10.4 厌氧治疗

厌氧消化 (AD) 长期以来一直被用于稳定和减少污泥质量过程，主要原因是操作简单，成本相对较低，以及生产沼气作为潜在能源。 厌氧消化的一般化学计量表示可以描述如下：

美元人民币 +（正一个/4 个/2 个）\ cdot 高速度（2 个/2 个/8 个/4 个）\ cdot 二氧化碳 +（2 个/8 个/4 个）\ cdot CH4 美元（10.4 个）

公式 10.4 沼气总体质量平衡 (马尔查伊姆 1992 年).

理论甲烷浓度可计算如下：

[瑞士 4] = 0.5 美元以上 (4 个国家/地区)/2 个国家元 (10.5 个国家)

公式 10.5 沼气中的理论预期甲烷浓度 (马尔查伊姆 1992 年).

AD 的最终产品主要是无机材料（例如矿物）、稍微降解的有机化合物和沼气，通常由\ > 55% 的甲烷 (CHSuB4/Sub) 和二氧化碳 (COSub2/Sub) 组成，只有少量的硫化氢 (\ 1%) 和总氨氮 (nHSub3/次级支助机构 +/上级/国家卫生保健方案 (上诉等人，2008 年)。

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** 图 10.4** 基于 Garcia 等人的有机物厌氧降解示意图（2000 年）

在 AD 过程中，有机污泥的物理、化学和生物特性发生了很大的变化，并且在示意上可以分为四个阶段（图 10.4）。 第一阶段是水解，其中复杂的有机物，如脂质、多糖、蛋白质和核酸降解成可溶性有机物质（糖、氨基酸和脂肪酸）。 这一步一般被认为是限价（德布莱因和施泰因豪瑟 2010 年）。 在第二阶段，第一步形成的单体进一步分裂，挥发性脂肪酸（VFA）是由酸性（发酵）细菌以及氨、COSuB2/Sub、HSub2/Subs 和其他副产物产生的。 第三步是乙酸发生，其中 VFA 和醇被乙原进一步消化，主要产生乙酸以及 COSuB2/Sub 和 HSuB2/Sub。 这种转化在很大程度上受到混合物中 HSub2/Sub 的部分压力的控制。 最后一步是甲烷发生，甲烷主要由两组甲烷产生：乙营养古细菌（将乙酸分成甲烷和 COSub2/Sub）和氢遗传性古菌，后者使用氢作为电子供体，二氧化碳作为电子受体，产生甲烷（Appels及其他人，2008 年。

污泥 pH 值、盐度、矿物成分、温度、装载速度、液压保持时间 (HRT)、碳氮 (C/N) 比和挥发性脂肪酸含量等各种因素影响了污泥的消化性和沼气生产（Khalid 等人，2011 年）。

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** 图 10.5** 上流厌氧污泥毯式反应堆 (UASB) 的方案

RAS 的厌氧污泥处理开始大约 30 年前，有关淡水 RAS 污泥的报告（拉纳里和弗朗西，1998 年），随后是关于海洋的报告（阿尔比夫和范赖恩 1995 年；克拉斯等人，2006 年；麦克德莫特等人，2001 年）和咸水作业（格鲍尔和艾克布罗克布罗克，2006 年；米尔和 2008 年）。 最近，有人建议在 RAS 污泥中使用 UASB（图 10.5），然后生产沼气作为替代能源（Mirzoyan 等人，2010 年）。 反应堆由一个罐体制成，其中一部分装满了含有活性微生物物种的厌氧颗粒污泥毯。 污泥通过一个 “微生物垫” 向上流动，由厌氧微生物降解，产生沼气。 消化器顶部的倒锥沉淀器可以实现气液分离。 当沼气从浮石中释放时，由要收集的导流体定向到锥体。 反应器中混合缓慢的原因是向上流动加上附着在沼气气泡上的微生物絮凝体的自然移动。 在某些时候，浮液会离开气泡并沉降，从而使污水不受 TSS 的影响，然后再循环回收到系统或释放。 UASB 的主要优势是运营成本低，操作简单，同时为低 (1— 3%) TSS 含量的废物提供高 (\ > 92%) 的固体效率（Marchaim 1992；Yogev 等人，2017 年）。

最近的两项案例研究表明，UASB 用作中试规模海洋和盐水 RAS 固体物质的处理，提供了一个例子，说明了该单元在水生学中的潜在优势（Tal 等人，2009 年；Yogev 等人，2017 年）。 对碳平衡的详细研究表明，大约 50% 的引入碳（来自饲料）通过鱼类同化和呼吸去除，10% 通过硝化生物反应器中的有氧生物降解去除，10% 在脱硝反应器中被去除（Yogev 等人，2017 年）。 因此，在 UASB 反应堆中，总体上约有 25% 的碳被引入，其中 12.5% 转化为甲烷，7.5% 转化为 COSub2/Sub，其余 (\ ~ 5%) 仍为不可降解的碳。 总之，结果表明，使用 UASB 可以实现更好的水循环（\ > 99%），与典型的 RAS 相比，污泥产量更小（\ 8%），而且能源回收占 RAS 总能量需求的 12%。 应当指出的是，在水生物中使用 UASB 还可以显著回收多达 50% 的营养物质，例如氮、磷和钾，因为它们由于固体生物降解而释放到水中（Goddek 等人，2018 年）。

厌氧膜生物反应器 (AnmBR) 是一种更先进的技术。 主要工艺包括使用特殊的膜将固体从液体中分离出来，而不是像 UASB 那样使用滗水工艺。 污泥发酵发生在一个简单的厌氧罐中，污水通过膜离开。 根据膜孔径大小（降至 0.1—0.5 μm），甚至可以保留微生物。 膜生物反应器设计有两种：一种是在罐外使用侧流模式，另一种是将膜装置浸入罐中（图 10.6），后者由于其更紧凑的结构和更低的能耗，在 ANMBR 应用中更有利（Chang 2014）。 陶瓷或聚合物等不同材料的膜（例如聚氟乙烯（PVDF）、聚乙烯、聚醚磺酮（PES）、聚氯乙烯（PVC））可配置为板和框架、空心纤维或管状单元（Gander 等人，2000 年；黄等人，2010 年）。 与 UASB 等典型生物反应堆相比，ANMBR 具有几个显著的优势，即：（长）污泥保留时间（SRT）和（短）液压停留时间（HRT）去耦，因此可以克服 AD 过程动力学缓慢的问题；其中大多数营养物质仍然存在，除去病原体和少量足迹（贾德和贾德 2008 年）。 此外，在 ANMBR 中高效生产沼气可能会产生净能源平衡。

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** 图 10.6** (a) 带有独立过滤装置的侧流 MBR，将留下的液体回收回生物反应器；(b) 浸没式 MBR：集成在生物反应器中的过滤装置。 (甘德等人, 2000 年)

虽然这项技术值得大量关注和研究，但应该指出，由于它是一种相当新的技术，在水产养殖业采用 ANMBR 之前，仍然有几个重大的缺点需要解决。 这些因素是由于膜维护以防止生物污染、定期更换膜以及沼气中的二氧化碳 (Sub2/Sub2/Sub) 分数高 (30— 50%)，从而限制了其利用并促成温室气体排放 (CUI 等人, 2003 年)。 一个积极的方面是，在不久的将来，将开发新的生物污染预防技术，而随着这种技术的广泛使用，薄膜成本肯定会下降。 为了去除有机碳和氮，已成功地研究了 UASB 与膜反应器相结合以过滤 UASB 的废水（An 等人，2009 年）。 这种组合似乎是一个有希望的选择，可以安全和卫生地使用 UASB 废水。

#10.4.1 实施

实施厌氧反应堆的一个可能解决办法是按顺序进行（另见 [第 8 章]（/社区/物品/第 8 章-解耦-水烟-系统））。 “高 pH 值 — 低 pH 值” 组合允许在第一个高 pH 值阶段收集甲烷（从而减少碳），并在随后的低 pH 值环境中调动脱碳污泥中的养分。 这种方法的优点在于，在高 pH 值条件下，碳还原可以减少 VFA，这可以在低 pH 值第二步中发生（图 10.7）。 这种方法还允许共同消化绿色植物物质 (即从任何收获的植物中，会有废弃的营养物质可以通过这种消化物)，以增加沼气产量和从整个计划中回收养分。

另一种技术集成可能性由 Ayre 等人（2017 年）提出。 他们建议将高 pH 值厌氧消化器的废水排放到藻类养殖池中。 在这个池塘中，藻类生长，其生物量可用于动物 — 水产养殖饲料或生物受精（图 10.8）。 关于这种方法的更详细信息可见 [第 11 章](社区/文章/第 11 章-水世界-系统模型)。

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** 图 10.7** 两级厌氧系统。 在第一阶段（高 pH 值），碳将作为沼气从污泥中去除，而第二阶段的低 pH 值允许被困在污泥中的营养物质在水中溶解。 通常，挥发性脂肪酸 (VFA) 会在低 pH 值环境中形成。 然而，在第一阶段去除碳源，限制了在这种顺序设置中 VFA 的生产

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** 图 10.8** 基于 Ayre 等人的水产养殖和藻类养殖的厌氧消化系统（2017 年）