初三生写给初二生的信.doc

分类号 密级 分级分相厌氧反应器处理污泥的研究南 京 工 业 大 学U D C 编号 学 位 论 文 分级分相厌氧反应器处理污泥的研究邹 尧 指导教师姓名 韩萍芳 教授申请学位级别工学硕士 学科、专业环境工程论文提交日期 2010年6月2010年 6月 Study on Staged Multiphase Anaerobic Reactor for Treatment of Residual Activated Sludge Dissertation Submitted toNanjing University of Technologyin partial fulfillment of the requirementsfor the degree ofMaster of EngineeringByYao ZOUSupervisor:Prof. Pingfang HANJune 2010硕士学位论文 摘 要石化水厂排放的剩余活性污泥，不仅含有硫化氢、卤族元素及其化合物、重金属等无机物，还含有酚、醛、芳香烃类以及杂环化合物等有机物以及少量不溶于水的油类物质，比一般的城市污泥更容易对土壤、地下水和动植物造成污染和损伤，同时也更难处理。本文开发设计了实验室规模的污泥处理分级分相厌氧消化反应器。对反应器的水力学特性、启动、以及和单级厌氧消化反应器的厌氧消化效能的对比作了初步研究。本文通过停留时间分布（RTD）实验，发现分级分相反应器的最低水力死区时只有7.51%，远远低于厌氧滤池（5093）、厌氧消化池等其他厌氧生物反应器（80）；其流动模式处于平推流和完全混合的“中间状态”，且更接近于平推流。确定了反应器降流区、升流区面积比值最佳值为1:2；溢流板高度最佳高度为450 mm；水力停留时间最佳值为32h。为了研究反应器两相的分离，重点考察了反应器各格室在启动运行过程中COD、VFA、pH及酸化指数的变化情况。经过约30天的启动运行，发现上述指标在格室内出现明显分层，产酸菌群和产甲烷菌群分别在各自格室形成优势生长，反应器相分离基本实现。通过启动实验，发现反应器前面格室主要为污泥厌氧消化的产酸阶段，后面格室主要为产甲烷阶段。在分级分相厌氧反应器和单级厌氧反应器厌氧消化效能对比研究中，发现分级分相厌氧反应器污泥COD去除率在污泥消化30天之后达到45%以上，消化时间比单级厌氧系统缩短30%以上。分级分相系统无论是产气时间还是产气的高峰点都比单级厌氧系统提前，且日产气量和总产气量都有大幅度的提高，总产气量比单级厌氧系统提高了30%以上；分级分相厌氧反应器的SS去除率从污泥消化开始便保持较高的增长速率，污泥消化30天SS去除率达到40%以上，大大缩短了消化时间并提高了SS去除率；相比单级厌氧系统污泥经过近50天的消化VSS去除率仅在35%以下，分级分相厌氧反应器污泥消化30天左右，VSS去除率达到了40%以上，达到污泥稳定化的要求。关键词： 剩余活性污泥 分级分相厌氧反应器 RTD 相分离 消化效能ABSTRACTResidual activated sludge discharged by petrochemical wastewater treatment plant contains not only hydrogen sulfide, halogen elements, heavy metals and other inorganic matters, but also contains organic compounds such as phenols, aldehydes, polycyclic aromatic hydrocarbons and heterocyclic compounds, and a small amount of oil substances insoluble in water. Compared with those from urban environment these sludge materials cause more pollution to the soil and groundwater, damage plants and animals, and are more difficult to be handled.In this paper, a design of laboratory-scale staged multi-phase anaerobic digestion reactor for sludge treatment was proposed for wastewater treatment plant of Yangzi Petrochemical Inc. The starting and hydrodynamic characteristics of the reactor and comparison with single-stage anaerobic digestion reactor were preliminary determined In this paper, residence time distribution (RTD) experiments were tested and results showed that the minimum hydraulic dead space of staged multi-phase anaerobic reactor was only 7.51%, well below than those in the anaerobic filter (5093%), anaerobic digestion tank and other anaerobic bioreactor (80%). The flow pattern was plug flow and complete mixing of the intermediate state, and more towards plug flow. The data indicate that the optimal ratio value of area of downflow chamber to upflow chamber was 1:2; the fraction of dead space was lowest when the height of overflow was 450mm; the optimal value of the hydrodynamic retention time was 32h.In order to study the situation of two-phase separation, variations of COD, VFA, pH and the acidification index in every compartment of the reactor were investigated including starting period. After 30 day running, compartments of acid bacteria and methanogenic bacteria were formed in their respective dominant growth, phase separation was realized. It was found that there was the anaerobic digestion of acid production phase in front of the main room, and the methane phase was behind the compartment. In the comparative study for staged multi-phase anaerobic reactor and single-stage anaerobic reactor, we found that the removal of sludge digestion COD in staged multi-phase anaerobic reactor after 30 days was more than 45%, higher than that in a single-stage anaerobic digestion system (30%), moreover, the removal time was cut short by 1/3 of the original. The gas yield and peak time of production by means of staged multi-phase anaerobic system were higher and earlier than those by single-stage anaerobic system, and the total gas production was increased by 30% than using single-stage anaerobic system. Using staged multi-phase anaerobic system the removal of SS kept higher rate of more than 40% for 30 days, greatly reduced the digestion time; compared with the single-stage anaerobic system, the VSS removal rate was only 35% after 50 days sludge digestion, meanwhile, the VSS removal efficiency of more than 40% about 30 days by using staged multi-phase anaerobic reactor, which fit the requirements of sludge stabilization.Key Words: Residual activity sludge；Staged multi-phase anaerobic reactor；RTD； Phase separation；Efficiency of anaerobic digestion目 录摘 要IABSTRACTII第一章 文献综述11.1 污泥概述11.1.1污泥的产生11.1.2污泥的数量、种类及性质21.2 污泥的处理处置51.2.1 污泥无害化技术51.2.3 污泥减量化技术71.3 污泥的厌氧消化81.3.1 污泥厌氧消化工艺81.3.2 污泥厌氧消化的优势91.3.3 污泥厌氧消化存在的问题91.4 厌氧反应器的研究进展101.4.1 厌氧反应器的发展历程101.4.2 现代厌氧反应器技术的发展方向141.5本课题研究目的、意义和内容141.5.1研究目的和意义141.5.2研究内容及目标151.6 参考文献15第二章 理论部分182.1 污泥厌氧消化机理182.2厌氧消化中的微生物及其相互关系192.3 污泥厌氧消化的影响因素202.3.1 水力停留时间与有机负荷202.3.2 温度212.3.3 搅拌212.3.4 氧化还原电位212.3.5 pH值212.3.6 挥发性脂肪酸(VFA)与总碱度222.3.7 毒性物质222.4 参考文献23第三章 实验部分263.1 实验装置253.1.1单级厌氧消化装置253.1.2分级分相厌氧消化装置253.2实验原料及试剂263.3 分析方法283.3.1污泥指标的测量方法283.3.2实验室溶液的配置293.3.3 COD的测定方法293.3.4 VFA的测定方法313.4 参考文献32第四章 实验结果与讨论334.1 剩余活性污泥的性质334.2污泥单级厌氧消化实验334.2.1 污泥TCOD及COD去除率随时间的变化334.2.2 污泥产气量随时间的变化344.2.3 SS（固体含量）随时间的变化364.2.4 VSS（挥发性固体含量）随时间的变化374.2.5 小结384.3 污泥分级分相厌氧消化实验394.3.1反应器水力特性的研究394.3.2 小结484.3.3 反应器的启动研究484.3.4 小结544.3.5 反应器厌氧消化效能研究554.3.6 小结614.4 参考文献61第五章 结论和展望645.1 结论645.2 问题和展望65成 果66致 谢67V硕士学位论文第一章 文献综述1.1 污泥概述1.1.1污泥的产生1-2 活性污泥法是污水生物处理的一种方法。该法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有机污染物。然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。影响活性污泥过程工作效率(处理效率和经济效益)的主要因素是处理方法的选择与曝气池和沉淀池的设计及运行。典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。事实上，污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。活性污泥法的原理形象说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水。它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。活性污泥工艺本世纪初出现于英国，之后迅速在欧美得到应用。早在20年代初，我国上海就建成了采用活性污泥工艺的污水处理厂。30年代初，日本也开始采用活性污泥工艺处理污水。60年代以前，各地采用的活性污泥工艺与最初形式基本一致，称为传统活性污泥工艺。60年代以来，日益严重的水污染问题迫切需要建设大批污水处理厂，使活性污泥得到了较快的发展。目前，对活性污泥法也有不少改进，有氧化沟法，吸附生物降解法等。3活性污泥法的大量应用产生了数量巨大的剩余活性污泥，对剩余活性污泥减量，降低剩余活性污泥的污染，以及污泥的最终处置都成为迫在眉睫的问题。1.1.2污泥的数量、种类及性质随着城市的发展，城市人口的增加，工业化程度的提高，污水的排放率和处理率大大提高。污水处理后产生的剩余活性污泥量也大大提高。自20世纪80年代起，我国开始大规模的建设现代污水处理厂，但一直忽视了污泥处理、处置的重要性。2007年，我国城镇污水处理厂每年产生的剩余干污泥约180万吨(含水80的污泥900万吨)，预计未来5年内，年干污泥产量将达540万吨(含水80的污泥2700万吨)。污泥的处理、处置在污水处理中是不可或缺的，少了这一环节，污水处理就不算真正完成4。剩余污泥处理费用昂贵，一般占污水处理厂总投资和运行费用的25%-65% 5-6根据污泥来源，可以划分为：市政污泥（也叫排水水泥)，主要指来自污水厂的污泥，这是数量最大的一类污泥。管网污泥，来自排水收集系统的污泥。河湖淤泥，来自江河、湖泊的淤泥。工业污泥，来自各种工业生产所产生的固体与水、油、化学污染、有机质的混合物。7根据污泥从污水中分离的过程，可将其分为如下几类：沉淀污泥(primary settling sludge)：初次沉淀池中截留的污泥，包括物理沉淀污泥，混凝沉淀污泥，化学沉淀污泥。生物处理污泥( biological sludge )：在生物处理过程中，由污水中悬浮状、胶体状或溶解状的有机污染物组成的某种活性物质，称为生物处理污泥。生污泥(fresh sludge)指从沉淀池(初沉池和二沉池)分离出来的沉淀物或悬浮物；消化污泥(digested sludge)为生污泥经厌氧消化后得到的污泥。8污泥的来源和形成过程十分复杂，不同来源的污泥，其物理、化学和微生物学特性都存在差异，正确把握污泥的性质是科学合理地处理处置和利用污泥的先决条件，只有根据污泥的性质指标才能正确选择有效的处理工艺和合适的处理设备及资源化的趋向。因此，表征污泥性质的指标愈精确，取得的效益愈显著9。污泥的性质主要包括10：污泥的含水量与含水率，污泥的脱水性能，挥发性固体与灰分，污泥的可消化程度，湿污泥的比重与干污泥的比重，污泥的肥分，污泥的燃烧价值等。（1）污泥的含水量与含水率污泥中所含水分的多少称为含水量。污泥含水量用含水率来表示，即单位重量的污泥所含水分的重量百分数。污泥的含水率一般都很大，比重接近于1，一般来说，固体颗粒愈小，其所含有机物愈多，污泥的含水率愈高。污泥中的水分按存在形式可以分为四种11：与固体颗粒没有吸附作用，通过重力沉降就可除去的自由水；位于污泥絮体或细胞间隙之间，通过破坏污泥絮体或细胞可释放成为自由水的间隙水；通过范德华力结合在污泥颗粒表面的结合水；以及通过化学键结合在污泥颗粒表面的水合水。 （2）污泥的脱水性能一般污泥的含水率都比较高，体积大，不利于污泥的贮存、输送、处理、处置及利用，所以必须对污泥进行脱水处理。由于污泥含水量较高，污泥的含水率对其体积的影响很大，比如，若污泥的含水率变化1%，其体积则会增缩数倍到数十倍12。但是不同性质的污泥，脱水的难易程度不同，因此测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要的意义。污泥脱水目前最常用的方法是过滤，比阻和毛细管吸附时间是表征过滤脱水性能的两个重要指标。 （3）挥发性固体与灰分挥发性固体近似地等于污泥中有机物的含量，又叫灼烧减重。灰分代表无机物含量，又叫固定固体，或灼烧残渣9。污泥中有机物含量一般比较高，约为60-80%，容易腐化发臭，并往往含有许多细菌、寄生虫卵，这也是污泥需要处理的一个原因。处理后污泥中有机物含量是判断污泥处理程度的重要指标。 （4）污泥的可消化程度污泥的可消化程度表示污泥中挥发性固体被消化分解的百分数，称为污泥消化的技术界限10。污泥中的挥发性固体，有一部分是能被分解的，分解产物主要是水，甲烷和二氧化碳；另一部分是不易或不能被分解的如纤维素，脂肪类，乙烯类，橡胶制品等。 （5）湿污泥的比重与干污泥的比重湿污泥的重量等于其中所含水分重量与固体物重量之和。湿污泥的重量与同体积水的重量之比，称为湿污泥的比重，也叫污泥相对密度9。污泥干固体物质包括有机物和无机物。干污泥的比重（亦即污泥干固体相对密度）与其中的有机物和无机物比例有关，这两者的比例不同，则干污泥的比重也不同。确定湿污泥比重和干污泥比重，对于浓缩池的设计、污泥运输及后续处理，都有实用价值。 （6）污泥的肥分污泥中含有很多植物的营养素，有机物及腐殖质等，营养素主要包括氮（N）、磷(P2O5)和钾(K2O)9。氮能促进植物茎叶的生长，其中硝酸盐氮可被植物直接利用，氨氮要在土壤中分解和氧化后才能被利用。磷能激发植物根部的繁殖，加速成熟和增加植物对病虫害的抵抗能力。钾能促进植物的生长活力，是发育木质枝干、果浆，构成叶绿素的重要成分，并能促进茎叶的生长和增加抵抗病虫害的能力。此外污泥中还含有植物生长所需的其它微量元素。污泥中的有机物、腐殖质可改善土壤结构，提高保水能力和抗蚀性能，是良好的土壤改良剂。 （7）污泥的燃烧价值污泥的主要成分是有机物，可以燃烧9。当污泥不符合卫生要求，有毒物质含量高，不能作为农副业利用；或在卫生要求高，用地紧张的大、中城市；并且污泥自身的燃烧热值高，可以自燃并利用燃烧热量发电时，可与城市垃圾混合焚烧并利用燃烧热量发电。污泥的燃烧又分为完全焚烧和不完全焚烧：完全焚烧，是指污泥所含水分被完全蒸发、有机物被完全焚烧，焚烧的最终产物是CO2，H2O，N2等气体及焚烧灰的燃烧现象；不完全焚烧（湿式燃烧），是经浓缩后的污泥（含水率约96%），在液态下加温加压、并压入压缩空气，使有机物被氧化去除，从而改变污泥结构与成分，脱水性能大大提高。 1.2 污泥的处理处置1.2.1 污泥无害化技术污泥中含有大量的微生物、病原菌和寄生虫卵等，如果直接排放必然给环境造成二次污染，所以需要对污泥进行稳定和无害化处理。稳定和无害处理的目的就是降解污泥中的有机物质，进一步减少污泥含水量，杀灭污泥中的细菌、病原体等，消除臭味，这是污泥能否资源化有效利用的关键步骤。当前，有如下一些污泥稳定和无害化方法：（1）生物处理技术17。生物处理的本质是利用微生物的新陈代谢作用，对污染物质进行转化和稳定，使之无害化的过程。根据代谢过程中微生物对氧的需求情况，又可分为好氧消化和厌氧消化。好氧消化是微生物通过其细胞原生质的内源或自身氧化取得能量的一种方法，在此过程中，细胞物质中可生物降解的组分被氧化为二氧化碳、水和氨，氨被进一步氧化为硝酸盐。但好氧消化需添加曝气设备，能耗大，因此一般只用于小型污水处理厂。厌氧消化即污泥中的有机物质在无氧的条件下被厌氧菌群最终分解成甲烷和二氧化碳的过程，它是目前国际上最为常用的污泥生物处理方法，同时也是大型污水处理厂最为经济的污泥处理方法。（2）石灰稳定技术18。该技术始于50年代，在投加石灰的条件下，保持很高的pH值及一定时间，可以杀灭传染病菌，并防腐与抑制臭气的产生。虽然该技术操作简单、成本也比较低，但污泥的最终处置一般只能农用或卫生填埋。（3）污泥的湿式氧化（Wet Air Oxidation，简称WAO）技术14：是在高温（125320）和高压（0.5-20MPa）条件下，以空气中的氧气为氧化剂（或臭氧、过氧化氢）在液相中将有机污染物氧化为CO2和水等无机物或小分子有机物的化学过程。这种方法需要很高的温度，而且设备复杂，运行和维护费用高，不便于推广。（4）超临界水氧化（Supercritical Water Oxidation，简称SCWO）技术14：是在水的温度和压力均高于其临界温度TC（374.3）和临界压力PC（22.05MP）时，以超临界水作为反应介质与溶解于其中的有机物发生强烈的氧化反应，使有机物最后被氧化成无毒小分子化合物的过程。超临界水能与空气、氧气和有机物以任意比混溶形成均一相，即汽液的相界面消失，也就是消除了相间的传质阻力，反应速度不再受氧的传质控制。超临界水氧化技术虽然效率高、处理彻底、反应速度快、反应容器小、无二次污染，但是它的反应条件要求苛刻（高温、高压），投资大，且反应机理、反应动力学等还有待深入研究。（5）污泥焚烧14：可最大限度地达到减量的目的，而且可以破坏全部有机质，杀死一切病原体。但焚烧后产生的灰份还得进一步处理，焚烧过程中产生的烟气还会造成二次污染，并且污泥焚烧处理成本昂贵。欧洲一些国家常采用这种方法。（6）污泥熔化技术14：是为了避免污泥焚烧过程中存在的二次污染开发出来的新技术，该技术使污泥于焚烧灰熔点温度（通常为1300-1800）之上燃烧，不仅可完全分解污泥中的有机物、杀灭病菌，同时所形成的熔渣密度比焚烧灰的高2/3，达到了灰渣大幅度减容的效果。污泥中的重金属因被固定在玻璃态的熔渣中而不具有熔出的活性，所以污泥熔化后的熔渣可用作建材。尽管该技术有诸多优点，但其操作温度高、一次性投资大且运行成本高于焚烧法。1.2.2 污泥资源化技术污泥资源化是一个非常热门的研究领域，国内外均有这方面的报道，比如：（1）污泥用于林业地和城市园林绿化地的建设13。随着城市建设的不断加速，污泥作为有机肥料用于林业地、城市园林绿化地等方面越来越多。污泥中含有大量的有机物和营养物质，但同时也存在大量的重金属离子、难降解有机污染物以及病原菌等，因此，污泥在使用前一般都要经过预处理，降低二次污染的风险。（2）污泥低温制油技术14：属于热分解制油的一种，即在300-500、常压（或高压）和缺氧条件下，借助污泥中所含的硅酸铝和重金属（尤其是铜）的催化作用将污泥中的脂类和蛋白质转变成碳氢化合物，最终产物是油、碳、非冷凝气体和反应水。英、美、日等国家主要研究的是热化学液化法，即在300、10MPa左右的条件下对脱水污泥进行热化学液化，使污泥反应成油状物。德国和加拿大以热分解油化法为主，即把干燥的污泥在无氧条件下加热到300-500，使之干馏气化，再将气体冷却转换成油状物。（3）污泥制活性炭技术14：污泥中含有较多的碳，具备制备活性炭的客观条件。对污泥进行炭化后再活化是制备活性炭的主要途径。但由于污泥的含炭量比其他制活性炭的原料含炭量低，所以污泥活性炭的质量不及商品活性炭。另外，由于污泥活性炭中的重金属可能丢失，所以这些活性炭仅限于简单的废水处理和气体净化，其应用场合有限。（4）污泥制陶瓷技术14：同济大学王中平和徐基斑开展了以苏州河底污泥替代普通粘土烧制陶粒的研究，经高温焙烧后苏州河底泥中的重金属污染物被固熔于陶粒中，在普通水中浸泡1周无任何析出，不会对环境造成新的污染。华南某轻质陶粒制品厂采用城市污水厂污泥替代河道淤泥或部分粘土烧制陶粒已应用于实际生产，处理污泥量已达300t/d。污泥制陶技术应该注意和需改善的主要问题是，当污泥中含有大量的重金属时要注意窑炉的烟气治理与控制，以及产品重金属浸出性能的监控。（5）蚯蚓处理污泥：波兰的一些化工厂利用蚯蚓处理污泥，得到了一种无气味的、象腐殖质的、含有高营养值的产品。研究表明，蚯蚓能破坏污泥的含脂块状结构，生成一种适于作植物生长培养基的蚯蚓肥料15。（6）其他用途比如用作吸附剂，还可以通过污泥的裂解制成可燃气、焦油、苯酚、丙酮、甲醇等化工原料，还包括用于建筑材料、制备合成燃料、制备微生物肥料、用作土壤改良剂等18。1.2.3 污泥减量化技术污泥减量化技术是指将污泥（具有生命的有机物）作为内能源，将其消灭在废水处理系统中，从而根本上减少污泥的体积。（1）臭氧污泥减量化技术9：是在普通活性污泥法处理工艺中增设臭氧氧化槽，回流污泥在臭氧氧化槽中，由于臭氧的作用使其液化，污泥量减少。液化物返回到曝气池成为微生物的基质，一部分矿化，整个处理系统剩余量得到削减，甚至无剩余活性污泥排出。（2）生物污泥减量化技术9：是利用嗜热性细菌或微型动物（原生动物，后生动物）来减少剩余活性污泥量。由于嗜热菌能分泌胞外酶，使一部分污泥液化，一部分无机化。污泥的可溶化率一般在30%35%，无机化率在20%25%，控制合适的可溶化率和无机化率，可以实现无剩余活性污泥排放。（3）膜分离减量化技术9：是利用膜的过滤作用，代替二沉池进行固液分离。由于膜截留了所有的微生物，实现了水力停留时间与污泥泥龄的分离，从而使生物反应器中的污泥浓度高出常规活性污泥法的10倍以上，污泥有机负荷很低而泥龄极长（理论上可以达到无限长）。污泥负荷降低，使剩余活性污泥的产量大大减少，如果剩余活性污泥量减少到其浓度相当于处理水悬浮固体（SS）允许的排放标准，就可以不需要单独进行污泥处理，实现污泥的零排放。与之相对应的，人们开发出了膜生物反应器，但这种技术污泥处理量有限，只能用于小型污水处理厂。另外，膜的堵塞和膜材料价格也是制约该技术的难题19。1.3 污泥的厌氧消化1.3.1 污泥厌氧消化工艺厌氧消化工艺种类很多。按消化污泥的温度的不同可分为中温消化(3036)和高温消化(5053)两种形式10。按运行方式可分为一级消化和二级消化。一级消化，即在一个消化装置内完成消化的全过程，二级消化，即将消化池一分为二，污泥先在第一级消化池中（设有加温、搅拌和沼气收集装置）进行消化，经过712天旺盛的消化反应后，排出的污泥送入第二级消化池利用余热继续消化；二级消化池中不设加温和搅拌装置，依靠来自一级消化池污泥的余热继续消化，消化温度2026，产气量约占总产气量的20，由于不搅拌，二级消化池兼有浓缩功能。按消化池的效率不同还可分为常规消化和高效消化。常规消化的负荷小于0.9kg/(m3d)，处理系统间歇运行，消化时间一般在3060天；高效消化池的负荷达5.3kg/(m3d)，处理系统可间歇也可以连续运行。两相消化。两相消化即按厌氧消化的原理，使消化过程的两个阶段分别在两个消化池内进行，即水解和酸化阶段在一个池中进行，甲烷转化阶段在另一个池中进行。这一过程己在中试规模上得到验证，亦用于大规模污水处理厂的污泥消化。两相消化过程可以减少消化池的总体积，但基建费用和操作费用会有所增加。1.3.2 污泥厌氧消化的优势归纳起来厌氧消化有以下优势20：（1）反应器效能高、可以减少动力消耗、节约能源、减少处理成本；（2）有机物被厌氧消化分解，可使污泥稳定化、不易腐败，消化完全时，可以消除恶臭；（3）可杀灭大部分病原菌或蛔虫卵，使污泥无害化；（4）随着污泥的稳定化，将产生大量高热值的沼气，作为能源利用，使污泥资源化；（5）污泥经厌氧消化使最终需要处置的污泥体积减少40%50%；（6）消化污泥容易脱水，污泥经消化后，其中的部分有机氮转化成了氨氮，提高了污泥的肥效，适于改良土壤。1.3.3 污泥厌氧消化存在的问题目前，在我国应用最广泛的厌氧消化技术是中温厌氧消化技术，污泥中温厌氧消化工艺作为一种传统的处理工艺存在着一些问题。由于污泥固体属于难生物降解物质，因此厌氧消化停留时间长，一般2030天的停留时间才能达到中等程度的降解，去除3050的挥发性固体(VSS)21；污泥在消化池内停留时间过长，造成池体体积庞大，操作管理复杂、产气中甲烷含量低等。国内许多大型污水处理厂一般均建有污泥消化池，但真正能够正常运行使用的却不多。Nokie 等22研究表明：厌氧消化的速率取决于污泥中基质的种类。废活性污泥的降解速率一般都很低，并且认为厌氧消化过程的限速步骤是水解反应23。主要原因是污泥中大多数有机物存在于微生物细胞内，微生物细胞的细胞壁是一个稳定的半刚性结构，起着保护细胞的作用。细胞壁属于生物难降解惰性物质，细胞壁水解较为困难，导致污泥厌氧消化过程需要较长的时间。1.4 厌氧反应器的研究进展1.4.1 厌氧反应器的发展历程厌氧生物处理技术已经有了100多年的历史，而该技术的反应器主体经历了三个时代。第一代厌氧反应器：1860年法国工程师Mouras就采用厌氧方法处理废水中经沉淀的固体物质。1896年英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，所产生的沼气用于照明24。1904年德国的Imhoff将其发展成为Imhoff双层沉淀池(即腐化池)，这一工艺至今仍然在有效地利用25。在1910年至1950年，高效的、可加温和搅拌的消化池得到了发展，其比腐化池有明显的优势。Schroepfer在20世纪50年代开发了厌氧接触反应器。这种反应器是在出水沉淀池中增设了污泥回流装置，增大了厌氧反应器中的污泥浓度，处理负荷和效率显著提高。上述反应器被称为第一代厌氧反应器。由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，而厌氧消化池无法将水力停留时间和污泥停留时间分离，由此造成水力停留时间必须较长，一般来讲第一代厌氧反应器处理废水的停留时间至少需要2030天26。第二代厌氧反应器：高效厌氧处理系统必须满足以下两个条件：(1)系统内能够保持大量的活性厌氧污泥。(2)反应器进水应与污泥保持良好的接触。依据这一原则，20世纪60年代末，Mccarty和Young推出了第一个基于微生物固定化原理的高速厌氧反应器厌氧滤池。它的成功之处在于在反应器中加入固体填料(如沙砾等)，微生物由于附着生长在填料的表面，免于水力冲刷而得到保留，巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离，其固体停留时间可以长达上百天，这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。在相同的温度下，厌氧滤池的负荷高出厌氧接触工艺23倍，同时有很高的COD去除率，而且反应器内易于培养出适应有毒物质的厌氧污泥。1972年，厌氧滤池首次较大规模地应用于小麦淀粉废水处理。1974年，荷兰Wagningen农业大学的Lettinga教授领导的研究小组研究和开发了UASB反应器技术，其最大特点是反应器内颗粒污泥保证了高浓度的厌氧污泥，标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。1980年，Switzenbaum和Jewell推出厌氧固定膜膨胀床反应器，此外还有厌氧生物转盘和厌氧垂直折流式反应器等陆续问世。为了进一步提高厌氧反应器的处理效果，1984年由加拿大学者Guiot等人提出了上流式厌氧污泥床和上流式厌氧滤池结合型的新工艺，即上流式厌氧污泥床过滤器工艺。后人将上述几种反应器统称为第二代厌氧反应器。第二代厌氧反应器的典型代表有：厌氧滤池(AF)，上流式厌氧污泥床(UASB)，下行式固定膜反应器(DSFF)，厌氧附着膜膨胀床反应器(AAFEB)，厌氧流化床(AFB)。在已开发的高效厌氧反应器中，UASB反应器是一种研究最为深入、应用最为广泛的厌氧反应器，己大量成功地应用于各种废水的处理。UASB反应器内有机负荷高，水力停留时间短，处理周期大为缩短；反应器无填料，无污泥回流置，无搅拌装置，成本和运行费用大大降低；初次动后可直接以污泥颗粒接种，目前已成为应用最泛的厌氧处理方法。但反应器内可能出现短流现象，影响处理能力；当进水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。对于这些情况，无疑传统高效UASB系统的设计需要很大的改进，正是对于这些困难问题的研究，导致产生了第三代高效厌氧反应器的开发和利用。第三代厌氧反应器：高效厌氧处理反应器中不仅要分离污泥停留时间和平均水力停留时间，还应使进水和污泥之间保持充分的接触。第二代厌氧反应器的发展主要基于固体停留时间与水力停留时间的分离而发展产生的一类新型反应器。但是对于进水无法采用高的水力和有机负荷的情况下，例如，在低温条件下采用低负荷工艺时，由于在污泥床内混合强度太低，以致无法抵消短流效应。对于这种情况，第二代反应器的应用负荷和产气率受到限制。为获得高的搅拌强度，而采用高的反应器的设计以获得高的上升流速或采用出水回流。正是为了解决上述问题，20世纪90年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)，内循环反应器(IC)，升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)等为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现。（1）厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)：1976 年荷兰Wageningen农业大学由Letinga 教授领导的研究小组开始研究采用UASB反应器来处理生活污水，在其研究过程发现UASB中污泥与污水之间接触不够充分，Lettinga 等人通过采用较大的高径比，提高液体的上升流速，使颗粒污泥床充分膨胀，这样就可以保证污泥与污水充分混合，减少反应器内的死角，同时也可以使颗粒污泥床中的絮状剩余污泥的积累减少，由此便产生厌氧颗粒污泥膨胀床。Nunez等人研究了中温(35) 条件下处理屠宰废水的情况，其总COD浓度为14404200mg/ L，其中可溶解部分占40 %60 %，不可溶解物质包括悬浮物和胶体。在有机负荷15kgCOD/ m3d，HRT为5h的运行条件下，COD去除率达到67 %，总悬浮固体去除率为90 %，脂类去除率为85 %，在颗粒污泥上没有脂类物质的积累27 。（2）厌氧内循环(IC)：内循环厌氧反应器于20世纪80年代中期由荷兰PAQUES公司开发成功，并推入国际废水处理工程市场，可用于处理土豆加工、啤酒、柠檬酸等废水。IC反应器是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器而改进的新型反应器，实际上相当于两个UASB反应器的单元相互重叠而成。它分为两部分，底部为极端的高负荷；上部为低负荷。此反应器由混合部分、膨胀床部分、精处理部分和回流部分组成。全球已建成的IC厌氧反应器大部分用于处理啤酒废水。我国于1996年引进IC技术以来，到目前已有多家国内啤酒厂采用了该技术，上海富士达啤酒厂采用容积400m3，高为20.5m，进水COD为2g/ L；SS为0.10.6g/ L ；pH为410，HRT为2h，容积负荷15kgCOD/m3d，COD去除率在80 %以上28 。在荷兰IC厌氧反应器被选为处理大型啤酒厂废水的工艺。经过一年的运行，这套工艺系统对于总COD的去除率为80%，可溶性COD的去除率为93.5%。IC系统的平均容积负荷为14 kg/(m3d)。（3）升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)：该工艺是由美荷Biothane系统国际公司所开发的一种新型反应器，它是介于流化床和UASB反应器之间一种反应器。可以在极高的水和气体的上升流速(二者都可达到57m/h)下产生和保持颗粒污泥，所以不用采用载体物质。由于高的液体和气体上升流速造成进水和污泥之间的良好混合状态，因此系统可以采用1530kg/(m3d)的COD负荷，COD去除率为60%95%29。（4）厌氧序批反应器(ASBR)：20世纪90年代，美国Dague等人将好氧生物处理的SBR工艺用于厌氧生物处理，开发了厌氧序批式活性污泥法(ASBR)。ASBR工艺目前仍处于试验阶段，其特殊的间歇操作方式在理论上能够获得比连续进水的普通厌氧活性污泥法更高效的生物絮凝(甚至颗粒化)和固液分离效果。ASBR具有固液分离效果好，出水澄清；运行操作灵活，处理效果稳定；工艺简单，占地面积少；建设费用低，耐冲击负荷，适应性强；温度影响小，适应范围广；污泥性能好，处理能力强特点。ASBR反应器能够在565范围内有效操作，尤其是能够在低温和常温(525)下处理低浓度(COD90%。（5）折流式厌氧反应器(ABR)：ABR(Anaerobic Baffled reactor)反应器是由美国Stanford大学的McCarty等人于20世纪80年代初在厌氧生物转盘反应器的基础上改进开发的。ABR反应器是在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板，反应器被分格成几个串联的反应室，每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床(Upflow SlugeBed，USB)，折板引导水流上下流动通过整个反应器，废水中的有机基质通过与微生物充分的接触而得到去除。由于废水流动和沼气上升的作用，反应室中的污泥上下运动，但是由于污泥自身的沉降性能和折板的阻挡，污泥在水平方向的流速很慢，反应器在整体上接近推流式工艺30 。（6）厌氧迁移式污泥床反应器(AMBR)：美国爱荷华州大学Dague和Angenent 教授于1995年在研究UASB和ASBR两种反应器的基础上开发了一种新型厌氧工艺厌氧迁移式污泥床反应器。AMBR的结构形式多样，AMBR的结构类似与ABR。AMBR工艺类似ABR工艺，在每个格室里增加了机械搅拌，通过周期性改变进出水的方向来保持大量的污泥，使每个上流式污泥床保持一致，AMBR 处理工艺在15和20时处理脱脂干牛奶，水力停留时间412h，有机负荷为1.03.0kgCOD/ m3d，在更高COD负荷，在15时COD的去除率为59%；在20时，COD负荷为1.02.0kgCOD/ m3d，COD的去除率为8095%31 。（7）上流式分段污泥床：上流式分段污泥床反应器是在UASB反应器的基础上发展而来的，与UASB反应器相比，它是在反应器内竖向增加了多层斜板代替UASB装置中的三相分离器，使整个反应器被分割成多个反应区间，每个反应区间的产气分别经水封后逸出，相当于多个UASB反应器串联而成。荷兰Van Li