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8厌氧生物处理和污泥的处理与处置好氧生物处理是在有氧条件下，由好氧微生物降解废水中有机污染物质的处理方法。污泥及某些工业废水(如屠宰场、发酵工业生产污水)，其有机物含量大大高于城市污水，是不宜直接采用好氧法处理的。一般须进行厌氧处理，即在无氧条件下。借兼性菌和厌氧菌降解有机污染物，分解的主要产物是以甲烷为主的污泥气(即沼气)。我国农村推广的沼气池，也是利用厌氧处理的原理，以粪便、草禾茎杆等作为原料制取沼气，并提高肥效的一种方法。8.1污泥的分类、性质与排除在污水处理过程中，产生大量污泥，其数量约占处理水量的0.3％—0.5％左右(以含水率为97％计)。污泥中含有大量的有害有毒物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物及重金属离子等；有用物质如植物营养素(氮、磷、钾)、有机物及水分等。因此污泥需要及时处理与处置，以便达到如下目的：(1)使污水处理厂能够正常运行，确保污水处理效果；(2)使有害有毒物质得到妥善处理或利用；(3)使容易腐化发臭的有机物得到稳定处理；(4)使有用物质能够得到综合利用，变害为利。总之，污泥处理的目的是使污泥减量、稳定、无害化及综合利用。污水处理厂的全部建设费用中，用于处理污泥的约占20％—50％，甚至70％。所以污泥处理是污水处理系统的重要组成部分，必须予以充分重视。污泥处理可供选择的方案大致有：8.1.1污泥的分类1.按成分不同分为污泥以有机物为主要成分的称污泥。污泥的性质是易于腐化发臭，颗粒较细，比重较小(约为1.02—1.006)，含水率高且不易脱水，属于胶状结构的亲水性物质。初次沉淀池与二次沉淀池的沉淀物均属污泥。沉渣以无机物为主要成分的称沉渣。沉渣的主要性质是颗粒较粗，比重较大(约为2左右)，含水率较低且易于脱水，流动性差。沉砂池与某些工业废水处理沉淀池的沉淀物属沉渣。2.按来源不同分为：初次沉淀污泥来自初次沉淀池。剩余活性污泥来自活性污泥法后的二次沉淀池。腐殖污泥来自生物膜法后的二次沉淀池。以上3种污泥可统称为生污泥或新鲜污泥。消化污泥生污泥经厌氧消化或好氧消化处理后，称为消化污泥或熟污泥。化学污泥用化学沉淀法处理污水后产生的沉淀物称为化学污泥或化学沉渣。如用混凝沉淀法去除污水中的磷；投加硫化物去除污水中的重金属离子；投加石灰中和酸性污水产生的沉渣以及酸、碱污水中和处理产生的沉渣均称为化学污泥或化学沉渣。8.1.2污泥的输送污泥在污水处理厂内进行处理的过程中；某些城市或地区，若有数座污水处理厂，各厂的污泥需集中到某个厂或某地进行处理时；污泥最终处置或利用时都需要对污泥进行短距离或长距离(数百米至数十公里)的输送。1.污泥输送的方法污泥输送的主要方法有管道(压力管道或重力管道)，卡车，驳船以及它们的组合方法。2.污泥输送设备污泥进行管道输送或装卸卡车、驳船时，需要抽升设备，污泥泵或渣泵。输送污泥用的污泥泵，在构造上必须满足不易被堵塞与磨损，不易受腐蚀等基本条件。已经有效地用于污泥抽升的设备有隔膜泵、旋转螺柱泵、螺旋泵、混流泵及柱塞泵等，它们的构造见P334图8—2。此外，还有PW型、PWL型离心泵。8.2厌氧生物处理8.4.1厌氧消化的机理先前的两阶段过程，第一阶段是酸性发酵阶段，有机物在产酸细菌的作用下，分解成脂肪酸及其他产物，并合成新细胞；第二阶段是甲烷发酵阶段，脂肪酸在专性厌氧菌——产甲烷菌的作用下转化成CH4和CO2。1979年，伯力特(Bryant)等人根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化三阶段理论，是当前较为公认的理论模式。三阶段消化突出了产氢产乙酸细菌的作用，并把其独立地划分为一个阶段。三阶段消化的第一阶段，是在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物，蛋白质与脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。在厌氧消化的过程中，由乙酸形成的CH4约占总量的2/3，由CO2还原形成的CH4约人总量的1/3。由上述可知，产氢产乙酸细菌在厌氧消化中具有极为重要的作用，它在水解与发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系，起到了联系作用，且不断地提供出大量的H2作为产甲烷细菌的能源，以及还原CO2生成CH4的电子供体。参与第一阶段的微生物包括细菌、原生动物和真菌，统称水解与发酵细菌、大多数为专性厌养菌，也有不少兼性厌氧菌。参与厌氧消化第二阶段的微生物是一群极为重要的菌种——产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌。参与厌氧消化第三阶段的菌种是甲烷菌或称为产甲烷菌，是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对的厌氧菌，主要代谢产物是甲烷。8.2.2厌养消化动力学本书第4章对好氧反应动力学作了详细论述。这里略8.2.3厌氧消化的影响因素因甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。1.温度因素甲烷菌对于温度的适应性，可分为两类，即中温甲烷菌(适应温度区为30—36℃)；高温甲烷菌(适应温度区为50—53℃)。两区之间的温度，反应速度反而减退。可见消化反应与温度之间的关系是不连续的。温度与有机物负荷、产气量关系见图8—22。2.生物固体停留时间(污泥龄)与负荷消化池的容积负荷和水力停留时间(即消化时间)t的关系见图8—24。厌氧消化效果的好坏与污泥龄有直接关系，泥龄的表达式与定义是：3.搅拌和混合厌养消化是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触反应。因此必须使两者充分混合。搅拌的方法一般有：泵加水射器搅拌法；消化气循环搅拌法和混合搅拌法等。4.营养与C/N比厌养消化池中，细菌生长所需营养由污泥提供。合成细胞所需的碳(C)源担负着双重任务，其一是作为反应过程的能源，其二是合成新细胞。C/N达到（10—20：1）为宜。5.氮的守恒与转化在厌氧消化池中，氮的平衡是非常重要的因素，尽管消化系统中的硝酸盐都将被还原成氮气存在于消化气中，但仍然存在于系统中，由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的NH3，因此消化液中氮的浓度都高于进入消化池的原污泥。6.有毒物质所谓“有毒“是相对的，事实上任何一种物质对甲烷消化都有两方面的作用，即有促进甲烷细菌生长的作用与抑制甲烷细菌生长的作用。关键在于它们的浓度界限见表8—15。7.酸碱度、PH值和消化液的缓冲作用水解与发酵菌及产氢产乙酸茵对pH的适应范围大致为5—6.5，而甲烷菌对pH的适应范围为6.6—7.5之间，即只允许在中性附近波动见图8—25。在消化系统中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过产甲烷阶段，则pH会降低，影响甲烷菌的生活环境。但是，在消化系统中，由于消化液的缓冲作用，在一定范围内可以避免发生这种情况。缓冲剂是在有机物分解过程中产生的，即消化液中的CO2及NH3，NH4+一般是以NH4HCO3存在。故重碳酸盐(HCO3-)与碳酸H2CO3组成缓冲溶液。可见缓冲溶液的pH值是弱酸电离常数的负对数及重碳酸盐浓度与碳酸浓度比例的函数。8.2.4厌养消化池池形、构造与设计P361—3668.2.5两级厌氧消化两级消化是根据消化过程沼气产生的规律进行没汁；目的是节省污泥加温与搅拌所需的能量。图8-30所示为中温消化的消化时间与产气率的关系，可见，在消化的前8d，产生的沼气量约占全部产气量的80％，若把消化池设计成两级，第一级消化池有加温、搅拌设备，并有集气罩收集沼气，然后把排出的污泥送入第二级消化池。第二级消化池没有加温与搅拌设备，依靠余热继续消化，消化温度约为20—26℃，产气量约占20％，可收集或不收集，由于不搅拌，所以第二级消化池有浓缩的功能。8.2.6两相厌氧消化两相消化是根据消化机理进行设计。目的是使各相消化池具有更适合于消化过程三个阶段各自的菌种群生长繁殖的环境。采用两相消化法，即把第一、二阶段与第三阶段分别在两个消化池中进行，使各自都有最佳环境条件。故两相消化具有池容积小，加温与搅拌能耗少，运行管理方便，消化更彻底。8.2.7消化池的运行与管理P371—3728.3污泥浓缩初次沉淀污泥含水率介于95%—97%，剩余活性污泥达99%以上。因此污泥的体积非常大。对污泥的后续处理造成困难。污泥浓缩的目的在少减容。污泥中所含水分大致分为4类：颗粒间的空隙水，约占总水分的70%；毛细水，即颗粒间毛细管内的水，约占20%；污泥颗粒吸附水和颗粒内部水，约占10%，见图8—4所示。降低含水率的方法有：浓缩法、用于降低污泥中的空隙水，因空隙水所占比例最大。故浓缩是减容的主要方法：自然干化法和机械脱水法，主要脱除毛细水；干燥与焚烧法，主要脱除吸附水与内部水。不同脱水方法的脱水效果见表8—6。8.4污泥的好氧消化污泥厌氧消化运行管理要求高，消化池需密闭、池容大、池数多。因此当污泥量不大时可采用好氧消化，即在不投加底物的条件下，对污泥进行较长时间的曝气，使污泥中微生物处于内源呼吸阶段进行自身氧化。因此微生物机体的可生物降解部分(约80％)可被氧化去除，消化程度高，剩余消化污泥量少。污泥好氧消化有如下主要优缺点：优点：①污泥中可生物降解有机物的降解程度高；②上清液BOD浓度低；③消化污泥量少，无臭、稳定、易脱水，处置方便；④消化污泥的肥分高，易被植物吸收；⑤好氧消化池运行管理方便简单，构筑物基建费用低。缺点：①运行能耗多，运行费用高；②不能回收沼气；③因好氧消化不加热，所以污泥有机物分解程度随温度波动大；④消化后的污泥进行重力浓缩时，上清液SS浓度高。8.4.1好氧消化的机理污泥好氧消化处于内源呼吸阶段，细胞质反应方程如下：8.4.2好氧消化池的构造及工艺设计1.好氧消化池的构造好氧消化池构造与完全混合式活性污泥法曝气池相似，见图8—33。主要构造包括好氧消化室，进行污泥消化；泥液分离室，使污泥沉淀回流并把上清液排除；消化污泥排除管：曝气系统，由压缩空气管，中心导流筒组成，提供氧气并起搅拌作用。消化池底坡i不小于0.25，水深决定于鼓风机的风压，—服采用3—4m。2.好氧消化池设计P373—3753.好氧消化需空气量的计算P375—3764.好氧消化池尺寸P3765.所需空气星计算P3768.5沼气利用厌氧消化产生的沼气，可称为生物能，是—种五色气体，主要成分CH4，CO2，并含有少量H2S,CH4的燃烧热值为35000—40000kJ／m3，沼气的燃烧热值随CH4含量而异。我国城市污水处理厂的污泥中，有机物的成分与居民的食物结构及工业废水性质，关系密切。污泥中有机物种类、含量、厌氧消化产沼气量及其中所含CH4％，可消化程度%，见表8—17。根据我国现有城市污水处理厂污泥消化产生的沼气中，各种气体所占百分数列于表8—18。8.5.1沼气脱硫(P377—378)沼气作为能源利用时，要求H2S的浓度低于0.015％(合0.188g／m3)，否则对输气管道、利用设备(如锅炉、沼气发动机等)有腐蚀作用，我国城市污水处理厂的沼气中含H2S0.1％—0.4％(合1.25—5g／m3)，因此在利用前需要作脱硫处理。以保证输气管道及利用设备的安全运行。8.5.2沼气利用沼气的主要用途有：①作为家庭生活燃料，每日每人约需1.5m3；②作为锅炉燃料，加温消化池污泥；③作为化工原料：沼气中CO2可制造干冰，CH4可制成CCl4或炭黑；④利用沼气发电并利用冷却水与锅炉废气加温污泥。8.6.1污泥自然干化场的分类与构造污泥自然干化的主要构筑物是干化场8.6污泥的自然干化污泥经浓缩、消化后，尚有约95％—97％含水率，体积仍很大。为了综合利用和最终处置，需对污泥作干化和脱水处理，两者对脱除污泥的水分，具体同等的效果。污泥的干化与脱水方法，主要有自然干化、机械脱水等。干化场可分为自然滤层干化场与人工滤层干化场两种。前者适用于自然土质渗透性能好，地下水位低的地区。人工滤层干化场的滤层是人工铺设的，又可分为敞开式干化场和有盖式干化场两种。人工滤层干化场的构造示于图8—38。它由不透水底层、排水系统、滤水层、输泥管、隔墙及围堤等部分组成。有盖式的，设有可移开(晴天)或盖上(雨天)的顶盖，顶盖一般用弓形复有塑料薄膜制成，移、置方便。滤水层由