华夏英才基金学术文库--厌氧生物技术（Ⅱ）：工程与实践

《厌氧生物技术》分为“理论与应用”和“工程与实践”两卷。“理论与应用”卷重点介绍了厌氧微生物和生化反应的理论、反应器流态理论、反应器理论和厌氧反应动力学等基础理论问题，对这些理论的理解有助于加深对颗粒污泥现象、厌氧高效反应器的发展、厌氧分相分级反应器以及碳、氮、硫的(厌氧)生物循环过程的认识。“工程与实践”卷对厌氧技术在工业废水、城市污水和固体废物处理等各个行业的应用进行了概括和总结，从中高浓度废水、低温和低浓度废水、难降解废水、复杂废水和高含硫废水几个方面对各种厌氧反应器的发展和应用进行了详细介绍，通过各个章节穿插的案例逐步对各种新技术、新工艺、新设备和新材料展开介绍，并对厌氧反应器设计的一般要求进行了总结。笔者原本试图将国内外和本人近年来在农业废弃物、能源作物、生物质垃圾等领域的新的探索呈现给读者，但遗憾地发现这些重要的进展显然是这两本书承载不下的，所以只能概括性地总结厌氧技术在这些领域新的发展。但是，厌氧工艺作为环境保护和资源回收的核心技术的基本定位，对当前我国提倡走绿色发展之路、可持续发展之路仍然有十分重大的意义。
从本书的第Ⅰ卷出版，到第Ⅱ卷付梓又过去了六年，自觉十分有愧于读者。笔者主要担心资料是否陈旧和一些历史对读者是否缺乏吸引力，但是，近年来对于我们国家如何实现创新发展重要性的重新认识，对于技术如何实现产业化进程的深入讨论，也是本书的第一批读者们，包括我的合作者和学生们一致认为本书的价值所在，大家认为本书在这些方面的实践和做法有很强的现实指导意义。
我六年前在第Ⅰ卷前言中回顾20世纪70年代末到80年代初厌氧技术的成功发展历程，曾经提出一个问题：厌氧技术为什么是在欧洲(特别是在荷兰)而不是在最先开始其研究的美国获得了成功？
厌氧技术在全世界范围成功应用，得益于荷兰瓦赫宁根（Wageningen）农业大学Lettinga教授发明的UASB反应器，其中厌氧颗粒污泥现象的发现和应用，导致UASB和EGSB反应器在全世界范围持续二三十年的经久不衰；与厌氧技术发展紧密缠绕的含硫酸盐废水是厌氧领域的世界性工程难题，对于高含硫酸盐废水的深入研究推动瓦赫宁根厌氧团队关于硫的生物循环过程新的发现，其中非常重要的、在荷兰水行业承上启下的一个人物登上历史舞台——Cees Buisman在瓦赫宁根攻读博士期间，推翻了当时对硫细菌的认知，成功展示了硫化氢100%地转化成单质硫的可能性，成为他在水技术领域一系列神奇表现的首秀。他的导师是Lettinga教授和代尔夫特（Delft）理工大学微生物系的Kuenen教授(后面要提到的厌氧氨氧化的重要人物)。在生物脱硫的探索之路上，两位大师级的导师功不可没，前者帮助解释在实验中发生的现象和应用前景，后者则提供了微生物生长理论方面的指导。其后，Buisman进入了著名的Paques公司，在Paques工作期间，他领导开发了硫酸盐废水厌氧处理、生物脱硫、天然气生物脱硫和地下水重金属修复等一系列创新性应用，并在商业上获得了巨大成功，深刻地改变了厌氧行业的技术格局。生物脱硫的创新故事到现在仍未完结，让我们有理由期待伴随着水技术创新浪潮，生物脱硫技术在循环经济时代会发挥更大的作用。
本卷的内容除了延续第Ⅰ卷“理论与应用”的内容外，同时有可能让我们回顾本书开始写作的这二十年来一些新兴领域的发展，其中关于对氮素循环的研究是值得浓墨重彩书写的一笔。关于对氮素循环的研究导致一系列脱氮新工艺的产生，使污水脱氮成为环境工程界最活跃的研究领域之一，可以说这一过程是继厌氧UASB之后又一个群星灿烂、争芳斗艳的时代，不过主要舞台从荷兰中部的小城Wageningen转移到荷兰西部的小城Delft。这一阶段脱氮技术不断取得创新发展，从短程硝化-反硝化、同步硝化-反硝化，最终产生了厌氧氨氧化（ANAMMOX）这一污水处理的颠覆性技术。在上世纪90年代，荷兰代尔夫特理工大学的科学家发明了短程反硝化的SHARON工艺。与传统的硝化-反硝化相比，SHARON工艺省去了将NO-2氧化为NO-3的过程,因此耗氧量、能耗与碳源同步得到较大幅度的减少。继SHARON工艺后，荷兰代尔夫特理工大学的Kuenen教授指导其助手Arnold Mulder和van de Graaf开展大量的探索工作，van de Graaf在1992年完全验证了15年前的科学家预言：他们发现厌氧氨氧化菌(Anammox)可以将NO-2作为电子受体,将NH3作为电子供体，反应生成N2。这里值得一提的是，SHARON和ANAMMOX都是由荷兰代尔夫特理工大学的科学家最先报道，之后由Kuenen教授的另一位主要助手Mark van Loosdrecht教授在产业界的协助下建立了全球首座SHARON-ANAMMOX示范工程，在荷兰鹿特丹的Dokhaven污水处理厂处理厌氧消化液。
在人们认为荷兰人已经停止了在水处理行业的创新步伐之时，本世纪初的荷兰代尔夫特Mark团队又给世人一个惊喜，送给水处理行业一个炫目的“大礼包”——好氧颗粒污泥。为什么好氧颗粒污泥在世界上这么受欢迎呢？实践证明，采用好氧颗粒污泥技术进行污水处理，可节省70%的土地，节省30%的能耗。2013年，我到荷兰有幸首次参观了好氧颗粒污泥技术示范工程，其工艺不但具有省地、节能等优点，而且从在线仪表上看其出水水质也非常好，总磷可达到0.09mg/L，总氮可达到7.9mg/L。据管理人员介绍，这还是没有优化的结果，优化之后效果会更好。
事实上，好氧颗粒污泥并不是一个新的发现，从20世纪70年代发现厌氧颗粒污泥后，就不断有培养好氧颗粒污泥的尝试和报道。从2000年至2019年近20年时间，全世界范围内共发表与好氧颗粒污泥有关的文章3000多篇，其中中国就有1000多篇。假设平均一家研究机构可发表10篇论文，则表示有300多家机构在研究好氧颗粒污泥，其中中国至少100家。然而，目前国际上却只有荷兰代尔夫特的Mark团队取得了突破。这又回到了我的第一个问题：为什么颗粒污泥均是由荷兰人率先发现和应用的？
历史的经验值得注意，本书第Ⅰ卷的相关章节总结了30年前厌氧颗粒污泥形成的经验：首先，当时人们就认识到污泥颗粒的形成不仅仅限于产甲烷微生物，与产甲烷菌相类似的一些其他缓慢生长微生物中也可发生颗粒化现象；其次，采用合适的反应器并以正确的方式运行，其他生物处理工艺也能形成颗粒污泥，其中升流式污泥床(USB)反应器结构则更有利于颗粒化过程；再次，就如何使得形成颗粒污泥的微生物在竞争中更具优势，形成了一些指导理论，如冲洗淘汰理论、“Spaghetti”理论以及动力学下的丝状菌微生物竞争理论等。
事实上，好氧颗粒污泥的“丰盛-饥饿”理论验证了上述推论。“丰盛-饥饿”理论具体内容为：首先，采用升流式序批式厌氧进水（反应器），发展厌氧的聚磷菌使缓慢成长的细菌形成一个核心（缓慢生长微生物），其中，厌氧是丰盛阶段，有很多食物，好氧是饥饿阶段；其次是快速沉淀的淘汰方式(微生物竞争理论)，有利于好氧颗粒污泥的成长。
如果说荷兰人发明厌氧颗粒污泥是偶然（此前美国McCarty厌氧滤池也实现了颗粒污泥），厌氧氨氧化颗粒因其天生的荷兰色（橘红色）而眷顾荷兰是学者们的戏谑之说，那么，好氧颗粒污泥诞生在荷兰则是历史的必然——从Lettinga教授提出的厌氧颗粒污泥培养的指导原则到荷兰代尔夫特理工大学Mark教授提出的好氧颗粒污泥“丰盛-饥饿”理论，Lettinga、Kuenen、Arnold Mulder、van de Graaf和Mark的“创新接力”，让我们不得不感叹：科学技术也是有基因和传承的。
上述一系列水处理领域的重大发现和发明，为什么在二十年间集中涌现在荷兰Wageningen和Delft两所大学，这一现象值得我们深思。认真研究一系列厌氧处理技术成功发展的过程，会让我们获得更宽广的视角——这些成功背后，政府、公司和学术界在促进新技术应用过程中如何发挥合力，则更具启发性。是否像Lettinga教授诠释的那样，这一系列成果完全得益于工程人员与微生物学家长期有效的合作? 而从商业运作考虑,为什么众多从事UASB的公司在那个时期止步于UASB的发展而与EGSB的发现失之交臂，而独有Paques公司在第三代厌氧反应器开发上一骑绝尘?我相信，重新审视这一系列重要问题，对于今天仍然有十分重要的意义。
本书涉及有关厌氧生物技术的多个研究领域，介绍了众多新技术，同时也对工业行业废水污染控制提出了解决方案，可作为有关企业、环境工程设计单位、大专院校的研究人员、教师和学生的参考资料。不过，本书介绍的内容仅仅是笔者收集的一些国内外同行的工程实践和笔者个人在环境污染控制领域中的一些探索，很多内容还不成熟，国内同行在参考过程中还需结合实际情况进行分析。
厌氧生物技术涉及众多学科、行业、领域，本书的编写得益于这些学科、行业的国内外专家学者卓有成效的工作，在此谨向我所直接或间接引用过的相关资料的作者表示衷心的感谢。最后，笔者衷心感谢左剑恶、甘海南、贺延龄等众多合作者，正是和他们多年来卓有成效的合作，才促成了本书的成果；感谢我的学生阎中、江翰、胡超、徐恒等对本书做出直接和间接的贡献。
由于本书涉及内容庞杂，而笔者水平有限，书中难免存在不妥之处,敬请批评指正。

编著者
2021年2月

本书介绍厌氧生物技术的工程与实践,和《厌氧生物技术(Ⅰ)——理论与应用》构成一个完整的、有机的体系。
本书对厌氧生物技术在工业废水、城市污水和固体废物等行业中的应用进行了概括和总结，从中高浓度废水、低温和低浓度废水、难降解废水、复杂废水和高含硫废水等方面对三代厌氧反应器的发展和应用进行了详细介绍，分章循序渐进地介绍了厌氧生物处理领域的各种新技术、新工艺、新设备和新材料，并对厌氧反应器设计的一般要求进行了总结。
本书涉及有关厌氧生物技术的多个研究领域，介绍了众多新技术，对工业行业废水污染控制提出了解决方案，可作为有关企业、设计院所、环境工程设计公司、大专院校的师生、科研人员及相关工作者的参考资料。

第1章厌氧生物反应器技术的发展1
1.1厌氧处理工艺类型1
1.1.1厌氧工艺的发展1
1.1.2第一代厌氧消化工艺3
1.1.3第二代厌氧消化工艺4
1.1.4第三代厌氧反应器6
1.1.5厌氧处理工艺的对比7
1.2厌氧消化池和厌氧接触工艺8
1.2.1普通厌氧消化池的工作原理及应用8
1.2.2厌氧接触工艺的原理和应用9
1.2.3城市污水污泥两相消化的理论10
1.2.4厌氧消化工艺的进展13
1.2.5污泥温度分级消化工艺15
1.2.6污泥两相消化稳定性问题研究16
1.3厌氧滤池18
1.3.1厌氧滤池的原理与特点18
1.3.2厌氧滤池的填料20
1.3.3厌氧滤池的运行21
1.3.4厌氧滤池的应用23
1.4升流式厌氧污泥床反应器和厌氧复合床反应器24
1.4.1UASB反应器的开发24
1.4.2UASB反应器的原理25
1.4.3国内外三相分离器的开发情况27
1.4.4厌氧反应器的配水系统29
1.4.5厌氧复合床反应器33
1.5厌氧流化床反应器33
1.5.1厌氧流化床工艺的原理和应用33
1.5.2厌氧流化床的载体36
1.5.3流化床工艺的控制研究37
1.6厌氧膨胀床工艺39
1.6.1厌氧接触膜膨胀床反应器的开发39
1.6.2AAFEB工艺的数学模型研究40
1.7生物膜理论的研究进展42
参考文献44

第2章厌氧处理实验研究方法及其应用47
2.1废水厌氧实验方法47
2.1.1概述47
2.1.2污泥产甲烷活性的测定方法48
2.1.3厌氧生物可降解性的测定52
2.2厌氧回流实验方法53
2.2.1回流实验方法53
2.2.2回流实验的影响因素55
2.3屠宰废水的回流实验56
2.4城市污水的回流实验61
2.4.1厌氧系统的最大去除能力和特定污染物去除能力61
2.4.2EGSB和UASB运行模式的对比62
2.5抗生素类制药废水的厌氧生物可降解性实验62
2.5.1毒性对产甲烷活性的抑制程度62
2.5.2抗生素类制药废水的厌氧降解实验64
2.5.3抗生素类制药废水的厌氧毒性实验66
2.6厌氧污泥性质的测定66
2.6.1反应器内的污泥量和污泥分布曲线66
2.6.2颗粒污泥物理性质的测定方法67
2.6.3污泥稳定性的厌氧测试方法69
参考文献71

第3章第三代厌氧反应器的研究开发与生产应用73
3.1UASB反应器的局限性73
3.1.1处理屠宰废水遇到的技术问题73
3.1.2处理含脂类(或长链脂肪酸)废水遇到的技术问题74
3.1.3处理城市生活污水遇到的技术问题75
3.1.4小结77
3.2EGSB反应器的基本形式77
3.2.1EGSB反应器概述77
3.2.2实验室规模UASB反应器和EGSB反应器的对比77
3.2.3实验室规模的EGSB反应器78
3.2.4EGSB反应器相对于UASB反应器的优点78
3.3EGSB反应器的应用研究80
3.3.1低温和低浓度条件下EGSB反应器的处理能力80
3.3.2EGSB反应器处理中、高浓度污水81
3.3.3EGSB反应器处理含硫酸盐废水82
3.3.4EGSB反应器处理有毒性、难降解废水82
3.3.5Biobed反应器的中试研究83
3.4国内EGSB反应器的实验研究和应用85
3.4.1EGSB反应器的启动运行研究85
3.4.2UASB和EGSB反应器中厌氧颗粒污泥生物学特性的比较87
3.4.3EGSB反应器中颗粒污泥床工作状况及污泥性质的研究88
3.5厌氧Biobed EGSB反应器94
3.5.1厌氧UFB Biobed反应器的发展历程94
3.5.2生产规模UFB Biobed系统的验证98
3.5.3Biobed EGSB反应器的构造和原理99
3.5.4Biobed EGSB反应器的生产性应用101
3.5.5Biobed EGSB反应器处理难生物降解的化工废水105
3.6国内生产规模EGSB反应器的应用107
3.6.1EGSB反应器在我国的应用挑战及应用领域的扩大107
3.6.2EGSB反应器处理淀粉废水的应用举例110
3.7厌氧IC反应器113
3.7.1厌氧IC反应器的早期发展113
3.7.2IC反应器的基本构造与工作原理113
3.7.3IC反应器和UASB反应器的对比114
3.7.4IC反应器的技术创新特点分析116
3.7.5IC反应器的优点117
3.8国外IC反应器的应用情况118
3.8.1IC反应器在食品加工业废水处理中的应用118
3.8.2IC反应器在造纸工业废水处理中的应用120
3.9国内IC反应器的应用情况121
3.9.1IC反应器在国内的实验研究121
3.9.2引进的IC反应器在国内的应用123
3.9.3国内自主开发的IC反应器的生产应用127
参考文献128

第4章厌氧处理技术在中、高浓度工业废水中的应用130
4.1啤酒工业废水的厌氧处理130
4.1.1概述130
4.1.2啤酒废水厌氧处理工艺的发展131
4.1.3啤酒废水不同生物处理工艺的技术经济分析实例研究132
4.1.4不同厌氧生物处理系统的技术经济分析136
4.2IC反应器在啤酒废水处理中的应用139
4.2.1IC反应器应用实例139
4.2.2全新的处理工艺组合——IC反应器与CIRCOX反应器的联用140
4.3UASB和EGSB反应器在淀粉废水处理中的应用144
4.3.1UASB反应器处理淀粉废水144
4.3.2淀粉废水颗粒污泥的培养145
4.3.3厌氧处理淀粉废水的意义147
4.4厌氧处理酒糟废液技术的应用149
4.4.1厌氧处理酒糟废液技术概述149
4.4.2厌氧接触工艺处理酒糟废液的应用案例——南阳酒精厂150
4.4.3UASB工艺处理酒糟废液的应用举例——徐州房亭酒厂151
4.4.4酒糟废液厌氧处理工艺的技术经济分析153
4.4.5UASB反应器处理含高悬浮物废水的技术分析156
4.4.6高温颗粒污泥UASB工艺处理酒糟废水157
参考文献159

第5章复杂与难降解工业废水的厌氧处理161
5.1屠宰废水的厌氧处理161
5.1.1UASB反应器处理屠宰加工废水161
5.1.2屠宰废水间歇式回流实验162
5.1.3两级高效UASB工艺完全处理屠宰废水并结合污泥稳定化164
5.1.4EGSB反应器处理屠宰废水166
5.2脂类废水的厌氧处理167
5.2.1长链脂肪酸对厌氧颗粒污泥的产甲烷毒性研究167
5.2.2含脂类(或长链脂肪酸)废水处理的技术问题169
5.3制浆和造纸工业废水的厌氧处理172
5.3.1概述172
5.3.2造纸废水厌氧处理技术173
5.3.3厌氧技术用于处理制浆造纸废水的实例175
5.3.4IC反应器在造纸工业上的应用178
5.4厌氧处理在造纸废水闭路循环和零排放中的应用179
5.4.1造纸废水的处理和回用180
5.4.2废水闭路循环产生的问题及其厌氧处理技术方案182
5.4.3闭路循环系统的关键技术185
5.5化工废水的厌氧处理188
5.5.1厌氧反应器处理难生物降解的化工废水实例188
5.5.2精对苯二甲酸工业废水的厌氧处理问题192
参考文献197

第6章低温、低浓度废水的厌氧处理200
6.1生活污水厌氧处理研究的重要性200
6.1.1城市污水污染量大面广200
6.1.2城市生活污水研究是厌氧工艺发展的动力200
6.1.3城市污水厌氧处理的展望202
6.2厌氧处理生活污水的研究与应用概况203
6.3在热带地区UASB反应器处理生活污水的应用205
6.3.1热带地区的应用实例205
6.3.2热带地区UASB处理生活污水的示范研究成果208
6.3.3厌氧处理生活污水的技术经济分析212
6.4低温条件下城市污水厌氧处理工艺的开发213
6.4.1低温、低浓度生活污水处理的关键问题213
6.4.2在温和气候条件下厌氧处理生活污水和城市污水216
6.4.3低温、低浓度污水厌氧处理的理论分析218
6.4.4低温、低浓度污水厌氧处理的进展222
6.4.5采用分级厌氧工艺处理低温废水226
参考文献230

第7章高含硫废水的厌氧处理235
7.1高含硫酸盐废水的处理问题235
7.1.1高含硫酸盐废水的厌氧消化235
7.1.2含硫化合物废水的抑制237
7.1.3硫化氢对厌氧微生物的抑制239
7.1.4厌氧工艺的影响241
7.2硫酸盐和硫化氢的去除及控制242
7.2.1物理化学法243
7.2.2生物法244
7.2.3硫酸盐和硫化氢的去除工艺小结246
7.3含硫酸盐废水的厌氧处理247
7.3.1COD/【SO2-4】值的影响247
7.3.2低浓度硫酸盐废水处理系统的启动和污泥颗粒化250
7.4硫酸盐还原反应器253
7.4.1硫酸盐还原反应器的开发思路253
7.4.2硫酸盐还原反应器的运行253
7.4.3硫酸盐还原和产酸反应器中的微生物群落258
参考文献260

第8章厌氧反应系统的设计264
8.1厌氧预处理系统的设计264
8.1.1机械预处理系统264
8.1.2调节系统266
8.1.3pH控制系统267
8.1.4厌氧反应器加热系统269
8.1.5酸化池或两相系统271
8.2厌氧处理反应器系统的设计272
8.2.1厌氧反应器的池体外形和材质选择272
8.2.2厌氧反应器池体的设计273
8.2.3各种类型废水的设计参数276
8.2.4反应器的配水设计278
8.2.5厌氧反应器三相分离装置的设计280
8.2.6厌氧反应器其他材料及装置283
8.3沼气输送、储存、处理和利用系统的设计285
8.3.1沼气的产生和储存286
8.3.2沼气物化脱硫和生物脱硫287
8.3.3沼气提纯289
8.3.4沼气利用实例294
8.4厌氧反应器的标准化设计294
8.4.1钢筋混凝土结构厌氧反应器295
8.4.2厌氧反应器的新型结构材料及制罐技术297
8.4.3圆形反应器的标准化298
8.5厌氧处理系统设计实例299
8.5.1设计条件299
8.5.2预处理系统299
8.5.3UASB反应器系统301
8.5.4沼气利用系统301
8.5.5活性污泥后处理302
8.5.6污泥处理系统302
参考文献303

第9章厌氧处理相关应用领域和问题305
9.1其他厌氧系统中的颗粒污泥现象305
9.1.1其他厌氧反应系统中的污泥颗粒化305
9.1.2硫酸盐还原菌的颗粒化306
9.2好氧颗粒污泥现象309
9.2.1脱氮反应器中的颗粒污泥310
9.2.2好氧SBR反应器中的好氧颗粒污泥312
9.2.3纯氧升流式反应器中的好氧颗粒污泥313
9.2.4好氧颗粒污泥的形成机理315
9.2.5水流剪切力对好氧颗粒污泥的影响318
9.2.6好氧颗粒污泥技术的应用319
9.3多功能颗粒污泥床反应器的研究和开发320
9.3.1生物膜和颗粒污泥320
9.3.2同时厌氧和好氧工艺处理偶氮染料320
9.3.3同时产甲烷和反硝化反应321
9.4生物脱硫脱氮工艺的潜在应用领域326
9.4.1制革废水处理326
9.4.2原油生物脱硫326
9.4.3气提反应器用于矿物生物氧化326
9.4.4含铅电解液的生物处理327
9.4.5贵金属废液的处理和回收328
9.4.6含氮化合物的生物转化332
9.5颗粒结晶反应器333
9.5.1结晶反应器的工作原理333
9.5.2结晶反应器的应用领域334
9.5.3结晶反应器的设计335
9.5.4结晶反应器的应用范围和应用实例337
9.5.5结晶工艺在防止结垢方面的应用341
9.6生物脱硫工艺和硫的回收方法344
9.6.1生物脱硫工艺344
9.6.2生物硫的利用和处置349
9.6.3采用生物处理产生的硫作为土壤肥料350
参考文献351

附录本书常见术语缩写及中英文对照355

索引357