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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H291

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COD127

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ADUF180

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COD195

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pH334

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