厌氧消化是一个多级生化过程，在这个过程中各种不同类型的有机物得以稳定。消化分三个阶段进行(Zehnder,1978)。% K9 D% o- y; t) L8 G
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在第一阶段，复杂的固态有机物如纤维素、蛋白质、木质素和油脂在胞外酶(细胞外起作用的酶)的作用下，分解成榕解性(液态)有机脂肪酸、酒精、二氧化碳和氨。进入消化池的复杂有机物包括初沉污泥、污水处理过程好氧段增殖的微生物以及肢体物质。2 T/ F2 F/ K& n- R+ l
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第二阶段，微生物(通常指产乙酸菌或产酸菌)将第一阶段的产物转化为乙酸、丙酸、氢、二氧化碳和其他低分子量有机酸。9 Z4 Z Q5 U k( M) D' Y. i+ {
! \3 K: V) a5 J/ A8 s/ k第三阶段通过两种不同类型的产甲烧菌作用，一类将氢和二氧化碳转化成甲烧，另一类将乙酸转化成甲烧和碳酸氢盐(溶解态二氧化碳）。1 e2 m. J, @: |, |* r2 T
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由于这两类产甲烧菌均是厌氧菌，故消化过程中要注意消化池的密封以防止氧气进入。
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厌氧消化三阶段示意图如图。2 m& A/ I! ^/ z9 x
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大多数情况下，产甲烧菌控制厌氧消化过程。产甲烧菌对环境因素极为敏感(商氨浓度、低磷被度、低pH、温度、有毒物质的存在），并且增殖速度非常缓慢。因此产甲烧菌难以生长，易受抑制。所以传统厌氧消化工艺的设计和运行都要以满足产甲炕菌的需要为前提。1 _! x& U8 E3 ~2 T' n# {# H: T( ]
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1、传统中温厌氧消化3 T7 c U! i$ w7 ]- U( ?4 d1 G/ N/ X3 G
3 S. O6 y+ ?1 w9 i. j) n I目前应用的厌氧消化系统多为传统中温厌氧消化池，系统中各个阶段的生化反应过程均在同二反应池中进行，并在中温32-38℃（90-100°F)下运行。传统消化池可分为低效消化池(无搅拌)和高效消化池，后者增加了搅拌和加热，从而整个消化池内条件均一，比低效消化池停留时间更短，运行更稳定。因此，市政消化系统多采用高效消化池。
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厌氧消化通过减少挥发性固体(VS)量而稳定固体物质，减量通常为40-60%。挥发性固体减少量(VSR)可基于消化池进出料的质量计算得到，计算公式见下式。
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VSR，%=(VS进料 - VS消化污泥) / VS进料 ×1009 @, n) ? [ v7 r. Z
2 I7 k, E% z. K4 p
美国环境保护局(U.S.EPA)的出版物《污水、污泥中病原体及其传播媒介的控制》( E! C# O) Z4 b
$ G& F- m4 G% {4 S- b# ]. ?(1999)中提出并讨论了几种计算VSR的方法，包括近似质量平衡(AMB)法和VanKleeck公式。AMB法假定每天消化池的进料量一定，成分一致且池内污泥呈完全混合，计算公式见下式：; |) \8 [6 B a5 J
5 p5 L# X9 n- O8 \; E8 z* u2 r
VSR，%= (Q进料*VS进料 - Q消化污泥*VS消化污泥) / Q进料*VS进料 ×100/ a, e' D4 N/ h* g* h( q& K0 K
2 B* z1 d$ g0 Z+ B1 ~
式中：Q进料一进料污泥体和、流量；
+ S3 a; e7 B3 A( HQ消化污泥一消化、污泥体和、流量；: M% [6 { n' g2 x$ x
VS进料一进料污泥挥发性固体浓度；
/ W% Y# ^/ E. hVS消化污泥一消化污泥挥发性固体浓度。8 c; w5 \3 p# G/ h& M3 y. r
& G9 |% @) G- _* s- A) l. H+ RVanKleeck法适用于消化池内无明显砂石累积的情况，计算公式见下式。除了计算的VSR，式中其他值均表示挥发性固体含量。7 Z! q( f* l% o" f7 A# A) s
3 P5 _. p7 f7 y5 s; T% Z/ x
VSR，%= (VS进料 - VS消化污泥) / (VS进料 - VS消化污泥*VS进料) ×100
' _; K p- d. X" K+ X9 Y5 R
' x4 L$ _- K0 k; C @+ a: s, e消化池的大小要保证有足够的停留时间以稳定有机物。通常高效消化池的平均固体停留时间(SRT)为15-20d，欧洲的设计中常采用略短的停留时间(12d左右）。固体停留时间根据消化池中的固体量和每天从消化池中排出的固体量计算得到。水力停留时间(HRT)根据消化池容积和每天从消化池中排出的污泥量计算得到。对于无分离装置的消化池，其SRT和HRT数值相同。
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2、高效消化工艺
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高效消化工艺基于改进传统消化装置从而实现更彻底地消化，减少病原体以及优化工艺运行。几乎所有报道过的高效消化工艺都比传统中温消化取得了更佳的挥发性团体减少量(Schafer等，2002），从而增加了脱水循环流中可溶性营养元素(氨氮和磷)的含量，进而增加了污水处理系统中的营养元素负荷。' F+ k2 ^1 {: V( ~- p5 C
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2.1产酸/产沼气消化
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/ A- e* u- j' q) l) U# \0 [产酸/产沼气消化，又称两相消化，分别在两个反应系统中进行，为产酸菌和产申烧菌提供独立环境，从而各自可以发挥最优效果。从而各自可以发挥最优效果。第一阶段，基质水解产生挥发性脂肪酸(VFAs），在第二阶段VFAs进一步转化为甲烧和二氧化碳。通常产酸阶段的SRT控制在1.5-2d，而产甲烧阶段的最小SRT为10-15d。产酸/产甲烧系统已被用于处理“难于消化”固体，包括全部剩余活性污泥(WAS)或大部分无泡沫的剩余活性污泥。' P5 p$ o6 ?. r7 c3 {& [
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2.2高温消化
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高温消化是在高温［>=55℃(131°F）］下进行的消化过程，包括一个或多个阶段。高温消化的主要目的是杀灭更多的病原微生物，但该过程同时也能增加挥发性固体的去除率并减少所需的停留时间。高温消化能影响消化污泥的气味特性，导致脱水过程和泥饼装载过程的臭味增加。高温消化也可能影响消化污泥的脱水性能，但报道结果存在差异。一些报道称高温消化中使用较高剂量的聚合物，但另一些报道则称聚合物用量减少，7 f& ?3 w' P$ \- Y5 k
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而泥饼固体含量增加(Haug等，2002）。由于加热到高温消化的温度比中温消化需要更多的能量，因此高温消化过程的热回收至关重要。可以使用热交换器将高温消化池释放出的热量对消化池进料进行预热。
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3、多级消化; Q' p. t: ?' y) g; V2 e
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多级消化包括中温和高温消化的各种组合。温度分段厌氧消化(TPAD)由至少一个高温段和后续中温“深度消化段”组成。TPAD的目的是充分利用高温消化的优势(病原菌去除率高和污泥诚量更多），同时联合高温消化后续的中温阶段可以减少高温消化所带来的臭味并减缓脱水性能不好等问题。一些多级消化工艺也包括利用高温消化的产酸或产甲皖段进行产酸／产甲烧，其中一些工艺已经申请了专利，如得利满Infilco公司(美国弗吉尼亚州里士满市)的2PAD工艺和Monsal(英国）的酶水解工艺。* V5 z/ Z# v5 q0 I- p' l3 _! n$ L9 N
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4、厌氧消化的预处理工艺( z& M; [2 Z: ~3 N
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预处理是“附加”在传统厌氧消化之前的处理过程，目的是提高消化池性能、提高挥发性固体减量率、杀灭病原微生物以减少污泥上浮可能。典型的预处理有利用超声波、热、压力等不同形式的能量，或是这些能量的组合。很多预处理工艺都拥有专利。
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; d. {4 l' y3 j \4 E0 R4.1超声波预处理
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超声波处理(超声波降解)对进入厌氧消化池前的剩余污泥进行调理以提高消化效果，提高挥发性团体减量率以及减少消化池污泥上浮。通过安装在消化池进料前的一系列随声波探头实现剩余活性污泥超声波预处理。产生的题声波形成“空穴”，产生的微气泡破裂后释放出能量，从而破坏剩余活性污泥中微生物的细胞结构。超声波降解法可用于处理所有的剩余活性污泥或仅处理其中的一部分。, T) c" `9 t! a- T2 {* m
) X7 B; T# u" a9 K/ c$ t% U, @4.2热解预处理
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% I) @. g8 t" J热解是通过在一定压力下短时间内力热原污泥以杀死更多的病原微生物，改善污泥
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5 _6 f1 `6 T! Z* H, B特性以更好地进行后续消化6热解预处理通过释放结合在污泥细胞中的结合水，以提高消化污泥的脱水性能。热解工艺机理复杂，并会产生有臭味的尾气。热解工艺的设计温度为150-220℃(302-428°F），压力为1380kPa(200psi)左右，反应时间为20-30min。根据系统的具体情况，很多热处理工艺可用于浓缩后或脱水后的污泥。2 Q- f* C* ]% N2 `* n' O
) b6 h% W- H! W+ P! x( W在污泥进入消化池之前，热解过程一般通过热交换器对污泥进行预热。往消化池内通入蒸汽以维持消化池内温度和增加压力。个批次的反应完成后，污泥诫压并泵送到热交换器降温后进行中温消化。一种热解工艺Czmbi系统(挪威）的原理阁，如图。
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温式空气氧化是热解的一种，在污泥加热和反应前通入氧气(以空气或纯氧的形式）。可通过几种专利技术实现湿式空气氧化，如西门子公司开发的Zirnpro®湿式氧化技术（美国宾夕法尼亚州沃伦代尔市）。0 M$ [% Y: i" Z6 e
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4.3巴氏杀菌法1 M5 [$ Q8 d' [
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巴氏杀菌法是将污泥加热到70℃(158°F)或更高温度(通常间歇’或连续活塞流操作模式下至少加热30min)以杀死病原菌，整个过程不一定影响污泥的消化性能。一般利用多级热交换器对进料污泥进行预热，并回收处理后污泥的热量。热交换器达到目标温度的能力受进料污泥固体浓度的影响。目前有许多巴氏杀菌系统的专利技术，包括Alpha-Biotherm,BioPasteur,Roediger。和Eco白ierrn。% s+ n2 G7 w& u% c0 f0 c! y
# Z) Q; `# {7 z _/ `4.4匀化2 y& }4 ?/ d3 w$ _
. S K) n& |. ]6 M7 W匀化是一个多级过程，对消化前的剩余活性污泥进行调质。在这个过程中，剩余活性污泥中的细胞壁被溶解，从而提高厌氧消化过程中的VSR值。MicroSludgeTM开发的一种匀化工艺就是利用苛性碱溶液，使剩余活性污泥中的细胞壁变薄，并降低浓缩剩余活性污泥的蒙古性。将匀化处理后的剩余活性污泥过筛去除较大的残渣后进入高压均化器，随着压力的骤降使细胞熔解。, h* ^) |9 |8 m
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