在厌氧条件下，利用兼性和专性厌氧微生物对污水或污泥中的有机物进行厌氧代谢，从而将大分子有机物部分分解为小分子代谢产物（甲烷、乙醇等）及用于自身细胞增殖的过程即厌氧生物处理，也称为厌氧消化、厌氧发酵。

厌氧生物处理法最早用于处理生活污水处理厂的沉淀污泥，采用的是普通消化池，但由于其水力停留时间长，消化池容积很大，基建和运行费用都很高。这个缺点在很长一段时间内限制了厌氧生物处理的发展。上世纪60年代之后，世界能源短缺问题日益突出，厌氧发酵技术日益受到人们的重视，于是开始开展厌氧生物处理技术在水处理领域的应用研究，开发了一系列新型厌氧生物处理工艺和设备，如厌氧接触法、厌氧生物滤池、厌氧流化床等等，提高了反应器中的生物量、极大缩短了厌氧生物处理的处理时间、提高了处理效率。

5.2.1厌氧生物处理原理

厌氧生物处理中微生物的代谢方式为厌氧代谢，在没有分子氧的环境中，兼性和厌氧微生物氧化分解有机物，与好氧生物处理最大的区别在于该过程不以分子氧作为电子受体，而是以有机物或含氧化合物作为电子受体。厌氧分解代谢对有机物的氧化不彻底，最终产物除了CO₂和H₂O以外，还含有很多的小分子中间产物（乙醇、甲烷等），这些产物含有较多的能量，因此代谢过程中释放的能量少。

一、厌氧消化机理

整个厌氧效果过程大致分为三个阶段：水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段，如图5-33所示。

                                   图5-33 有机物厌氧消化过程

1.水解酸化阶段

 复杂大分子、不溶性有机物首先在细胞胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内分解，继而产生挥发性有机酸、醇、醛类等，同时产生氢气和二氧化碳。

2. 产氢产乙酸阶段

在产氢产乙酸细菌作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化为乙酸和氢气，在降解有机酸时还形成CO2。

3.产甲烷阶段

产甲烷菌将乙酸、乙酸盐、CO₂和H₂等转化为甲烷。在此过程中，产甲烷菌可以通过两种途径生成甲烷。

（1）在CO₂存在时，利用H₂生成甲烷

4H₂+CO₂→CH₄+2H₂O

（2）利用乙酸生成甲烷

CH₃COOH→CH₄+CO₂

在一般的厌氧发酵过程中，70%的甲烷产量来自于乙酸的分解，30%来自于利用H₂和CO₂途径。同时由于污水中含氮有机物（如蛋白质）的厌氧分解，最后的沼气中会有少量的H₂S和NH₃存在。

二、微生物种类：

厌氧消化三阶段分别由三类微生物群体完成，分别是产酸菌、产乙酸菌和产甲烷菌。

1.产酸菌

产酸菌有兼性的，也有厌氧的，是异养型微生物，对温度和pH值适应性强。主要发挥两个作用，分别是水解和酸化。水解是通过水解酶作用将不溶性有机物转化为溶解性有机物；酸化是大分子有机物分解为脂肪酸和醇类等，如图5-33中路线1所示。

2.产氢产乙酸菌

产氢产乙酸菌为兼性厌氧或专性厌氧微生物，也是异养型微生物，对温度和pH值适应性强。主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和氢气，为产甲烷菌提供合适的底物，如图5-33中路线2和3。

3.产甲烷菌

产甲烷菌是严格的厌氧菌，对环境影响非常敏感，如pH值、温度、有毒物质等等，比其他两种微生物对环境要求更高，且生长速度慢，是厌氧消化的反应速度控制阶段。

三、影响厌氧消化速率的因素（厌氧发酵工艺控制条件）

因为产甲烷速度决定了厌氧消化速度，所以对厌氧消化速率影响因素的分析也主要针对产甲烷菌。能够影响厌氧消化速率的主要因素有温度、pH值和酸碱度、营养物质、水力条件、有毒物质和污泥性状等。

1.温度

根据产甲烷菌的生长对温度的要求可以将产甲烷菌分为三类：低温产甲烷菌（5~15℃）、中温产甲烷菌（30~35℃）、高温产甲烷菌（50~55℃）。利用低温产甲烷菌进行厌氧消化处理的系统被称为低温消化，相对应的有中温消化和高温消化。

在允许的温度范围内，一般来说温度越高，代谢速率越快，因此在三种厌氧消化中高温消化的代谢速率要高于其他两种，同时相应的污泥产量、污泥负荷和产气率也要高得多。而且高温消化对寄生虫虫卵、病原体的杀灭率高，但是高温消化系统因为与外界温差大，其耗热量也大，需要采取一定的措施进行保温避免温度的波动，为其管理增加了负担和难度。因此大多数场合会选择中温消化，只有在卫生要求较高的场合或处理某些高温废水或企业有废弃余热时才会考虑高温消化系统。

2.pH值和碱度

水解产酸菌和产乙酸菌对pH值得变化不敏感，适应pH值范围为5~8.5，而产甲烷菌对pH值变化敏感，能够生存得pH值范围为6.8~7.8之间，最适pH值范围为6.8~7.2，即只允许在中性附近波动。

厌氧消化的前两个阶段代谢产物均有酸类，如果产甲烷阶段的反应速率跟不上前两个阶段反应，很容易导致系统中酸性物质的累积，从而危害产甲烷菌的生存。虽然污水中的脂肪酸、CO₂和HCO₃^-等有一定的酸度缓冲作用，但有时仍然需要向系统中投加额外的碱度（一般为石灰）以避免酸性物质的累积。

此外，乙酸是一种挥发性的酸，如果过度累积同样会导致pH值得下降，并且乙酸的累积说明产乙酸阶段和产甲烷阶段之间的平衡已经被破坏，所以光靠检测pH值判断系统运行状况，而是需要以挥发酸和碱度作为管理指标。一般消化池中乙酸等挥发酸（以乙酸计）浓度应控制在200~800mg/L之间，如果超过2000mg/L，产气量将迅速下降，甚至停止产气；系统碱度应控制在2000~3000mg/L之间。

3.营养物质

厌氧消化对碳、氮、磷营养物质的需求比例为BOD₅:N:P=100:2.5:0.5，对碳的需求高于好氧处理，这与厌氧微生物对碳的利用率较低有关。碳氮比对厌氧微生物更为重要。在厌氧处理时提供氮源，除满足微生物生长所需以外，还有利于提高反应器的缓冲能力；但氮源过多则会导致碳源相对缺乏而使得氮源不能被充分利用而积累，会使pH值上升到8.0以上，对产甲烷菌产生抑制作用。

城市污水处理厂的初沉池污泥C：N=10：1，二沉池活性污泥C：N=5：1，因此可以把二者混合进行消化，以获得合适的碳氮比。农村沼气池一般采用人畜粪便为发酵原料，其中氮源过剩，常投加植物茎秆或杂草以提高碳氮比，增加产气量。

4.有机负荷

处理污泥时，消化池的有机负荷常以投配率表示，即每日加入消化池的新鲜污泥体积与消化池容积的比例，如果延用至水处理中则可以理解为水力负荷，如使用完全混合型中温消化池处理生活污水时，污泥投配率以6~8%为宜，或表示为6~8m³污水/（m³池容·d）。但是仅使用水力负荷没有办法反映实际的有机负荷，所以在污水的厌氧消化中引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体这一参数，即kgMLVSS/(m³·d)，类似于容积负荷，但是是以污泥浓度作为衡量进水有机物含量的指标。

有机负荷时影响消化效率的重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，单位质量产气率降低而总产气量上升；有机负荷降低，单位产气率增加而总产气量下降。

具体来说，有机负荷提高也意味着污水（或新鲜污泥）的平均停留时间缩短，使得有机物降解程度有所下降，势必造成单位质量有机物产气率的下降。而反应器总处理量增加，单位容积的产气量将提高。

厌氧处理系统正常运转取决于产酸与产甲烷反应速率的相对平衡。若有机负荷过高则会导致产酸速率过快，产甲烷菌消耗酸的速度跟不上产酸速度，会导致挥发酸的累积，进而使pH值下降，破坏产甲烷阶段的这个正常进行，最终会导致产气量下降甚至停止产气，系统遭到破坏，且难以恢复。此外，较高的有机负荷往往伴随较高的水力负荷，在水力冲刷作用下系统中的污泥流失速率也会增加，生物量的流失导致消化效率的降低。但是如果有机负荷过低，单位质量有机物产气率虽然提高了，但是容积产气率下降，消化设备的利用率降低，投资和运行费用相对较高。因此控制合适的有机负荷对厌氧生物反应器的设计和运行是十分重要的。

有机负荷值因工艺类型、运行条件以及污泥和污水中有机污染物的种类及其浓度而异。在通常情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度有机工业废水的有机负荷为2~3kgCOD/（m³·d），在高温下为4~6kgCOD/（m³·d）；升流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等工艺在中温条件下为5~15kgCOD/（m³·d），最高可达30kgCOD/（m³·d）。在处理具体污水时，应通过试验确定适宜的有机负荷。

5.水力条件

在高浓度有机污水的厌氧消化过程中，定期进行适当的搅拌是很重要的，搅拌有利于新投入的污水（或污泥）与熟污泥（消化污泥）充分接触，使反应器内的温度、有机酸、厌氧菌均匀分布，并能防止消化池表面结成污泥壳，利于沼气的释放。搅拌可以提高沼气的产气量（提高30%左右）和缩短消化时间（缩短60%以上）。

6.污泥性状

厌氧活性污泥是进行厌氧消化的主体，其性状与消化效率密切相关。厌氧活性污泥主要有厌氧微生物及其代谢产物和其表面吸附的有机物、无机物组成，性状良好的污泥是保证厌氧消化效率的保障。厌氧活性污泥的性状主要表现为它的作用效能和沉降性能，前者主要取决于污泥中或微生物的比例及其对底物的适应性；后者与其泥水分离有关，同好氧处理一样以SVI值来衡量。上流式厌氧污泥床反应器中污泥的SVI值应在15~20mL/g。

此外厌氧消化效率也和微生物量有关，在一定范围内系统中微生物量越多，反应效率越高，但达到一定程度后，再增加微生物的数量，效率的提升就不明显了，这主要是因为：1厌氧污泥生长慢，增速低，积累时间过程，污泥中无机成分比例增加，活性降低；2污泥浓度过高有时容易造成堵塞影响系统正常运行。

7.有毒物质

重金属离子和某些阴离子对产甲烷菌的毒害作用较为显著，应严格控制。

5.2.2污水厌氧消化工艺

污水厌氧消化工艺根据微生物在池中的状态也可以分为悬浮型工艺和附着型工艺，普通消化法、厌氧接触法、升流式厌氧污泥床法都属于悬浮型工艺，也成为厌氧活性污泥法，污泥在反应器中的状态类似好氧悬浮工艺，以厌氧活性污泥状态进行有机物的厌氧消化；厌氧生物滤池法、厌氧流化床法、厌氧生物转盘法等则属于附着型工艺，也成为厌氧生物膜法。

一、普通消化池和厌氧接触法

  普通消化池主要用于处理污泥或高浓度有机废水，如剩余污泥、畜禽粪便和酒糟废水等等，厌氧接触法是基于普通消化池发展出来的，类似于完全混合式好氧活性污泥法，能够解决消化池污泥随水流出的问题，广泛应用于高浓度溶解性有机废水的处理，如食品工业废水。

1.工作原理

（1）普通消化池的工作原理

普通消化池采用的是完全混合反应器，借助消化池内部的厌氧活性污泥净化有机物，其工作原理如图5-34所示。

                                               图5-34 普通消化池工作原理

污水从池上部或顶部进入池内，在搅拌作用下和池中厌氧污泥和原有污水充分混合、接触，通过微生物的吸附、吸收和厌氧代谢，使得污水中的有机物被转化为CH₄、CO₂和新的微生物细胞组织。净化后的出水经沉淀后从页面下排出；沼气为主的气体代谢产物从池顶收集；增殖的污泥从池底排出。每2~4h搅拌一次，常使用的搅拌方法有水泵循环搅拌、射流器搅拌、机械搅拌、沼气搅拌四种。普通消化池体积大、负荷低，根本原因是它的污泥停留时间等于水力停留时间。

（2）厌氧接触工艺的工作原理

为解决普通消化池污泥停留时间短，微生物量无法保证的核心问题，在厌氧消化池之后加一个沉淀池来收集污泥，将其回流至消化池，就形成了厌氧接触工艺如图5-35所示。

                                  图5-35 厌氧接触工艺流程

你能根据厌氧接触工艺流程完成有关其工作方式的描述填空吗？

由于厌氧接触法具有这些优点，其在生产上较常被采用，其在中温条件下容积负荷不高于4~5kgCOD/（m³·d），进水COD一般不低于3000mg/L，水力停留时间约为10~20d。生产实践表明，在低负荷或中负荷条件下厌氧接触工艺允许污水中含有较多的悬浮固体，具有较大的缓冲能力（悬浮物浓度可高达50000mg/L），生产过程稳定，操作较为简单，耐冲击负荷。

2.特点

（1）普通消化池

普通消化池在一个池内实现厌氧发酵和固液分离，由于其有机负荷低、容积大，应用已经越来越少，但是在一些特殊场合仍然由一席之地，主要应用于：

a.高浓度有机工业废水的处理；

b.高悬浮物含量的有机废水；

c.含难降解有机物工业废水的处理；

d.城市污水处理厂污泥的稳定化处理。

特别是其对污泥的稳定化处理，将在污泥处理与处置章节进行详细阐述。

（2）厌氧接触工艺

与普通消化法相比，厌氧接触工艺具有以下特点：

a.污泥浓度高：一般为5~10gVSS/L，耐冲击负荷能力强；

b.有机容积负荷高：中温消化时，有机负荷为4~5kgCOD/（m³·d），COD去除率为70~80%；

c.适用于处理悬浮物浓度、有机物浓度均高的工业有机废水：这是因为微生物可以附着在悬浮颗粒上，微生物与废水的接触表面积很大，并且沉降性能良好；

d.易于启动，运行稳定，管理较为方便；

e.由于提高了有机容积负荷，池容利用率高，生物量大，污泥停留时间长，水力停留时间可以缩短，使得池容减小，占地面积少；

f.由于增设沉淀池、污泥回流系统、真空脱气等设备，流程较为复杂，此外在沉淀池之前一般还会设置混合液降温设备，以避免高温污泥在沉淀池继续厌氧消化，影响沉降性能。

二、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）

升流式厌氧污泥反应器简称UASB，利用悬浮的污泥颗粒进行有机物的厌氧代谢。

1. 升流式厌氧污泥床反应器的工作原理

升流式是指水流的方向由反应器下方向上方流动，污泥床是指有机物厌氧代谢的主体是处于悬浮状态的污泥絮体或颗粒（没有载体），其反应器基本结构和工作原理如图5-36所示。

                                             图5-36 UASB结构示意图

反应器主体由三部分组成：反应区、沉淀区和气室。

你能根据上述原理和图5-36完成UASB处理原理描述填空吗？

反应区中污泥床高度约为反应区总高度的1/3，但其污泥量却占总污泥量的2/3以上，80%以上的有机物被转化，这是因为污泥层中污泥浓度高，底物浓度也高，酶的活性强，有机物的代谢水平较快。剩余部分有机物被污泥悬浮层处理，最终有机物总去除率达到90%以上。虽然悬浮层对有机物的去除量不大，但是其高度对混合程度、产气量和过程稳定性有重要作用，因此悬浮层的高度应该适当保证。

UASB反应器系统是在形成沉降性能良好的污泥絮凝体基础上，借助三相分离器实现气相、液相、固相的分离，形成和保持沉淀性能良好的污泥（絮状或颗粒污泥）是UASB反应器运行的关键。

2. 升流式厌氧污泥床反应器器构造

    升流式厌氧污泥床反应器的池形有圆形、方形、矩形，小型装置一般为圆柱形，底部呈锥形或圆弧体。大型装置为便于设置三相分离器一般为矩形，高度一般为3~8m，其中污泥床层高度1~2m，污泥悬浮层高度2~4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构。

（1）三相分离器

UASB反应器最重要的设备是三相分离器，这一设备安装在反应器的顶部并将反应器分为上部的沉淀区和下部的反应区。为了避免颗粒污泥进入沉淀区，还会在三相分离器反射板下方设置挡板，挡板和反射板还能缓冲反应区产气导致的液体紊动，为沉淀区创造良好的沉降条件。混合液在三相分离器中实现气、液、固的有效分离，污泥颗粒得以回到反应区，不会随水流出导致污泥量的减少。

如图5-36所示，三相分离器由沉降区、回流缝和气室组成，其沉降区斜壁角度约50°，使沉淀在斜坡上不至于滞留；沉降区表面负荷不高于0.7m³/(㎡·h),以保证混合液进入沉降区前，通过入流孔道（缝隙）的流速不大于2m/h；在实际运行中，气室水面上总有一层浮渣，其厚度与水质有关，应考虑浮渣的排放。

（2）进水配水系统

升流式厌氧污泥床的混合是靠上升的水流和厌氧消化过程中产生的沼气气泡来完成的。进水配水系统的功能有二：一是将进入反应器的原水均匀地分配到反应器整个横断面，并均匀上升；二是起到水力搅拌作用。一般采用多点进水的方式均匀布水。

3. 升流式厌氧污泥床反应器的特点

升流式厌氧污泥床反应器有如下特点：

a.UASB反应器结构紧凑：反应器集反应与沉淀为一体，无需设置搅拌和回流设备，不装填料，因此占地小，造价低，运行管理方便；

b.能够形成颗粒状污泥：UASB反应器最大的特点就是形成颗粒状污泥（与沼气上升引起的内部循环有关），使得反应器内平均污泥浓度达到30~40g/L，底部污泥浓度最高可达60~80g/L，颗粒污泥粒径一般1~2mm，相对密度为1.04~1.08，比水略重，具有良好的沉降性能和产甲烷活性；

c.能够承受很高的容积负荷：一旦形成颗粒污泥，UASB即能够承受很高的容积负荷，一般为10~20kgCOD/(m³·d)，最高可达30kgCOD/(m³·d)。但如果不能形成颗粒污泥，而以絮状污泥为主，那么反应器的容积负荷一般不能超过5kgCOD/(m³·d)。容积负荷过高会导致絮状污泥大量流失，而厌氧污泥增殖很慢，生物量的减少会导致反应器失效。

d.处理高浓度废水或含硫酸盐较高（产生H₂S，增加沼气量）的有机废水时，沼气量较大，一般采用封闭式反应器，并考虑沼气的利用措施。处理低浓度有机废水时，可采用敞开式的反应器，其构造更为简单，安装和维修方便。

e.但UASB反应器液存在由于穿孔管堵塞造成的短流现象，影响处理能力；启动时间较长等缺点。

升流式厌氧污泥床反应器不仅适用于处理中、高浓度的有机污水，也适用于处理城市污水，是目前应用最多和最有发展前景的厌氧生物处理装置。UASB不适合用于高浓度悬浮固体有机废水的处理，要求进水的总悬浮物浓度小于500mg/L。

4.UASB的启动

UASB反应器的启动首先需要投加一定数量的种泥，如没有消化污泥，可采用二沉池排出的剩余污泥或生物膜，也可加入人、畜粪便等，维持反应器所需的温度，可通过投加Na₂S（投加量按100mg/L计算）来提高系统内的碱度和降低氧化还原电位，促进产甲烷菌的生长。先进行间歇式运行，即每天（或隔几天）进水、出水一次，并逐步提高容积负荷率，直到设计负荷率为止，即可以投入正常使用。

UASB反应器的启动实质上是一个菌种培养和驯化的过程，其是否成功的判断依据是颗粒污泥是否产生，因此UASB反应器的启动时间较其他几种形式的厌氧处理装置长，有时可长达4~6个月（但一旦启动成功，在停止运行后再次启动时间很短），启动过程中需要注意以下事项。

（1）温度：一般采用中温或高温型；

（2）污水性质：启动时进水浓度不宜过高，一般小于5000mg/L，当污水浓度较高时应进行稀释或出水回流，污水中有毒物质的浓度也需要进行控制；

（3）有机负荷：启动时的有机负荷不宜过高，一般以0.5~1.5kgCOD/(m³·d)开始，并且在启动初期，一般不对系统有产气量和去除率的要求。初期需要维持较常时间大约30~40d；

（4）负荷增加的操作方法：负荷的增加可以通过增加进水量或降低进水稀释比的方法进行。经过启动初期微生物对水质逐渐适应，就可以开始增加负荷了，从启动的最小有机负荷开始，当处理率达到80%以上，并稳定几天后，就可以开始增加负荷了，负荷的增加幅度不超过30%，以上步骤重复至有机负荷达2.0kgCOD/(m³·d)。之后增加负荷的幅度每次不超过20%，负荷达5.0kgCOD/(m³·d)后在继续增加负荷的同时，需要开始检查反应器中污泥沿反应器高度的浓度变化。颗粒污泥在负荷达到5.0kgCOD/(m³·d)前后快速形成，其后反应器的负荷增加幅度可以不高于50%，直到达到设计负荷；

（5）挥发酸：负荷增加过程中必须对挥发酸含量进行监测，当出水挥发酸浓度高于1000kg/L时，不应再提高有机容积负荷；

（6）碱度：整个启动过程的pH值要求再6.5以上，通过投加Na₂S提高碱度控制pH值。

5.厌氧膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）

厌氧膨胀颗粒污泥床反应器是在UASB基础上发展起来的，通过增加高径比，改进布水系统提高水流上升流速，改善反应去区内的水力条件，使其处于完全混合状态，有利于颗粒污泥的产生，并使其处于膨胀状态，传质效果好；同时有利于减轻反应器底部过重的负荷，增加了反应器对有机负荷的承受能力。

为保持较高的水流上升速度，保证污泥床的膨胀状态、缓冲负荷，EGSB反应器采用出水回流技术，所以EGSB反应器耐冲击负荷能力强。

厌氧膨胀颗粒污泥床反应器很好的解决了UASB工艺短流、混合效果差的问题；同时更有利于颗粒污泥的形成，其降解活性高，沉降性能好；有机负荷高于UASB，可达40kgCOD/(m³·d)；由于采用出水回流，反应器耐冲击负荷能力强；与UASB类似，也不适合用于高浓度悬浮固体有机废水的处理。

但是目前对EGSB反应器的应用和研究还比较有限，其在操作技术、污泥性质和机理方面还尚待进一步研究。

6.内循环厌氧反应器（IC）

内循环厌氧反应器也是有UASB变形而来，它是将两个UASB进行串联，由下至上分为五个区域分别是：混合区、第一厌氧区、第二厌氧区、沉淀区和气液分离区，主要的厌氧反应在第一厌氧区进行，产生大量沼气，使得泥水混合物在第一厌氧区和第二厌氧区之间形成内循环。当泥水混合物进入第二厌氧区时产生的气体代谢产物不多，因此强化了泥水分离过程，出水水质稳定。与UASB反应器相比，IC反应器的优势在于通过第一厌氧区和第二厌氧区之间的内循环保持了较高的生物量，同时增强了其耐冲击负荷能力，容积负荷可高出普通UASB反应器三倍，且其反应器高径比很大，占地面积非常小。此外较高的生物量还使得IC反应器对温度变化的适应能力较强，产生的沼气纯度高，资源化利用价值高。

三、厌氧滤池

厌氧滤池属于厌氧生物膜工艺，其早期应用主要用于低浓度生活污水的处理。由于其采用了生物固定化技术，其容积负荷高于厌氧消化和接触工艺，上流式厌氧滤池在处理溶解性有机废水时负荷高达5~15kgCOD/(m³·d)，是早期公认的高效厌氧生物反应器。

1.厌氧滤池的工作原理

厌氧滤池根据水流方向分为上向流式厌氧滤池（AF）和下向流式固定膜反应器（DSFF），前者微生物膨胀被截留在填料上，后者微生物以生物膜形式附着在填料上，二者结构和工作流程如图5-37所示。厌氧滤池的结构类似于好氧生物滤池，但封顶保证厌氧条件和收集沼气。

                               图5-37 厌氧生物滤池工作示意图

在AF和DSFF系统中，均采用了不同的支撑材料，填料固定，污水从下或上进入反应器内，逐渐被附着在填料上的厌氧微生物代谢，和好氧生物滤池类似，厌氧生物滤池沿水流方向上微生物的种群分布也呈现一定的规律性，在靠近进水的部分产酸菌和产乙酸菌占最大的比重，随着水流方向，产乙酸菌和产甲烷菌逐渐增多并占主导地位。

生物固定化的优势在于污泥泥龄长，有可能长达100d以上，所以其运行十分稳定，处理效果好。

2.厌氧滤池的工艺操作

（1）填料

填料的材质与是否有利于微生物的附着和滞留有直接关系，厌氧滤池填料的选择主要考虑填料表面粗糙度、孔隙率及捕捉营养物质的能力。

a.厌氧滤池

在厌氧滤池中大多数的生物活动是以悬浮态的菌胶团进行的，填料的作用是截留菌胶团，防止其被带出反应器，有实践表明使用粘土填料启动速度快，运行效果稳定。

b.下向流固定膜反应器

在DSFF反应器中所有活性生物菌体均附着在填料表面，所以填料表面是否易于微生物附着至关重要，表面粗糙度的填料更有利于微生物的附着。

（2）运行中的问题

厌氧生物滤池反应器在运行中主要的问题是堵塞，和好氧生物滤池类似，进水中悬浮物浓度过高或有机负荷过高均会导致填料堵塞，尤其是上向流生物滤池的进水端（下部）。进水悬浮物浓度应控制在200mg/L以下；对于有机负荷高的问题可以采用出水回流的方式进行控制，采用DSFF有利于缓解堵塞。

（3）厌氧滤池的启动

厌氧滤池的启动和其他厌氧反应器的启动过程类似，首先需要接种合适的菌种，一般采用消化污泥，接种体积不少于10%，如接种的污泥不含有毒的抑制物，可将接种体积增加至30~50%。污泥和待处理污水混合3~5d后进行内循环（几小时到几天），然后开始连续进液。

启动初期有机负荷应低于1.0 kgCOD/(m³·d)，此时生物絮体浓度应保持在20gVSS/L以保证污泥的附着和防止污泥流失，负荷应逐渐增加，当COD去除率达80%可以继续增加负荷，直至达到设计有机负荷。

对于高浓度与有毒废水要进行适当的稀释，并在启动过程中逐渐减少稀释倍数

厌氧滤池启动完成的标志是通过增殖与驯化，使生物膜和细胞聚集体达到预定的污泥浓度和活性，从而使反应器可以在设计负荷下正常运行。

3.厌氧滤池的特点

厌氧滤池的典型特征是生物的固定化，使得厌氧滤池具有如下特点：

四、厌氧流化床和膨胀床

厌氧流化床和膨胀床与好氧流化床、膨胀床类似，床内装填一定量（约占其体积10%）的细颗粒惰性载体，微生物在颗粒表面形成生物膜。液体和污泥的混合、物质的传递依靠这些带有生物膜颗粒的流化状态来实现。流化状态的维持依靠一部分出水回流和进水的上升作用。

1. 厌氧流化床和膨胀床的工作原理

厌氧流化床和膨胀床的工作原理是类似的，区别是流化程度不同，膨胀率不同。一般认为在床内载体膨胀率达到10~30%，载体处于膨胀状态，膨胀率达到40~50%，载体处于流化状态，厌氧流化床和膨胀床基本结构和工作过程如图5-38所示。

图5-38 厌氧膨胀床（流化床）结构示意图

污水和回流部分出水从床层底部进入，使填料层处于流化状态，每个颗粒可在床层中自由运动，水流携带颗粒和附着其上的生物膜上升，床层上部截面积增加并且设有挡板，由于流速降低，颗粒和生物膜下沉落回流化区，床层上部保持清晰的泥水分界面。为了降低能耗，一般会选择轻质、粒径小的载体，常用石英砂、无烟煤、活性炭、聚氯乙烯颗粒、陶粒和沸石等，颗粒粒径范围在0.2~1mm之间，大多在300~500μm之间。

2.厌氧流化床和膨胀床的特点

与好氧流化床和膨胀床类似，厌氧流化床和膨胀床生物量大，并且解决了厌氧生物滤池易堵塞的问题，同时具有附着型工艺的特征，具体如下。

a.生物量大：细小的颗粒为微生物的附着提供了巨大的表面积，且不易流失，使床内保持了很高的生物量，一般为30VSS/L左右；

b.有机负荷高：由于生物量大，反应器能够承受较高的容积负荷，可达10~40kgCOD/(m³·d)，耐冲击负荷能力强，水力停留时间短，池容小，占地面积少；

c.不易堵塞：载体保持膨胀或流化状态，无床层堵塞现象，对各种浓度的污水皆有较好的处理效果；

d.传质条件好：膨胀和流化状态时，污水与微生物之间的接触面大，同时两者相对运动速度快，具有很好的传质效果，细菌易于与营养物质接触，代谢产物也易于排出，使得生物膜中细菌保持了良好的降解活性；

e.污泥停留时间长：附着型工艺污泥的停留时间常，运行稳定，剩余污泥少。

f.动力消耗大：载体的膨胀和流化状态动力消耗比较大，且对系统的管理技术要求较高。

五、厌氧转盘

1.厌氧转盘的构造

厌氧生物转盘与好氧生物转盘类似，不同之处在于为了保证厌氧条件，上部需要加盖密封，同时便于收集沼气，厌氧转盘结构如图5-39所示。

图5-39 厌氧转盘结构示意图

厌氧生物转盘由盘片、反应槽、转轴及驱动装置等组成。盘片分为固定盘片（挡板）、转动盘片，相间排列，以防盘片间生物膜粘连堵塞，固定盘片一般设在进水端。附着在盘片上的生物膜和悬浮在池中的悬浮状态微生物进行有机物的厌氧代谢，盘片转动时，水力剪切作用将转盘上老化的生物膜剥落，随水流出进行泥水分离，沼气由顶部收集排出。

2. 厌氧转盘的特点

厌氧生物转盘具有以下特点：

a.微生物浓度高，可承受较高的有机负荷，一般在中温发酵条件下，有机物面积负荷可达0.04kgCOD/[㎡盘片·d]，相应的COD去除率可达90%左右；

b.污水不需要提升，在池内按水平方向移动，相对其他厌氧反应器较为节能；

c.不需要出水回流，节能且操作简便；

d.老化生物膜不断被剥落，使得生物膜保持较高的降解活性；

e.可采用多级串联，提高处理效率；

f.耐冲击负荷能力强，处理过程稳定；

g.可处理含悬浮物较高的污水，不易堵塞；

h.盘片造价较高。

六、水解工艺

水解工艺是根据厌氧消化机理构造的，利用水解酸化阶段对有机物较快的代谢速度和较为宽松的反应条件，将有机物转化为小分子有机物，从而将难降解有机物处理为易降解有机物便于后续处理，也可以作为改善污水可生化降解性的措施。水解工艺采用的构筑物——水解池一般是改进的UASB反应器，但不设三相分离器。因此水解池全称为水解上流式污泥床（HUSB）反应器。

水解工艺具有如下特点：

a.不需要密闭池、搅拌器和三相分离器，降低了造价并便于维护；

b.水解酸化阶段的产物主要为小分子有机物，可生化降解性一般较好，从而减少后续反应时间和处理的能耗；

c.由于水解酸化阶段反应迅速，所以水力停留时间短，可采用较小的池容，占地面积小；

d.该工艺产生的剩余污泥少，可以实现污水、污泥一次性处理，不需要中温消化池。

• 5.2.3厌氧生物处理的特点和应用

一、特点

与好氧生物处理相比，厌氧生物处理具有以下优点：

a.应用范围广：厌氧处理能够处理高浓度、难降解有机废水，也可以处理低浓度有机废水，适用范围广；

b.能耗低：好氧处理需要曝气消耗大量动力，厌氧处理无需供氧，能耗低；

c.容积负荷高：厌氧反应处理能力强，单位容积上能够承担的有机负荷高，因此可以减小池容，占地面积小；

d.剩余污泥少且稳定：同等负荷下，厌氧反应产生的污泥量只有好氧的5~20%，并且经过厌氧代谢，剩余污泥主要是腐殖质，性质稳定，可长期贮存；

e.对氮磷营养物质需求少：好氧生物处理一般要求BOD₅:N:P=100:5:1，而厌氧法仅要求BOD₅:N:P=100:2.5:0.5，因此对营养盐的需求量少，节约投药成本；

f.具有无害化作用：厌氧处理过程温度较高，能够杀死污水和污泥中的寄生虫卵、病毒等；

g.可以资源化利用：厌氧消化产生的沼气和腐殖质可以进行资源化利用，有时不但可以抵消运行费用，还可以带来利润。

但也有以下缺点：

a.启动时间长：厌氧微生物时代时间长，所以设备的启动时间长，一般需要8~12周；

b.出水水质差：厌氧处理出水水质较差，所以往往需要进一步处理之后才能排放，一般在厌氧处理后串联好氧生物处理，以保证出水水质。

c.操作控制复杂：厌氧生物处理系统为了保证厌氧环境一般会采用密闭设备，且工艺操作复杂，很多关键设备精密度较高，管理和维护复杂；加上沼气的贮存对安全管理要求很高。

二、应用

由于能耗低、耐受有机负荷高、剩余污泥量少且稳定等特点，厌氧生物处理技术现在不仅能用于有机污泥和高浓度有机物污水的处理，还能有效地处理城市污水这样地低浓度污水。与好氧生物处理技术相比，厌氧生物处理技术具有一系列特点，具有十分广阔的发展与应用前景。

穿插在知识点中的课堂练习可以在这里快速找到。

任务17：厌氧接触工艺流程

任务18：UASB处理原理

任务19：厌氧滤池特点

一、第五章知识点梳理   

二、第五章单元测验