一、厌氧消化池
1.工作原理
厌氧消化是以成分复杂的有机物为基质，由多种群兼性厌氧和专性厌氧微生物参与的复杂代谢过程。在厌氧消化过程中存在基质链与生物链的交互作用。废水的厌氧生物处理是在无氧和无其他氧化物存在下，厌氧微生物将复杂的无机化合物降解，转化为简单、稳定的无机化合物，并释放能量。甲烷和二氧化碳是主要终产物，也有N2、H2、NH3、H2S出现。
有机物的厌氧分解是涉及多种微生物生理类群的复杂生物化学反应。大批学者研究了生化过程中不同阶段的能量水平不同营养功能菌群的代谢途径和不同微生物的形状等。
依据微生物生理类群的代谢差异，Zeikus提出的“三段四菌群”学说是目前普遍为人接受的观点，它提出厌氧消化是在四个微生物菌群(水解菌群、产氢产乙酸菌群、同型产乙酸菌群、产甲烷菌群)的作用下完成。其过程可以分为三个阶段。
第一阶段为水解发酵阶段（也称酸化）。此阶段，通过兼性水解发酵菌（即产酸菌）的代谢活动，将复杂有机物——碳水化合物、蛋白质和脂类等发酵成为有机酸、醇类、CO2、H2、NH3和H2S等。第二阶段为产氢产乙酸阶段。这一阶段，主要通过专性厌氧的产氢产乙酸菌的生理活动，将第一阶段细菌的代谢产物--丙酸及其他脂肪酸、醇类和某些芳香族酸转化为乙酸、CO，和H。第三阶段为产甲烷阶段。主要是由产甲烷菌利用第一阶段、第二阶段产生的乙酸，CO2，H2(还有甲酸、甲醇和甲胺)等为主要基质，最终转化为CH和CO2。产甲烷菌包括两种特异性很强的细菌:一群产甲烷菌主要利用H把CO还原为CH(也可利用甲酸);另一群产甲烷菌主要以乙酸为基质(也可利用甲醇和甲胺)，把它分解为CH和CO2。在这一阶段中，据研究还有一种同型产乙酸菌可把CH。和CO2合成为乙酸。
厌氧消化是一个多种群多层次的混合发酵过程，在这个复杂的系统中，细菌种群之间存在着互相依存、互相影响和互相制约的关系，其代谢产物之间在系统内也存在着动态平衡。
厌氧消化池中水处理中用来代替化粪池。
二、厌氧消化的影响因素
影响厌氧反应的因素很多，其主要因素是氧化还原电位、温度和pH值。
1.氧化还原电位
厌氧系统中氧化还原电位(OPR)可表示厌氧反应器中含氧浓度，对甲烷菌的影响极为明显。甲烷菌细胞内具有许多低氧化还原电位的酶系统，当体系中氧化态物质的标准电位高且浓度大时，这些酶系统将被高电位不可逆转地氧化破坏，使甲烷菌的生长受到抑制甚至死亡。
氧是厌氧发酵系统中拒绝存在的氧化态物质，极少量的氧存在即能毒害甲烷菌的生长一般认为参与中温消化的甲烷菌要求环境中维持的氧化还原电位低于-mV;对参与高温消化的甲烷菌则应低于-~-mV。
2.温度
根据甲烷菌对温度的适应范围，可将甲烷菌分为三类:低温菌、中温菌和高温菌。低温菌的适应范围为20~25℃，中温菌为30~45℃，高温菌为45~75℃。经鉴定，甲烷菌中,低温菌较少，大多数为中温菌，而高温菌的种类也较多。温度对甲烷菌的影响要比产酸细菌的影响大得多，这种影响十分明显地表现在影响细胞内部的生长繁殖速度、甲烷产量及细胞外部的环境条件三个方面。实际上，在所说的温度范围内，产甲烷菌并没有特殊的温度限制，只是在一定的温度范围内被驯化后，温度稍有升降(士2℃)都严重影响消化的进行，尤其是高温消化对温度变化的敏感性。
3.pH值
厌氧处理过程中，水解细菌和产酸细菌均对PH值有较大的适应性，等你PH值对甲烷菌的生长也有重要影响。影响表现在如下方面：影响菌体及酶系统的生理功能和活性；影响环境的氧化还原电位；影响基质的可利用性。大多数中温甲烷细菌的最适PH值范围约在6.8~7.2之间，但各种甲烷菌的最适PH值也有差别，从6.0~8.5各不相同。
4.营养物质
厌氧微生物除了对氮和磷两种元素的需求外，硫也是微生物生物代谢的所需成分，但所需量较少。与好氧过程相比，由于厌氧过程大大减少了生物体的合成量，所以对其他营养的需求都相应减少。一般认为，厌氧过程中有机物和氮、磷之比为COD:N:P-:5:1即可。
5.代谢时间
为了保证代谢作用，生物处理需要足够的接触时间(HRT)，所需的代谢时间与基质的性质有关。简单的低分子量VFA、糖和乙醇可以在数分钟内代谢，而大的、复杂的或氯化的分子需要数小时甚至几天的时间。厌氧反应过程中必须注意保证有机物代谢的充足时间。此外，厌氧反应的影响因素还有微量元素、毒物等。
三、厌氧消化的优缺点
1.厌氧处理的优点
厌氧废水处理技术有其明显的优点。
①厌氧废水处理是把环境保护、能源回收与生态良性循环结合起来的综合系统的核心技术，具有较好的环境效益与经济效益。
②厌氧废水处理技术是一种非常经济的技术，它在废水处理成本上比好氧处理便宜得多，特别是对中等以上浓度(COD1mg/L)的废水。
③厌氧处理不但能源需求很少而且能产生大量的能源。据报道，每处理1t含COD的废水，厌氧法只需要耗电2.7x10°(75kW·h)，而好氧法需耗电36x10°J(kW.h)。理论上，厌氧法每除去1kgCOD可产生m的纯甲烷气(0℃、1.x10°Pa下)。纯甲烷的燃烧值为x10J/m，高于天然气x10J/m的燃烧值，每立方米甲烷可发电x10J(2.4kw·h)，因此甲烷是很好的能源。含甲烷约60%~80%的沼气可用作锅炉或家用燃气。
④厌氧废水处理技术处理设备负荷高，占地少。厌氧反应器容积负荷比好氧法要高得多，单位反应器容积的有机物去除量也因此要高得多，特别是使用新一代的高速厌氧反应器。
⑤厌氧方法产生的剩余污泥量比好氧法要少得多，且剩余污泥脱水性能好，浓缩时不使用脱水剂，因此剩余污泥处理很容易。
⑥厌氧方法对营养物的需求小。一般认为，若以可生物降解的COD(CODaD)为计算依据。好氧法中氮、磷的需求量为CODu:N:P=:5:1，而厌氧方法则为(~):5∶1。
⑦厌氧方法可处理高浓度的有机废水。
⑧厌氧方法的菌种可在终止供给废水与营养的情况下保留其生物活性与良好的沉淀性能至少一年以上。
⑨厌氧系统规模灵活，设备简单，易于制作，无需昂贵的设备。
2.厌氧处理的不足
厌氧方法用于大规模工业废水的处理只是近20年间的事，该技术的发展尚不充分，其经验与知识的积累有一定的局限性。作为一种新的技术，它的不足之处主要体现在如下几点。
①由于产甲烷菌的敏感性和专性厌氧微生物酶系统对氧的极端不稳定性，使反应器中的菌群对环境微小的变化比好氧系统表现得更加敏感。因此，厌氧系统的启动时间较长，短的二三个月，长的达半年甚至一年之久，严重影响了厌氧工艺在污水处理中的应用。
②厌氧方法虽然负荷高，但其出水COD浓度高于好氧处理，原则上仍需要后处理才能达到较高的排放标准。
③厌氧微生物对有毒物质较为敏感。因此，对于有毒废水性质了解不足或操作不当，严重时可导致整个反应器运行条件的恶化，使反应器“酸化”。
四、厌氧消化的类型
按照厌氧消化池内的工作温度把污泥消化分为常温、中温和高温。如图5-2所示的消化池是用沼气进行搅拌的厌氧消化池。
1.常温厌氧消化
最典型的常温厌氧消化池是双层沉淀池，较长时间的历史，主要用于初次沉淀污泥的稳定及中水回用的化粪池。常温厌氧消化池由于没有污泥加热设备，所以操作简单，主要用于
小型污水处理厂，更适宜用于生物滤池污泥的稳定，但是需要注意的是厌氧消化池在操作不当时容易酸性发酵。
2.中温厌氧消化中温污泥消化是最常用的污泥厌氧消化形式，由于实际废水自身的温度低于所要求的工温度，所以需要对被消化的废水事先进行加热。中温厌氧消化过程是一个相对敏感的过程，这一过程要求有严格的边界条件，如要求加热设备和消化池的绝热效果都是有效，以保证消化池能够在稳定的温度下运行;为了使沼泥稳定安全运行，消化池内的混应连续搅拌，使消化池内不发生短流和死角，具有良好的接种条件和保证pH值在很小的范围内变化。3.高温厌氧消化高温厌氧消化的工作温度是50~55℃，高温下化学反应与生物反应比低温下快得多反应器内温度与其所生长的微生物的生长温度相一致，各类微生物都有其最适宜生长温度和生长温度范围，其菌种不同于中温厌氧消化。其优点表现如下。①高温下废水中的病源微生物可更好去除。②相对高的细菌生长率意味着高温下厌氧微生物有更高的活性。③高温下溶液黏度低，废水与污泥易混合，消化效果好。④嗜热菌生长率高，由于其相对死亡率也高，高温条件下污泥的净增长率较低，剩余污泥量少。它的缺点是对温度的敏感性高、污泥加热及运行管理费用高，所需要的热量大。五、运行中应注意的问题1.反应器的启动未接种的污泥在消化池进行消化所需要的启动时间(至形成明显的污泥气产生)是较长的，为了避免所投加的原污泥在消化池内经过较长的启动时间，应对池内的污泥进行良好的接种。从消化池的运行角度而言，池内具有活性的消化污泥能够与污水充分混合(接种)，则对消化池的稳定运行是有益的。2.消化池的防腐和绝热措施(1)消化池防腐在正常运转情况下消化池内的pH值为7~7.4，但在实际中消化过程经常出现弱酸的情况，加之其他情况的影响，对于采用钢筋混凝土或者钢制的消化池，其壁应采用不同的防腐措施。对钢筋混凝土消化池内壁、液位以上部分和处于液位经常变化的部位，由于与污泥气接触，污泥气中的硫化氢会形成硫酸和硫化物，从而对池壁造成侵，所以在这一部分的池内壁应进行防腐处理。一般采用多组分的环氧树脂进行涂刷，如焦油、沥青、环氧树脂。如果污泥中含有强腐蚀性化学物质时，则消化池内壁应采取相应的防腐措施。其他部位一般不需要防腐。用钢板可以将消化池制成任意所需要的形状，而且可以大大缩短建设时间。国外大多采用预先加工好的板块在现场进行拼装，钢制消化池内壁通常须刷涂防腐材料，防腐重点同样也是液位以上部位和液位经常变化的部位。通常池内壁以沥青或焦油、环氧树脂为基底涂层，再涂3~4层环氧树脂或者聚氨铬类涂料。通常池外壁刷涂2~3层环氧树脂或者聚氨锆类涂料。钢制消化池在防腐前必须对钢件进行有效的除锈处理，另外要求焊缝必须平整、连续，无凸的金属材料之间必须进行绝缘处理。(2)绝热措施为了保持消化池内的温度和节约燃料，应对消化池池壁、管道和设备进行绝热处理。绝热材料应具有导热系数小、密度小、吸水能力差，有一定的机械强度和耐热能力;当在含湿量较低的情况下(如吸收了池壁渗出水)，仍能够保持其绝热特性，而且能够将融出水释放出来。常用的绝热材料有泡沫混凝土、膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃等。一般要求所采用绝热材料的导热系数80.21W/(m·K)，密度pkg/m采取绝热保温措施的例外，是地下部分一般不进行绝热处理。3.对消化池管路和设备的要求消化池管路和设备的合理选材及安装对保证消化池的正常运行有重要意义，特别是消化池内部的管路与设备，因为如果一旦池内管路和设备发生故障，必须将消化池停用，这样，导致长时间停止运行，并大大增加检修费用。(1)基本要求①尽可能减少或者避免设置不必要的管路和设备在池外。②所有管路、设备的连接和固定措施(设计)应从牢固性入手。初九③应采用适合于所处环境条件要求和所输送介质的材料。④在消化池池顶和池底交接处适当位置设置人孔，用于检修时进入和内部设备管道出人。⑤为了观察消化池内液相的状态，有时需要在池顶设置观察孔及冲洗水喷嘴。⑥管道设计除了考虑有足够的断面外，还应保证有足够的流速和反冲洗措施。⑦重要的设备应有足够的备用量，设备和管路的布置具有一定的灵活性，以便在事故时能够用其他设备和管路替代。⑧管路布置应考虑消化池能够具有多种运行的性能，如各消化池均可按并联方式(一级消化)运行或者按串联方式运行或者按两级消化池运行。(2)管路系统的安装要求①应考虑不均匀沉降和温度差变化所产生的影响，各种管道的敷设应采取措施，防止因构(建)筑物不均匀沉降对管道的破坏。②金属管道和配件应采取除锈和防腐蚀措施，避免压力过高时导致管道破裂。③池的重要部位如上、中、下部设取样管，取样管直径大于mm。④穿池(墙)管不允许和池体的钢筋相连接。⑤气管的管径不宜小于mm，为减少压力损失应尽可能采用大口径的管道，在最低点安装冷凝水收集管;污泥气管道必须经过严格的密闭性和压力试验后，方可使用;气管适当位置上方采用量程范围大的气压计及真空报警器。（3）材料的选择所有设备、管道和附属器材（特别是当安装在消化池内部时）的制造材料均应满足相应的机械、化学物理性能的要求。一般按下列原则选择：池内部的管道、支架等宜采用不锈钢材料;消化池外的污泥管道宜采用铸铁管;气管宜采用不锈钢管，池外埋地管也可采用高密度聚乙烯管。(4)检测、调节和控制仪表与设备为了解和掌握消化的运行状况，必须设置检测设备。主要检测的有温度(采用就地显示和远传显示和记录)、气的质与量(孔板式或者气压流量测量采用就地显示和远传显示)pH值(在化验室内采用固定或者便携式仪器对取样进行检测)、必要的安全措施及防火设备等。安全及防火措施应符合我国《建筑设计防火规范》的要求。4.沼气的处置沼气是指污水处理所产生的生物气。它是一种混合气体，主要成分是CH2、CO2，其次是H2、N2、H2S和一些微量物质。沼气的性质主要受消化污泥性质、所含物质情况的响，通常沼气中CH4的含量约在55%~70%，沼气具有很强烈的气味，呈酸性，其pH值一般介于1~4之间，具有腐蚀性。沼气量与水质、水量、消化时间等因素有关，为了能充分利用污泥气一般需要设污泥气的贮存设施，沼气贮存的形式和设施的大小取决于消化池运行方式和污泥气的利用。我国设计手册规定:贮气柜的容积应按需要的最大调节量决定无此资料时可按平均日产气量的25%~40%，即6~10h的平均产气量计。沼气中所含的成分对沼气的收集、输送、贮存、利用均会产生不利的影响，消化池中产生的沼气含有饱和水蒸气、或多或少含有污泥颗粒和泡沫。水蒸气或者凝结水、污泥颗粒和泡沫对沼气系统的正常运行是不利的，同时凝结水也具有腐蚀性。沼气中的硫化氢H2S)氧环境中的异化作用会原为硫化氢，硫化氢是毒性很大的气体，其含量超过0.4%(体积)时就会使人致死。此外，H2S会使沼气发动机的润滑酸化，在燃烧产物冷凝时会产生硫酸或者含硫的酸，对设备造成腐蚀。沼气处理的就是减少或者去除沼气中有害或者对运行有干扰的物质、以利于沼气系统的正常运行。所选择的沼气处理方法应保证其安全可靠，所转换成的物质对大气和周围环境是无害的。(1)固体和液体的去除沼气中的污泥颗粒、泡沫、水分的去除，要采用旋流分离除尘器和砂滤罐，如果泡沫较多，可在除尘器中喷水，在沼气检测、分析设备前，应设置精过滤器和干燥器。(2)H2S的去除投加铁盐法和铁填料吸附法，前者受铁离子的浓度、pH值、温度的影响，投加量较大;后者需要对铁填料进行再生。
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