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)雜的無機化合物降解，轉(zhuǎn)化為簡單、穩(wěn)定的無機化合物，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)。

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。甲烷菌細胞內(nèi)具有許多低氧化還原電位的酶系統(tǒng)，當體系中氧化態(tài)物質(zhì)的標準電位高且濃度大時，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)酸細菌的影響大得多，這種影響十分明顯地表現(xiàn)在影響細胞內(nèi)部的生長繁殖速度、甲烷產(chǎn)量及細胞外部的環(huán)境條件三個方面。實際上，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℃)都嚴重影響消化的進行，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，水解細菌和產(chǎn)酸細菌均對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。一般認為，厭氧過程中有機物和氮、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)點

1.厭氧處理的優(yōu)點

厭氧廢水處理技術(shù)有其明顯的優(yōu)點。

①厭氧廢水處理是把環(huán)境保護、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)濟效益。

②厭氧廢水處理技術(shù)是一種非常經(jīng)濟的技術(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燃氣。

④厭氧廢水處理技術(shù)處理設(shè)備負荷高，占地少。厭氧反應(yīng)器容積負荷比好氧法要高得多，單位反應(yīng)器容積的有機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。

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。

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時容易酸性發(fā)酵。

2.中溫厭氧消化

中溫污泥消化是常用的污泥厭氧消化形式，由于實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)定的溫度下運行;為了使沼泥穩(wěn)定安全運行，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。

五、運行中應(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)的污泥進行良好的接種。從消化池的運行角度而言，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轉(zhuǎn)情況下消化池內(nèi)的pH值為7~7.4，但在實際中消化過程經(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)進行防腐處理。一般采用多組分的環(huán)氧樹脂進行涂刷，如焦油、瀝青、環(huán)氧樹脂。如果污泥中含有強腐蝕性化學(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。

(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，有一定的機械強度和耐熱能力;當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行有重要意義，特別是消化池內(nèi)部的管路與設(shè)備，因為如果一旦池內(nèi)管路和設(shè)備發(fā)生故障，必須將消化池停用，這樣，導(dǎo)致長時間停止運行，并大大增加檢修費用。

(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。

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位置設(shè)置人孔，用于檢修時進入和內(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行的性能，如各消化池均可按并聯(lián)方式(一級消化)運行或者按串聯(lián)方式運行或者按兩級消化池運行。

(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，在低點安裝冷凝水收集管;污泥氣管道必須經(jīng)過嚴格的密閉性和壓力試驗后，方可使用;氣管適當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傳顯示)pH值(在化驗室內(nèi)采用固定或者便攜式儀器對取樣進行檢測)、必要的安全措施及防火設(shè)備等。

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行方式和污泥氣的利用。

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行有干擾的物質(zhì)、以利于沼氣系統(tǒng)的正常運行。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行再生。