第1章 引言 1
1.1 本书范围 2
1.1.1 目的 2
1.1.2 内容 2
1.2 广泛的应用范围 3
1.3 厌氧生物技术的优越性 3
1.3.1 工艺的稳定性 4
1.3.2 剩余污泥处置费用和设施所占空间的减少 4
1.3.3 与生态和经济上的优点相关连的节能优点 4
1.3.4 简化运行 4
1.3.5 消除尾气污染 5
1.3.6 无好氧过程中表面活性物质的起泡问题和有效处理好氧生物处理中生物不可降解物质 5
1.3.7 降低氯化有机物毒性程度 5
1.4 厌氧处理的缺点 6
1.3.8 处理季节性废水 6
第2章 生物处理总论 7
2.1 引言 7
2.2 生物内部转化产生难降解的生物污泥 7
2.2.1 生物污泥处置的窘境 8
2.2.2 好氧处理中的剩余生物量 9
2.3 情况的变化影响处理工艺的选择 9
2.3.1 对好氧工艺缺点的逐渐了解 10
2.3.2 替代技术的优点 10
2.3.3 厌氧工艺减少了剩余生物污泥量 11
2.4 对停留时间的要求 11
2.4.1 反应器中的水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT) 12
2.4.2 好氧与厌氧两种工艺中停留时间的比较 12
2.5.1 厌氧生物技术的费用效益 13
2.5 厌氧与好氧生物技术的比较 13
2.4.3 较小的反应器容积和生物污泥体积 13
2.5.2 厌氧处理进水BOD最小值的设计原则 14
2.5.3 有机负荷率(OLR) 15
2.5.4 污染物生物降解速率 16
2.5.5 固有碱度 16
2.5.6 出水水质 17
2.5.7 反应器的构型 17
2.5.8 生物体固定化方式 17
2.5.9 生物固体的合成 17
2.5.10 废水温度和其它经济因素的考虑 18
2.6 厌氧处理废水进水BOD的最小值 19
2.6.1 经济因素的考虑 19
2.6.2 厌氧生物处理出水能达到二级出水标准 19
2.6.3 进水和出水水质关系 21
2.7 厌氧反应器设计与Ks值 22
2.7.1 分级处理的优点 23
2.7.2 推流式反应器与连续搅拌式(CSTR)反应器 23
2.8 微量金属与硫化物的生物有效度 24
2.9 工艺可应用性的评价参数 25
第3章 厌氧处理原理 26
3.1 引言 26
3.2 生成甲烷的串联代谢 27
3.2.1 微生物共生体生物降解的复杂性 27
3.2.2 串联代谢 27
3.3 COD和甲烷的当量关系 28
3.4 生物系统的安全系数 28
3.5 最小世代时间 29
3.6 pH值范围 30
3.7.1 厌氧系统中的细胞合成 33
3.7 动力学 33
3.7.2 各种有机物的生物合成产率 34
3.7.3 温度对动力学的影响 35
3.7.4 Lawerence和McCarty的阿伦尼乌斯温度方程 39
3.7.5 Henze和Harremoes的温度系数 39
3.7.6 Pavlostathis和Giraldo-Gomez关于温度的概要 39
3.8 自由能的释放 41
3.8.1 释放的标准自由能 42
3.8.2 标准状态与环境条件 43
3.8.3 氢分压对转化自由能的影响 44
3.9 化学计量学 45
3.9.1 产气预测和生物体的合成 45
3.9.2 由碳源和氮源合成细胞需要的能量 47
3.10 氮与产甲烷作用 52
3.11.2 厌氧系统的硫平衡 54
3.11 硫与产甲烷作用 54
3.11.1 厌氧与好氧微生物细胞组成的比较 54
3.12 产甲烷菌的竞争和超优势度 55
3.12.1 乙酸盐代谢因子 55
3.12.2 甲烷丝菌属、梅氏甲烷八叠球菌和巴氏甲烷八叠球菌的最小浓度阈值 57
3.13 生物膜和颗粒污泥 58
3.13.1 McCarry和Smith的基质浓度模型 58
3.13.2 传质限制 59
3.14 厌氧处理优化条件清单 60
3.14.1 适宜的pH值 60
3.14.2 充足的常量营养 60
3.14.3 微量金属的存在与生物有效度的区别 61
3.14.4 专性微量营养需要 62
3.14.5 温度 62
3.14.7 污染物向微生物共生体的传质 63
3.14.6 对毒性的适应 63
3.14.9 用于合成的碳源 64
3.14.10 电子供体 64
3.14.8 充足的代谢时间 64
3.14.11 电子受体 65
3.15 复习题 65
3.16 习题 65
第4章 厌氧工艺的运行 71
4.1 引言 71
4.1.1 生物化学需氧量/化学需氧量(BOD/COD) 72
4.1.2 生物化学甲烷热(BMP)测定 72
4.1.3 BMP测定方法 73
4.1.4 厌氧毒性测定(ATA)方法 75
4.2 对出水中高VFA含量及高BMP/BOD值的补救 77
4.3 控制负荷率的因素 78
4.4.2 对毒性驯化时的时间因素 79
4.4 生物体对毒性的驯化 79
4.4.1 醛、酮和酚驯化时的毒性特点 79
4.5 厌氧运行时的温度影响 80
4.5.1 厌氧生物转化的温度影响 80
4.5.2 温度影响的研究实例 80
4.6 高温厌氧处理工艺 83
4.6.1 高温厌氧处理的问题 83
4.6.2 高温厌氧反应器稳定性研究 83
4.7 厌氧生物体对饥饿的反应 84
4.7.1 自发的冬眠保存 85
4.7.2 影响颗粒污泥贮存的因素 85
4.7.3 内源分解速率 85
4.7.4 饥饿或贮存对活性的影响 86
4.8.2 丙酸盐 88
4.8 挥发酸中间产物 88
4.8.1 乙酸盐 88
4.8.3 甲酸 91
4.9 中间代谢产物H2 91
4.9.1 H2扩散距离方程 93
4.9.2 特殊菌种间传递的球式扩散传递模型 95
4.9.3 在生物膜中、液体主流区和气相中H2的浓度 95
4.9.4 H2和毒性抑制 96
4.9.5 产H2控制的几种选择 96
4.10 两相厌氧消化 97
4.10.1 在产酸相维持最佳pH值范围 97
4.10.2 预酸化准则 98
4.11 丝状菌膨胀 99
4.11.1 丝状菌膨胀的成因及防治 99
4.11.2 选择器的优越性 100
4.12.1 钙盐沉淀 101
4.12 厌氧反应器中的化学沉淀 101
4.12.2 鸟粪石的形成 102
4.13 生成泡沫 103
4.14 变更最小残留基质深度 103
4.14.1 Smin阈值的定义 104
4.14.2 低于Smin阈值时的诱导代谢技术：共基质和偶发代谢 105
4.15 可溶性微生物产物(SMP)的形成 105
4.16 监测和控制 106
4.16.1 负荷率和对监测的要求 106
4.16.2 碱度的盐测和控制策略 107
4.16.3 厌氧工艺的监测参数 107
4.16.4 为保证顺利运行的可靠早期警示物 108
4.17 可能的监测策略 109
4.17.1 文献中已报道的监测策略 109
4.17.2 Switzenbaum和他的同事们对监测方法的综述 112
4.18 复习题 113
4.19 习题 114
第5章 可处理性规程 116
5.1 引言 116
5.2 测定技术 117
5.2.1 生物化学甲烷势(BMP) 117
5.2.2 充足的驯化时间对BMP测定的重要性 119
5.2.3 厌氧毒性测定(ATA) 120
5.3 可处理性参数 121
5.3.1 COD转化为甲烷 121
5.3.2 COD转化为甲烷所需时间 121
5.3.3 对出水水质的要求 122
5.3.4 硫化物生成势 122
5.3.5 处理出水回流 122
5.3.7 生物体的驯化和毒性物质的生物降解 123
5.3.6 碱度生成势 123
5.4 中试厂研究 124
5.5.1 中试厂研究 124
5.5 可处理性研究注意要点 125
5.5.2 4种表征出水中有机物的分析项目 125
5.5.3 驯化 126
5.5.4 碱度和挥发酸积累 126
5.5.5 难降解COD 127
5.5.6 防止出水中挥发酸浓度高的条件 127
5.5.7 去除废水中抑制物质的措施 127
5.5.8 生产性反应器所需的温度 128
5.5.9 厌氧可处理性研究注意要点 128
5.5.10 毒性评价 129
6.1 引言 130
第6章 生物体固定化 130
6.2.1 重力沉淀池：好氧处理的困境 131
6.2 好氧生物技术的前例 131
6.2.2 好氧工艺固有的低有机负荷率 132
6.3 厌氧工艺设计进展 132
6.3.1 厌氧生物技术中生物体固定化反应器构型 133
6.3.2 高浓度厌氧生物体固定化的有利条件 134
6.3.3 高浓度厌氧生物体固定化的不利条件 134
6.3.4 复杂的生物体固定化的改进使厌氧工艺有了经济效益 134
6.4 防止生物体流失的措施 135
6.4.1 注意重力沉淀对厌氧处理的适用性 135
6.4.2 关于高剪力构型的告诫 136
6.4.3 启动过程 137
6.4.4 启动示例 138
6.5.2 厌氧群聚体结构 140
6.5 生物膜和颗粒污泥 140
6.5.1 厌氧生物体的集群协同 140
6.5.3 最佳附着表面研究 141
6.6 厌氧滤池 143
6.6.1 早期厌氧滤池的工业应用 143
6.6.2 二十年间化学厂使用氧气周期吹扫 144
6.6.3 酒厂降流式厌氧滤池的运行 144
6.6.4 关于厌氧滤池填料的建议 145
6.6.5 流量分配和去除生物体的方法 145
6.6.6 串联运行厌氧滤池 146
6.7 厌氧滤池启动因素 146
6.7.1 厌氧滤池启动的控制参数 146
6.7.2 启动研究的观察报告 146
6.8.1 UASB的优点 148
6.8 上流式厌氧污泥床反应器(UASB) 148
6.8.2 UASB必要的外部固体澄清系统 149
6.8.3 组合型反应器 149
6.8.4 膨胀颗粒污泥床 149
6.8.5 开普敦研究小组关于密实颗粒污泥形成的假说 150
6.8.6 碱度在UASB中的作用 153
6.9 颗粒污泥生成参数 153
6.9.1 微量金属的补充 153
6.9.2 氮和钙的补充 154
6.9.3 补充微量金属、氮和钙的对比研究 154
6.9.4 甲烷菌的类型 155
6.9.5 颗粒污泥固体能量率和基质类型 155
6.10.1 回流的缺点 157
6.10.2 基质对颗粒污泥形成的影响 157
6.10 关于UASB运行的一些发现 157
6.10.3 脂类的成分和颗粒污泥的流失 158
6.10.4 Moosbruggcr对可沉降性的监测 158
6.10.5 有机负荷率和水力停留时间对UASB运行的影响 159
6.10.6 UASB中传质的限制 160
6.10.7 漂浮的颗粒污泥 161
6.10.8 K+、N、P和Mg2+的影响 162
6.10.9 中温启动的几点建议 162
6.10.10 高温UASB的启动 162
6.11 厌氧序批式反应器(ASBR) 163
6.11.1 构型的实况 163
6.11.2 Daguc研究小组对ASBR的评价结果 164
6.12 上流式厌氧污泥床和厌氧滤池的组合型反应器 165
6.12.1 早期组合型UASB处理剩余好氧污泥热处理液 165
6.12.2 组合型反应器处理天冬苯丙二肽酯废水 166
6.12.3 组合型反应器中UBF等填料的研究 167
6.12.4 主反应器外的完全填充固体澄清器(FPSC) 168
6.12.5 外部澄清器泥渣层 169
6.13 流化床 170
6.13.1 流化介质的理想特性 170
6.13.2 粒状活性炭反应器的优点 171
6.13.3 粒状活性炭机制 173
6.13.4 流化介质的比较 176
6.13.5 流化床反应器启动策略 177
6.14 悬浮生长反应器 179
6.15 膜固体固定化 179
6.15.1 厌氧消化超滤的工业应用 180
6.15.2 管式聚醚砜超滤膜ADUF 180
6.16 第一个示范上流式厌氧滤池的实例：Centennial淀粉面筋厂上流式厌氧滤池的运行 181
6.17 问题 183
7.1 引言 184
第7章 反应器构型比较 184
7.2 附着生长和悬浮生长系统 185
7.2.1 上流式和降流式厌氧滤池的对比 186
7.2.2 废水产生中间产物H2时的特殊保障 186
7.3 比较评价研究 186
7.3.1 初步比较评价研究的项目 186
7.3.2 长期工艺评价原则 187
7.4 比较研究的史例 187
第8章 碳酸氢盐碱度 194
8.1 引言 194
8.1.1 有利于厌氧生物转化的碱度条件 195
8.1.2 推流式系统和高COD 195
8.2 CO2和气体吹脱 196
8.2.2 CO2对pH值的影响 197
8.2.1 高效好氧工艺中高CO2浓度 197
8.2.3 反应器深度的重要性 198
8.3 碳酸氢盐化学 198
8.3.1 离子强度 199
8.3.2 不同温度下CO2、碳酸氢盐、水电离度和水蒸气压的平衡常数 199
8.8.3 pH值测定注意事项 200
8.4 碱度来源 200
8.4.1 代谢产生的碱度 200
8.5 总碱度和碳酸氢盐碱度 202
8.5.1 储备碳酸盐碱度 203
8.5.2 挥发脂肪酸浓度与总碱度之比(VFA/TA) 204
8.6 碱度需求 205
8.6.1 工艺构型和最大储备碱度 205
8.6.2 处理水回流 206
8.6.3 处理水代谢前碱度 207
8.6.4 进水中有机物浓度 208
8.6.5 工艺控制的良好效果 208
8.6.6 污染物转化为挥发酸的速率 208
8.6.7 长期升高的挥发酸浓度 208
8.6.8 高温运行 209
8.7 不同来源碱度的有关费用 210
8.8 低浓度废水中的碱度投加 212
8.8.1 碱度与CO2的反应 212
8.8.2 存在的CO2分压 214
8.9 CO2的气相控制 219
8.10 石灰吸收尾气循环的优点 222
8.11 碱度需求举例 223
8.11.1 工业实例 223
8.12 问题 225
9.1 引言 228
第9章 微量金属 228
9.1.1 微量金属缺乏的检定 229
9.1.2 微量金属对甲烷菌的激活作用 230
9.1.3 微量金属必不可少 230
9.1.4 微生物的世代时间 231
9.2 早期的研究发现 232
9.2.1 甲烷菌纯种培养的困难 232
9.2.2 未知生长因子的障碍 233
9.2.3 揭开未知生长因子的面纱 233
9.2.4 确定需要微量金属的早期技术 234
9.2.5 在产甲烷过程中关于微量金属的三个基本概念 235
9.2.6 为保持高乙酸盐利用速率所需无机营养最小投加量 239
9.3 可溶性金属络合物 240
9.3.1 螯合剂 240
9.3.2 铁的生物有效度 241
9.4 微量金属激活作用的实例 242
9.4.1 一般背景 242
9.4.2 乳清废水 242
9.4.3 养牛场废弃物 243
9.4.4 市政污泥 243
9.4.5 炸薯条和冻豌豆 244
9.4.6 食品加工废水 244
9.4.7 纳皮尔氏草 245
9.4.8 冰淇淋废水 245
9.4.9 啤酒废水 246
9.4.10 家禽废物 246
9.4.11 糖、蛋白质和丙酸盐 246
9.4.12 甲醇废水 247
9.4.13 对溶解性铁浓度的最佳需要量 248
9.5.1 甲烷菌的组成元素 249
9.5 无机营养的作用和甲烷菌的需要 249
9.6 分批培养中无机营养的最佳浓度 250
9.6.1 微量金属沉淀物在激活中的作用 256
9.6.2 缺乏微量金属的补救措施 257
第10章 毒性反应 259
10.1 引言 259
10.1.1 定义 260
10.1.2 有助于厌氧去除毒物的几个条件 260
10.2 毒性适应 261
10.2.1 阳离子毒性 261
10.2.2 对有机毒物的免疫 261
10.2.3 毒性降低 261
10.2.4 顺序处理 262
10.2.5 驯化的作用 262
10.2.6 充足营养 263
10.2.8 其它监测方法 264
10.2.7 毒性监测 264
10.2.9 已报道的毒性值范围 265
10.2.10 系统的有机负荷率、生物体浓度 265
10.2.11 基质和产物毒性 266
10.2.12 基质的Ks和K？值 267
10.3 工艺参数和毒性反应控制 268
10.3.1 毒物浓度 269
10.3.2 固体停留时间(SRT) 269
10.3.3 生物体浓度 270
10.3.4 接触毒物的时间 271
10.3.5 细胞龄 272
10.4 使生物体驯化程度最大 273
10.4.1 温度因素 273
10.4.3 时间消逝和驯化的保存：“微生物的记忆” 274
10.4.2 毒物流出前的活性恢复 274
10.4.4 出现毒物后生物体的计算活性及其再生 275
10.5 毒性反应类型 277
10.5.1 常用毒性模型 277
10.5.2 特定毒性模型 278
10.6 阳离子毒性 281
10.6.1 钠的毒性 282
10.6.2 补充微量金属以减少钠离子毒性 283
10.6.3 钾的毒性 286
10.6.4 NH3的毒性 287
10.6.5 温度对NH3毒性的影响 290
10.7 硝化有机物 291
10.7.1 厌氧成功降解二硝基甲苯和硝其苯酚 291
10.7.2 与乙酸利用甲烷菌有关的毒性样式 291
10.8.1 丙烦酸 293
10.8 厌氧生物体的毒性反应 293
10.8.2 中间产物积累 294
10.8.3 抗生素 294
10.8.4 厌氧共生体中最敏感的菌群 295
10.8.5 厌氧共生体的毒性效应 295
10.9 活性炭辅助厌氧工艺 298
10.9.1 粒状活性炭处理 298
10.9.2 粒状活性炭处理工艺的工业应用 299
10.10 毒性评价规程 300
10.10.1 三阶段筛选规程 300
10.10.2 毒性数据库 303
第11章 硫化物的产生 312
11.1 引言 312
11.2 CH4与H2S性质的比较 313
11.3 MPB与SRB对硫化物和微量金属的营养需求 314
11.4 MPB与SRB的竞争 315
11.4.1 防止过于简单的分析 315
11.4.2 影响MPB与SRB竞争的因素 316
11.5 硫的物料平衡 316
11.5.1 H2S的平衡 318
11.5.2 温度的影响 318
11.5.3 未离解的硫化物 319
11.6 化学计量学、自由能和产率 319
11.7 H2S的毒性 321
11.7.1 H2S对MPB与SRB的抵制为50%时的观察浓度 321
11.7.2 Parkin对丙酸盐代谢的动力学与毒性数据的总结 322
11.8 利用丙酸盐、乙酸盐和H2的动力学发展 324
11.8.1 Parkin研究组提出的丙酸代谢途径 324
11.8.2 动力学与毒性数据的解释 325
11.8.3 MPB占优势的新可能性 326
11.8.4 高硫化物浓度下的产甲烷过程 326
11.9 重要工艺参数 327
11.9.1 有机负荷率 327
11.9.2 COD/SO？-比值 328
11.9.3 MPB与SRB在生物膜和颗粒污泥中的竞争 330
11.9.4 工艺构型的比较 332
11.9.5 抑制水平 333
11.9.6 对填料的附着性 333
11.10 控制硫化物毒性的策略 334
11.10.1 提高pH 334
11.10.2 尾气洗涤与循环 335
11.10.3 以铁盐沉淀硫化物 336
11.10.4 钼酸盐对SRB的抑制作用 337
11.10.6 采用两相运行控制硫化物 339
11.10.5 以MgO碱度沉淀硫化物 339
11.10.7 利用高温控制硫化物毒性 340
11.11 SO？-/SO3的不完全还原 340
11.12 长时间内MPB/SRB生长优势的转换 341
11.13 基质类型 342
11.13.1 MPB与SRB对乙酸的竞争利用 342
11.13.2 H2基质与硫酸盐还原 343
11.13.3 丙酸盐基质与硫酸盐还原 344
11.13.4 以葡萄糖、乳酸盐为基质的硫酸盐还原 344
11.13.5 生物膜/颗粒污泥的优点对悬浮生长系统不适用 346
11.14 含硫酸盐工业废水实例 346
11.14.1 爱尔兰ADM柠檬酸厂 346
11.14.2 波多黎各Bacardi公司 347
12.1 引言 348
第12章 难生物降解有机物 348
12.2 难降解物生物降解的基本原理 349
12.2.1 难生物降解有机物的定义 349
12.2.2 决定化学稳固性的因素 350
12.2.3 与反应器中毒物浓度有关的工艺稳定性 350
12.2.4 一级基质和二级基质的比率 351
12.2.5 偶发代谢 351
12.2.6 难生物降解有机物的终极结果 352
12.2.7 普通共代谢物 353
12.2.8 生物转化与生物体浓度和接触时间的乘积有关 354
12.3 纸浆造纸难生物降解实例研究 354
12.3.1 毒性等价因子 355
12.3.2 纸浆漂白厂 355
12.3.3 分批试验可处理性研究的结论与长期的准确性大有出入 356
12.3.5 聚亚胺酯网状泡沫体强化纸浆厂废水的生物降解性 357
12.3.4 半化学纸浆厌氧处理的高效率 357
12.3.6 树脂酸的抑制 358
12.4 厌氧-好氧顺序环境 358
12.5 煤转化废水参数 360
12.6 多氯化脂肪族化合物 360
12.6.1 二氯甲烷作为生长基质 360
12.6.2 某些氯化脂肪族化合物的化学计量学反应 361
12.7 三氯甲烷、四氯化碳和三氯乙烯的厌氧代谢 361
12.7.1 氯化脂肪族化合物的消耗 365
12.7.2 氯化脂肪族化合物的转化机制 368
12.7.3 由产甲烷作用和硫酸盐还原作用降解三氯甲烷 368
12.8 四氯乙烯 369
12.9.1 对六氯1，3-丁二烯的421天的研究 370
12.9.2 氯化和非氯化脂肪族以及芳香族化合物的混合物 370
12.9 氯化脂肪族化合物的混合物 370
12.10 芳香族化合物和卤化芳香族化合物 371
12.10.1 还原脱卤作用 371
12.10.2 高毒性下的脱卤作用 371
12.10.3 颗粒介质的多样化和三氯酚(TCP) 372
12.10.4 粒状活性炭处理对氯酚 372
12.10.5 处理五氯酚和氯化苯胺时补充葡萄糖 372
12.10.6 粒状活性炭流化床中半挥发物的结局 373
12.11 氰化物 373
12.11.1 氰化物的厌氧预处理 374
12.11.2 粒状活性炭固定床处理 374
12.12 硝基取代有机物 375
12.13 速溶咖啡 376
12.14 表面活性剂 377
12.15 结论 377
参考文献 378