作者：周国成,凌建军,马卫东,聂守田,王静
出版社：化学工业出版社
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水处理新技术与案例试读：
前言
近几年来，我国城镇污水处理行业正处于一个快速发展阶段，在“十一五”末期，全国污水处理厂的总数是2496座，总处理能力达到831.25×10m/d，与“十五”期间相比，污水处理厂数量增长了3.1倍，总处理能力增长了2.1倍，城市污水处理率增长了25％，城镇污水处理厂的平均负荷能力增长了14％，污水年处理量增长了2倍，削减COD增长了2.2倍。而截止到2011年，全国已建成的污水处理厂总83数已超过3000座，总处理能力达到1.3×10m/d以上。我国城镇污水处理厂在城镇污染物减排特别在COD减排方面，担负着70％以上的减排任务。我国城镇污水处理行业发展近20年，通过我国“十五”、“十一五”期间污水处理厂处理能力的比较以及20年来城镇污水排放量、污水处理量和污水处理率的变化趋势比较，可知我国城镇污水处理的发展相当迅速。
国家提出2010年城市污水处理率达到70％以上，2010年我国日污水处理能力从4500万吨/日上升到7000万吨/日，处理能力提高到70％以上。2004～2006年全国城市污水处理率由45.6％增长到57.1％，应该说，此增长率是比较高的。但我国城市污水处理任务还很重，全国广大的小城镇、乡镇和新农村的污水处理还处于起步阶段。城市污水是城市生活污水和工业废水的总和，一般中小城市，尤其是小城镇以生活污水为主，约占70％～80％，工业废水约占20％～30％，而大中城市一般工业比较发达，生活污水占30％～40％，而工业废水约占60％～70％，因此工业废水一般要经预处理或完全处理达到排入城市污水处理厂的水质标准，与生活污水合并排入并一起处理到所要求的排放标准，或经深度处理后回用于本厂生产工序或工段中，或回用于城市绿化中，达到节约水资源和节能减排的要求。
科学技术是第一生产力，我国的水污染防治也必须依靠科学技术的发展，近30年来国内外在水污染防治方面开展了大量的研究工作，取得了迅速发展。水污染防治技术的发展目的主要是获得尽可能高的水质，消耗尽可能少的资源和能源，并尽可能地采用适合地方条件的一些实用技术。一大批新技术、新设备陆续问世，很多新工艺、新流程已应用于生产实践，还出现了不少示范性的工程项目，值得效仿和推广应用。
笔者在工作和担任技术顾问期间，接触到的污水、废水、循环冷却水等处理工程的技术方案比较、技术设计、施工设计等工作近百项。本书选取了一些有代表性的技术问题进行探讨。书中有一定的技术阐述、评论，更着重于实用技术、实用工艺与设备等内容，并进行分析与探讨，以解决实际工程技术问题为主导。希望本书能对我国水污染防治工程的实施和发展发挥作用。
本书主要涉及活性污泥的产生、试验研究、应用实践；厌氧处理理论和厌氧技术的应用与发展；太湖流域富营养化问题的讨论与防治；城市污水处理厂升级改造与深度处理工艺技术；合建式污水处理系统的探讨与工程实践；循环冷却水、补充水与再生水处理技术标准分析与探讨；焦化废水、造纸废水、淀粉废水、钢铁废水、制药废水、纺织印染废水、化工废水、制糖废水、味精废水、柠檬酸废水、重金属废水、稀土废水、含油废水、皮毛废水、集约化养殖场废水处理技术与工程实例；生态公厕处理技术；高密度水处理技术；Orbal氧化沟工艺与设备等内容。
近30多年来，我国的学者和工程技术人员在水处理方面取得了很多成果，同时也存在一些不足。如有些学者虽然在理论领域有研究，但很少接触水处理工程实际，缺乏工程实施经验，而有些工程技术人员从事实际水处理工程，工作经验比较丰富，但又因水处理理论基础和试验研究不足，导致水处理技术未能得到充分发展。作为水处理工作者应努力掌握这些方面的知识，把我国的水处理工作推向新的阶段。
在本书编写工作过程中，并没有对每个工程实例都介绍得很详细，而着重在处理技术本身、技术方案、工艺路线等内容，并增加了讨论、分析、研究与探讨等，使本书内容更有生命力、有实用价值。书中所提出的一些见解，希望与国内同行进行广泛的探讨与分析研究，并希望得到广大读者的建议。
参加本书编写的人员近百人，而为本书所涉及的新技术、新工艺付出辛勤劳动的工作人员更多，特别指出的是水污染防治工程界的同行、前辈，如张林生教授、袁惠新教授、董良飞教授、涂晓光博士、羊寿生教授、沈求祉教授、姜达君教授、吴阿兴教授、严宜怀教授、朱凤生教授、汪德仁教授、徐兴玉教授、过永祥教授、张福春教授、周金全教授、蒋平研究生等，企业家凌建军、王春林、王洪春、陈效新、王亚娜、杭浩忠、杭镇鑫、陆效庭、殷益明、蒋达敖、吴昊、王腊华、钱盘生、刘立忠、彭丰、张岳清、蒋烈平、姚茂红、施伟东、杭玉君、向阳、张兴福、王晓东、蒋伟群、朱列平、许小勇、吴梅芳、于星等对本书的鼓励和支持，以及化学工业出版社的大力支持、帮助，在此特向他们致以深切的感谢！为了本书的系统性和完整性，在编写过程中引用了其他作者的工程实例和文献资料，谨向所引用文献的作者们表示诚挚的谢意和敬意！
限于编写人员的水平和能力，书中疏漏或技术方面的不完整之处在所难免，敬请读者批评指正，在此深表感谢！编者2014年6月第一篇活性污泥法的产生、试验研究与应用一、活性污泥法、微生物群体与净化反应过程
1.活性污泥法的历史与现状
自1913年在英国曼彻斯特建立了第一座活性污泥法实验厂以来，采用活性污泥法处理污水至今已有90多年历史，近1个世纪以来活性污泥法处理技术有了较快的发展，已成为世界各国广泛采用的污水处理方法。
我国是世界上较早采用活性污泥法技术的国家之一，早在19213年上海建立了日处理3500m的北区污水处理厂，1926年上海又建成东区、西区污水处理厂。活性污泥法已成为我国城市污水处理的主要方法，至今我国已建有各类处理工艺的城市污水、生活小区污水处理厂近千座，其中大部分采用了活性污泥法。随着污水处理要求的不断提高和处理技术的不断发展，特别是近数十年来，在生物反应、净化机理、活性污泥法反应动力学、生物反应器等方法的研究上，已开发出多种活性污泥法，如普通（常规）活性污泥法、阶段曝气活性污泥法、吸附再生活性污泥法、延时曝气活性污泥法、高负荷活性污泥法、AB两级活性污泥法、完全混合活性污泥法、序批式活性污泥法、氧化沟、深井曝气活性污泥法、富氧或纯氧曝气活性污泥法、厌氧-好氧活性污泥法、缺氧-好氧活性污泥法、厌氧-缺氧-好氧活性污泥法、水解（酸化）-活性污泥法、SBR、CASS、CAST、ICEAS、DAT-IAT、UINETANK、MSBR等多种方法，目前已成为生活污水和工业废水的主要生物处理方法。
活性污泥法是一种应用最广泛的污水好氧生物处理法，由沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池及污泥回流系统等组成，是在曝气池中将污水与活性污泥进行混合曝气，利用微生物代谢作用来去除污水中污染物的一种方法。被活性污泥去除的主要污染物质有含碳有机物、氮有机物和含磷化合物等。
2.活性污泥微生物群体与食物链
活性污泥微生物群体与食物链如图1-1所示。图1-1 活性污泥微生物群体与食物链
活性污泥由细菌、菌胶团、原生动物、后生动物等微生物组成。细菌主要是菌胶团。原生动物由钟虫、小口钟虫、大草履虫、尾皮多虫、盖纤虫、片状漫游虫、裂口虫、表壳虫、线形虫、循纤虫等组成。
3.活性污泥微生物净化反应过程（1）在好氧条件下，利用含碳有机物进行生物繁殖的异养微生物（包括细菌、原生动物和后生动物等）代谢、降解、净化含碳有机污染物质。（2）在好氧条件下，将氨氮氧化成亚硝酸盐后又将亚硝酸盐氧化为硝酸盐自养菌（包括氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌），反应过程称为硝化，细菌通称为硝化菌。（3）在缺氧条件下（基本上无溶解氧条件下），硝酸性呼吸或亚硝酸性呼吸的兼性厌氧菌（含异养菌，称为脱氮菌）进行脱氮。（4）在厌氧条件下（无溶解氧），与好氧交替作用（反应），积累大量的聚磷酸的细菌（含异养菌，称聚磷菌），进行厌氧条件下释放磷和好氧条件下吸收磷，最终在厌氧条件下，将磷转移至污泥中起到除磷作用。
活性污泥法的运行过程就是创造使上述4类微生物各自发挥最佳生理特性的条件，例如控制适宜的生物固体停留时间，使去除含碳有机物的微生物可顺利地进行反应，停留时间要既能满足去除含碳有机污染物，又能满足硝化菌生长繁殖，易进行氨氮的硝化（氨氮的氧化即硝化过程）。另外已进行硝化的活性污泥混合液（含亚硝酸盐和硝酸盐），在有机碳存在的条件下，在好氧状态下，则脱氮菌能进行脱氮，将氮气释放于大气；在厌氧条件下，具有聚磷菌的生长条件，则予以除磷，使污水得到净化处理。
4.活性污泥法的净化机理
活性污泥法的净化机理包括活性污泥对有机物的吸附，被吸附有机物的氧化与同化，活性污泥繁殖、沉淀与分离、硝化、脱氮和除磷。污水开始与活性污泥接触的短时间内，有机物质被大量去除，亦称初期吸附，被吸附的有机物被水解成小分子物质，易降解、易吸收，被生物体摄入体内，在曝气池充氧条件下被氧化、同化、固化、净化。
5.生物脱氮除磷技术
污水中的氮、磷会引起水体的富营养化，主要表现为藻类的过量繁殖，水体呈绿褐色，将影响水源水质，增加水处理成本，对生物产生毒性。利贝格最小值定律指出：植物生长取决于外界供给它所需要的养料中数量最小的那一种，这一定律同样适用于藻类生长。斯托姆曾对藻类的化学成分进行过分析研究，指出藻类的经验组成式为10626211016CHONP，据此可以计算这些元素占藻类分子量的质量分数为C35.8％、H2.4％、O49.6％、N6.3％、P0.9％。在研究了淡水湖泊水生植物平均化学元素组成后发现，有机物生长的水环境中氮和磷的含量最低，因此氮和磷是限制水生植物产生量的最主要的营养元素，氮和磷的浓度与藻类增殖存在着正比例关系。
生物除磷主要是利用厌氧段充分释磷，然后在好氧段活性污泥过量摄磷以去除废水中的磷，于污泥中经沉淀去除。在自然界中，氮化3合物是以有机体的植物蛋白、动物蛋白、氨态氮（NH，）、2亚硝酸盐氮（）、硝酸盐氮（）以及气态氮（N）形式存在的，在污水二级处理中，氮则是以氨态氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮形式存在的。
二级处理技术对氮和磷的去除率是比较低的，它仅为微生物的生理功能所用，氮和磷同样都是微生物保持正常的生理功能所必需的元5素，即用于细胞合成。活性污泥的营养平衡式为BOD:N:P=100:5:1，现行的以传统活性污泥为代表的好氧生物处理法，其传统功能是去除污水中呈溶解性的有机底物，至于氮、磷，只能去除细菌细胞由于生理的需要摄取的数量，这样氮的去除率为20％～40％，而磷的去除率仅为10％～30％。
在自然界中存在着氮循环的自然现象，在采取适当的运行条件后，能够将这一自然现象适用在活性污泥系统中而去除废水中的氮。二、水解酸化法
水解酸化法又可分为碱性水解法和酸性水解法。
1.碱性水解法
有机磷农药废水在碱性条件下一般都不稳定，容易水解，采用碱性液体（NaOH）或石灰乳时，将废水pH值维持在11左右，在常温下搅拌6h，进行碱性水解作用，COD去除达50％左右，有机磷去除27％左右，当反应温度提高到60～80℃，反应30～45min，效果提高显著，COD可去除80％以上，但会产生很大的臭味。
2.酸性水解法
酸性水解法处理有机磷农药废水时，可以将废水中的硫代磷酸酯水解成二烷基磷酸，再进一步水解成正磷酸与硫化氢，硫化氢从水中逸出与石灰乳中和，生成硫氢酸钙，正磷酸与石灰中和生成磷酸钙。
3.水解（酸化）-好氧生物处理系统
酸化是一类典型的发酵过程，这一阶段的基本特征是微生物的代谢产物主要是各种有机酸：乙酸、丙酸、丁酸等。大量的研究表明：开发用水解酸化工艺在厌氧条件下的混合液系统中，即使严格地控制条件，水解与酸化也无法截然分开，这是因为水解菌实际上是一种具有水解能力的发酵细菌，水解是一种耗能过程，发酵细菌付出能量，进行水解的目的是为了取得能进行发酵的水溶性基质，使通过胞内的生化反应取得能源，同时排出代谢产物（厌氧条件下为各种有机酸），如果废水中同时存在不溶性和溶解性有机物时，水解和酸化更是不可分割地同时进行。实际工程中希望将产酸过程控制在最小范围，因为酸化使pH值下降太多时，不利于水解的进行，产酸相一般控制在pH6.0～6.5。要获得较高的水解速率时，一般pH值维持在5.5～6.5之间，产酸的微生物主要是厌氧菌群，但微生物的优势菌群随着控制氧化还原电位的不同而变化，当控制电位较低时，完成水解作用，产酸的微生物主要为厌氧菌群，当控制电位较高时，则完成水解产酸的微生物主要为兼氧菌群。总之水解酸化可将水中有机物降解为小分子污染物质，提高污水的可生化性，以利于后续的好氧生物处理。例如有关研究表明城市污水进行良好的水解酸化时，可使COD去除率为5Cr40％～60％，而先进行水解酸化时停留时间2～3h，BOD/COD大幅度地提高，单水解酸化作用可使COD去除40％左右；同样造纸中段废水COD在500～2500mg/L，先进行水解酸化作用，同样也可取得较好的处理效果。三、A/O活性污泥生化处理工艺
A/O生化处理工艺是目前广泛采用的厌氧-好氧生化处理或缺氧-好氧生化处理，它对废水中的有机污染物和氨氮有很高的去除率，通称为脱氮工艺，机理是一个两阶段的生物硝化脱氮的生物反应过程。第一阶段为硝化过程，分两步进行，首先氨氮在亚硝酸菌作用下，生成，其后在硝化菌的作用下氧化成。第二阶段为反硝化过程，是完成生物脱氮的最后一步，在反硝化菌的作用下，以有机碳作为碳源和能源，以硝酸盐作为电子受体，将硝酸盐还原为气态氮逸出放至大气，所以A级生物池不仅具有去除有机物的功能，而且可以完成反硝化作用，最终消除氮的富营养化污2染。O级生物池即好氧反应池，利用好氧微生物对有机物的降解作用，去除上一级残余的有机物，最终达到污水的处理要求，这是紧密相联的共同净化作用，是不可分割的。为了取得70％～80％的脱氮率，硝化反应需时较长，一般不能低于6h，而反硝化所需时间短，在2h以内即可完成，硝化与反硝化时间比为3:1，总停留时间为8～10h。A/O工艺流程如图1-2所示。图1-2 A/O（厌氧-好氧）工艺流程2
A/O与A/O工艺生物处理系统中，控制污水水温为15～30℃，pH为7.5～8.0，为硝化菌与反硝化提供适宜的环境，厌氧段溶解氧在0.5mg/L，最好在0.2mg/L以下，停留时间2～4h，缺氧段溶解氧0.5～0.7mg/L，好氧段溶解氧在2.5～3.0mg/L，不低于2.0mg/L，停留时间5Cr36～10h，停留时间的多少取决于BOD、COD与SS、NH-N、TP等Cr5的浓度，通常在城市污水处理中，COD在500mg/L左右，BOD在23200mg/L左右，SS在250mg/L左右，NH-N在30mg/L时A/O与A/O的总停留时间不要超过16h，否则就不经济了（其中好氧段为8～Cr10h）。如果城市污水浓度偏高，如青岛团岛污水厂COD900mg/L、5BOD450mg/L、SS 650mg/L、TKN 124mg/L、TP 10mg/L，总运行时间达19.2h（其中缺氧6.5h，厌氧1.5h，厌氧-脱气段1h，好氧段10.2h）。又如浙江盛泽联合污水厂（以纺织印染废水为主），在Cr5COD1000～2000mg/L、BOD200～400mg/L的情况下，采用厌氧-两段好氧处理工艺，总停留时间为23.5h（其中厌氧8h，第一段好氧6.2h，第二段好氧9.3h）。2四、A/O活性污泥生物处理工艺2122
A/O工艺流程如图1-3所示。A为厌氧段，A为缺氧段，O为好2氧段。A/O工艺是高脱氮除磷工艺，其反应单元的功能与工艺特征如下。2图1-3 A/O（厌氧-缺氧-好氧）工艺流程
①厌氧反应段的功能是释放磷。进入本单元的磷除厌氧水解外，还有从沉淀池排放的污泥。
②缺氧段反应的首要功能是脱氮，由好氧反应段送出的内循环量为（1～5）Q（Q为原污水处理总量）。
③好氧反应段是多功能的，在这主要进行去除BOD、硝化和吸收磷等反应。
④沉淀池的功能为泥水分离，上清液作为处理水排放，部分污泥回流至厌氧段，在那里释放磷。2
A/O工艺除磷效率在70％左右，脱氮率约为70％～90％。2五、倒置式A/O活性污泥处理工艺2
1.倒置式A/O工艺2
倒置式A/O工艺是由同济大学、清华大学、中国市政工程华北设2计研究总院等单位研制的，同时具有除磷和脱氮功能，是在A/O工艺的基础上增设一个缺氧区，使好氧区中的混合液回流至缺氧区使之反2硝化脱氮（图1-4）。倒置式A/O工艺将缺氧段放在厌氧段之前，厌氧和兼性厌氧菌可将大分子有机物转化为分子量较小的中间发酵产物，同时聚磷菌将其体内的聚磷酸盐分解，释放的能量供专性好氧聚磷微生物在厌氧的“压抑”环境中维持生存。在好氧区聚磷菌过量吸收溶解态磷，在二沉池污泥沉淀下来，从而达到除磷的目的。2图1-4 倒置式A/O工艺流程注：一般城市污水处理厂可省去调节池2
倒置式A/O工艺的主要特征如下。
①脱氮与除磷同时进行，构筑物功能明确，在良好的除磷效果下不影响脱氮效果。
②缺氧与好氧交替运行，丝状菌增殖受到抑制，无污泥膨胀之虑。
③聚磷菌在厌氧段释放磷后进入生化效率提高的好氧环境，在好氧状态下形成的吸磷能力可以得到充分利用。
④使所有的回流污泥全部经历完整的释磷、吸磷过程，使剩余污泥含磷量提高，确保了除磷效率。
⑤缺氧段位于工艺首端，使反硝化优先获得碳源，加强了系统的脱氮能力。
⑥省去了硝化过程的投碱和反硝化过程的投碳。2
⑦倒置式A/O工艺在高速率条件下运行，其水力停留时间较短，泥龄较短，有利于除磷。2
⑧倒置式A/O工艺将缺氧段放在厌氧段之前，在厌氧段，兼性厌氧菌可将大分子有机物转化为分子量小的中间产物，发酵产物进一步起到了水解酸化作用。
对于低碳高氮磷的污水尤其是生活污水要充分利用有限的碳源进行脱氮和除磷，短程硝化反硝化是一种能耗低、节约碳源的新工艺。
生物脱氮主要是在好氧段利用硝化菌进行生物硝化，使氨氮转化成硝酸盐氮，随之在缺氧阶段利用反硝化菌使硝酸盐氮转化为氮气逸出排入大气。生物除磷主要是利用厌氧段充分释磷，然后在好氧段活性污泥过量摄磷以去除污水中的磷。从生物脱氮除磷机理可看出，脱氮和除磷要求在工艺过程中是互相制约的。在湖州市菱湖污水处理项Cr5目中，COD、BOD、SS、氨氮、总磷等进水浓度较高，要求去除Cr5率较为严格，COD去除率要达到88％以上，BOD去除率达到88.2％以上，氨氮去除率达到80％以上，总磷去除率达到80％以上。2采用倒置A/O工艺的各处理系统要有较长的停留时间，只要设计参数2合理，此项目采用倒置A/O工艺是可行的、合理的。湖州市菱湖污水厂设计进水水质与排放标准见表1-1。表1-1 湖州市菱湖污水厂设计进水水质与排放标准22
2.A/O工艺的改进（改良式A/O工艺）2
为了解决A/O工艺中污泥回流硝酸盐影响能力不够强的弱点，中2国市政工程华北设计研究总院开发了改良A/O工艺，流程如图1-5所示。该工艺在厌氧池前设置了厌氧/缺氧调节池，来自二沉池的回流污泥与10％左右的进水进入该池，停留时间为20～30min，微生物利用进水中的有机物去除所有的回流硝态氮，消除硝态氮对厌氧池的不利影响，从而保证厌氧池的稳定性。该院在山东省泰安市进行了现场2试验研究，表明该工艺的处理效果优于普通的A/O法，并在泰安污水处理厂的设计与建设中得到了应用。2图1-5 改良的A/O工艺流程2
3.国内外对A/O工艺改进的研究与实践2
A/O工艺的特点是利用原污水中可生物降解物质作为碳源，在去除污水中BOD物质的同时也去除氮和磷。随着对污水排放标准的提2高，很多国家都把A/O工艺作为首选工艺，其理论研究更是日益深入，发展相当快，现已基本成熟并已发展了多种改进型，可适应不同条件的污水水质。当TKN/COD比值较小时，说明碳源不足，在此情况下，利用生物方法脱氮的同时，要达到好的除磷效果是比较困难的，2这是因为原污水中碳源不足，导致A/O工艺缺氧段反硝化进行不充分，出水快速降解COD，抑制了厌氧段磷的有效释放，从而使好氧段磷的吸收也几乎全无发生，导致除磷效果不佳。针对上述情况，对22常规的A/O进行改良，下面列举几种改良型A/O工艺，这几种改良工艺的共同特点是在碳源不足或不十分充足、反硝化程度不高的情况下仍可获得较好的除磷效果。2（1）国外几种代表性的改良型A/O工艺 其工艺流程如图1-6、图1-7所示。这两种改良型工艺的运用条件和效果相近，但弗斯特利普法可节省内循环回流，可相应地节省部分建设费用和运行费用，除磷效果好，因此在工程设计中广泛应用。图1-6 Bardenpho（巴登夫）脱氮除磷工艺图1-7 弗斯特利普除磷工艺2（2）国内应用改良型A/O工艺实例
①青岛市团岛污水处理厂：规模为10万吨/天。进出水水质见表1-2，工艺流程见图1-8。图1-8 青岛市团岛污水处理厂工艺流程表1-2 青岛市团岛污水处理厂进水和出水水质
②北京清河污水厂：规模为一期20万吨/天。进出水水质见表1-3，工艺流程见图1-9。表1-3 北京清河污水厂进水和出水水质图1-9 北京清河污水厂工艺流程六、国内部分城市污水处理厂设计参数22
国内部分城市污水处理厂选用A/O、A/O、A+A/O、氧化沟、SBR等工艺的主要设计参数见表1-4。22表1-4 国内部分城市污水处理厂选用A/O、A/O、A+A/O、氧化沟、SBR等工艺的主要设计参数
2003年全国工业废水和城镇生活污水排放总量已达460亿立方米，比2002年增长4.61％，但全国660个城市仍有61.5％未处理，建成运行的污水厂516座，根据国家环境保护计划，到2010年所有城市的污水处理率不得低于60％，直辖市、省会城市、计划单列城市和风景旅游城市的污水处理率不得低于70％，要实施这个目标，全国污水处理能力要达到5800万吨/天，污水处理设施的建设，需要投入的资金将达1200亿元以上。七、结语
活性污泥法源于英国，问世至今已有1个世纪，近百年来世界各国都在开展研究，为活性污泥法不断增加新的成果。本文在此基础上进行汇编。希望读者能掌握这个传统的污水处理方法，不断发展创新，应用于实践，将我国的城市污水处理和工业废水处理工作做得更好。本文作者：周国成，凌建军，姜达君，王洪春，马卫东，聂守田，王静，张伟，田敏，金虎，杨国政。第二篇厌氧处理理论和厌氧技术的应用与发展一、概述
早在19世纪，人们就利用厌氧工艺处理废水废物，直到19世纪60年代，厌氧消化工艺基本上只用于污水处理厂产生的剩余污泥的稳定化处理。随着厌氧生物处理工艺的发展，各种各样新型高效厌氧反应器得以开发。在这些反应器中，厌氧流化床、厌氧膨胀床工艺以水力停留时间短、出水水质好而被认为是最高效的反应器，处理效果稍差一点的是上流式厌氧颗粒污泥床（UASB）和厌氧生物滤池，但是因厌氧膨胀床和厌氧流化床能耗大、建造困难、操作复杂等而没有得到广泛的应用。UASB以其构造简单、基建投资低、操作费用低等而被认为是最有前途的厌氧反应器。目前在热带、亚热带地区，UASB以及在其基础上开发的膨胀颗粒污泥床（EGSB）已成功地应用于城市生活污水处理。二、厌氧生物处理基本原理
1.厌氧生物处理过程理论解说之一
厌氧生物处理又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物共同42作用，使有机物分解生成CH和CO的过程。这种过程广泛地存在于自然界中，直到1881年法国报道了Louis Mouras发明的自动净水器，人类才开始利用厌氧消化处理污水，至今已有一百余年了。
20世纪60年代前人们认为厌氧消化的过程为两个阶段。第一阶段称发酵阶段或产酸阶段，在此阶段中，不溶性的复杂有机物先在微生物作用下得到水解，继而被转化为简单的有机物，如脂肪酸、醇类、22CO和H等，这一阶段起作用的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌。第二阶段称为产甲烷阶段，在此阶段中由产甲烷菌将第一阶段的产物42转化为CH和CO。人们在对厌氧消化过程及厌氧微生物的深入研究中发现，上述两个阶段学说并没有全面反映厌氧生物处理过程的全貌与本质。研究表明，产甲烷菌能够利用甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类，在厌氧微生物方面的新发现基础上，1979年布利安特等提出了厌氧消化的三阶段理论（图2-1）。图2-1 三阶段理论
三阶段理论认为，厌氧消化过程是按以下步骤进行的。
第一阶段可称为水解发酵阶段，与两阶段理论相同，亦是在微生物的作用下复杂有机物进行水解和发酵的过程，多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等，蛋白质则先水解为氨基酸再经脱氨基酸作用产生脂肪酸和氨。
第二阶段称为产氢、产乙酸阶段，是由一类专门的细菌称之产氢、32产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇转化为CHCOOH、H和2CO。22
第三阶段称为产甲烷阶段，由产甲烷菌利用乙酸和H、CO产生44甲烷（CH）。研究表明，厌氧生物处理过程中约有20％CH来自乙22酸的分解，其余少量则产自H和CO的合成。
至今三阶段理论已被公认，是对厌氧生物处理过程较全面和较正确的描述。
厌氧废水处理是将环境保护、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，是具有较好环境效益和经济效益的污水处理技术。主要体现在以下几个方面。
①能量需求量大大降低，还可产生能量。这是因为厌氧生物处理4不需要供给氧气，相反却能生产出含有60％～70％CH的沼气，有较3高的热值（约为21000～25000kJ/m），是优质的气体能源。为去除1kgCOD，好氧生物处理约需消耗0.5～1.0kW·h电能，而厌氧生物处33理每去除1kg COD约能产0.4～0.5m沼气，1m沼气发电1.8～2.2kW·h。
②污泥产量低。这是因为微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，一般厌氧消化中产酸细菌的产率Y为0.15～0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌产率为0.03kgVSS/kgCOD左右，混合菌体产率约为0.17kgVSS/kgCOD，而好氧微生物的产率约为0.35～0.6kgVSS/kgCOD。因此好氧生物处理的污泥约为250～600gVSS/kgCOD（去除），而厌氧生物处理的污泥产量仅为20～180gVSS/kgCOD（去除）。
③对温度、pH值等环境因素更为敏感。厌氧细菌可分为高温菌和中温菌两大类，其适宜的温度范围分别为55℃左右和35℃左右，若温度降至10℃以下，厌氧微生物的活动能力将非常低下，而好氧微生物对温度的适应性较强，在5℃以下的温度条件下也能发挥作用，产甲烷菌的最适宜pH值范围也较好氧菌为小。
④处理后废水有机物浓度高于好氧处理。厌氧系统规模灵活，设备简单，易于操作，无需昂贵的设备和设施。
⑤厌氧微生物可对好氧微生物所不能降解的一些有机物进行降解（或部分降解）。
⑥反应过程较复杂。如前所述，厌氧消化是由多种不同性能、不同功能的微生物协同工作的，一个连续的微生物学过程远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。
⑦厌氧系统的菌种可在终止供给废水和营养的情况下，保留其生物特性与良好的沉淀性能半年至一年，甚至一年以上。
2.厌氧生物处理过程理论解说之二
复杂物料的厌氧降解可以分为四阶段，即水解阶段、发酵阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段。（1）水解阶段 高分子有机物因分子量巨大，不能透过细胞膜，因此不可能为细菌直接利用。它们在第一阶段被细菌胞外酶分解为小分子，例如纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖，葡萄糖、淀粉被淀粉酶分解为麦芽糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等。这些小分子的水解产物能够溶解于水并透过细胞膜为细菌所利用。（2）发酵（或称酸化）阶段 上述小分子的化合物在发酵细菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物，并分泌到细胞外。这一阶段的主要产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此用酸化厌氧处理时会产生更多的剩余污泥。（3）产乙酸阶段 这一阶段中，上阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸和新的细胞物质。（4）产甲烷阶段 这一阶段中，乙酸、氢气、碳酸、甲醇和甲酸等被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。
在以上阶段中，还包含着以下过程：①水解阶段里有蛋白质水解、碳水化合物的水解和脂类水解；②发酵阶段包含氨基酸和糖类的厌氧氧化以及较高的脂肪酸与醇类的厌氧氧化；③产乙酸阶段中从中间产物形成乙酸和氢气，由氢气和二氧化碳形成甲烷；④除以上过程外，当废水含有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原过程。复杂有机物厌氧降解的全过程可以用图2-2来表达。图2-2 复杂有机物厌氧降解的全过程示意（三段四种群学说）三、厌氧消化工艺的发展及其应用
1.厌氧消化技术的发展
厌氧消化技术已有百年以上的悠久历史，其发展过程大概可分为三个时期。
①从1881年至20世纪20年代是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，其中有法国的自动净水器（1881年），英国孟克列夫（Moncriff）设计的装有填料的升流式反应器（类似于现在的厌氧滤池，1891年），英国的化粪池（1895年）和德国的殷霍夫（Imhoff）池（双层沉淀池，1905年）。此阶段厌氧消化技术应用于污水处理的特点是在处理污水的同时，亦处理污水所产生的污泥。前几种构筑物由于污水和污泥不分隔而影响出水水质，双层沉淀池做了改造，设上层沉淀池和下层消化池，由于厌氧消化的运行条件如温度等均未得到良好的控制，这些初级的厌氧处理设备均需很长的停留时间，出水水质也较差，但化粪池和双层沉淀池曾在美国、德国、法国等国家得到较大的推广，并沿用至今。在我国很多中小城市、城镇和乡村仍有不少化粪池在运行使用。
②随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和应用，厌氧生物处理被认为效率低、需时长和受温度影响大而不再被普遍应用于污水处理。同时由于沉淀和活性污泥法的应用，污泥数量日益增多，其稳定化处理的主要手段仍是厌氧消化。因此采用厌氧消化于污泥的稳定处理，并设置单独消化污泥的消化池，是厌氧消化第二阶段的主要特征。1927年首次在消化池中装上了加热装置，使产甲烷化速率显著提高，沼气的利用也发展得很快。后来有人在污泥消化池中设置了机械搅拌器。20世纪50年代又开发了利用沼气循环的装置，使细菌和物料接触充分，消化速率进一步提高，这种带有加热和搅拌装置的消化池，得到了广泛的应用，至今仍是城市污水处理中污泥处理的主要技术和手段。
③1985年契西泼特（Schreepter）参考了活性污泥法流程开发了厌氧接触法，它采用二沉池和污泥回流系统，厌氧消化池中生物固体浓度得以提高，污泥泥龄得以延长，因此停留时间大大缩短，处理能力大大提高。它最初被应用于食品包装废水处理，取得了很好的效果。至今人们公认厌氧接触法的诞生标志着厌氧消化工艺的发展进入了一个更新的阶段。
在该阶段中，出现了一系列先进的高效厌氧消化反应器，其中有美国的杨和麦卡特（Young和McCarty）开创的厌氧滤池（1972年），荷兰的莱廷格（Lettinga）等开创的升流式厌氧污泥床反应器（1979年），美国杰维尔（Jewell）等人开发的厌氧附着膜膨胀床（1980年），以及后来出现的厌氧流化床等。这些高效厌氧消化反应器的共同特点是保持很高的生物固体浓度，生物固体在反应器中停留时间很长。在这些反应器中，微生物不再是悬浮生长状态，而是呈附着生长状态。在厌氧滤池、厌氧膨胀床、厌氧流化床中，微生物附着生长在载体的表面。在升流式厌氧流化床反应器中，微生物互相黏结缠绕，形成紧密的颗粒，这种颗粒污泥产甲烷活性高，沉淀性能好。
新型反应器的上述特点，使其有机物负荷大大提高，反应时间显著缩短，因此厌氧消化又重新被应用于废水处理。首先是用以处理高浓度有机工业废水，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药废水、屠宰废水等，并取得了良好的效果。不仅可在几小时或数天的停留时间内，去除80％以上的有机物质，还可产生大量的沼气，回收大量的生物能源——沼气。因此在能源危机严重的当今，厌氧消化十分受人重视。近年来人们又着手研究厌氧消化在城市污水处理中的应用，已进行了大量的试验研究工作，并应用于A/2O、A/O工艺等，结果表明新一代的厌氧反应器完全能够应用于城市污水的处理。研究还表明厌氧过程与好氧过程的串联配合使用，还可起到生物脱氮、除磷的作用，对含有生物难降解有机物的工业废水，可以显著地提高处理效果。厌氧过程还有利于控制活性污泥系统中的污泥膨胀。
总之，经过不断地研究、实践，厌氧消化工艺取得了很大的发展和进步，其应用范围越来越广阔。
2.厌氧消化工艺的应用范围
厌氧消化工艺的应用范围主要包括：①用于城市污水处理厂污泥的稳定化和无害化处理；②用于高浓度有机工业废水的处理；③用于城市污水的处理，包括去除有机物、脱氮除磷；④用于含难降解有机物的工业废水处理；⑤用于复杂物料的厌氧处理（厌氧酸化水解）等。四、厌氧反应器技术的发展
许多学者为了充分发挥升流式厌氧污泥床（UASB）与厌氧滤池（AF）的优点，采用了将两种工艺相结合的反应器结构，称为复合反应器（UASB+AF），也称为UBF反应器，一般将厌氧滤池置于污泥床反应器上部，认为这种结构可发挥AF和UASB的优点，改善和提高运行效果。1984年加拿大Guiol等人首次提出了UBF反应器概念，而在3意大利由Garavini等进行了大量的研究，他们报道了用2450m的生产规模装置在高温（58～60℃）下处理酒精废水，其中滤床体积为3800m，置于反应器中部，距池底1.7～6.5m，反应器总高15.7m，尽管进水pH值很低（3.3～3.7），但是由于采用了出水回流，并不需要3加碱。Garatti等人同样采用中温复合反应器（2×2150m）处理酒精3废水，填料置于池上部1/3处，在COD负荷3.0kg/（m·d）下，取得了87％的去除率。
三代厌氧处理工艺发展概况见表2-1。各种厌氧处理工艺的优缺点见表2-2。第三代厌氧反应器的主要技术性能见表2-3。表2-1 三代厌氧处理工艺发展概况表2-2 各种厌氧处理工艺的优缺点表2-3 第三代厌氧反应器的主要技术性能五、厌氧反应器设计参数及应用
1.厌氧消化与厌氧接触消化反应器3
厌氧消化容积负荷1～3kgCOD/（m·d），HRT=15～30d，污泥浓度3～10gVSS/L，污泥投料回流比0.8～2.0（不低于0.8～1.0）。3
厌氧接触消化反应器容积负荷2～6kgCOD/（m·d），HRT=10～20d，污泥浓度6～10gVSS/L，回流比0.8～2.0，沉淀池表面负荷0.1323～0.5m/（m·h）。纸浆造纸混合污水容积负荷3～5kgCOD/（m·d），HRT=3d,COD去除率48.7％，BOD去除率86.4％。
2.UASB——上流式厌氧反应器
目前国际上较大的UASB是荷兰为加拿大建造的，处理造纸废水3COD 185t/d，池容15600m。
荷兰用于制糖废水（甜菜制糖）的UASB容积负荷12.5～3317kgCOD/（m·d），COD去除率80％左右，池容200～1700m，温33度30～35℃。另外德国容积负荷9.12kgCOD/（m·d），300～1500m；33奥地利容积负荷8kgCOD/（m·d），池容3040m。3
处理酒精废水，荷兰容积负荷16kgCOD/（m·d），德国9kgCOD/33（m·d），美国7kgCOD/（m·d），温度中温（30～35℃）。3
处理造纸废水，德国容积负荷4kgCOD/（m·d），荷兰5～36kgCOD/8（m·d），温度20～25℃。
我国部分半生产及生产性UASB反应器应用实例与运行数据见表2-4。表2-4 我国部分半生产及生产性UASB反应器应用实例与运行数据
3.AF——厌氧滤池反应器
某甜菜制糖废水COD 9～40g/L,HRT=1d,T=35℃，反应器容积503～100m，COD去除率70％左右。3
某酒精废水COD 42～47.08g/L，容积负荷5.4kgCOD/（m·d），HRT=8d,T=55℃，COD去除率70％～80％。
4.IC厌氧反应器33
沈阳雪花啤酒厂70m容积IC反应器处理400m废水，COD去除率3约80％，容积负荷20～24kgCOD/（m·d），H=16m；上海富士达酿3酒公司IC反应器容积负荷15kgCOD/（m·d），H=20.5m；罗氏中亚（无锡）柠檬酸厂也采用IC厌氧反应器处理该厂废水。3
国外用于啤酒废水容积负荷一般20～24kgCOD/（m·d）。IC反应器在国外的部分应用见表2-5。表2-5 IC反应器在国外的部分应用
5.UBF（UASB+AF）复合床厌氧反应器3
国内某制药厂乙酰螺旋霉素废水量2500m/d，进水COD 7761mg/L，出水706mg/L，去除率达90.4％，容积负荷为5.0kgCOD/3（m·d），填料分别设于三相分离器下层称UBF-a型，设于三相分离器上层称UBF-b型，可以开发a、b型两种产品。无锡第二制药厂、无锡溶剂总厂、大连龙泉酒厂（处理酒精糟液）也应用了UBF厌氧反应器处理本厂废水。
加拿大湖景水污染控制工程建有2套UBF反应器，每个27m，容
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