4.2.2 厌氧消化工艺
完整的厌氧消化系统包括预处理、厌氧消化反应器、消化气净化与贮存、消化液与污泥的分离、处理和利用。采用不同的消化反应器时，可组成多种厌氧消化工艺。厌氧消化工艺类型较多，按消化温度、运行方式、反应器型式的不同划分为几种类型。
（1）按温度分类
根据消化温度，厌氧消化工艺可分为高温消化（50～55℃）工艺和中温消化（30～35℃）工艺两种。有研究表明，当温度处于35℃或55℃附近时，消化菌较为活跃，消化效率较高。其中在35℃附近活跃的是中温厌氧消化菌，在55℃附近活跃的是嗜热消化菌。因此，在实际的工程应用中多将反应温度控制在这两个温度区间［4］。
1）高温消化工艺 高温消化工艺的有机物分解旺盛，发酵快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适合有机污泥的处理。其工艺过程如下。
① 高温消化菌的培养。一般是将采集到的污水池或地下水道有气泡产生的中性偏碱的污泥加到备好的培养基上，进行逐级扩大培养，直到消化稳定后即为接种用的菌种。
② 高温的维持。高温消化所需温度的维持，通常是在消化池内布设盘管，通入蒸汽加热料浆。我国有城市利用余热和废热作为高温消化的热源，是一种技术上十分经济的方法。
③ 原料投入与排出。在高温消化过程中，原料的消化速度快，因而要求连续投入新料与排出消化液。其操作有两种方法：一种是用机械加料出料；另一种是采用自流进料和出料。
④ 消化物料的搅拌。高温厌氧消化过程要求对物料进行搅拌，以迅速消除邻近蒸汽管道区域的高温状态和保持全池温度的均一。
2）中温消化工艺 中温消化（30～35℃）运行相对稳定，不过两种厌氧消化工艺的消化菌均较为活跃，但在实际运行中还是有较大差别的。在停留时间方面，中温厌氧消化一般为20～30d，而高温厌氧消化一般为10～15d，这是因为持续的高温加速了有机物的降解，进而加快了厌氧消化总体速度。停留时间的缩短直接反映在处理能力上的提升，高温厌氧消化相对中温消化处理能力提高2～3倍。在对病原菌的去除方面，高温厌氧消化对寄生虫卵的杀灭率可达95%，大肠菌指数可达10～100个/gDS，能满足卫生要求（卫生要求对蛔虫卵的杀灭率95%以上，大肠菌指数10～100个/gDS）。而中温消化的温度因与人体温接近，对寄生虫卵及大肠杆菌的杀灭率相对较低。在产气率方面，由于易于降解有机物所以没有随温度变化而大幅增加，因此高温消化比中温消化的产气率水平没有显著提高。在能耗方面，高温消化所需的温度远高于中温消化，能耗也远大于中温消化，有研究表明，高温消化增加的沼气产量不足以弥补其高能耗，同时在对高温的控制方面要难于对中温的控制。
因此，两类厌氧消化各有优劣。中温消化运行较为稳定，运行费用低；高温消化效率高，消化池投资费用省，卫生学指标好。在国内众多的厌氧消化应用案例中多采用稳定的中温厌氧消化，国外采用高温厌氧消化的案例也较少，可能大多数的运营公司更加看重系统的稳定。
（2）按运行方式分类
按照运行方式分类，可分为一级消化和两级消化。一级消化指污泥厌氧消化是在一个消化池内完成；两级消化指污泥厌氧消化在两个消化池内完成，第一级消化池设有加热、搅拌装置及气体收集装置，不排上清液和浮渣，第二级消化池不进行加热和搅拌，仅利用第一级的余热继续消化，同时排上清液和浮渣。
设置两级厌氧消化的目的是为了节省污泥加热和搅拌所需的能量。这是因为，一般认为中温消化前8d产生的沼气量约占全部产气量的80%，而中温消化的全周期需要20～30d，如果对已经产生大量沼气的污泥继续进行加热和搅拌，将使大部分能耗用于产出不到20%的沼气上。而如果将消化工艺设计成两级，对第一级消化进行加热、搅拌，同时收集沼气，然后将污泥送入第二级，第二级消化池不设加热和搅拌，仅依靠余热继续消化，并最终使污泥达到厌氧消化稳定的要求，同时第二级消化还起到污泥脱水前的浓缩和调节作用。
尽管两级消化有上述优点，但两级消化工艺的土建费用较高，运行操作比一级消化复杂，在有机物的分解率方面略有提高，产气率比一级消化约高10%，目前在国内及国外用的相对较少。国内在北京高碑店污水处理厂采用了两级厌氧消化工艺，运行近20年，目前运行良好。两级消化是在损失少量运行能力的前提下，节省了大量因加热和搅拌而产生的能耗，同时达到厌氧稳定的要求的一种工艺。
（3）按相分类
单相消化和两相消化是基于厌氧消化原理进行的分类。其中单相消化工艺指把产酸菌和产甲烷菌这两大类菌群放在一个消化池内进行厌氧消化；两相消化工艺指将水解酸化和产甲烷两个过程分离，在不同的消化池进行，这样能够使产酸菌和产甲烷菌均可以在适合自身的环境条件下生长。
之所以称为分相，是因为从生物学的角度来看，发酵菌和产氢产乙酸细菌是共生互营菌，因此将这一类划为一相，为产酸相；把产甲烷菌划为另一相，为产甲烷相。一般产酸菌生长快，对环境条件变化不太敏感；而产甲烷菌则恰好相反，对环境条件要求苛刻，繁殖缓慢，这也是两相工艺的理论依据。产酸相的主要作用是提高物料的可生化性，即乙酸化，以便于产甲烷相降解，BOD和COD的去除也主要在产甲烷阶段。
两种工艺各有优劣，如单相消化系统耐冲击负荷较差，但运行较为简单；两相消化系统可以充分发挥各反应阶段的作用，进而提高效率，节省投资等，但运行难度较大，这也是目前国内外很少采用该工艺的原因之一。国内仅在宁波有采用分级分相厌氧消化工艺处理污泥、粪便和餐厨的工程案例。
（4）按反应器型式分类
厌氧消化反应器的主体结构为顶盖、筒体和搅拌设备，因此可按照这三部分的差异进行分类。
按照顶盖型式分为固定盖、浮动盖和膜式盖，三种型式的顶盖主要对池容是否变化产生影响，其中固定盖顾名思义为盖固定不动，为定容式；浮动盖和膜式盖顶盖随池内沼气压力的高低变化而上下浮动，属于变容式。
按照筒体型式分为平底圆柱形、锥底圆柱形和卵形。平底圆柱形在欧洲应用较为普遍，其高度∶直径=1。这种平底对循环搅拌系统要求较为单一，多采用在池内多点安装的悬挂喷入式沼气搅拌技术。锥底圆柱形在我国应用较多，其中部高度∶直径=1，上下皆为圆锥体，下底坡度1.0～1.7，顶部坡度0.6～1.0，这类消化池有利于内循环，热量损失相对于平底圆柱形要小，搅拌系统可选择性好，存在的缺点是底部容积较大，易堆积砂料，需要定期进行清理。另外从结构上看，圆锥部分难以施工，且受力集中，需要特殊处理。卵形消化池是在锥底圆柱形的基础上进行的改进，该池形相对于上两类消化池有很多优点，如搅拌效果好，池底不容易板结；一定池容条件下，池体总表面积小，热量损失少；池顶部表面积小，易于去除浮渣和易于沼气收集；从结构上看，卵形结构受力好，节省建材。
按照搅拌方式分为气体搅拌、机械搅拌（提升式、叶桨式等搅拌机械）和污泥循环搅拌三大类。在气体搅拌中又分为蒸汽搅拌和沼气搅拌。蒸汽搅拌的特点是热效率高，但会增大污泥量；沼气搅拌是将沼气经压缩机压缩后，再经消化池内的喷嘴或喷管从消化池底部喷入池内来实现搅拌。机械叶轮搅拌（叶桨式）有涡轮桨叶搅拌和直板桨叶搅拌。污泥循环搅拌是一种在池中间带垂直导流管式机械搅拌的系统，消化污泥可以在导流管内外向上或向下混合流动，特点是搅拌效果好，池面浮渣和泡沫少。
在实际情况中有4种常用的厌氧消化工艺。
1）常规中温厌氧消化工艺 此种工艺也成为普通或标准厌氧消化工艺，如图4-8所示。脱水污泥无需预热直接进入间歇式消化池内，系统通常不另设搅拌装置，而采用沼气搅拌。由于搅拌不够充分，消化池内的污泥分为三层漂浮污泥层、中部液体层和下部污泥层。由于消化池总体积仅很小一部分含有活性消化污泥，因此若要取得良好的污泥消化效果，需要很大的池容。此外，由于在消化池内环境条件不易控制，消化过程不稳定，效率低。因此，这一工艺几乎不用于初沉污泥的稳定化［5］。
图4-8 常规中温厌氧消化
无加热和没有搅拌的低负荷消化池有时用于高负荷消化池之后，用于脱水前的污泥浓缩。在这种工艺中，初沉污泥被厌氧消化，二级消化池中发生显著的污泥浓缩现象。如果二级处理厂的剩余污泥与初沉污泥混合在一起消化，二级消化池固液分离效果很差。若初沉污泥与剩余污泥混合消化，在消化之前把污泥浓缩至4%～6%，二级消化池内的重力浓缩通常也非常困难。由于这些原因，目前多数设计者避免在剩余污泥消化后用二级消化池来浓缩消化污泥。
2）高负荷厌氧消化工艺 高负荷厌氧消化是在研究证实可以控制消化池内环境条件的优点后发展起来的。其工艺见图4-9。高负荷消化池的特征是进料含固率高，具有加热和搅拌装置，进料速度稳定，消化稳定性高。高负荷消化池的消化时间为10～15d，约为常规中温厌氧消化时间的1/3，固体负荷提高4～6倍，通过合理的设计和操作，消化池容积可减少30%。
图4-9 高负荷厌氧消化
高负荷消化池既可用于中温消化过程也可用于高温消化过程，大部分消化池在中温条件下操作，需要的热能较少，过程稳定性更好。如存在难于消化的固体或油脂含量高，可采用高温消化。在高温操作条件下，可提高消化速率、减少消化池体积、增加病原微生物的杀灭率，但工艺稳定性变差，控制较困难。
高负荷消化通常设置有搅拌装置，以便达到规定百分比的活性（工作）体积，维持消化池内稳定的环境条件，避免冲击负荷和营养过剩与营养不足，改善消化过程的稳定性和消化效率。工作体积定义为消化池总体积减去用于砂石、浮渣积累和超高的体积余量。典型设计要求的工作体积为消化池总体积的85%～95%（即污泥占总体积的85%～95%）。
均匀的搅拌有助于维持消化池内稳定的环境条件，避免冲击负荷和“营养过剩与营养不足”，改善过程的稳定性和消化效率。高负荷消化池很少采用连续进料，通常的做法是把污泥按一定的时间间隔间歇投加到消化池中（例如每1～2h）。其进料方式有两种：第一种为在消化污泥排出之前短时间搅拌和进料；第二种为污泥排出后进料和搅拌。如果消化池以第二种进料方式操作，而不是以第一种进料方式操作，那么病原微生物的杀灭效果就会显著的改善。污泥浓缩则可以减少通过消化池的污泥量，那么对于给定的停留时间可以采用体积更小的消化池体积。但过分浓缩则可能会使消化池的混合变得困难，对毒物或负荷引起的冲击更加敏感［6］。
3）两级厌氧消化工艺 为了对厌氧消化过程的污泥进行重力浓缩，在一级厌氧消化工艺的基础上引入二级消化。在第二级消化池中污泥有机质的减量和产生气体均很少，但是出泥体积降低很多。
在第一消化池消化7～12d左右，然后将污泥排入第二消化池继续消化，在第二消化池依靠剩余热量继续消化，不加热、不搅拌，消化温度20～26℃，消化时间15d左右。每立方米污泥可利用热量8×103kcal/d（1cal=4.18J）。若以每日100m3新鲜污泥计，共可利用8×105kcal/d，相当于160kg烟煤的发热量（烟煤热值以7000kcal/kg，燃烧效率以70%计）。在第二消化池，由于不搅拌，还可起浓缩污泥的作用。二级消化池的污泥相对稳定，也较容易脱水。池中不同深度处污泥含水率与有机物含量见表4-6。通过两级消化过程可以减少消化池总体积，但基建费用和操作费用会有所增加。
表4-6 第二级消化池不同深度污泥性质
污泥的面层为浮渣，主要成分是纤维素、油脂及果壳等；中层为澄清液，约占总深度的40%；下层为浓缩污泥，约占总深度的50%，因此，可在面层下约40%深度的范围内设置澄清液排出管道。
两级消化池的总容积可按定容式消化池计算，然后按消化时间分成两个池子。加热所需的总热量与搅拌装置都要比定容式省，消化池的集气管尺寸要保证要求，否则排气不畅，池内气压增加，导致污泥气外泄。
如果第二级消化池有集气罩，则每立方米新鲜污泥可回收污泥气2m3左右，污泥气的组成见表4-7。
表4-7 第二级消化池污泥气成分
4）中温/高温两相厌氧消化工艺 两相消化工艺是根据厌氧消化过程分为产酸和产甲烷两阶段原理开发的，具体见图4-10。
图4-10 高负荷厌氧消化
此工艺的基本特点是沼气消化过程中的产酸和产甲烷过程分别在不同的装置中进行，并分别给出最适条件，实行分步的严格控制，以实现沼气消化过程的最优化，因此单位产气率及沼气中的甲烷含量较高。两个阶段在两个反应器中进行。第一个反应器的功能是水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并截留难降解的固体物质。第二个反应器的功能是保持严格的厌氧条件和pH值，以利于产甲烷菌的生长；消化、降解来自前段反应器的产物，把它们转化成甲烷含量较高的消化气，并截留悬浮固体、改善出料性质。因此，此工艺可大幅度地提高产气率，气体中甲烷含量也有提高。同时实现了渣和液的分离，使得在固体有机物的处理中，引入高效厌氧处理器成为可能。
此工艺的特点是在中温厌氧消化工艺前加设高温厌氧消化工艺，其中污泥进泥的预热温度为50～60℃，在前置高温段中污泥停留时间为1～3d，而后续厌氧中温消化工艺时间可从20d减少到12d左右，总停留时间为15d左右。此工艺可同时增加有机物去除率及产气率，并完全杀灭病原菌［7］。