2.1.114 污泥气 sludge gas, marsh gas 俗称沼气。在污泥厌氧消化时有机物分解所产生的气体,主要成分为甲烷和二氧化碳,并有少量的氢、氮和硫化氢等。
厌氧生物处理又称为厌氧生物消化,是指在厌氧条件下由多种(厌氧或兼氧)微生物的共同作用,使有机物分解并产生$CH_4$和$CO_2$的过程。
优点：
能耗低,且可回收生物能,具有良好的环境效益与经济效益。厌氧生物处理不仅无需供氧,可降低运行费用,而且厌氧去除1Kg COD能产生$0.35m^3CH_4$,而每$1m^3$甲烷可发电1.5~2.0KWh；
厌氧废水处理设施容积负荷高,一般可达$2\sim6Kg COD/(m^3 \cdot d)$,占地少,可降低基建费用；
剩余污泥量少且稳定，厌氧产生的剩余污泥量只相当于好氧法的1/10-1/6；
厌氧生物处理对营养物的需求量小。好氧生物处理营养比为BOD5:N:P=100：5:1，厌氧法为BOD5:N:P=(200~400):5:1；
应用范围广。厌氧既适合处理高浓度有机废水,又能处理低浓度有机废水;也能进行污泥消化稳定;还能处理某些含难降解有机物的废水；
对水温的适应范围较广。厌氧生物处理法在高温(50-60°C)、中温(33-35°C)和常温(15~30°C)条件下都能进行有效地处理；
厌氧污泥在长时间的停止运行后,较易恢复生物活性。
缺点：
出水BOD浓度较高,仍须进行好氧处理,通常作为废水好氧处理的前处理；
细菌增殖速度较慢,厌氧反应器启动历时比好氧法长,水力停留时间长；
厌氧微生物,特别是产甲烷菌,对有毒物质较敏感；
低温条件下降解速率低,产生臭味和腐蚀性物质。
第一阶段：水解酸化阶段(第一类种群:水解/发酵菌)，在该阶段,复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下,首先被分解成简单的有机物,如纤维素经水解转化成较筒单的糖类;蛋白质转化成较简单的氨基酸;脂类转化成脂肪酸和甘油。继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧氧化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参与这个阶段的水解发酵菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。
在水解酸化过程中，有机物只是由大分子变为小分子，并没有得到真正去除，因此废水中BOD或COD变化不大。
第二阶段：产氢产乙酸阶段(第二类种群:产氢产乙酸菌在该阶段,产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物,如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢,并有$CO_2$产生。
第三阶段：产甲烷阶段（第三类种群:产甲烷菌）在该阶段,产甲烷细菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、$H_2和CO_2$,等转化为甲烷。
第四类种群：同型产乙酸菌。将$H_2和CO_2$等转化为乙酸,一般情况下这类转化数量很少。
三阶段理论和四种群说理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。
因为同型产乙酸细菌可以利用$H_2$,而降低$H_2$分压所以对产$H_2$的发酵性细薗有利,同时对利用乙酸的产甲烷菌也有利（从化学方程式逆反应平衡考虑）。
UASB（升流式厌氧污泥床）工艺是在升流式厌氧生物滤池的基础上发展形成的。升流式厌氧生物池的填料(特别是下半部填料)容易造成堵塞。在取消了填料层以后,发现在反应器的相应部位,形成一层截留、吸附与降解有机物的厌氧污泥层(颗粒污泥为主)。
在反应器的上部增加气-液-固三相分离器,使经厌氧消化处理后的废水、产生的沼气及厌氧污泥有效分离,完成废水外排沼气收集并输出、沉淀下来的厌氧污泥直接回落至反应区,构成了完整的UASB反应器。
颗粒污泥介绍：颗粒污泥是厌氧微生物自身固化的一种形式,大多数为球形或椭球形,粒径为0.3\~5.0mm。密度约为1.01~1.05,平均浓度可达50gVSS/L,因而能达到高生物量和高效高负荷。
基本功能分区为进配水区、反应区(由生物颗粒污泥及絮状污泥组成)、三相分离器(由沉定区、气室、沉定污泥斗组成)和出水区。
使废水进入并在过水断面布水均匀,避免产生涌流或死水区;兼有配水和水力搅拌的功能;有树枝管式配水系统、穿孔管式配水系统、多点多管配水系统等。
反应区是UASB反应器的核心,是培养和富集厌氧微生物的区域,废水与厌氧污泥在这里充分接触,通过截留、吸附等方式使大部分有机物得以降解；
反应器内微生物以自身聚集生长,为颗粒污泥状态,因而能达到高生物量和高效高负荷,颗粒污泥层大大提高了反应器中的生物量,使厌氧处理效率显著提高；
生物颗粒污泥随颗粒表面气泡的成长向上浮动,当浮到一定高度后,由于减压使气泡释放,颗粒再回到污泥层。很小的颗粒或絮状污泥一般在污泥层之上,形成悬浮层。
反应区由生物颗粒污泥层(上图2)和絮状污泥层(上图3)组成，污泥床反应器内没有填料,不设搅拌,上升的水流和产生的沼气可满足搅拌要求。
三相分离器
组成:气室5、沉淀区6及上清液溢流槽与出水管7;气室的功能是收集并用沼气管排出沼气沉淀区的功能是使澄清水与污泥有效分离,沉淀污泥回落至反应区;上清液由溢流槽与出水管排出。
设计要点：产生的沼气能迅速释放并集中到气室,沼气不会随水流进入沉淀区干扰泥水分离;沉淀区有足够的容积使泥水分离;沉淀汚泥能直接回流至反应区;沼气室与大气绝对隔离;三相分离器的设计主要包括沉淀区、回流缝、气、液分离等。
水封的作用：控制一定的气囊高度可压缩泡沫,并可避免泡沫和浮泥进入排气系统而使污泥流失或堵塞排气系统。气室中气薬的高度由水封的有效高度来控制和调节。气室的高度的选择应保证气室出气管在反应器运行中不被淹没,能畅通地将沼气排出池体,防止浮渣堵塞。
池型：分为圆形和方形两种,直径或边长为5~30m。单池常用圆形;多池组合可用方形,以节约占地面积,节省池壁材料,便于布水。
工艺流程：
普通UASB法：废水直接进入UASB进行处理,本流程适用于成分较单一的可溶性有机废水。
有预处理的UASB法：废水经调节池、预处理构筑物,进入UASB反应器。适用
于成分较复杂的废水,或悬浮COD占总COD30%~60%的部分可溶性有机废水。
有回流的UASB法：主要适用于COD浓度高于15000mg/L的情况。处理水回流
的目的是促进污泥与废水之间的充分接触以及在UASB反应器启动时,使进水COD浓度稀释至5000mg/L左右。
工艺流程：
两相法：产酸相反应器,主要控制条件有:低级脂肪酸浓度约为5000mg/L,PH为5\~6,水力停留时间6~24h。产酸相反应器后沉定池的作用是回流产酸薗,以维持产酸相反应器中产酸菌的浓度,并避免产酸菌进入产甲烷相反应器。产酸相反应器的构造与传统消化池相同,有搅拌与加温设备；②产甲烷相反应器,产酸相反应器的出水经沉定后,上清液进入产甲烷相反应器。
内循环厌氧（IC）反应器
IC反应器实际上是由两个上下重叠的UASB污泥床串联组成的。IC反应器的构造特点是具有很大的高径比,一般可达4\~8,反应器的高度可达16~25m。
如下图所示,进水1由反应器底部泵入第一反应室,与该室内的厌氧颗粒污泥均匀混合。废水中含有的大部分有机物在这里被转化为沼气,所产生的沼气被第一反应室的集气罩2收集沼气沿着提升管3上升。沼气上升的同时,把第一反应室的混合液提升至设在反应器顶部的气液分离器4,被分离出的沼气由气液分离器顶部的沼气排出管5排走。分离出的泥水混合液将沿着回流管6回到第一反应室的底部,并与底部的颗粒污泥和进水充分混合,实现了第反应室混合液的内部循环。经过第一反应室处理过的废水,可自动进入第二反应室继续进行处理。废水中的剩余有机物在第二反应室内由厌氧颗粒污泥进一步降解。产生的沼气由第二反应室的集气罩7收集,通过集气管8进入气液分离器4。第二反应室的泥水混合液进入沉定区9进行固液分离,处理过的上清液由出水管10排走。(水先上4再下6,再上9出ロ10)。
与UASB污泥床相比,在获得相同处理效率的条件下,IC反应器具有更高的进水容积负荷率和污泥负荷率,1C反应器的平均升流速度可达处理同类废水UASB污泥床的20倍左右。在处理低浓度废水时,HRT（hydraulic residence time）可缩短至2.0~2.5h,使反应器的容积更加小型化。由此可见,IC反应器是一种非常高效能的厌氧反应器。
