厭氧生物處理技術

長期以來好氧生物處理技術，尤其是活性汙泥法一直是我國城市汙水處理廠的主體(ti) 工藝，它具有處理效率高、出水水質好的特點，但它也存在能耗高、運行費用大、剩餘(yu) 汙泥產(chan) 量多等缺點。隨著大批城鎮汙水處理廠建設事業(ye) 的發展，急需開發能耗低、剩餘(yu) 汙泥產(chan) 量少、適合中小型汙水處理廠的新工藝。厭氧生物處理技術因其具有能耗低、汙泥產(chan) 量少的特點，在許多發展中國家的城市汙水處理中得到廣泛應用。廢水厭氧生物處理是環境工程與(yu) 能源工程中的一項重要技術，是有機廢水強有力的處理方法。過去它多用於(yu) 城市汙水處理廠的汙泥、有機廢料以及部分高濃度有機廢水的處理。厭氧氧化時僅(jin) 能釋放出少量的能量，因此細胞的產(chan) 生量即汙泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產(chan) 生的汙泥通過厭氧分解加以穩定。很多工廠利用此法處理汙泥產(chan) 生沼氣發電，如北京高碑店汙水處理廠。

目前，厭氧生化法不僅(jin) 可用於(yu) 處理有機汙泥和高濃度有機廢水，也用於(yu) 處理中、低濃度有機廢水，包括城市汙水。厭氧生物處理方法和基本功能有二：（1）酸發酵，目的是為(wei) 進一步進行生物處理提供易生物降解的基質；（2）甲烷發酵，目的是為(wei) 進一步降解有機物和生產(chan) 氣體(ti) 燃料。

二、厭氧生物處理的機理

廢水厭氧生物處理是指在無分子氧條件下通過厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種複雜有機物分解轉化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物質的過程，也稱為(wei) 厭氧消化(anaerobic digestion) 。與(yu) 好氧過程的根本區別在於(yu) 不以分子態氧作為(wei) 受氫體(ti) ，而以化合態氧、碳、硫、氮等作為(wei) 受氫體(ti) 。厭氧生物處理是一個(ge) 複雜的微生物化學過程，依靠三大主要類群的細菌，即水解產(chan) 酸細菌(fermentative bacteria)、產(chan) 氫產(chan) 乙酸細菌(acetogenic bacteria)和產(chan) 甲烷細菌(methanogenic bacteria)的聯合作用完成。厭氧消化過程劃分為(wei) 三個(ge) 連續的階段，即水解酸化階段、產(chan) 氫產(chan) 乙酸階段和產(chan) 甲烷階段。

*階段為(wei) 水解酸化階段。複雜的大分子、不溶性有機物先在細胞外酶的作用下水解為(wei) 小分子、溶解性有機物，然後滲入細胞體(ti) 內(nei) ，分解產(chan) 生揮發性有機酸、醇類、醛類等。這個(ge) 階段主要產(chan) 生較脂肪酸。

第二階段為(wei) 產(chan) 氫產(chan) 乙酸階段。在產(chan) 氫產(chan) 乙酸細菌的作用下，*階段產(chan) 生的各種有機酸被分解轉化成乙酸和H₂、CO₂。

第三階段為(wei) 產(chan) 甲烷階段。產(chan) 甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、CO₂和H₂等轉化為(wei) 甲烷。此過程由兩(liang) 組生理上不同的產(chan) 甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從(cong) 乙酸或乙酸鹽脫羧產(chan) 生甲烷，前者約占總量的l/3後者約占2/3。

上述三個(ge) 階段的反應速度依廢水性質而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等汙染物為(wei) 主的廢水中，水解易成為(wei) 速度限製步驟；簡單的糖類、澱粉、氨基酸和一般的蛋白質均能被微生物迅速分解，對含這類有機物為(wei) 主的廢水，產(chan) 甲烷易成為(wei) 限速階段。

有機物厭氧分解的三個(ge) 階段

三、影響厭氧生物處理的主要因素

控製厭氧處理效率的基本因素有兩(liang) 類：一類是基礎因素，包括微生物量 (汙泥濃度)、營養(yang) 比、混合接觸狀況、有機負荷等；另一類是環境因素，如溫度、pH值、有毒物質等。產(chan) 甲烷細菌是決(jue) 定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產(chan) 甲烷階段是厭氧過程速率的限製步驟。

1、溫度條件

各類微生物適宜的溫度範圍是不同的，一般認為(wei) ，產(chan) 甲烷菌的溫度範圍為(wei) 5-60℃。在35℃和53℃上下可以分別獲得較高的消化效率，溫度為(wei) 40-45℃時，厭氧消化效率較低。據產(chan) 甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為(wei) 常溫消化、中溫消化和高溫消化三種類型。

溫度對厭氧消化過程的影響

溫度的急劇變化和上下波動不利於(yu) 厭氧消化作用。短時內(nei) 溫度升降5℃，沼氣產(chan) 量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至停止產(chan) 氣。

溫度的波動，不僅(jin) 影響沼氣產(chan) 量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對溫度變化更為(wei) 敏感。溫度的暫時性突然降低不會(hui) 使厭氧消化係統遭受根本性的破壞，溫度一經恢複到原來水平時，處理效率和產(chan) 氣量也隨之恢複

2、pH值

每種微生物可在一定的pH值範圍內(nei) 活動，產(chan) 酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，其適宜的pH值範圍較廣，在4.5-8.0之間。產(chan) 甲烷菌要求環境介質pH值在中性附近，適宜pH值為(wei) 7.0-7.2，pH6.6-7.4較為(wei) 適宜。在厭氧法處理廢水的應用中，由於(yu) 產(chan) 酸和產(chan) 甲烷大多在同一構築物內(nei) 進行，故為(wei) 了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應器內(nei) 的pH值在6.5-7.5(在6.8-7.2)的範圍內(nei) 。在厭氧消化過程中，pH值的升降變化除了外界因素的影響之外，還取決(jue) 於(yu) 有機物代謝過程中某些產(chan) 物的增減。產(chan) 酸作用產(chan) 物使有機酸的含量增加，會(hui) 使pH值下降。含氮有機物分解產(chan) 物氨的增加，會(hui) 引起pH值升高。在厭氧處理中，pH值除受進水的pH影響外，主要取決(jue) 於(yu) 代謝過程中自然建立的緩衝(chong) 平衡，取決(jue) 於(yu) 揮發酸、堿度、CO₂、氨氮、氫之間的平衡。

3、有機負荷

在厭氧法中，有機負荷通常指容積有機負荷，簡稱容積負荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量（kgCOD/m³·d)。對懸浮生長工藝，也有用汙泥負荷表達的，即kg CODcr/(kg汙泥·d)。在汙泥消化中，有機負荷習(xi) 慣上以投配率或進料率表達，即每天所投加的濕汙泥體(ti) 積占消化器有效容積的百分數。由於(yu) 各種濕汙泥的含水率、揮發組分不盡一致，投配率不能反映實際的有機負荷，為(wei) 此，又引入反應器單位有效容積每天接受的揮發性固體(ti) 重量這一參數，即kgMLVSS/m³·d。有機負荷值因工藝類型、運行條件以及廢水中汙染物的種類及其濃度而異。

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

上流式厭氧汙泥床反應器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機負荷在中溫下為(wei) 5-15 kgCODcr/(m³·d)，可高達30kgCODcr/(m³·d)。在處理具體(ti) 廢水時，通過試驗來確定其適宜的有機負荷。

4、厭氧活性汙泥

厭氧活性汙泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機物、無機物組成。厭氧活性汙泥的濃度和性狀與(yu) 消化的效能有密切的關(guan) 係。性狀良好的汙泥是厭氧消化效率的基礎保證。厭氧活性汙泥的性質主要表現為(wei) 它的作用效能與(yu) 沉降性能。故在一定的範圍內(nei) ，活性汙泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。

5、攪拌和混合

通過攪拌可消除池內(nei) 梯度，增加食料與(yu) 微生物之間的接觸，避免產(chan) 生分層，促進沼氣分離。在連續投料的消化池中，還使進料迅速與(yu) 池中原有料液相混勻。在傳(chuan) 統厭氧消化工藝中，也將有攪拌的消化器稱為(wei) 消化器。攪拌程度與(yu) 強度要適當。攪拌的方法有：

（1）機械攪拌器攪拌法；（2）消化液循環攪拌法；（3）沼氣循環攪拌法等。其中沼氣循環攪拌，還有利於(yu) 使沼氣中的CO₂作為(wei) 產(chan) 甲烷的底物被細菌利用，提高甲烷的產(chan) 量。

厭氧濾池和上流式厭氧汙泥床等新型厭氧消化設備，雖沒有專(zhuan) 設攪拌裝置，但以上流的方式連續投入料液，通過液流及其擴散作用，也起到一定程度的攪拌作用。

6、廢水的營養(yang) 比

厭氧微生物的生長繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控製進料的碳、氮、磷比例，因為(wei) 其他營養(yang) 元素不足的情況較少見。厭氧法中碳:氮:磷控製為(wei) 200-300:5:1為(wei) 宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對厭氧消化的影響更為(wei) 重要。研究表明，合適的C/N為(wei) 10-18:1。

7、有毒物質

包括有毒有機物、重金屬離子和一些陰離子等。對有機物來說，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環等結構，往往具有抑製性。有毒物質的高容許濃度與(yu) 處理係統的運行方式、汙泥馴化程度、廢水特性、操作控製條件等因素有關(guan) 。

四、厭氧法的工藝和設備

按微生物生長狀態分為(wei) 厭氧活性汙泥法(anaerobic activated sludge)和厭氧生物膜法(anaerobic slime)；按投料、出料及運行方式分為(wei) 分批式(batch)、連續式(continuous)和半連續式(semi-continuous)；厭氧活性汙泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧汙泥床反應器等；厭氧生物膜法包括厭氧濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉盤等。

根據厭氧消化中物質轉化反應的總過程是否在同一反應器中並在同一工藝條件下完成，又可分為(wei) 一步厭氧消化(one stage digestion)與(yu) 兩(liang) 步厭氧消化(two stage digestion)等。厭氧活性汙泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧汙泥床反應器等。

1、普通厭氧消化池

普通消化池又稱傳(chuan) 統或常規消化池(conventional digester)。消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續進入池中，經消化的汙泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產(chan) 沼氣從(cong) 頂部排出。池徑從(cong) 幾米至三、四十米，柱體(ti) 部分的高度約為(wei) 直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。為(wei) 使進水與(yu) 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(nei) 機械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環消化液攪拌。

普通消化池的特點是:可以直接處理懸浮固體(ti) 含量較高或顆粒較大的料液。厭氧消化反應與(yu) 固液分離在同一個(ge) 池內(nei) 實現，結構較簡單。缺乏持留或補充厭氧活性汙泥的特殊裝置，消化器中難以保持大量的微生物細胞。對無攪拌的消化器，還存在料液的分層現象嚴(yan) 重，微生物不能與(yu) 料液均勻接觸的問題。溫度不均勻，消化效率低。

2、厭氧接觸法

在消化池後設沉澱池，將沉澱汙泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobic contact process)。

厭氧接觸法的特點：

（1）通過汙泥回流，保持消化池內(nei) 汙泥濃度較高，一般為(wei) 10-15g/L，耐衝(chong) 擊能力強；

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

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

（4）混合液經沉降後，出水水質好，

（5）但需增加沉澱池、汙泥回流和脫氣等設備

（6）厭氧接觸法存在混合液難於(yu) 在沉澱池中進行固液分離的缺點。

幾種脫氣方法：

(1)真空脫氣，由消化池排出的混合液經真空脫氣器(真空度為(wei) 0.005 MPa)，將汙泥絮體(ti) 上的氣泡除去，改善汙泥的沉降性能；

(2)熱交換器急冷法，將從(cong) 消化池排出的混合液進行急速冷卻。

(3)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝劑，使厭氧汙泥易凝聚成大顆粒，加速沉降；

(4)用超濾器代替沉澱池，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器，是上世紀60年代末開發的新型厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形，池內(nei) 裝放填料，池底和池頂密封。厭氧微生物附著於(yu) 填料的表麵生長，當廢水通過填料層時，在填料表麵的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，並產(chan) 生沼氣，沼氣從(cong) 池頂部排出。廢水從(cong) 池底進入，從(cong) 池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從(cong) 池上部進入，以降流的形式流過填料層，從(cong) 池底部排出，稱降流式厭氧濾池。

厭氧生物濾池的特點及改進：

在厭氧生物濾池中，厭氧微生物大部分存在於(yu) 生物膜中，少部分以厭氧活性汙泥的形式存在於(yu) 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，在池進水部位高，相應的有機物去除速度快。當廢水中有機物濃度高時，特別是進水懸浮固體(ti) 濃度和顆粒較大時，進水部位容易發生堵塞現象。對厭氧生物濾池采取如下改進：

（1）出水回流；

（2）部分充填載體(ti) ；

（3）采用軟性填料。

厭氧生物濾池的特點是：

（1）由於(yu) 填料為(wei) 微生物附著生長提供了較大的表麵積，濾池中的微生物量較高，又因生物膜停留時間長，平均停留時間長達100天左右，因而可承受的有機容積負荷高，COD容積負荷為(wei) 2-16kgCODcr/(m³·d)，且耐衝(chong) 擊負荷能力強；

（2）廢水與(yu) 生物膜兩(liang) 相接觸麵大，強化了傳(chuan) 質過程，因而有機物去除速度快；

（3）微生物固著生長為(wei) 主，不易流失，因此不需汙泥回流和攪拌設備；

（4）啟動或停止運行後再啟動比前述厭氧工藝法時間短。

（5）處理含懸浮物濃度高的有機廢水，易發生堵塞，尤以進水部位更嚴(yan) 重。因此，進水懸浮物濃度不應超過200mg/L。

4、厭氧流化床

厭氧流化床特點:

（1）載體(ti) 顆粒細，比表麵積大，可高達2000-3000m²/m³左右，使床內(nei) 具有很高的微生物濃度，因此有機物容積負荷大，一般為(wei) 10-40kgCODcr/m³·d，水力停留時間短，具有較強的耐衝(chong) 擊負荷能力，運行穩定；

（2）載體(ti) 處於(yu) 流化狀態，無床層堵塞現象，對高、中、低濃度廢水均表現出較好的效能；

（3）載體(ti) 流化時，廢水與(yu) 微生物之間接觸麵大，同時兩(liang) 者相對運動速度快，強化了傳(chuan) 質過程，從(cong) 而具有較高的有機物淨化速度；

（4）床內(nei) 生物膜停留時間較長，剩餘(yu) 汙泥量少；

（5）結構緊湊、占地少以及基建投資省等。

（6）但載體(ti) 流化耗能較大，且對係統的管理技術要求較高。

為(wei) 了降低動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(yu) 流化床間歇**替操作。固定床操作時，不需回流，在一定時間間歇後，又啟動回流泵，呈流化床運行；

（2）盡可能取質輕、粒細的載體(ti) ，如粒徑20-30mm、相對密度1.05-1.2g/cm³的載體(ti) 。保持低的回流量，甚至免除回流就可實現床層流態化。

5、厭氧生物轉盤和擋板反應器

厭氧生物轉盤的構造與(yu) 好氧生物轉盤相似，不同之處在於(yu) 盤片大部分 (70％以上)或全部浸沒在廢水中，為(wei) 保證厭氧條件和收集沼氣，整個(ge) 生物轉盤設在一個(ge) 密閉的容器內(nei) 。厭氧擋板反應器是從(cong) 研究厭氧生物轉盤發展而來的，生物轉盤不轉動即變成厭氧擋板反應器。擋板反應器與(yu) 生物轉盤相比，可減少盤的片數和省去轉動裝置。

厭氧生物轉盤的特點：

（1）厭氧生物轉盤內(nei) 微生物濃度高，因此有機物容積負荷高，水力停留時間短；

（2）無堵塞問題，可處理較高濃度的有機廢水；

（3）一般不需回流，所以動力消耗低；

（4）耐衝(chong) 擊能力強，運行穩定，運轉管理方便。但盤片造價(jia) 高。

6、上流式厭氧汙泥床反應器

上流式厭氧汙泥床反應器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，簡稱UASB反應器，是由荷蘭(lan) 的G. Lettnga等人在上世紀70年代初研製開發的。UASB厭氧反應器以其的特點，成為(wei) 世界上應用為(wei) 廣泛的厭氧生物處理方法。從(cong) UASB反應器建立生產(chan) 性裝置以來，*已有超過600座UASB反應器投入使用，其處理的廢水幾乎囊括了所有有機廢水。汙泥床反應器內(nei) 沒有載體(ti) ，是一種懸浮生長型的消化器。其主要的特點有：反應器負荷高，體(ti) 積小，占地少；可以不添加或少添加營養(yang) 物質；能耗低，產(chan) 生的甲烷可以作為(wei) 能源利用；不產(chan) 生或產(chan) 生很少的剩餘(yu) 汙泥；規模可大可小，操作靈活方便。

 UASB反應器的機構可以分為(wei) 汙泥床，汙泥懸浮層，三相分離器和沉澱區四個(ge) 部分。廢水由底部進入反應器，UASB能去除的有機物70％在汙泥床中完成，剩下的30％在汙泥懸浮層內(nei) 去除，被氣泡挾帶的汙泥在三相分離器內(nei) 實現氣固分離，一些沉降性能好，活性高的汙泥由沉澱區返回反應器，而沉降性能差，活性低的汙泥則被衝(chong) 洗出反應器，保證了活性高的汙泥的基質利用，從(cong) 而實現淘劣存優(you) 的效果。

上流式厭氧汙泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為(wei) 圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為(wei) 便於(yu) 設置氣、液、固三相分離器，則一般為(wei) 矩形，高度一般為(wei) 3-8m，其中汙泥床1-2m，汙泥懸浮層2-4m，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構。

UASB反應器良好的汙染物去除效果（一般80％以上）依靠反應器中形成的厭氧顆粒汙泥實現的。厭氧顆粒汙泥性狀各異，大多數具有相對規則的球形或橢球形，直徑在0.15～5mm之間，顏色通常四黑色或灰色，沉降性能良好，文獻報道其沉降速度的典型範圍在18～100m/h。顆粒汙泥本質上是多種微生物的聚集體(ti) ，主要是由厭氧微生物組成，顆粒汙泥中參與(yu) 分解複雜有機物，

 顆粒汙泥的形成過程即顆粒化過程是單一分散厭氧微生物聚集生長成顆粒汙泥的過程，是一個(ge) 複雜而且持續時間較長的過程，可以看成是一個(ge) 多階段的過程。首先是細菌與(yu) 基體(ti) （可以是細菌，也可以是有機或無機材料）相互吸引粘連，這是汙泥形成的開始階段，也是決(jue) 定汙泥結構的重要階段。細菌與(yu) 基體(ti) 接近後，通過細菌的附屬物如菌絲(si) 和菌毛等，或通過多聚物的粘連，將細菌粘接到基體(ti) 上。隨著粘接到基體(ti) 上的細菌的數目的增多，就開始形成具有初步代謝作用的微生物聚集體(ti) 。微生物聚集體(ti) 在適宜的條件下，各種微生物大量繁殖，後形成沉降性

能良好，產(chan) 甲烷活性高的顆粒汙泥。

上流式厭氧汙泥床反應器的特點:

（1）反應器內(nei) 汙泥濃度高，一般平均汙泥濃度為(wei) 30-40g/L，其中底部汙泥床(sludge bed)汙泥濃度60-80g/L，汙泥懸浮層(sludgeblanket)汙泥濃度5-7g/L；汙泥床中的汙泥由活性生物量占70-80％的高度發展的顆粒汙泥(sludge granules)組成，顆粒的直徑一般在0.5-5.0mm之間，顆粒汙泥是UASB反應器的一個(ge) 重要特征。

（2）有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷一般為(wei) 10-20kg COD/（m³·d）；

（3）反應器內(nei) 設三相分離器，被沉澱區分離的汙泥能自動回流到反應區，一般無汙泥回流設備；

（4）無混合攪拌設備。投產(chan) 運行正常後，利用本身產(chan) 生的沼氣和進水來攪動；

（5）汙泥床內(nei) 不填載體(ti) ，節省造價(jia) 及避免堵塞問題。

（6）反應器內(nei) 有短流現象，影響處理能力。進水中的懸浮物應比普通消化池低得多，特別是難消化的有機物固體(ti) 不宜太高，以免對汙泥顆粒化不利或減少反應區的有效容積，甚至引起堵塞；

（7）運行啟動時間長，對水質和負荷突然變化比較敏感。

7、厭氧汙泥膨脹床反應器（EGSB）和內(nei) 循環厭氧反應器（IC）

上世紀七、八年代開發的厭氧汙泥膨脹床反應器（EGSB）、內(nei) 循環厭氧反應器（IC），已成功應用於(yu) 多項工程實踐。

厭氧顆粒汙泥膨脹床（Expanded Granular Sludge Bed, EGSB）反應器雖然在結構形式、汙泥形態等方麵與(yu) UASB非常相似，但其工作運行方式與(yu) UASB顯然不同，主要表現在EGSB中一般采用2.5-6m/h的液體(ti) 表麵上升流速（高可達10m/h），高COD負荷（8-15kgCODcr/m³•d)。高的液體(ti) 表麵上升流速使顆粒汙泥床層處於(yu) 膨脹狀態，不僅(jin) 使進水能與(yu) 顆粒汙泥能充分接觸，提高了傳(chuan) 質效率，而且有利於(yu) 基質和代謝產(chan) 物在顆粒汙泥內(nei) 外的擴散、傳(chuan) 送，保證了反應器在較高的容積負荷條件下正常運行。EGSB反應器實質上是固體(ti) 流態化技術在有機廢水生物處理領域的具體(ti) 應用。EGSB反應器的工作區為(wei) 流態化的初期，即膨脹階段（容積膨脹率約為(wei) 10-30%），在此條件下，進水流速較低，一方麵可保證進水基質與(yu) 汙泥顆粒的充分接觸和混合，加速生化反應進程，另一方麵有利於(yu) 減輕或消靜態床（如UASB)中常見的底部負荷過重的狀況,增加反應器對有機負荷,特別是對毒性物質的承受能力。EGSB反應器　　適用範圍廣，可用於(yu) SS含量高和對微生物有抑製性的廢水處理，在低溫和處理低濃度有機廢水時有明顯優(you) 勢。

內(nei) 循環厭氧反應器（Internal Circulation,IC）構造的特點是具有很大的高徑比，一般可達4－8，反應器的高度達到20m左右。整個(ge) 反應器由*厭氧反應室和第二氧反應室疊加而成。每個(ge) 厭氧反應室的頂部各設一個(ge) 氣、固、液三相分離器。*級三相分離器主要分離沼氣和水，第二級三相分離器主要分離汙泥和水，進水和回流汙泥在*厭氧反應室進行混合。*反應室有很大的去除有機能力，進入第二厭氧反應室的廢水可繼續進行處理。去除廢水中的剩餘(yu) 有機物，提高出水水質。內(nei) 循環厭氧反應器具有COD負荷（15-25kgCODcr/m³•d)，結構緊湊，節省占地麵積，借沼氣內(nei) 能提升實現內(nei) 循環，不必外加動力，抗衝(chong) 擊負荷能力強，具有緩衝(chong) pH的能力，出水穩定性好，可靠性高，基建投資低。

五、兩(liang) 相厭氧處理係統

厭氧消化反應分別在兩(liang) 個(ge) 獨立的反應器中進行，每一反應器完成一個(ge) 階段的反應，比如一為(wei) 產(chan) 酸階段，另一為(wei) 產(chan) 甲烷階段，故又稱兩(liang) 段式厭氧消化法。按照所處理的廢水水質情況，兩(liang) 步可以采用同類型或不同類型的消化反應器。*步反應器可采用簡易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值範圍條件下運行；第二步反應器則要求嚴(yan) 格密封、嚴(yan) 格控製溫度和pH值範圍。接觸消化池-上流式汙泥床兩(liang) 步消化工藝如下圖：

1、熱交換器；2、接觸消化池；3、沉澱池；4、上流式厭氧汙泥床

兩(liang) 步厭氧法具有如下特點:

（1）耐衝(chong) 擊負荷能力強，運行穩定，避免了一步法不耐高有機酸濃度的缺陷；

（2）兩(liang) 階段反應不在同一反應器中進行，互相影響小，可更好地控製工藝條件；

（3）消化效率高，尤其適於(yu) 處理含懸浮固體(ti) 多、難消化降解的高濃度有機廢水。

（4）但兩(liang) 步法設備較多，流程和操作複雜。

六、厭氧製氫技術

製氫技術有：（1）基於(yu) 化石燃料的方法，如天然氣的蒸氣氣化、石油碳氫化合物重組分的部分氧化、煤的氣化等占整個(ge) 氫氣產(chan) 量的90%以上。（2）基於(yu) 以水為(wei) 原料的方法：電解、光解、直接熱分解等占整個(ge) 氫氣產(chan) 量的4%左右。（3）基於(yu) 生物技術的方法，如：藻類和藍細菌光解水、光合細菌光分解有機物、有機物的發酵製氫、光合微生物和發酵性微生物的聯合運用製氫等等。

由於(yu) 厭氧生物發酵製氫具有產(chan) 氫能力大、無需光源、底物來源廣泛等優(you) 點而逐漸受到人們(men) 青睞。厭氧製氫根據末端發酵產(chan) 物不同分為(wei) 以下兩(liang) 種：

•    (1)當乙酸為(wei) 終產(chan) 物時：

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O→ 2CH₃COOH +4H₂ + 2CO₂

 (2)當丁酸為(wei) 終產(chan) 物時：

C₆H₁₂O₆→ CH₃CH₂CH₂COOH +2H₂ + 2CO₂

 當H₂、CO₂分壓增加，產(chan) 氫速率明顯降低，合成更多與(yu) 產(chan) 氫競爭(zheng) 的底物。氫氣產(chan) 生速率與(yu) ：pH、水力停留時間、氫分壓等有很大關(guan) 係。研究表明：碳水化合物具有厭氧生物產(chan) 氫可行性，而在碳水化合物中，溶解性糖類比溶解性差的澱粉等更具有產(chan) 氫可行性。在碳水化合物中。對於(yu) 溶解性好的糖，生物產(chan) 氫穩定運行的PH值工程控製參數為(wei) 4. 5左右，對於(yu) 溶解性較差的澱粉廢水，其控製參數為(wei) PH值4. 0左右。

厭氧製氫技術優(you) 點：耗能低、效率高；清潔、節能和可再生；原料成本低，製氫過程不汙染環境。利用厭氧細菌發酵纖維素、半纖維素、木質素降解後的小分子有機物，具有很強的環境、經濟效益。

厭氧製氫技術還有一些問題有待進一步研究，如：（1）研究氣體(ti) 快速分離技術，減少因氫、二氧化碳分壓增加抑製產(chan) 氫速率———膜技術的使用；（2）誘變高產(chan) 氫能力的菌株；（3）優(you) 化反應器的設計—如固定床的使用等等。生物製氫技術總體(ti) 上還處在初步研究階段，但其在原料來源、能源消耗、環境方麵具有較強的優(you) 勢，所以仍是值得深入研究的領域。

七、各種厭氧與(yu) 好氧技術的比較和聯合運用

1、、各種厭氧和好氧技術的比較

   厭氧工藝與(yu) 好氧工藝相比較，各有其優(you) 缺點。

厭氧工藝與(yu) 好氧工藝相比較，優(you) 點如下：

（1）、應用範圍廣

因供氧限製，好氧法一般隻適用於(yu) 中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法既適用於(yu) 高濃度有機廢水，又適用於(yu) 中、低濃度有機廢水。有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的，但對厭氧生物處理是可降解的，如固體(ti) 有機物、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，曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要充氧，而且產(chan) 生的沼氣可作為(wei) 能源。廢水有機物達一定濃度後，沼氣能量可以抵償(chang) 消耗能量。研究表明，當原水BOD₅達到1500mg/L時，采用厭氧處理即有能量剩餘(yu) 。有機物濃度愈高，剩餘(yu) 能量愈多。一般厭氧法的動力消耗約為(wei) 活性汙泥法的1/10。理論上每去除1kgCOD可生產(chan) 0.35m³純甲烷(0℃,1atm)。

（3）、負荷高

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

（4）、剩餘(yu) 汙泥量少，且其濃縮性、脫水性良好

好氧法每去除l kgCODcr將產(chan) 生0.4-0.6 kg生物量，而厭氧出去除l kgCODcr隻產(chan) 生0.02-0.l kg生物量，其剩餘(yu) 汙泥量隻有好氧法的5％-20％。同時，消化汙泥在衛生學上和化學上都是穩定的。因此，剩餘(yu) 汙泥處理和處置簡單、運行費用低，甚至可作為(wei) 肥料、飼料或餌料利用。

（5）、氮、磷營養(yang) 需要量較少

好氧法一般要求BOD:N:P為(wei) l00:5:1，而厭氧法的BOD:N:P為(wei) l00:2.5:0.5，對氮、磷缺乏的工業(ye) 廢水所需投加的營養(yang) 鹽量較少。

（6）、有殺菌作用

厭氧處理過程有一定的殺菌作用，可以殺死廢水和汙泥中的寄生蟲卵、病毒等。

（7）、汙泥易貯存

厭氧活性汙泥可長期貯存，反應器能季節性或間歇性運轉。

厭氧工藝與(yu) 好氧工藝相比較，缺點如下：

（1）、厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設備啟動和處理所需時間比好氧設備長（活性汙泥法15℃培養(yang) 7-10天，生物膜法20℃培養(yang) 30天左右）；

（2）、出水往往達不到排放標準，需要進一步處理，故一般在厭氧處理後串聯好氧處理；

（3）、厭氧處理係統操作控製因素較為(wei) 複雜；

（4）、厭氧過程會(hui) 產(chan) 生氣味對空氣有汙染。

2、厭氧和好氧技術的聯合應用

實際工業(ye) 廢水中有機物的濃度較高，COD 可以達到幾萬(wan) 甚至幾十萬(wan) 。高濃度有機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合應用才能達到好的效果。厭氧-好氧工藝的可能比沒有厭氧的單獨好氧工藝有一些特別的優(you) 勢。現以UASB加一個(ge) 活性汙泥工藝來分析厭氧-好氧工藝的特點。

厭氧-好氧工藝的特點：

（1）由於(yu) UASB反應器會(hui) 去除大量有機物和懸浮物，其後的好氧工藝汙泥量會(hui) 少得多，因此，在實踐中，厭氧-好氧工藝的總容積常不到單獨好氧工藝容積的一半。

（2）由於(yu) 好氧部分的剩餘(yu) 汙泥可以循環至UASB反應器，並在那裏消化和增濃，因此，厭氧-好氧工藝可以省掉汙泥穩定所需的操作單元，剩餘(yu) 汙泥量也比單獨好氧工藝少得多，且更易處理。

（3）由於(yu) 厭氧反應器已去除大分子有機物，所以在好氧部分的需氧量大為(wei) 減少，由此可以節約能源。同時由於(yu) UASB反應器實際起到一種均衡作用，它減少了好氧部分的需氧量穩定。

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(yu) 好氧工藝相結合的工藝，還可以達到生物脫氮、脫磷的目的。目前厭氧與(yu) 好氧聯合的工藝較多，有些仍處在研究階段，具體(ti) 見第五節，此處僅(jin) 以某啤酒廠廢水的處理流程（見多媒體(ti) 課件）舉(ju) 例。

3、應用實例

（1）、某啤酒廠廢水水質情況如下：

廢水水量：Q＝3000m³/d

進水水質：COD＝2500mg/L；BOD₅＝1600mg/L；SS＝500mg/L

出水水質：處理後的廢水達到GB8978－1996一級標準，即COD≤100mg/L；BOD₅≤20mg/L；SS≤70mg/L。

（2）、UASB反應器的形狀和尺寸、水力停留時間（HRT）和水力負荷率（Vr）

對於(yu) 中等濃度和高濃度的有機廢水，一般情況下，有機容積負荷率是限製因數，反應器的容積與(yu) 廢水量、廢水濃度和允許的有機物容積負荷去除率有關(guan) 。

設計容積負荷為(wei) N_V＝4.0kgCOD/(m³∙d)，COD去除率為(wei) 80％，則UASB反應器的有效容積為(wei) ：

 V_有效＝Q（C₀－C_e）/N_V                

式中：Q－設計處理量，m³/d；

C₀、C_e－進、出水COD濃度，mg/L；

N_V－COD容積負荷，kgCOD/(m³∙d)。

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

   據資料，經濟的反應器高度一般為(wei) 4~6m之間，並且在大多數情況下這也是係統優(you) 化的運行範圍。升流式厭氧汙泥床的池型有矩形、方形和圓形。圓形反應器具有結構較穩定的特點，但是建造圓形反應器的三相分離器要比矩形和方形的要複雜的多，因此本次設計采用矩形池。從(cong) 布水均勻性和經濟性考慮，矩形池長寬比為(wei) 2：1左右為(wei) 合適。

    設計反應器有效高度為(wei) h＝6m，則橫截麵積S＝V_有效/h＝1500/6＝250（m²）。

   設池長L約為(wei) 池寬B的兩(liang) 倍，則可取B＝12m，L＝21m。       一般應用時反應器裝液量為(wei) 70～90％，本工程中設計反應器總高H＝7.5m，其中超高0.5m。

反應器的總容積V＝BLH＝12×21×（7.5－0.5）＝1764m³，有效容積為(wei) 1500m³，則體(ti) 積有效係數為(wei) 85.0％，符合有機負荷要求。

對於(yu) 顆粒汙泥，水力負荷Vr＝0.1~0.9m³/（m²∙h），符合要求。

由於(yu) 有機負荷較高，產(chan) 氣量大，因此設置一個(ge) 水封罐，水封罐出來的沼氣先通入氣水分離器，然後再進入沼氣貯櫃。氣水分離器起到對沼氣幹燥的作用，選用直徑500mm×H1800mm鋼製氣水分離器一個(ge) ，氣水分離器中預裝鋼絲(si) 填料，在氣水分離器前設置過濾器以淨化沼氣，在分離器出氣管上裝設流量計及壓力表。

4、思考題：

（1）、玉米酒精廠廢水處理方案

澱粉質原料(玉米) 酒精發酵產(chan) 生廢糟液，糟液汙染重要指標是總固體(ti) ，它包括溶解性固體(ti) 、懸浮固體(ti) 和膠體(ti) ，它是由有機物、無機物和生物菌體(ti) 所組成。廢糟液固液分離後，濾渣組分經過烘幹後可以製成蛋白質飼料。廢水CODcr大約9400—12000mg/ L，BOD₅大約8300mg/ L ，SS達到3000 mg/L，且pH值較低。請對450 t/d酒精廢水設計一處理方案。

參考方案如下：

工藝流程說明：廢水進入調節沉澱池，去除大部分SS，調節池中的廢水經泵提升進入USBA反應器，經厭氧反應後重力自流進水解酸化池，其中UASB中反應產(chan) 生的沼氣經三相分離器收集後通過水封、氣水分離器，脫硫罐等裝置進入氣櫃存放，以便加以利用。水解酸化池出水進入好氧接觸氧化池，處理水經過二沉池經固液分離後達標後排放。UASB和二沉池中排放出的剩餘(yu) 汙泥與(yu) 調節池的汙泥一起排入汙泥濃縮池進行濃縮，隨後經壓濾機處理後外運。

(2)、肉聯廠綜合廢水處理方案選擇

某肉聯廠綜合廢水量3000 t/d ，CODcr為(wei) 800 mg/ L，BOD₅大約500mg/ L ，SS為(wei) 150mg/L，氨氮60mg/L。要求出水處理後水質達到GB8978－1996一級排放標準，請針對此種廢水提出一處理方案。

參考方案：

工藝流程說明：肉聯廠綜合廢水屬於(yu) 易於(yu) 生物降解的高懸浮有機廢水，含有大量血汙、毛皮、碎肉等，廢水經兩(liang) 道格柵，進入水解酸化池，經泵提升進入SBR反應器，然後重力自流進入砂濾池，出水經過二沉池經固液分離後出水。

SBR集厭氧和好氧兩(liang) 類特征各異的微生物於(yu) 一體(ti) ，充分發揮各類微生物降解汙染物的能力和潛力。此種廢水中氮磷含量較高，SBR生化反應池具有良好的脫氮除磷的效果。水解酸化池出水經配水井分配給兩(liang) 個(ge) SBR池，第二個(ge) SBR池進水比*個(ge) 池進水滯後兩(liang) 個(ge) 小時，這樣*池在沉澱階段停止進水，剛好第二個(ge) SBR池進水處理，而整個(ge) 好氧係統宏觀上表現為(wei) 連續進水，進水閥門采用電磁閥控製。