被广泛应用；处理对象包括多种不同类型的废水，如生活污水及COD为3000~24000mg/l的各种工业废水；处理规模也大小不等，最大的厌氧生物滤池为12500m3；COD的去除率在61~94%之间；有机负荷为0.1~15kgCOD/m3.d。三、升流式厌氧污泥层(床)(UASB)反应器UASB反应器的英文全称为UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)Reactor,中文为上（升）流式厌氧污泥床（层）反应器，是由荷兰Wageningen农业大学的GatzeLettinga教授于上世纪70年代初开发出来的。1、UASB反应器的基本原理与特征UASB反应器的工作原理可用下图表示：从上图中可以看出，UASB反应器具有如下的主要工艺特征：=1\*GB3①在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；=2\*GB3②在反应器底部设置了均匀布水系统；=3\*GB3③反应器内的污泥能形成颗粒污泥，所谓的颗粒污泥的特点是：直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。上述工艺特征使得UASB反应器与前面已经述及的两种厌氧工艺——厌氧接触法以及厌氧生物滤池相比，具有如下的主要特点：①污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；②反应器的水力停留时间相应较短；③反应器具有很高的容积负荷；④不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水；⑤UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑；⑥无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率；⑦一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用；⑧构造简单，操作运行方便。2、UASB反应器的组成UASB反应器的主要组成部分包括：进水配水系统、反应区、三相分离器、出水系统、气室、浮渣收集系统、排泥系统等，下面将分别叙述：1)进水配水系统：其功能主要有两个方面：=1\*GB3①将废水均匀地分配到整个反应器的底部；=2\*GB3②水力搅拌；一个有效的进水配水系统是保证UASB反应器高效运行的关键之一。2)反应区：反应区是UASB反应器中生化反应发生的主要场所，又分为污泥床区和污泥悬浮区，其中的污泥床区主要集中了大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所；而污泥悬浮区则是絮状污泥集中的区域。3)三相分离器：三相分离器由沉淀区、回流缝和气封等组成；其主要功能有：=1\*GB3①将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开；=2\*GB3②保证出水水质；=3\*GB3③保证反应器内污泥量；=4\*GB3④有利于污泥颗粒化。4)出水系统：出水系统的主要作用是将经过沉淀区后的出水均匀收集，并排出反应器。5)气室：气室也称集气罩，其主要作用是收集沼气。6)浮渣收集系统：浮渣收集系统的主要功能是清除沉淀区液面和气室液面的浮渣。7)排泥系统：排泥系统的主要功能是均匀地排除反应器内的剩余污泥。3、UASB反应器的型式一般来说，UASB反应器主要有两种型式，即开敞式UASB反应器和封闭式UASB反应器，分述如下。1)开敞式UASB反应器开敞式UASB反应器的顶部不加密封，或仅加一层不太密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；其构造较简单，易于施工安装和维修。2)封闭式UASB反应器封闭式UASB反应器的顶部加盖密封，这样在UASB反应器内的液面与池顶之间形成气室；主要适用于高浓度有机废水的处理；这种形式实际上与传统的厌氧消化池有一定的类似，其池顶也可以做成浮动盖式。在实际工程中，UASB的断面形状一般可以做成圆形或矩形，一般来说矩形断面便于三相分离器的设计和施工；UASB反应器的主体常为钢结构或钢筋混凝土结构；UASB反应器一般不在反应器内部直接加热，而是将进入反应器的废水预先加热，而UASB反应器本身多采用保温措施。反应器内壁必须采取防腐措施，因为在厌氧反应过程中肯定会有较多的硫化氢或其它具有强腐蚀性的物质产生。4、UASB反应器的设计计算由于UASB反应器在一定程度上还属于较新的废水处理工艺技术，在实际应用过程中还存在着许多不确定因素，因此到目前为止，还没有形成完整的工程设计的计算方法。UASB反应器设计计算的主要内容有：=1\*GB3①池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；=2\*GB3②进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；=3\*GB3③其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算。下面将分别进行叙述。1)有效容积及主要构造尺寸的确定：UASB反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：式中：Q——废水流量，m3/d；Si——进水有机物浓度，mgCOD/l；Lv——COD容积负荷，kgCOD/m3.d。UASB反应器的容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否能够在反应器内形成颗粒污泥等多种因素有关，如果对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般认为是可以在反应器内形成颗粒污泥的，在不同的反应温度下的进水容积负荷的选择可参考如下数据：温度（0C）设计容积负荷（kgCOD/m3.d）高温（55~65）20~30中温（35~38）10~20常温（20~25）5~10低温（~15）2~52)进水配水系统的设计：3)三相分离器的设计：三相分离器的基本原理与构造如下图所示：一般来说，在UASB反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式：三相分离器的设计要点：=1\*GB3①沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡度应为55~60；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的停留时间应在1.5~2.0h之间；=2\*GB3②回流缝的设计；=3\*GB3③气液分离效果的计算与校核；等。基本要求为：；其中根据Stocks公式有：4)出水系统的设计：5)浮渣清除系统的设计：6)排泥系统设计：7)其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用；防腐；等5、UASB反应器中的颗粒污泥1)颗粒污泥的性质与形成能在反应器内形成沉降性能良好、活性高的颗粒污泥是UASB反应器的重要特征，颗粒污泥的形成与成熟，也是保证UASB反应器高效稳定运行的前提，因此有许多研究者都对UASB反应器中的颗粒污泥进行多方面的研究，下面将分别进行简单叙述。①颗粒污泥的外观：颗粒污泥的外观实际上是多种多样，有呈卵形、球形、丝形等；其平均直径为1mm,一般为0.1~2mm,最大可达3~5mm；反应区底部的颗粒污泥多以无机粒子作为核心，外包生物膜；颗粒的核心多为黑色，生物膜的表层则呈灰白色、淡黄色或暗绿色等；反应区上部的颗粒污泥的挥发性相对较高；颗粒污泥质软，有一定的韧性和粘性。②颗粒污泥的组成在颗粒污泥中主要包括：各类微生物、无机矿物以及有机的胞外多聚物等，其VSS/SS一般为70~90%；颗粒污泥的主体是各类为微生物，包括水解发酵菌、产氢产乙酸菌、和产甲烷菌，有时还会有硫酸盐还原菌等，细菌总数为1~4×1012个/gVSS；常见的优势产甲烷菌有：索氏甲烷丝菌、马氏和巴氏甲烷八叠球菌等；一般颗粒污泥中C、H、N的比例为C约为40~50%、H约为7%、N约为10%；灰分含量因接种污泥的来源、处理水质等的不同而有较大差距，一般灰分含量可达8.8~55%；灰分含量与颗粒的密度有很好的相关性，但与颗粒的强度的相关性不是很好；灰分中的FeS、Ca2+等对于颗粒污泥的稳定性有着重要的作用，一般认为在颗粒污泥中铁的含量比例特别高。胞外多聚物是另一重要组成，在颗粒污泥的表面和内部，一般可见透明发亮的粘液状物质，主要是聚多糖、蛋白质和糖醛酸等；含量差异很大，以胞外聚多糖为例，少的占颗粒干重的1~2%，多的占20~30%；有人认为胞外多聚物对于颗粒污泥的形成有重要作用，但现在仍有较大争议；但至少可以认为其存在有利于保持颗粒污泥的稳定性。2)颗粒污泥的类型有人将颗粒污泥分为以下三种类型，即：A型、B型、C型，分述如下：①A型颗粒污泥：这种颗粒污泥中的产甲烷细菌以巴氏甲烷八叠球菌为主体，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；比较密实，粒径很小，约为0.1~0.1mm。②B型颗粒污泥：B型颗粒污泥则以丝状产甲烷杆菌为主体，也称杆菌颗粒；表面规则，外层绕着各种形态的产甲烷杆菌的丝状体；在各种UASB反应器中的出现频率极高；密度为1.033~1.054g/cm3，粒径约为1~3mm。③C型颗粒污泥：C型颗粒污泥由疏松的纤丝状细菌绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，也称丝菌颗粒；C型颗粒污泥大而重，粒径一般为1~5mm，比重为1.01~1.05，沉降速度一般为5~10mm/s。研究表明，不同类型颗粒污泥的形成与废水中化学物质（营养基质和无机物）以及反应器的工艺条件（水力表面负荷和产气强度）等的不同有关；当反应器中乙酸浓度高时，易形成A型颗粒污泥；当反应器中的乙酸浓度降低后，A型颗粒污泥将逐步转变为B型颗粒污泥；当存在适量的悬浮固体时，易形成C型颗粒污泥。3)颗粒污泥的生物活性通过多种研究手段对多种颗粒污泥的研究都表明，颗粒污泥中的细菌是成层分布的，即外层中占优势的细菌是水解发酵菌，而内层则是产甲烷菌；颗粒污泥实际上是一种生物与环境条件相互依存和优化的生态系统，各种细菌形成了一条很完整的食物链，有利于种间氢和种间乙酸的传递，因此其活性很高。4)颗粒污泥的培养条件在UASB反应器种培养出高浓度高活性的颗粒污泥，一般需要1~3个月；可以分为三个阶段：启动期、颗粒污泥形成期、颗粒污泥成熟期。影响颗粒污泥形成的主要因素有以下几种：①接种污泥的选择；②维持稳定的环境条件，如温度、pH值等；③初始污泥负荷一般为0.05~0.1kgCOD/kgSS.d，容积负荷一般应小于0.5kgCOD/m3.d；④保持反应器中低的VFA浓度；⑤表面水力负荷应大于0.3m3/m2.d，以保持较大的水力分级作用，冲走轻质的絮体污泥；⑥进水COD浓度不宜大于4000mg/l，否则可采取水回流或稀疏等措施；⑦进水中可适当提供无机微粒，特别可以补充钙和铁，同时应补充微量元素(如Ni、Co、Mo)。6、UASB反应器的应用实例四、其它厌氧生物处理工艺1、厌氧膨胀床和厌氧流化床Anaerobic(AttachedFilm)ExpandedBed&AnaerobicFluidizedBedReactors1)基本原理：在厌氧反应器内添加固体颗粒载体，常用的有石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒径一般为0.2~1mm。一般需要采用出水回流的方法使载体颗粒在反应器内膨胀或形成流化状态；一般将床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器称为膨胀床反应器；将上升流速增大到可以使载体在床体内自由运动而互不接触的反应器称为流化床反应器。2)主要特点：细颗粒的载体为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，使床内的微生物浓度很高（一般可达30gVSS/l）；具有较高的有机容积负荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留时间较短；具有较好的耐冲击负荷的能力，运行较稳定；载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞；床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量较少；既可应用于高浓度有机废水的处理，也应用于低浓度城市废水的处理。膨胀床或流化床的主要缺点是：载体的流化耗能较大；系统设计运行的要求也较高。3)影响生物浓度的主要因素：厌氧膨胀床或流化床中的微生物浓度与载体粒径和密度、上升流速、生物膜厚度和孔隙率等有关；在一定的上升流速、生物膜厚度、不同载体粒径时，微生物浓度也不同；对于不同生物膜厚度，有一个污泥量最大的载体粒径；载体的物理性质对流化床的特性也有影响：如：颗粒粒径过大时，颗粒自由沉降速度大，为保证一定的接触时间必须增加流化床的高度；水流剪切力大，生物膜易于脱落；比表面积较小，容积负荷低；但过小时，则操作运行较困难。4)应用实例①城市废水：Jewell等人，美国：进水COD平均为186mg/l，SS平均为88mg/l；厌氧消化池污泥作为接种污泥，反应温度为20C；启动期为50天，之后连续运行100天，COD负荷为0.65~35kgCOD/m3.d；当水力停留时间在1h以上时，出水SS在10mg/l以下，COD为40~45mg/l。②工业废水序号12345公司名称EcolotrolDorr-OliverGist-BrocadesGist-BrocadesEnso-Gutyeit流化床所在地Birmingham(英国)Muscatine(美国)Delft(荷兰)Drouvy(法国)Kaukapaa-Will(芬兰)投产时间1984.41984.81985.101984废水种类清凉饮料大豆加工酵母发酵酵母发酵KP纸浆漂白废水量(m3/d)38077043201200COD浓度(mg/l)69001200032003600700pH值6.7~7.16.87.46~3厌氧消化相数单相两相两相两相单相流化床容积(m3)120360380125有效容积30022580流化床高度(m)12.52117流化部分1312流化床直径(m)6.14.73.0系列数222水力停留时间(h)6162.43.23~12消化温度(C)353737352COD去除负荷(kgCOD/m3.d)9.6122220微生物浓度(kg/m3)122020残余脂肪酸(mg/l)600<100100COD去除率(%)7776707550~602、厌氧生物转盘1)基本原理：厌氧生物转盘的基本原理与好氧生物转盘类似，只是，在厌氧生物转盘中，所有转盘盘片均完全浸没在废水之中，处于厌氧状态。2)主要特点：微生物浓度高，有机负荷高，水力停留时间短；废水沿水平方向流动，反应槽高度小，节省了提升高度；一般不需回流；不会发生堵塞，可处理含较高悬浮固体的有机废水；多采用多级串联，厌氧微生物在各级中分级，处理效果更好；运行管理方便；但盘片的造价较高。3)应用情况：厌氧生物转盘目前还多处于小试阶段。在国外有研究者针对多种废水如：牛奶废水、奶牛粪、生活污水等，在进水TOC为110~6000mg/l的范围内，进行了研究，结果表明，厌氧生物转盘对远废水中TOC的去除率可达60~80%，有机负荷可达20gTOC/m3.d；在国内也有研究者对于玉米淀粉废水和酵母废水进行了研究，结果表明，其COD去除率可达70~90%，有机容积负荷可高达30~70gCOD/m3.d。3、厌氧挡板反应器1)基本原理：在反应器中设置多个垂直挡板，将反应器分隔为数个上向流和下向流的小室，使废水循序流过这些小室；有人认为，厌氧挡板式反应器相当于多个UASB反应器的串联；当废水浓度过高时，可将处理后的出水回流。2)主要特点：与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置；与UASB相比，可不设三相分离器而截流污泥；反应器启动运行时间较短，远行较稳定；不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。3)应用情况：厌氧挡板式反应器目前还多处于小试阶段；美国McCarty的研究结果如下表所示：数据组1234进水COD浓度(g/l)7.37.68.18.3水力负荷(m3/m3.d)0.51.11.11.3回流比0.00.42.32.0有机物负荷(kgCOD/m3.d)3.58.39.010.6COD去除率(%)90827891产气率(m3/m3.d)2.34.54.36.9甲烷含量(%)70565653出水挥发酸浓度(g/l)0.340.80.70.4美国夏威荑大学应用平流式挡板厌氧反应器处理养猪场废水，当温度为30C，进水COD为1190~4580mg/l，容积负荷为2.5~8.5kgCOD/m3.d，HRT为0.25~5d，COD去除率可达80%。4、两相厌氧消化工艺1)基本原理与工艺流程：产酸相产甲烷相产酸相产甲烷相出水进水两相厌氧消化工艺是在上世纪70年代后期随着厌氧微生物学的研究不断深入应运而生的；它着重于工艺流程的变革，而不是向上述多种现代高速厌氧反应器那样着重于反应器构造变革；其基本出发点是，在单相反应器中，存在着脂肪酸的产生与被利用之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的；两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足两类不同细菌的最适生长条件；反应器可以采用前述任一种反应器，二者可以相同也可以不同。在两相厌氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有：=1\*GB3①化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；=2\*GB3②物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；=3\*GB3③动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌无法在产酸相中生长。目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。2)主要优点：与常规单相厌氧生物处理工艺相比，两相厌氧工艺主要具有如下优点：①有机负荷比单相工艺明显提高；②产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；③运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；④当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；⑤对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。3)应用情况①比利时肯特大学的Anodex工艺以厌氧接触法作为产酸相，以UASB反应器作为产甲烷相。②荷兰：淀粉废水项目沉淀池产酸相产甲烷相容积(m3)70017005000HRT(h)3.259.520温度(C)333335pH6.26.27.5项目沉淀池进料产酸相产甲烷相进水出水进水出水COD(mg/l)17,500~18,00017,80016,40011,7003,000TKN(mmol)7577745246氨氮(mmol)329473342硫酸盐(mmol)3.33.01.30.70.1硫化物(mmol)0.10.11.91.31.4③我国首都师范大学：豆制品废水HRT(h)出水pH有机负荷(kgCOD/m3.d)COD去除率(%)产气率(m3/m3.d)出水挥发酸(mg/l)沼气中CH4(%)产酸相1.84.7~5.584.46.4180012产甲烷相(UASB)13.87.0~7.212.092.35.9565全系统15.67.0~7.210.593.25.265④其它国家废水性质规模进水COD(mg/l)COD去除率(%)有机负荷(kgCOD/m3.d)处理能力(kgCOD/d)投入运行年份比利时酶和酒精中试7500~1000079~84141801977德国甜菜制糖中试6000~700090~9220451980比利时酵母、酒精中试28200~3200067~72211351980德国柠檬酸中试4257470~8015~201201981比利时亚麻处理生产性6500~700085~909~123501980德国淀粉、葡萄糖生产性200001982德国甜菜制糖生产性320001982德国甜菜制糖生产性150001982第六节厌氧生物处理工艺的新进展一、厌氧内循环（IC）反应器在多年的研究与应用中，UASB反应器已经成为应用最为广泛的一种厌氧生物反应器。但在UASB反应器大量应用于处理多种工业废水的实际运行中，却发现，在UASB反应器处理中低浓度（1500~2000mgCOD/L）废水时，为防止水力上升流速太大而使厌氧污泥大量流失，其容积负荷一般限制在5~8kgCOD/m3.d之间；而在处理高浓度（5000~9000mgCOD/L）废水时，其容积负荷一般限制在10~20kgCOD/m3.d之间，以避免由于过高的产气负荷导致厌氧污泥的流失。为此，1985年荷兰Paques公司开发了一种称为内循环（InternalCirculation）反应器，简称IC反应器，该反应器在处理中低浓度废水时，容积负荷可达到20~24kgCOD/m3.d，而在处理高浓度有机废水时，其容积负荷更可高达35~50kgCOD/m3.d。如此高的容积负荷是对现代高效厌氧反应器的一种突破，有着重大的理论意义和实用价值。因此，在本小节中，将对内循环（IC）厌氧反应器的基本构造、工作原理、运行特性、以及应用与研究现状等进行简单介绍。1、内循环（IC）厌氧反应器的基本构造与工作原理内循环（IC）厌氧反应器是在UASB反应器的基础上发展起来的高效厌氧反应器，它被两层三相分离器分隔成为第一反应区、第二反应区、沉淀区以及气液分离器，通过升流管、降流管将第一反应区于气液分离器相连，其基本结构示意图可参见图636。进水进水升流管配水系统降流管第一层三相分离器第二层三相分离器第一反应区第二反应区出水气液分离器沼气图636内循环厌氧反应器的结构示意图内循环（IC）厌氧反应器的循环流体是由废水、沼气和厌氧颗粒污泥等组成的混合物。进水与颗粒污泥在第一反应区内混合、接触并发生厌氧反应，其中大部分有机物在此被转化为沼气，沼气被位于第一反应区上部的第一层三相分离器收集，致使与第一层三相分离器相连的升流管内的混合液的密度减小，在密度差的作用下，升流管内的流体向上流动进入气液分离器。在气液分离器中，大部分沼气从液相中逸出，使混合液的密度增加，因此脱气后的混合液会从气液分离器通过降流管回流到第一反应区的底部，再与进水和颗粒污泥混合，至此完成了一次完整的内循环。在内循环（IC）厌氧反应器中，内循环的出现使第一反应区内的水力上升流速大大增加，一般可达10~20m/h，加强了其中颗粒污泥与废水中基质的混合、接触和反应的速率。经过多次内循环后的废水会由第一反应区的顶部进入第二反应区。由于在第二反应区内，不再存在内循环，因此其中的水力上升流速会明显降低，但一般也可达到2~10m/h。在第二反应区内，残留在废水中的部分基质会继续与其中的厌氧颗粒污泥反应生化反应，并被进一步转化为沼气。同时，由于第二反应区内的水力上升流速较低，而且进入该反应区的沸石中所残留的基质较少，因此在该反应区内的沼气产量也较低，因此第二反应区还能起到第一反应区与沉淀区之间的缓冲段的作用，对于防止污泥流失，增加反应器的运行稳定性等方面起着重要的作用。在内循环（IC）厌氧反应器中，内循环的形成是其最关键的特征，也是其与UASB反应器的最大区别，是其之所以能够在“超高”容积负荷下高效运行的基础。内循环的功能主要有以下三点：①内循环的流量很大，使得第一反应区的水力上升流速很高，增加了第一反应区内的混合强度，强化了废水中有机物与颗粒污泥之间的传质效果；②对进水具有很好的稀释作用，提高了反应器对进水冲击负荷的抵抗能力；③内循环的形成还有利于提高反应器内的碱度，有助于于在反应器内维持稳定的pH值，可减少在进水中所需要的投碱量。综上所述，内循环（IC）厌氧反应器实际上是由两个上下重叠的UASB反应器串联而组成的，由下部的第一个UASB反应器产生的沼气作为提升混合液的内动力，使部分混合液通过升流管上升至气液分离器，脱气后的混合液再通过降流管回流到第一反应区的底部，由此实现了第一反应区内混合液的内循环，使废水获得了强化预处理。上部的第二个UASB反应器对废水的继续进行后处理，使出水达到预期的处理要求。2、内循环（IC）厌氧反应器的主要特点与其它高效厌氧生物反应器相比较，内循环（IC）厌氧反应器具有如下优点：①有机负荷极高，基建投资省，占地面积小；由于内循环厌氧反应器中的废水与颗粒污泥的传质得到了强化，使得在处理同类废水时该反应器的有机负荷可以达到UASB反应器的4倍左右，因此它所需要的有效容积仅为UASB反应器的1/4左右，所以基建费用更省。而且内循环反应器多采用高径比较大的塔式反应器的形式，其高径比多为4~8:1，所以其占地面积更少，特别适合于用地紧张的企业。②抗冲击负荷的能力强，运行稳定性好；由于内循环流量可达进水流量的数倍以上，对进水起到了很好的稀释作用，提高了反应器对进水中有毒物质和高浓度有机负荷冲击的抵抗能力；内循环的形成能提高反应器内的碱度，有助于维持反应器内pH值的稳定，使内循环厌氧反应器具有较强的抵抗进水酸碱度冲击的能力；内循环厌氧反应器上下分层的结构稀释也增强了其抗冲击负荷的能力，其中第一反应区主要承担了去除进水中大部分有机物的任务，第二反应区则主要起着强化处理、增强反应器运行稳定性的作用，因此，通常情况下，内循环厌氧反应器的运行非常稳定，处理效果也非常好。③内循环无需外加动力；在内循环厌氧反应器中，内循环的形成是依靠在第一反应区内产生的大量沼气的提升作用来自动形成的，无需外加动力，因此其运行的能耗较省。虽然内循环厌氧反应器具有如此多的优点，但其内部结构比较复杂，对工艺设计的要求较高，而且在其运行管理过程中所需的技术水平也较高，因此，这在一定程度上限制了内循环厌氧反应器的大量推广应用。3、内循环（IC）厌氧反应器的研究与应用现状内循环（IC）厌氧反应器是首先由荷兰Paques公司开发研究的。1985年，荷兰Paques公司建立了一个中试规模的内循环厌氧反应器，对其处理土豆加工废水进行了试验研究，该反应器的高度为16.6m，总体积为17m3，采用处理造纸废水的UASB反应器内的颗粒污泥接种，试验结果表明，该反应器的容积负荷可以高达35~50kgCOD/m3.d。1987年，Paques公司建成了第一座生产性规模的内循环厌氧反应器，其容积为100m3，试验运行的结果也很好。但出于商业保密的考虑，直到上世纪90年代，Paques公司才开始在全球范围大力推广内循环（IC）厌氧反应器，引起世界范围内研究者们的注意。迄今为止，Paques公司已经在世界范围内建造了几十座生产性的内循环厌氧反应器，其中多数应用于啤酒废水的处理，容积负荷约在15~32kgCOD/m3.d的范围内。在中国，Paques公司也已经建立了数座内循环厌氧反应器。1995年，上海富仕达酿酒公司引进了国内第一座内循环厌氧反应器处理其啤酒废水，反应器的容积为400m3，容积负荷为15kgCOD/m3.d，处理能力为4800m3/d。1996年，沈阳雪化啤酒公司从Paques公司购买了全套有关内循环厌氧反应器的技术，建起了一座高度为16m、有效容积为70m3的内循环厌氧