長期以來好氧生物處理技術，尤其是活性污泥法一直是我國城市污水處理廠的主體工藝，它具有處理效率高、出水水質(zhì)好的特點，但它也存在能耗高、運行費用大、剩余污泥產(chǎn)量多等缺點。隨著大批城鎮(zhèn)污水處理廠建設事業(yè)的發(fā)展，急需開發(fā)能耗低、剩余污泥產(chǎn)量少、適合中小型污水處理廠的新工藝。厭氧生物處理技術因其具有能耗低、污泥產(chǎn)量少的特點，在許多發(fā)展中國家的城市污水處理中得到廣泛應用。廢水厭氧生物處理是環(huán)境工程與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。過去它多用于城市污水處理廠的污泥、有機廢料以及部分高濃度有機廢水的處理。厭氧氧化時僅能釋放出少量的能量，因此細胞的產(chǎn)生量即污泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產(chǎn)生的污泥通過厭氧分解加以穩(wěn)定。很多工廠利用此法處理污泥產(chǎn)生沼氣發(fā)電，如北京高碑店污水處理廠。

目前，厭氧生化法不僅可用于處理有機污泥和高濃度有機廢水，也用于處理中、低濃度有機廢水，包括城市污水。厭氧生物處理方法和基本功能有二：（1）酸發(fā)酵，目的是為進一步進行生物處理提供易生物降解的基質(zhì)；（2）甲烷發(fā)酵，目的是為進一步降解有機物和生產(chǎn)氣體燃料。

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，將廢水中的各種復雜有機物分解轉化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物質(zhì)的過程，也稱為厭氧消化(anaerobic digestion) 。與好氧過程的根本區(qū)別在于不以分子態(tài)氧作為受氫體，而以化合態(tài)氧、碳、硫、氮等作為受氫體。厭氧生物處理是一個復雜的微生物化學過程，依靠三大主要類群的細菌，即水解產(chǎn)酸細菌(fermentative bacteria)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌(acetogenic bacteria)和產(chǎn)甲烷細菌(methanogenic bacteria)的聯(lián)合作用完成。厭氧消化過程劃分為三個連續(xù)的階段，即水解酸化階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段。

*階段為水解酸化階段。復雜的大分子、不溶性有機物先在細胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機物，然后滲入細胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機酸、醇類、醛類等。這個階段主要產(chǎn)生較脂肪酸。

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

第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、CO₂和H₂等轉化為甲烷。此過程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的l/3后者約占2/3。

上述三個階段的反應速度依廢水性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對含這類有機物為主的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。

有機物厭氧分解的三個階段

三、影響厭氧生物處理的主要因素

控制厭氧處理效率的基本因素有兩類：一類是基礎因素，包括微生物量 (污泥濃度)、營養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機負荷等；另一類是環(huán)境因素，如溫度、pH值、有毒物質(zhì)等。產(chǎn)甲烷細菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產(chǎn)甲烷階段是厭氧過程速率的限制步驟。

1、溫度條件

各類微生物適宜的溫度范圍是不同的，一般認為，產(chǎn)甲烷菌的溫度范圍為5-60℃。在35℃和53℃上下可以分別獲得較高的消化效率，溫度為40-45℃時，厭氧消化效率較低。據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為常溫消化、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于厭氧消化作用。短時內(nèi)溫度升降5℃，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至停止產(chǎn)氣。

溫度的波動，不僅影響沼氣產(chǎn)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敏感。溫度的暫時性突然降低不會使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞，溫度一經(jīng)恢復到原來水平時，處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復

2、pH值

每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動，產(chǎn)酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近，適宜pH值為7.0-7.2，pH6.6-7.4較為適宜。在厭氧法處理廢水的應用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構筑物內(nèi)進行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應器內(nèi)的pH值在6.5-7.5(在6.8-7.2)的范圍內(nèi)。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，還取決于有機物代謝過程中某些產(chǎn)物的增減。產(chǎn)酸作用產(chǎn)物使有機酸的含量增加，會使pH值下降。含氮有機物分解產(chǎn)物氨的增加，會引起pH值升高。在厭氧處理中，pH值除受進水的pH影響外，主要取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡，取決于揮發(fā)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，也有用污泥負荷表達的，即kg CODcr/(kg污泥·d)。在污泥消化中，有機負荷習慣上以投配率或進料率表達，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分數(shù)。由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致，投配率不能反映實際的有機負荷，為此，又引入反應器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù)，即kgMLVSS/m³·d。有機負荷值因工藝類型、運行條件以及廢水中污染物的種類及其濃度而異。

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

上流式厭氧污泥床反應器、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5-15 kgCODcr/(m³·d)，可高達30kgCODcr/(m³·d)。在處理具體廢水時，通過試驗來確定其適宜的有機負荷。

4、厭氧活性污泥

厭氧活性污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。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎保證。厭氧活性污泥的性質(zhì)主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉降性能。故在一定的范圍內(nèi)，活性污泥濃度愈高，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(nèi)梯度，增加食料與微生物之間的接觸，避免產(chǎn)生分層，促進沼氣分離。在連續(xù)投料的消化池中，還使進料迅速與池中原有料液相混勻。在傳統(tǒng)厭氧消化工藝中，也將有攪拌的消化器稱為消化器。攪拌程度與強度要適當。攪拌的方法有：

（1）機械攪拌器攪拌法；（2）消化液循環(huán)攪拌法；（3）沼氣循環(huán)攪拌法等。其中沼氣循環(huán)攪拌，還有利于使沼氣中的CO₂作為產(chǎn)甲烷的底物被細菌利用，提高甲烷的產(chǎn)量。

厭氧濾池和上流式厭氧污泥床等新型厭氧消化設備，雖沒有專設攪拌裝置，但以上流的方式連續(xù)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(yǎng)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。工程上主要控制進料的碳、氮、磷比例，因為其他營養(yǎng)元素不足的情況較少見。厭氧法中碳:氮:磷控制為200-300:5:1為宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對厭氧消化的影響更為重要。研究表明，合適的C/N為10-18:1。

7、有毒物質(zhì)

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(huán)等結構，往往具有抑制性。有毒物質(zhì)的高容許濃度與處理系統(tǒng)的運行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關。

四、厭氧法的工藝和設備

按微生物生長狀態(tài)分為厭氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厭氧生物膜法(anaerobic slime)；按投料、出料及運行方式分為分批式(batch)、連續(xù)式(continuous)和半連續(xù)式(semi-continuous)；厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應器等；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(jù)厭氧消化中物質(zhì)轉化反應的總過程是否在同一反應器中并在同一工藝條件下完成，又可分為一步厭氧消化(one stage digestion)與兩步厭氧消化(two stage digestion)等。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應器等。

1、普通厭氧消化池

普通消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池(conventional digester)。消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續(xù)進入池中，經(jīng)消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產(chǎn)沼氣從頂部排出。池徑從幾米至三、四十米，柱體部分的高度約為直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。為使進水與微生物盡快接觸，需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種：(a)池內(nèi)機械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環(huán)消化液攪拌。

普通消化池的特點是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。厭氧消化反應與固液分離在同一個池內(nèi)實現(xiàn)，結構較簡單。缺乏持留或補充厭氧活性污泥的特殊裝置，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(xiàn)象嚴重，微生物不能與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

在消化池后設沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobic contact process)。

厭氧接觸法的特點：

（1）通過污泥回流，保持消化池內(nèi)污泥濃度較高，一般為10-15g/L，耐沖擊能力強；

（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15-30天，而接觸法小于10天；

（3）可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題；

（4）混合液經(jīng)沉降后，出水水質(zhì)好，

（5）但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設備

（6）厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀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(jīng)真空脫氣器(真空度為0.005 MPa)，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉降性能；

(2)熱交換器急冷法，將從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，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降；

(4)用超濾器代替沉淀池，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(fā)的新型厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形，池內(nèi)裝放填料，池底和池頂密封。厭氧微生物附著于填料的表面生長，當廢水通過填料層時，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，并產(chǎn)生沼氣，沼氣從池頂部排出。廢水從池底進入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進入，以降流的形式流過填料層，從池底部排出，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于生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。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濃度和顆粒較大時，進水部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)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；

（3）采用軟性填料。

厭氧生物濾池的特點是：

（1）由于填料為微生物附著生長提供了較大的表面積，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2-16kgCODcr/(m³·d)，且耐沖擊負荷能力強；

（2）廢水與生物膜兩相接觸面大，強化了傳質(zhì)過程，因而有機物去除速度快；

（3）微生物固著生長為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設備；

（4）啟動或停止運行后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(fā)生堵塞，尤以進水部位更嚴重。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）載體顆粒細，比表面積大，可高達2000-3000m²/m³左右，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，因此有機物容積負荷大，一般為10-40kgCODcr/m³·d，水力停留時間短，具有較強的耐沖擊負荷能力，運行穩(wěn)定；

（2）載體處于流化狀態(tài)，無床層堵塞現(xiàn)象，對高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能；

（3）載體流化時，廢水與微生物之間接觸面大，同時兩者相對運動速度快，強化了傳質(zhì)過程，從而具有較高的有機物凈化速度；

（4）床內(nèi)生物膜停留時間較長，剩余污泥量少；

（5）結構緊湊、占地少以及基建投資省等。

（6）但載體流化耗能較大，且對系統(tǒng)的管理技術要求較高。

為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，在一定時間間歇后，又啟動回流泵，呈流化床運行；

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

5、厭氧生物轉盤和擋板反應器

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

厭氧生物轉盤的特點：

（1）厭氧生物轉盤內(nèi)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）耐沖擊能力強，運行穩(wěn)定，運轉管理方便。但盤片造價高。

6、上流式厭氧污泥床反應器

上流式厭氧污泥床反應器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，簡稱UASB反應器，是由荷蘭的G. Lettnga等人在上世紀70年代初研制開發(fā)的。UASB厭氧反應器以其的特點，成為世界上應用為廣泛的厭氧生物處理方法。從UASB反應器建立生產(chǎn)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。污泥床反應器內(nèi)沒有載體，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，體積小，占地少；可以不添加或少添加營養(yǎng)物質(zhì)；能耗低，產(chǎn)生的甲烷可以作為能源利用；不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少的剩余污泥；規(guī)模可大可小，操作靈活方便。

 UASB反應器的機構可以分為污泥床，污泥懸浮層，三相分離器和沉淀區(qū)四個部分。廢水由底部進入反應器，UASB能去除的有機物70％在污泥床中完成，剩下的30％在污泥懸浮層內(nèi)去除，被氣泡挾帶的污泥在三相分離器內(nèi)實現(xiàn)氣固分離，一些沉降性能好，活性高的污泥由沉淀區(qū)返回反應器，而沉降性能差，活性低的污泥則被沖洗出反應器，保證了活性高的污泥的基質(zhì)利用，從而實現(xiàn)淘劣存優(yōu)的效果。

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

UASB反應器良好的污染物去除效果（一般80％以上）依靠反應器中形成的厭氧顆粒污泥實現(xiàn)的。厭氧顆粒污泥性狀各異，大多數(shù)具有相對規(guī)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范圍在18～100m/h。顆粒污泥本質(zhì)上是多種微生物的聚集體，主要是由厭氧微生物組成，顆粒污泥中參與分解復雜有機物，

 顆粒污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污泥的過程，是一個復雜而且持續(xù)時間較長的過程，可以看成是一個多階段的過程。首先是細菌與基體（可以是細菌，也可以是有機或無機材料）相互吸引粘連，這是污泥形成的開始階段，也是決定污泥結構的重要階段。細菌與基體接近后，通過細菌的附屬物如菌絲和菌毛等，或通過多聚物的粘連，將細菌粘接到基體上。隨著粘接到基體上的細菌的數(shù)目的增多，就開始形成具有初步代謝作用的微生物聚集體。微生物聚集體在適宜的條件下，各種微生物大量繁殖，后形成沉降性

能良好，產(chǎn)甲烷活性高的顆粒污泥。

上流式厭氧污泥床反應器的特點:

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

（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10-20kg COD/（m³·d）；

（3）反應器內(nèi)設三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動回流到反應區(qū)，一般無污泥回流設備；

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

（5）污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價及避免堵塞問題。

（6）反應器內(nèi)有短流現(xiàn)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不宜太高，以免對污泥顆?；焕驕p少反應區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；

（7）運行啟動時間長，對水質(zhì)和負荷突然變化比較敏感。

7、厭氧污泥膨脹床反應器（EGSB）和內(nèi)循環(huán)厭氧反應器（IC）

上世紀七、八年代開發(fā)的厭氧污泥膨脹床反應器（EGSB）、內(nèi)循環(huán)厭氧反應器（IC），已成功應用于多項工程實踐。

厭氧顆粒污泥膨脹床（Expanded Granular Sludge Bed, EGSB）反應器雖然在結構形式、污泥形態(tài)等方面與UASB非常相似，但其工作運行方式與UASB顯然不同，主要表現(xiàn)在EGSB中一般采用2.5-6m/h的液體表面上升流速（高可達10m/h），高COD負荷（8-15kgCODcr/m³•d)。高的液體表面上升流速使顆粒污泥床層處于膨脹狀態(tài)，不僅使進水能與顆粒污泥能充分接觸，提高了傳質(zhì)效率，而且有利于基質(zhì)和代謝產(chǎn)物在顆粒污泥內(nèi)外的擴散、傳送，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(zhì)上是固體流態(tài)化技術在有機廢水生物處理領域的具體應用。EGSB反應器的工作區(qū)為流態(tài)化的初期，即膨脹階段（容積膨脹率約為10-30%），在此條件下，進水流速較低，一方面可保證進水基質(zhì)與污泥顆粒的充分接觸和混合，加速生化反應進程，另一方面有利于減輕或消靜態(tài)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(zhì)的承受能力。EGSB反應器　　適用范圍廣，可用于SS含量高和對微生物有抑制性的廢水處理，在低溫和處理低濃度有機廢水時有明顯優(yōu)勢。

內(nèi)循環(huán)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。整個反應器由*厭氧反應室和第二氧反應室疊加而成。每個厭氧反應室的頂部各設一個氣、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污泥和水，進水和回流污泥在*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(xù)進行處理。去除廢水中的剩余有機物，提高出水水質(zhì)。內(nèi)循環(huán)厭氧反應器具有COD負荷（15-25kgCODcr/m³•d)，結構緊湊，節(jié)省占地面積，借沼氣內(nèi)能提升實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，不必外加動力，抗沖擊負荷能力強，具有緩沖pH的能力，出水穩(wěn)定性好，可靠性高，基建投資低。

五、兩相厭氧處理系統(tǒng)

厭氧消化反應分別在兩個獨立的反應器中進行，每一反應器完成一個階段的反應，比如一為產(chǎn)酸階段，另一為產(chǎn)甲烷階段，故又稱兩段式厭氧消化法。按照所處理的廢水水質(zhì)情況，兩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值范圍條件下運行；第二步反應器則要求嚴格密封、嚴格控制溫度和pH值范圍。接觸消化池-上流式污泥床兩步消化工藝如下圖：

1、熱交換器；2、接觸消化池；3、沉淀池；4、上流式厭氧污泥床

兩步厭氧法具有如下特點:

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

（2）兩階段反應不在同一反應器中進行，互相影響小，可更好地控制工藝條件；

（3）消化效率高，尤其適于處理含懸浮固體多、難消化降解的高濃度有機廢水。

（4）但兩步法設備較多，流程和操作復雜。

六、厭氧制氫技術

制氫技術有：（1）基于化石燃料的方法，如天然氣的蒸氣氣化、石油碳氫化合物重組分的部分氧化、煤的氣化等占整個氫氣產(chǎn)量的90%以上。（2）基于以水為原料的方法：電解、光解、直接熱分解等占整個氫氣產(chǎn)量的4%左右。（3）基于生物技術的方法，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(fā)酵制氫、光合微生物和發(fā)酵性微生物的聯(lián)合運用制氫等等。

由于厭氧生物發(fā)酵制氫具有產(chǎn)氫能力大、無需光源、底物來源廣泛等優(yōu)點而逐漸受到人們青睞。厭氧制氫根據(jù)末端發(fā)酵產(chǎn)物不同分為以下兩種：

•    (1)當乙酸為終產(chǎn)物時：

C₆H₁₂O₆ + 2H₂O→ 2CH₃COOH +4H₂ + 2CO₂

 (2)當丁酸為終產(chǎn)物時：

C₆H₁₂O₆→ CH₃CH₂CH₂COOH +2H₂ + 2CO₂

 當H₂、CO₂分壓增加，產(chǎn)氫速率明顯降低，合成更多與產(chǎn)氫競爭的底物。氫氣產(chǎn)生速率與：pH、水力停留時間、氫分壓等有很大關系。研究表明：碳水化合物具有厭氧生物產(chǎn)氫可行性，而在碳水化合物中，溶解性糖類比溶解性差的淀粉等更具有產(chǎn)氫可行性。在碳水化合物中。對于溶解性好的糖，生物產(chǎn)氫穩(wěn)定運行的PH值工程控制參數(shù)為4. 5左右，對于溶解性較差的淀粉廢水，其控制參數(shù)為PH值4. 0左右。

厭氧制氫技術優(yōu)點：耗能低、效率高；清潔、節(jié)能和可再生；原料成本低，制氫過程不污染環(huán)境。利用厭氧細菌發(fā)酵纖維素、半纖維素、木質(zhì)素降解后的小分子有機物，具有很強的環(huán)境、經(jīng)濟效益。

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

七、各種厭氧與好氧技術的比較和聯(lián)合運用

1、、各種厭氧和好氧技術的比較

   厭氧工藝與好氧工藝相比較，各有其優(yōu)缺點。

厭氧工藝與好氧工藝相比較，優(yōu)點如下：

（1）、應用范圍廣

因供氧限制，好氧法一般只適用于中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法既適用于高濃度有機廢水，又適用于中、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(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機物達一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。研究表明，當原水BOD₅達到1500mg/L時，采用厭氧處理即有能量剩余。有機物濃度愈高，剩余能量愈多。一般厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。理論上每去除1kgCOD可生產(chǎn)0.35m³純甲烷(0℃,1atm)。

（3）、負荷高

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

（4）、剩余污泥量少，且其濃縮性、脫水性良好

好氧法每去除l kgCODcr將產(chǎn)生0.4-0.6 kg生物量，而厭氧出去除l kgCODcr只產(chǎn)生0.02-0.l kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％-20％。同時，消化污泥在衛(wèi)生學上和化學上都是穩(wěn)定的。因此，剩余污泥處理和處置簡單、運行費用低，甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。

（5）、氮、磷營養(yǎng)需要量較少

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

（6）、有殺菌作用

厭氧處理過程有一定的殺菌作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲卵、病毒等。

（7）、污泥易貯存

厭氧活性污泥可長期貯存，反應器能季節(jié)性或間歇性運轉。

厭氧工藝與好氧工藝相比較，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（活性污泥法15℃培養(yǎng)7-10天，生物膜法20℃培養(yǎng)30天左右）；

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

（3）、厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復雜；

（4）、厭氧過程會產(chǎn)生氣味對空氣有污染。

2、厭氧和好氧技術的聯(lián)合應用

實際工業(yè)廢水中有機物的濃度較高，COD 可以達到幾萬甚至幾十萬。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(lián)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(yōu)勢?，F(xiàn)以UASB加一個活性污泥工藝來分析厭氧-好氧工藝的特點。

厭氧-好氧工藝的特點：

（1）由于UASB反應器會去除大量有機物和懸浮物，其后的好氧工藝污泥量會少得多，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）由于好氧部分的剩余污泥可以循環(huán)至UASB反應器，并在那里消化和增濃，因此，厭氧-好氧工藝可以省掉污泥穩(wěn)定所需的操作單元，剩余污泥量也比單獨好氧工藝少得多，且更易處理。

（3）由于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減少，由此可以節(jié)約能源。同時由于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(wěn)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。目前厭氧與好氧聯(lián)合的工藝較多，有些仍處在研究階段，具體見第五節(jié)，此處僅以某啤酒廠廢水的處理流程（見多媒體課件）舉例。

3、應用實例

（1）、某啤酒廠廢水水質(zhì)情況如下：

廢水水量：Q＝3000m³/d

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

出水水質(zhì)：處理后的廢水達到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）

對于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制因數(shù)，反應器的容積與廢水量、廢水濃度和允許的有機物容積負荷去除率有關。

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

 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(jù)資料，經(jīng)濟的反應器高度一般為4~6m之間，并且在大多數(shù)情況下這也是系統(tǒng)優(yōu)化的運行范圍。升流式厭氧污泥床的池型有矩形、方形和圓形。圓形反應器具有結構較穩(wěn)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復雜的多，因此本次設計采用矩形池。從布水均勻性和經(jīng)濟性考慮，矩形池長寬比為2：1左右為合適。

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

   設池長L約為池寬B的兩倍，則可取B＝12m，L＝21m。       一般應用時反應器裝液量為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1500m³，則體積有效系數(shù)為85.0％，符合有機負荷要求。

對于顆粒污泥，水力負荷Vr＝0.1~0.9m³/（m²?h），符合要求。

由于有機負荷較高，產(chǎn)氣量大，因此設置一個水封罐，水封罐出來的沼氣先通入氣水分離器，然后再進入沼氣貯柜。氣水分離器起到對沼氣干燥的作用，選用直徑500mm×H1800mm鋼制氣水分離器一個，氣水分離器中預裝鋼絲填料，在氣水分離器前設置過濾器以凈化沼氣，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

淀粉質(zhì)原料(玉米) 酒精發(fā)酵產(chǎn)生廢糟液，糟液污染重要指標是總固體，它包括溶解性固體、懸浮固體和膠體，它是由有機物、無機物和生物菌體所組成。廢糟液固液分離后，濾渣組分經(jīng)過烘干后可以制成蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)沉淀池，去除大部分SS，調(diào)節(jié)池中的廢水經(jīng)泵提升進入USBA反應器，經(jīng)厭氧反應后重力自流進水解酸化池，其中UASB中反應產(chǎn)生的沼氣經(jīng)三相分離器收集后通過水封、氣水分離器，脫硫罐等裝置進入氣柜存放，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(jīng)過二沉池經(jīng)固液分離后達標后排放。UASB和二沉池中排放出的剩余污泥與調(diào)節(jié)池的污泥一起排入污泥濃縮池進行濃縮，隨后經(jīng)壓濾機處理后外運。

(2)、肉聯(lián)廠綜合廢水處理方案選擇

某肉聯(lián)廠綜合廢水量3000 t/d ，CODcr為800 mg/ L，BOD₅大約500mg/ L ，SS為150mg/L，氨氮60mg/L。要求出水處理后水質(zhì)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(lián)廠綜合廢水屬于易于生物降解的高懸浮有機廢水，含有大量血污、毛皮、碎肉等，廢水經(jīng)兩道格柵，進入水解酸化池，經(jīng)泵提升進入SBR反應器，然后重力自流進入砂濾池，出水經(jīng)過二沉池經(jīng)固液分離后出水。

SBR集厭氧和好氧兩類特征各異的微生物于一體，充分發(fā)揮各類微生物降解污染物的能力和潛力。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(jīng)配水井分配給兩個SBR池，第二個SBR池進水比*個池進水滯后兩個小時，這樣*池在沉淀階段停止進水，剛好第二個SBR池進水處理，而整個好氧系統(tǒng)宏觀上表現(xiàn)為連續(xù)進水，進水閥門采用電磁閥控制。