1、各类厌氧工艺性能概述
（1）完全混合厌氧工艺（CSTR）
传统的完全混合厌氧工艺（CSTR）是借助消化池内厌氧活性污泥来净化有机污染物。有机污染物进入池内，经过搅拌与池内原有的厌氧活性污泥充分接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解，使废水中的有机污染物转化为沼气。完全混合厌氧工艺池体体积较大，负荷较低，其污泥停留时间等于水力停留时间，因此不能在反应器内积累起足够浓度的污泥，一般仅用于城市污水厂的剩余好氧污泥以及粪便的厌氧消化处理。
（2）厌氧接触工艺反应器
厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。
（3）厌氧滤器（AF）
厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。
（4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）
待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。
UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上）， 较高的进水容积负荷率，从而大大提高了厌氧反应器单位体积的处理能力。但是对于SS含量很高的污水，由于三相分离器泥、气、水分离能力的限制，不可避免地造成出水中含泥量很高，整个系统的投资费用也较大。
（5）膨胀颗粒污泥床反应器（EGSB）
EGSB是在UASB反应器的结构相似，所不同的是在EGSB反应器中采用相当高的上流速度，因此，在EGSB反应器中颗粒污泥处于完全或部分“膨胀化”的状态，即污泥床的体积由于颗粒之间的平均距离的增加而扩大。为了提高上升速度，EGSB反应器采用较大的高度与直径比和很大的回流比。在高速上升速度和产气的搅拌作用下，废水与颗粒污泥间的接触更充分，因此可允许废水在反应器中有很短的水力停留时间，从而EGSB可以高速地处理浓度较低的有机废水。
（6）升流式厌氧固体反应器（USR）
升流式厌氧固体反应器是一种新型的专用以处理固体物含量较大的反应器，其构造特点是反应器内不设三相分离器和其它构件。含高有机物固体含量（大于5%）的废液由池底配水系统进入，均匀地分布在反应器的底部，然后上升流通过含有高浓度厌氧微生物的固体床。使废液中的有机固体与厌氧微生物充分接触反应，有机固体被液化发酵和厌氧分解，约有60%左右的有机物被转化为沼气。而产生的沼气随水流上升具有搅拌混合作用，促进了固体与微生物的接触。由于重力作用固体床区有自然沉淀作用，比重较大的固体物（包括微生物、未降解的固体和无机固体等）被累积在固体床下部，使反应器内保持较高的固体量和生物量，可使反应器有较长的微生物和固体滞留时间。通过固体床的水流从池顶的出水渠溢流至池外。在出水溢流渠前设置挡渣板，可减少池内SS的流失，在反应器液面会形成一层浮渣层，在长期稳定运行过程中，浮渣层达到一定厚度后趋于动态平衡。不断有固体被沼气携带到浮渣层，同时也有经脱气的固体返回到固体床区。由于沼气要透过浮渣层进入到反应器顶部的集气室，对浮渣层产生一定的“破碎”作用。对于生产性反应器由于浮渣层表面积较大，浮渣层不会引起堵塞。集气室中的沼气经导管引出池外进入沼气贮柜。反应池设排泥管可将多余的污泥和下沉在底部的惰性物质定期排除。
2、几种典型的厌氧反应器适用性能比较
几种典型的厌氧反应器适用性能比较见表5-1。
表5-1 厌氧反应器适用性能比较表
反应器名称 优点 缺点 适用范围
完全混合厌氧
反应器（CSTR） 投资小、运行管理简单 容积负荷率低，效率
较低，出水水质较差 适用于SS含量很
高的污泥处理
厌氧接触反应器 投资较省、运行管理简
单，容积负荷率较高，
耐冲击负荷能力强 停留时间相对较长，
出水水质相对较差 适用于高浓度、高
悬浮物的有机废水
厌氧滤器（AF） 处理效率高，耐负荷能
力强，出水水质相对较
好 投资较大，反应器容
易短路和堵塞 适用于SS含量较
低的有机废水
上流式厌氧污
泥床反应器
（UASB） 处理效率高，耐负荷能
力强，出水水质相对较
好 投资相对较大，对废
水SS含量要求严格 适用于SS含量适
低的有机废水
膨胀颗粒污泥
床反应器
（EGSB） 处理效率较高，负荷能力
强，出水水质相对较好 投资相对较大，对废
水SS含量要求严格 适用于SS含量较
少和浓度相对较低
的有机废水
升流式厌氧固
体反应器
（USR） 处理效率较高，投资较省、运行管理简单，容积负荷率较高。 对进料均布性要求高，当含固率达到一定程度时，必须采取强化措施。 适用于含固量高
的有机废水
3、厌氧工艺的选择确定
从以上列表可知，各种类型的厌氧工艺各有其优缺点和使用范围，在一定的条件下选择适当的工艺型式是厌氧处理成功的关键所在。对于本项目而言，由于需将全部猪粪和部分冲洗水一起混合均匀后进入厌氧罐进行厌氧发酵处理，其废水中含固量很高，因此，选择升流式厌氧固体反应器（USR）是较为合适的。
本项目设计含固率为10%。对于高含固率来料，为避免进料分布不均匀问题，必须强化其进料的局部混合性。设计上底部配置搅拌机，以间歇混合搅拌方式来实现。我们定义该方式为USR-PM。
选择USR-PM处理工艺，反应器的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）远大于水力滞留期（HRT）。厌氧罐顶部在出水溢流渠前设置挡渣板，可以减少罐内内悬浮固体物质的流失，提高了固体滞留期（SRT）。固体有机物的分解率与SRT呈正相关，固体滞留期（SRT）加长，消化效率就大幅度提高；剩余厌氧微生物在重力的作用下沉淀下来，累积在固体床下部，使反应器微生物滞留期（MRT）加长，既提高处理效率，又降低微生物对外加营养物质的需求，减少污泥的量。
本设计方案选择USR-PM为厌氧处理工艺。
5.1.2.3 厌氧反应器结构选择
普通的厌氧反应器均采用钢砼结构。近年来为了缩短施工周期，节省建筑材料，提高反应池的施工质量，建设美观大方的能环工程处理装置，也多有采用新材料、新技术建造的厌氧反应器。典型的有德国的利普（Lipp）公司的利普罐和德国Farmetic公司的搪瓷拼装罐。这些技术应用金属朔性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备将镀锌或搪瓷拼装建造成。
1、钢筋混凝土制罐技术
钢筋混凝土技术利用钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度上各自的优势，实现优势互补，通过现场浇注，可以得到较好的强度和防水性能的罐体，由于混凝土具有耐酸碱，耐温便等的性能，能够很好的保护内部钢筋，使之免受腐蚀，因此结构具有很好的防腐性能，结构成型后，进行简单的防腐和防渗处理就可以满足工程需要，使用寿命长，可达50年，后期维护和运行管理费用较低。
2、搪瓷拼装制罐技术
拼装制罐技术使用软性搪瓷或其他防腐预制钢板，以快速低耗的现场拼装使之成型，预制钢板采用栓接方式拼装，栓接处加特制密封材料防漏。此种预制钢板形成的保护层不仅能阻止罐体腐蚀，而且具有抗酸碱的功能。拼装罐具有技术先进、性能优良、耐腐蚀性好、维修便利、外观美观，可拆迁等特点，其使用寿命达30年。
3、利浦制罐技术
利浦制罐技术利用金属塑性加工中的加工硬化原理和薄壳结构原理，通过专用技术和设备，将一定规格的钢板，应用“螺旋、双折边、咬合“工艺来建造圆型的LIPP池、罐。由于是机械化、自动化制作和采用薄钢板作为建筑材料，LIPP技术具有施工周期短，造价较低，质量好等优点。
结合本工程特点，主体厌氧反应器选择钢筋混凝土结构，以方便使用和运行管理。
5.1.2.4 厌氧反应器配置选择
高浓度厌氧反应器内设置一台搅拌器，使进料均匀分布于罐体底部并充分与厌氧微生物接触。低浓度靠沼气产气过程以及进料过程并增加物料内循环泵实现物料的搅拌。
罐底设排渣系统，定期将罐底惰性污泥排出。排出的污泥进入沼肥储存池，然后运送到下一个处理单元。
反应器上部设排水系统。排水采用堰槽出水方式，溢流进入下一个处理单元。
5.1.2.5 保温与增温选择
厌氧消化反应过程受温度影响很大，本项目厌氧处理单元设计为中温，其最佳温度范围为35～38℃。为了保证厌氧反应在冬季仍可正常运行，必须对系统实施整体保温措施，同时还需对厌氧消化罐进水进行增温处理。
1、保温
系统整体保温包括管道、阀门保温；配料池、厌氧消化罐以及储气柜的保温。
对于各种管路能地埋的则地埋，地上管路采用北方地区常规保温方式实现；对厌氧消化罐、沼气储气柜，采用聚苯乙烯和聚氨酯等材料进行强化保温。另外，在厌氧反应器旁边设置一个沼气净化间，尽可能地将管路、阀门设置在该房间内，起到保温作用。
2、增温
增温能耗主要分为两部分，一部分为把参与反应物料的温度由常温提升到反应温度，这一过程主要在进料池中进行，另一部分是保证USR反应器在相对稳定的温度下运行，补偿其运行过程中散失到环境中的能量。为降低反应过程中的能耗，在本设计中一方面采用较高的物料浓度，在保证有机负荷不变的情况下，降低水的含量，降低物料增温能耗，另一方面，在反应器池体外增设一层保温层，以降低反应器的热量散失。
为保证反应器的正常启动以及热源的稳定性，本系统中采用自厂区燃煤锅炉产生的热水作为热源。
5.2沼气应用系统工艺选择
5.2.1 沼气净化工艺选择
厌氧反应器刚产出的沼气是含饱和水蒸气的混合气体，除含有气体燃料CH4和惰性气体CO2外，还含有H2S和悬浮的颗粒状杂质。H2S不仅有毒，而且有很强的腐蚀性。因此新生成的沼气不宜直接作燃料，还需进行气水分离、脱硫等净化处理，其中沼气的脱硫是其主要问题。
对于畜禽粪污产生的沼气，其中H2S气体含量约为2000mg/m3，而沼气作为燃气要求沼气中含H2S气体含量小于100 mL/m3，沼气的脱硫净化处理是必须的。
沼气脱硫主要有生物脱硫、化学脱硫两种方法。
生物脱硫法是利用无色硫细菌，如氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等，在微氧条件下将H2S氧化成单质硫。这种脱硫方法已在德国沼气脱硫中广泛使用，在国内某些工程已有采用，其优点是：不需要催化剂、不需处理化学污泥，产生很少生物污泥、耗能低、可回收单质硫、去除效率高。这种脱硫的技术关键是如何根据H2S的浓度来控制脱硫塔中氧化还原反应过程。
化学脱硫是将沼气通过脱硫剂床层，沼气中的H2S与活性氧化铁接触，生成三硫化二铁，然后含有硫化物的脱硫剂与空气中的氧接触，当有水存在时，铁的硫化物又转化为氧化铁和单体硫。这种脱硫再生过程可循环多次，直至氧化铁脱硫剂表面的大部分空隙被硫或其它杂质覆盖而失去活性为止。再生后的氧化铁可继续脱除沼气中的H2S。上述均为放热反应，但是，再生反应比脱硫反应要缓慢。为了使硫化铁充分再生为氧化铁，工程上往往将上述两个过程分开进行。
本工程拟采用生物脱硫的方法对沼气进行脱硫处理。
厌氧罐中输出的含饱和水蒸气的沼气经过生物脱硫塔、气水分离器和凝水器等专用设备净化处理后贮存在储气柜中。
5.2.2 沼气储存工艺选择
由于沼气产用速率之间的不平衡，所以必须设置储气柜进行调节。沼气主要用于锅炉燃烧使用，储气柜的容积按日产量的60%设计。储气柜结构形式有多种，包括混凝土结构、压力容器、膜结构等，本工程选择钟罩结构储气柜。
5.2.3 沼气输配工艺选择
沼气输配系统指从沼气储气柜至沼气使用前一系列沼气输配设施的总称。对于该大型沼气工程来说，主要指沼气由储气柜输送到沼气用户的输气管路和相关的阀门组成。沼气输配管道在工程建设中占有相当重要的位置，因此，合理选择性能可靠、施工方便、经济耐用的管材，对安全供气和降低工程造价有着重要意义。沼气输配过程中使用的主要管材是钢管和聚乙烯管。相关的沼气输送管网需要根据当地具体情况进行设计。
5.3 沼肥利用工艺选择
沼肥有三个去向：第一个是在农耕施肥季节，沼肥输送（管道、车辆）至果园、苗圃、农田等施肥用地，作为液态有机肥使用；第二个是在非农耕施肥季节，将沼肥输送至农田附近的大型储存池，以备施肥季节使用；第二个是将沼肥运至有机肥生产区，与常规农用肥料如尿素、复合肥等按一定营养比例配比混合后，加工成高肥效的商品肥出售。
5.4 工艺流程设计
见附图初设方案：1--工艺流程框图；2--分区定位图；3--平面布置图；4--工艺高程图。
5.5工艺流程描述
5.5.1 预处理阶段描述
格栅集水池 猪舍冲洗水由污水汇集管网（或污水渠）经人工格栅汇集到集水池；提升泵按配比时间安排将其提升至调节池和配料池。
集粪池 由猪场清理出来的猪粪，运输到集粪池，并通过集粪池由集水池内污水冲洗到进料池。
进料池 将由集粪池流过来的猪粪及污水进行调配，使物料达到10％的干物质浓度，以供应高浓度厌氧反应器使用。配料池内配有加温设施，实现冬季时的物料加温。
5.5.2 厌氧消化处理阶段描述
进料---搅拌---反应循环过程。物料经提升泵提升进入厌氧反应器，进行厌氧消化处理。本工程设计采取分2批轮流进料方式进行，进料时间根据猪场清粪方式安排，一般间隔不小于6小时，两组进料先后进行，1小时以内完成进料过程，进料结束后启动搅拌，搅拌1小时后停止。厌氧罐按进料（1小时）----搅拌（1小时）-----反应（4小时）----搅拌（1小时）-----反应（4小时）……这个循环过程进行。
产沼 物料进入厌养反应器与厌养活性污泥混合接触，通过厌养微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使有机污染物转化为CH4和CO2为主的气体（沼气）。厌氧反应器内设置一台搅拌机，使物料与厌养活性污泥充分混合。厌氧罐罐体外部设增温管网系统以及保温层。
集气 厌氧反应器产生的沼气由集气室收集，经沼气输送管路送入后续沼气净化处理单元。
排料 厌氧罐采用上部益流出水方式，出水自流进入沼肥储存池。
排渣 排渣系统定期排渣，保持反应器内污泥活性。沼渣排放可以是每天一次，或者是数天一次，将根据实际情况确定。
5.5.3 沼气净化储存阶段描述
沼气净化系统 厌氧消化罐产出的沼气经集气室收集进入沼气净化系统。沼气经过生物脱硫塔、气水分离器、凝水器等专用设备净化处理后贮存在湿式储气柜中。
沼气储存柜 用于贮存净化后的沼气。柜体结构钟罩式储气柜。
沼气输配系统 用于沼气的输送。主要通过调压阀、管路等完成沼气的输配。
沼气利用系统 沼气全部作为燃料使用。
5.5.4 沼肥处理阶段描述
厌氧反应器出水溢流进入沼肥储存池，然后运输车辆在农耕季节将沼肥运输至农田或蔬菜大棚使用，在非农耕季节，运输至储存池待农耕时节使用。
第六章 工艺参数设计
6.1 物料负荷
平均设计物料流量：Q平＝9.2 m3/d
6.2 预处理阶段工艺参数设计
6.2.1 格栅槽
（1）功能：用于安装格栅，拦截水中大的悬浮物质
（2）结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：0.5mx0.8m
（4）池数：1池
6.2.2 人工格栅
（1）设备宽度：W0＝500mm
（2）渠宽：W1＝500mm
（3）有效栅隙：b＝10mm
（4）格栅倾角：α＝60°
（5）设备台数：1
6.2.3集水池
（1）功能：储存补充水
（2）池体结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：0.90mx2.08mx2.00m
（4）有效容积：3.74m3
（5）池数：1池
6.2.4集水池污水提升泵
（1）功能：将补充水从集水池提升至配比软化池
（2）流量：20 m3/h
（3）扬程：7m
（4）电机功率：0.75kW
（5）设备类型：潜污泵
（6）设备数量：2台（1用1备）
6.2.5集粪池
（1）功能：暂存由猪场输送来的猪粪
（2）池体结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：1.30mx2.08mx0.5m
（4）容积：1.35m3
（5）池数：1池
6.2.8进料池
（1）功能：猪粪与来水充分搅拌混合后进料
（2）池体结构：地下钢砼结构
（3）尺寸：2.20m×2.20m×2.00m
（4）高度：2.0m
（5）容积：9.68 m3
（6）池数：1池
6.2.9配料池搅拌机
（1）功能：将配料池内粪与水搅拌、混合
（2）功率：7.5 Kw
（3）数量：1台
6.3 厌氧消化处理阶段工艺参数设计
6.3.1厌氧消化罐1
（1）功能：低浓度厌氧消化处理主体反应器
（2）尺寸：Φ6.00mx8.10m
（3）有效水深：6.60 m
（4）有效容积：187m3
（5）停留时间：20 d
（6）发酵温度：常温
（7）材质结构：钢筋混凝土结构，外设保温层，圆台形保温顶结构
（8）数量：1座
6.3.2厌氧反应器进料泵
（1）功能：将粪污从调节池提升至厌氧反应器
（2）流量：10 m3/h
（3）扬程：15 m
（4）电机功率：3.0kW
（5）设备类型：螺杆泵
（6）设备数量：2台（1用1备）
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