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1、1 厌氧生物处理的定义废水厌氧生物处理是指在无机分子氧条件下，通过厌氧微生物（包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复杂的有机物分解转化成甲烷和二氧化碳的过程。厌氧菌主要包括：水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌。2 厌氧原理厌氧处理的机理比较复杂，由最初的二阶段理论发展到后来比较公认的三阶段理论。本文主要介绍一下三阶段理论，如图所示。第一阶段 水解酸化在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物，蛋白质与脂肪水解与发酵转化为蛋糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。由于该阶段能够将大分子有机物转化为小分子的可溶性有机物，故常用作好氧处理的前序工艺。后续部分将对水解酸化+好氧做详细介绍。第二阶
2、段 产氢产乙酸阶段在产氢产乙酸菌的作用下，将第一阶段的产物转化为氢、二氧化碳和乙酸。其中乙酸被第三阶段中产甲烷菌吸收合成甲烷利用掉。第三阶段 产甲烷阶段通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷: 4H2+CO2 CH4+2H2 另一组是对乙酸脱羧产生甲烷： 2CH3COOH 2CH4+2CO2 3 厌氧消化的条件控制厌氧处理效率的基本因素有两类：一类是基础因素，包括微生物量（污泥浓度）、营养、混合接触的状况、有机负荷等；另一类是环境因素，如温度、pH、氧化还原电位，有毒物质等。产甲烷细菌是决定厌氧消化效率的成败和主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。l 温度产
3、甲烷菌的温度范围为560。在35 和53 上下可以分别获得较高的消化效率，温度在40-45 时，厌氧消化效率较低。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。严重时甚至停止产气。温度的暂时性突然性降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经回复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复l 营养厌氧微生物对N、P的需求较小，厌氧法中C:N:P控制在200-300:5:1为宜。在C、H、P比例中，C、H比例对厌氧消化的影响更为重要。经研究表明，合适的C/N为10-18:1。l 有毒物质所谓的有毒是相对的，任何一种物质对甲烷消化都有两方面的作用。关键在于他们的浓度界限。当在“毒阀”以下时，对产甲烷
4、菌有促进作用，高于时则会起抑制作用。 l pH pH值是厌氧消化过程中最重要的影响因素。主要原因是为产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适的pH值范围为6.87.2，在8.2时，产甲烷菌都会受到严重抑制。厌氧体系实际上是一个pH缓冲体系，就一般系统来说，随着系统中脂肪酸的增加，系统pH下降，而产甲烷菌不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生致碱物质使系统pH值回升。应保持系统有一定的碱度，维持系统的正常运行。l 有机负荷在厌氧法中由于没有传氧的限制，故而厌氧反应器中可以保持较高的有机负荷和污泥浓度。但是由于产酸阶段的反应速率远远高于产甲烷阶段的反应速率，因此必须十分谨慎的选择和控制反应器的有
5、机负荷，特别是在调试阶段，启动时必须以较低负荷来启动运行，避免反应器产生酸化现象。4 厌氧处理相对于好氧处理的特点4.1 优点（1）应用范围广因供氧限制，好氧法一般只适用于中低浓度的有机废水的处理，而厌氧即使用于高浓度有机废水，又适用于中低浓度的有机废水，厌氧法相比要比好氧法节能。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理时可降解的，如某些不溶性固体有机物，着色剂等。对温度的适应范围较广。 （2）能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达到一定浓度后，沼气能量可以抵消消耗能量。研究表明，当原水
6、BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度越高，能量剩余越多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的十分之一。（3）负荷高通常好氧法的有机容积负荷为24kgBOD/(m3d)，而厌氧法为210kgBOD/(m3d)，高的可达到50kgBOD/(m3d)。（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好由于厌氧法产生的能量很少，仅能用于维持基本的生活使用。故而能被用来利用进行细胞增殖的能量更少，污泥量只有好氧法的5%20%。同时通过厌氧消化的污泥都比较稳定，剩余污泥的处理和处置都比较简单、运行费用低。 （5）氮磷营养需要量较少好氧法一把要求BOD:N:P为100:5:1，而厌氧
7、法的BOD:N:P为100：:25:0.5，对氮磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐类较少。 （6）有杀菌作用厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵，病毒等。 （7）污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。 4.2 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： 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； 厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌
8、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； 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； 厌氧生物处理的气味较大； 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。5 常用的厌氧工艺介绍5.1 早期的厌氧生物反应器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： 1881年法国Mouras的自动净化器： 1891年英国Mo
9、ncriff的装有填料的升流式反应器： 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）； 1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）等。这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是： 处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥； 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质； 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池； 停留时间很长，出水水质也较差； 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。5.2 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
10、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：将污泥中的一部分有机物转化为沼气；将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；提高污泥的脱水性能；使得污泥
11、的体积减少1/2以上；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、消化池的类型：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3090天2) 高
12、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（3035C）条件下，其HRT可以为15天左右，运行效果稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。3) 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1:11:4，一般为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
13、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：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；螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；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：气提式搅拌；竖管式搅拌；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
14、进行加热。消化池内的加热方式主要有： 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； 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：消化池体积的计算与池体设计；消化池内搅拌设备的设计与计算；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
15、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3035C时，投配率p可取618%；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： 圆
