一、厭氧消化池

1. 工作原理

厭氧消化是以成分復(fù)雜的有機(jī)物為基質(zhì)，由多種群兼性厭氧和專性厭氧微生物參與的復(fù)雜代謝過程。在厭氧消化過程中存在基質(zhì)鏈與生物鏈的交互作用。廢水的厭氧生物處理是在無氧和無其他氧化物存在下，厭氧微生物將復(fù)雜的無機(jī)化合物降解，轉(zhuǎn)化為簡單、穩(wěn)定的無機(jī)化合物，并釋放能量。甲烷和二氧化碳是主要終產(chǎn)物，也有N2、H2、NH3、H2S出現(xiàn)。

有機(jī)物的厭氧分解是涉及多種微生物生理類群的復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)。大批學(xué)者研究了生化過程中不同階段的能量水平不同營養(yǎng)功能菌群的代謝途徑和不同微生物的形狀等。

依據(jù)微生物生理類群的代謝差異，Zeikus 提出的“三段四菌群”學(xué)說是目前普遍為人接受的觀點(diǎn)，它提出厭氧消化是在四個微生物菌群(水解菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群、同型產(chǎn)乙酸菌群、產(chǎn)甲烷菌群)的作用下完成。其過程可以分為三個階段。

第一階段為水解發(fā)酵階段（也稱酸化）。此階段，通過兼性水解發(fā)酵菌（即產(chǎn)酸菌）的代謝活動，將復(fù)雜有機(jī)物——碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂類等發(fā)酵成為有機(jī)酸、醇類、CO2、H2、NH3和H2S等。第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。這一階段，主要通過專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的生理活動，將第一階段細(xì)菌的代謝產(chǎn)物--丙酸及其他脂肪酸、醇類和某些芳香族酸轉(zhuǎn)化為乙酸、CO，和H。第三階段為產(chǎn)甲烷階段。主要是由產(chǎn)甲烷菌利用第一階段、第二階段產(chǎn)生的乙酸，CO2，H2(還有甲酸、甲醇和甲胺)等為主要基質(zhì)，最終轉(zhuǎn)化為CH和 CO2。產(chǎn)甲烷菌包括兩種特異性很強(qiáng)的細(xì)菌:一群產(chǎn)甲烷菌主要利用H把CO還原為CH(也可利用甲酸);另一群產(chǎn)甲烷菌主要以乙酸為基質(zhì)(也可利用甲醇和甲胺)，把它分解為CH和CO2。在這一階段中，據(jù)研究還有一種同型產(chǎn)乙酸菌可把CH。和CO2合成為乙酸。

厭氧消化是一個多種群多層次的混合發(fā)酵過程，在這個復(fù)雜的系統(tǒng)中，細(xì)菌種群之間存在著互相依存、互相影響和互相制約的關(guān)系，其代謝產(chǎn)物之間在 系統(tǒng)內(nèi)也存在著動態(tài)平衡。

厭氧消化池中水處理中用來代替化糞池。

二、厭氧消化的影響因素

影響厭氧反應(yīng)的因素很多，其主要因素是氧化還原電位、溫度和pH值。

1.氧化還原電位

厭氧系統(tǒng)中氧化還原電位(OPR)可表示厭氧反應(yīng)器中含氧濃度，對甲烷菌的影響極為明顯。甲烷菌細(xì)胞內(nèi)具有許多低氧化還原電位的酶系統(tǒng)，當(dāng)體系中氧化態(tài)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)電位高且濃度大時，這些酶系統(tǒng)將被高電位不可逆轉(zhuǎn)地氧化破壞，使甲烷菌的生長受到抑制甚至死亡。

氧是厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中拒絕存在的氧化態(tài)物質(zhì)，極少量的氧存在即能毒害甲烷菌的生長一般認(rèn)為參與中溫消化的甲烷菌要求環(huán)境中維持的氧化還原電位低于-350mV;對參與高溫消化的甲烷菌則應(yīng)低于-600~-500mV。

2.溫度

根據(jù)甲烷菌對溫度的適應(yīng)范圍，可將甲烷菌分為三類:低溫菌、中溫菌和高溫菌。低溫菌的適應(yīng)范圍為20~25℃，中溫菌為30~45℃，高溫菌為45~75℃。經(jīng)鑒定，甲烷菌中,低溫菌較少，大多數(shù)為中溫菌，而高溫菌的種類也較多。溫度對甲烷菌的影響要比產(chǎn)酸細(xì)菌的影響大得多，這種影響十分明顯地表現(xiàn)在影響細(xì)胞內(nèi)部的生長繁殖速度、甲烷產(chǎn)量及細(xì)胞外部的環(huán)境條件三個方面。實(shí)際上，在所說的溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)甲烷菌并沒有特殊的溫度限制，只是在一定的溫度范圍內(nèi)被馴化后，溫度稍有升降(士2℃)都嚴(yán)重影響消化的進(jìn)行，尤其是高溫消化對溫度變化的敏感性。

3.pH值

厭氧處理過程中，水解細(xì)菌和產(chǎn)酸細(xì)菌均對PH值有較大的適應(yīng)性，等你PH值對甲烷菌的生長也有重要影響。影響表現(xiàn)在如下方面：影響菌體及酶系統(tǒng)的生理功能和活性；影響環(huán)境的氧化還原電位；影響基質(zhì)的可利用性。大多數(shù)中溫甲烷細(xì)菌的最適PH值范圍約在6.8~7.2之間，但各種甲烷菌的最適PH值也有差別，從6.0~8.5各不相同。

4.營養(yǎng)物質(zhì)

厭氧微生物除了對氮和磷兩種元素的需求外，硫也是微生物生物代謝的所需成分，但所需量較少。與好氧過程相比，由于厭氧過程大大減少了生物體的合成量，所以對其他營養(yǎng)的需求都相應(yīng)減少。一般認(rèn)為，厭氧過程中有機(jī)物和氮、磷之比為COD:N:P-200:5:1即可。

5.代謝時間

為了保證代謝作用，生物處理需要足夠的接觸時間(HRT)，所需的代謝時間與基質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。簡單的低分子量VFA、糖和乙醇可以在數(shù)分鐘內(nèi)代謝，而大的、復(fù)雜的或氯化的分子需要數(shù)小時甚至幾天的時間。厭氧反應(yīng)過程中必須注意保證有機(jī)物代謝的充足時間。此外，厭氧反應(yīng)的影響因素還有微量元素、毒物等。

三、厭氧消化的優(yōu)缺點(diǎn)

1.厭氧處理的優(yōu)點(diǎn)

厭氧廢水處理技術(shù)有其明顯的優(yōu)點(diǎn)。

①厭氧廢水處理是把環(huán)境保護(hù)、能源回收與生態(tài)良性循環(huán)結(jié)合起來的綜合系統(tǒng)的核心技術(shù)，具有較好的環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益。

②厭氧廢水處理技術(shù)是一種非常經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，它在廢水處理成本上比好氧處理便宜得多，特別是對中等以上濃度(COD>1500mg/L)的廢水。

③厭氧處理不但能源需求很少而且能產(chǎn)生大量的能源。據(jù)報道，每處理1t含COD的廢水，厭氧法只需要耗電2.7x10°(75kW·h)，而好氧法需耗電36x10°J(1000kW. h)。理論上，厭氧法每除去1kgCOD可產(chǎn)生035m的純甲烷氣(0℃、1.013x10°Pa下)。純甲烷的燃燒值為393x10J/m，高于天然氣353x10J/m的燃燒值，每立方米甲烷可發(fā)電864x10J(2.4kw·h)，因此甲烷是很好的能源。含甲烷約60%~80%的沼氣可用作鍋爐或家用燃?xì)狻?/p>

④厭氧廢水處理技術(shù)處理設(shè)備負(fù)荷高，占地少。厭氧反應(yīng)器容積負(fù)荷比好氧法要高得多，單位反應(yīng)器容積的有機(jī)物去除量也因此要高得多，特別是使用新一代的高速厭氧反應(yīng)器。

⑤厭氧方法產(chǎn)生的剩余污泥量比好氧法要少得多，且剩余污泥脫水性能好，濃縮時不使用脫水劑，因此剩余污泥處理很容易。

⑥厭氧方法對營養(yǎng)物的需求小。一般認(rèn)為，若以可生物降解的COD(CODaD)為計算依據(jù)。好氧法中氮、磷的需求量為CODu:N:P=100:5:1，而厭氧方法則為(350~500):5∶1。

⑦厭氧方法可處理高濃度的有機(jī)廢水。

⑧厭氧方法的菌種可在終止供給廢水與營養(yǎng)的情況下保留其生物活性與良好的沉淀性能至少一年以上。

⑨厭氧系統(tǒng)規(guī)模靈活，設(shè)備簡單，易于制作，無需昂貴的設(shè)備。

2.厭氧處理的不足

厭氧方法用于大規(guī)模工業(yè)廢水的處理只是近20年間的事，該技術(shù)的發(fā)展尚不充分，其經(jīng)驗(yàn)與知識的積累有一定的局限性。作為一種新的技術(shù)，它的不足之處主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn)。

①由于產(chǎn)甲烷菌的敏感性和專性厭氧微生物酶系統(tǒng)對氧的極端不穩(wěn)定性，使反應(yīng)器中的菌群對環(huán)境微小的變化比好氧系統(tǒng)表現(xiàn)得更加敏感。因此，厭氧系統(tǒng)的啟動時間較長，短的二三個月，長的達(dá)半年甚至一年之久，嚴(yán)重影響了厭氧工藝在污水處理中的應(yīng)用。

②厭氧方法雖然負(fù)荷高，但其出水COD濃度高于好氧處理，原則上仍需要后處理才能達(dá)到較高的排放標(biāo)準(zhǔn)。

③厭氧微生物對有毒物質(zhì)較為敏感。因此，對于有毒廢水性質(zhì)了解不足或操作不當(dāng)，嚴(yán)重時可導(dǎo)致整個反應(yīng)器運(yùn)行條件的惡化，使反應(yīng)器“酸化”。

四、厭氧消化的類型

按照厭氧消化池內(nèi)的工作溫度把污泥消化分為常溫、中溫和高溫。如圖5-2所示的消化池是用沼氣進(jìn)行攪拌的厭氧消化池。

1.常溫厭氧消化

最典型的常溫厭氧消化池是雙層沉淀池，較長時間的歷史，主要用于初次沉淀污泥的穩(wěn)定及中水回用的化糞池。常溫厭氧消化池由于沒有污泥加熱設(shè)備，所以操作簡單，主要用于

小型污水處理廠，更適宜用于生物濾池污泥的穩(wěn)定， 但是需要注意的是厭氧消化池在操作不當(dāng)時容易發(fā)酵。

2.中溫厭氧消化

中溫污泥消化是最常用的污泥厭氧消化形式，由于實(shí)際廢水自身的溫度低于所要求的工溫度，所以需要對被消化的廢水事先進(jìn)行加熱。中溫厭氧消化過程是一個相對敏感的過程，這一過程要求有嚴(yán)格的邊界條件，如要求加熱設(shè)備和消化池的絕熱效果都是有效，以保證消化池能夠在穩(wěn)定的溫度下運(yùn)行;為了使沼泥穩(wěn)定安全運(yùn)行，消化池內(nèi)的混應(yīng)連續(xù)攪拌，使消化池內(nèi)不發(fā)生短流和死角，具有良好的接種條件和保證pH值在很小的范圍內(nèi)變化。

3.高溫厭氧消化

高溫厭氧消化的工作溫度是50~55℃，高溫下化學(xué)反應(yīng)與生物反應(yīng)比低溫下快得多反應(yīng)器內(nèi)溫度與其所生長的微生物的生長溫度相一致，各類微生物都有其最適宜生長溫度和生長溫度范圍，其菌種不同于中溫厭氧消化。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)如下。

①高溫下廢水中的病源微生物可更好去除。

②相對高的細(xì)菌生長率意味著高溫下厭氧微生物有更高的活性。③高溫下溶液黏度低，廢水與污泥易混合，消化效果好。

④嗜熱菌生長率高，由于其相對死亡率也高，高溫條件下污泥的凈增長率較低，剩余污泥量少。

它的缺點(diǎn)是對溫度的敏感性高、污泥加熱及運(yùn)行管理費(fèi)用高，所需要的熱量大。

五、運(yùn)行中應(yīng)注意的問題

1.反應(yīng)器的啟動

未接種的污泥在消化池進(jìn)行消化所需要的啟動時間(至形成明顯的污泥氣產(chǎn)生)是較長的，為了避免所投加的原污泥在消化池內(nèi)經(jīng)過較長的啟動時間，應(yīng)對池內(nèi)的污泥進(jìn)行良好的接種。

從消化池的運(yùn)行角度而言，池內(nèi)具有活性的消化污泥能夠與污水充分混合(接種)，則對消化池的穩(wěn)定運(yùn)行是有益的。

2.消化池的防腐和絕熱措施

(1)消化池防腐在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下消化池內(nèi)的pH值為7~7.4，但在實(shí)際中消化過程經(jīng)常出現(xiàn)弱酸的情況，加之其他情況的影響，對于采用鋼筋混凝土或者鋼制的消化池，其

壁應(yīng)采用不同的防腐措施。對鋼筋混凝土消化池內(nèi)壁、液位以上部分和處于液位經(jīng)常變化的部位，由于與污泥氣接觸，污泥氣中的硫化氫會形成硫酸和硫化物，從而對池壁造成侵，所以在這一部分的池內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行防腐處理。一般采用多組分的環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂刷，如焦油、瀝青、環(huán)氧樹脂。如果污泥中含有強(qiáng)腐蝕性化學(xué)物質(zhì)時，則消化池內(nèi)壁應(yīng)采取相應(yīng)的防腐措施。其他部位一般不需要防腐。用鋼板可以將消化池制成任意所需要的形狀，而且可以大大縮短建設(shè)時間。國外大多采用預(yù)先加工好的板塊在現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，鋼制消化池內(nèi)壁通常須刷涂防腐材料，防腐重點(diǎn)同樣也是液位以上部位和液位經(jīng)常變化的部位。通常池內(nèi)壁以瀝青或焦油、環(huán)氧樹脂為基底涂層，再涂3~4層環(huán)氧樹脂或者聚氨鉻類涂料。通常池外壁刷涂2~3層環(huán)氧樹脂或者聚氨鋯類涂料。鋼制消化池在防腐前必須對鋼件進(jìn)行有效的除銹處理，另外要求焊縫必須平整、連續(xù)，無凸的金屬材料之間必須進(jìn)行絕緣處理。

(2)絕熱措施為了保持消化池內(nèi)的溫度和節(jié)約燃料，應(yīng)對消化池池壁、管道和設(shè)備進(jìn)行絕熱處理。絕熱材料應(yīng)具有導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小、吸水能力差，有一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐熱能力;當(dāng)在含濕量較低的情況下(如吸收了池壁滲出水)，仍能夠保持其絕熱特性，而且能夠?qū)⑷诔鏊尫懦鰜?。常用的絕熱材料有泡沫混凝土、膨脹珍珠巖、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃等。一般要求所采用絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)8<0.21W/(m·K)，密度p600kg/m采取絕熱保溫措施的例外，是地下部分一般不進(jìn)行絕熱處理。

3.對消化池管路和設(shè)備的要求

消化池管路和設(shè)備的合理選材及安裝對保證消化池的正常運(yùn)行有重要意義，特別是消化池內(nèi)部的管路與設(shè)備，因?yàn)槿绻坏┏貎?nèi)管路和設(shè)備發(fā)生故障，必須將消化池停用，這樣，導(dǎo)致長時間停止運(yùn)行，并大大增加檢修費(fèi)用。

(1)基本要求

①盡可能減少或者避免設(shè)置不必要的管路和設(shè)備在池外。

②所有管路、設(shè)備的連接和固定措施(設(shè)計)應(yīng)從牢固性入手。

初九

③應(yīng)采用適合于所處環(huán)境條件要求和所輸送介質(zhì)的材料。

④在消化池池頂和池底交接處適當(dāng)位置設(shè)置人孔，用于檢修時進(jìn)入和內(nèi)部設(shè)備管道出人。

⑤為了觀察消化池內(nèi)液相的狀態(tài)，有時需要在池頂設(shè)置觀察孔及沖洗水噴嘴。⑥管道設(shè)計除了考慮有足夠的斷面外，還應(yīng)保證有足夠的流速和反沖洗措施。

⑦重要的設(shè)備應(yīng)有足夠的備用量，設(shè)備和管路的布置具有一定的靈活性，以便在事故時能夠用其他設(shè)備和管路替代。

⑧管路布置應(yīng)考慮消化池能夠具有多種運(yùn)行的性能，如各消化池均可按并聯(lián)方式(一級消化)運(yùn)行或者按串聯(lián)方式運(yùn)行或者按兩級消化池運(yùn)行。

(2)管路系統(tǒng)的安裝要求

①應(yīng)考慮不均勻沉降和溫度差變化所產(chǎn)生的影響，各種管道的敷設(shè)應(yīng)采取措施，防止因構(gòu)(建)筑物不均勻沉降對管道的破壞。

②金屬管道和配件應(yīng)采取除銹和防腐蝕措施，避免壓力過高時導(dǎo)致管道破裂。

③池的重要部位如上、中、下部設(shè)取樣管，取樣管直徑大于100mm。

④穿池(墻)管不允許和池體的鋼筋相連接。

⑤氣管的管徑不宜小于100mm，為減少壓力損失應(yīng)盡可能采用大口徑的管道，在最低點(diǎn)安裝冷凝水收集管;污泥氣管道必須經(jīng)過嚴(yán)格的密閉性和壓力試驗(yàn)后，方可使用;氣管適當(dāng)位置上方采用量程范圍大的氣壓計及真空報警器。

（3）材料的選擇 所有設(shè)備、管道和附屬器材（特別是當(dāng)安裝在消化池內(nèi)部時）的制造材料均應(yīng)滿足相應(yīng)的機(jī)械、化學(xué)物理性能的要求。一般按下列原則選擇：池內(nèi)部的管道、支架等宜采用不銹鋼材料;消化池外的污泥管道宜采用鑄鐵管;氣管宜采用不銹鋼管，池外埋地管也可采用高密度聚乙烯管。

(4)檢測、調(diào)節(jié)和控制儀表與設(shè)備為了解和掌握消化的運(yùn)行狀況，必須設(shè)置檢測設(shè)備。主要檢測的有溫度(采用就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示和記錄)、氣的質(zhì)與量(孔板式或者氣壓流量測量采用就地顯示和遠(yuǎn)傳顯示)pH值(在化驗(yàn)室內(nèi)采用固定或者便攜式儀器對取樣進(jìn)行檢測)、必要的安全措施及防火設(shè)備等。安全及防火措施應(yīng)符合我國《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的要求。

4.沼氣的處置

沼氣是指污水處理所產(chǎn)生的生物氣。它是一種混合氣體，主要成分是CH2、CO2，其次是H2、N2、H2S和一些微量物質(zhì)。沼氣的性質(zhì)主要受消化污泥性質(zhì)、所含物質(zhì)情況的響，通常沼氣中CH4的含量約在55%~70%，沼氣具有很強(qiáng)烈的氣味，呈酸性，其pH值一般介于1~4之間，具有腐蝕性。沼氣量與水質(zhì)、水量、消化時間等因素有關(guān)，為了能充分利用污泥氣一般需要設(shè)污泥氣的貯存設(shè)施，沼氣貯存的形式和設(shè)施的大小取決于消化池運(yùn)行方式和污泥氣的利用。我國設(shè)計手冊規(guī)定:貯氣柜的容積應(yīng)按需要的最大調(diào)節(jié)量決定無此資料時可按平均日產(chǎn)氣量的25%~40%，即6~10h的平均產(chǎn)氣量計。

沼氣中所含的成分對沼氣的收集、輸送、貯存、利用均會產(chǎn)生不利的影響，消化池中產(chǎn)生的沼氣含有飽和水蒸氣、或多或少含有污泥顆粒和泡沫。水蒸氣或者凝結(jié)水、污泥顆粒和泡沫對沼氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行是不利的，同時凝結(jié)水也具有腐蝕性。

沼氣中的硫化氫H2S)氧環(huán)境中的異化作用會原為硫化氫，硫化氫是毒性很大的氣體，其含量超過0.4%(體積)時就會使人致死。此外，H2S會使沼氣發(fā)動機(jī)的潤滑酸化，在燃燒產(chǎn)物冷凝時會產(chǎn)生硫酸或者含硫的酸，對設(shè)備造成腐蝕。

沼氣處理的就是減少或者去除沼氣中有害或者對運(yùn)行有干擾的物質(zhì)、以利于沼氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所選擇的沼氣處理方法應(yīng)保證其安全可靠，所轉(zhuǎn)換成的物質(zhì)對大氣和周圍環(huán)境是無害的。

(1)固體和液體的去除 沼氣中的污泥顆粒、泡沫、水分的去除，要采用旋流分離除塵

器和砂濾罐，如果泡沫較多，可在除塵器中噴水，在沼氣檢測、分析設(shè)備前，應(yīng)設(shè)置精過濾器和干燥器。

(2)H2S的去除 投加鐵鹽法和鐵填料吸附法，前者受鐵離子的濃度、pH值、溫度的影響，投加量較大;后者需要對鐵填料進(jìn)行再生。