第三章水的生物化學處理方法

第一節廢水處理微生物基礎第二節好氧懸浮生長處理技術第三節好氧附著生長處理技術

第四節厭氧生物處理技術不同種類的微生物都具有分解有機物質的能力。微生物將膠體的和溶解性的含碳有機物轉化成CO2并合成新的微生物菌體。微生物菌體的密度稍微大于水，可以利用重力沉降法將其從處理過的水中去除。微生物菌體本身即為有機物，以BOD的形式存在于出水中。因此如果被處理過的水中微生物菌體未被去除，則未達到完全處理。第一節廢水處理微生物基礎一、廢水中的重要微生物廢水中的重要微生物有細菌、真、藻類及輪蟲與甲殼動物。其細胞內進行的分解代謝和合成代謝對廢水處理具有重要意義。廢水處理廠中，基質被氧化，釋放出來的能量被傳遞并儲存在能量載體中(如下圖所示)，供微生物利用。由分解代謝所產生的化學物質，部分被用于微生物的生存。（1）好氧分解必須有分子氧作最終電子受體。天然水體中氧以DO形式存在。當氧是唯一電子受體時，有機物最終代謝物主要為CO2、水及新的細胞物質。二、污染物的分解在正常的天然水體中，好氧分解是水體自凈的主要途徑。由于好氧氧化過程中有大量的能量釋放出來，大部分好氧微生物有很高的生長速率，比其它氧化系統中產生的新細胞多，因此污泥的產生量就多。好氧分解速度快、效率高，產生的臭味少，因此廢水濃度較低（BOD5小于500mg/L）時可選用此法。當廢水濃度過高時（BOD5大于1000mg/L），采用好氧處理不能得到足夠的溶解氧，且有大量的生物污泥產生，因此一般不適合于采用該法處理。（1）好氧分解二、污染物的分解（2）缺氧分解在缺少分子氧時，一些微生物能夠利用硝酸鹽作為最終受體，此時的氧化過程稱為反硝化過程。最終產物為氮氣、二氧化碳、水及新細胞物質。反硝化產生的能量約等于好氧分解產生的能量。二、污染物的分解為進行厭氧分解，分子氧與硝酸鹽不可作為電子受體。硫酸鹽、二氧化碳及有機物在厭氧分解中作為最終電子受體而被還原。無氧參與，底物氧化不徹底。有機物的厭氧分解通常分為兩個步驟：首先復雜的有機物發酵生成低分子量的脂肪酸（揮發性酸）；第二步這些有機酸轉化成甲烷，二氧化碳作為電子受體。厭氧氧化時僅能釋放出少量的能量，因此細胞的產生量即污泥的量很少。可利用此特性將好氧和缺氧過程產生的污泥通過厭氧分解加以穩定。目前，很多工廠利用此法處理污泥產生沼氣，發電。如北京高碑店污水處理廠。（3）厭氧分解二、污染物的分解廢水的厭氧生物處理優點：不需另加氧源，故運行費用低。缺點：反應速度慢，構筑物容積大。廢水濃度較低時，不適合于利用厭氧分解直接處理。為提高厭氧分解的效率，必須提高廢水溫度。（3）厭氧分解二、污染物的分解最終電子受體大量營養物：合成細胞所需的碳源、氮源；ATP（能量載體）和DNA所需的磷；微量營養物：微量金屬；某些細胞所需的維生素。適宜的環境：溫度；濕度；pH。（1）細菌生長的環境要求微生物生長動力學

遲緩期：細菌不能立即繁殖，適應期；對數增長期：在延遲期的末端細菌開始分裂，數目逐漸增加，適應后，快速增殖，旺盛期。對數生長期細菌數目P經過n個世代周

期后可用下式表示：P=P02n

純培養下的生長規律可用下述理論表達：減速增長期：營養物質逐漸減少，繁殖速度減慢；

內源呼吸期：營養物質明顯不足，進行內源呼吸。（2）純培養下的生長規律

微生物生長動力學S+E→ES→P+Eυ=υmaxρs/（Km+ρs

）該方程式表示酶促反應速度與底物濃度之間的定量關系。

Km(mol/L)：米氏常數。當酶反應速度達到最大反應速度的一半時的底物濃度。

1）Km值只與酶的性質有關，與酶的濃度無關；

2）如果一個酶有幾個底物，則對于一個底物有一個特定Km；

3）Km值最小的底物稱為該酶的最適底物。(3)米歇里斯-門坦方程式（1913年）在廢水處理系統中有兩種極限情況：一、限制性基質過量，即S>>Ks時，

m=，菌體的生長速率為一級反應；二、當S<<Ks時，由于基質量的限制，菌體的生長速率為零級反應，與菌體濃度無關。廢水或天然水體微生物的存在不是唯一的。生長動力學描述的是不同微生物在相互競爭中其質量或濃度隨時間的變化。不同菌種對同一基質競爭的能力取決于菌種對基質的代謝能力。由于細菌的體積較小，單位質量的表面積較大，可迅速的將基質去除。當溶解性有機物缺乏時，細菌繁殖將減少，而撲食者則增加。在密閉系統中，最初添加混合微生物和基質后，細菌種群數量達到最大值后，因基質缺乏，微生物進入內源呼吸狀態后而逐漸死亡。隨后被其它種類的細菌分解。這個過程不斷循環進行。（4）混合培養物下的生長微生物生長動力學

對大多數混合培養的微生物，莫諾德Monod方程（1942年)均可適應。該方程中微生物以質量表示而不是以生物數量表示。對數生長期微生物質量增加的速率可表示為：

為細菌比生長速率，t-1；X為菌體濃度(mg/L)。利用混合培養微生物不易直接測量

值。假設食物利用速率與菌體產生速率均受限于供給所需食物的酶反應速率，得到：式中，

m細菌最大比生長速率常數；S為限制性基質濃度，mg/L；Ks為半飽和常數，mg/L。當=0.5m時，Ks=S。莫諾德方程（5）混合培養物的生長規律Monod方程中生長速率與

限制性基質濃度的關系

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

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m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數

m

m/2Ks限制性基質濃度S生長速率常數Monod方程僅考慮微生物的生長，沒考慮自然死亡，假設系統中所有基質均轉化為菌體：設計廢水處理過程的主要公式式中kd為內源衰減速率常數，t-1。式中，Y為食物轉化菌體的比例，或合成系數，mg菌體/mg基質。第二節好氧懸浮生長處理技術

一、活性污泥法二、氧化塘

1、活性污泥生物相2、活性污泥法的基本原理3、影響活性污泥法處理效果的因素4、活性污泥的評價指標5、活性污泥法的分類6、活性污泥增長規律7、活性污泥法的數學描述8、曝氣的方法與設備

1、活性污泥生物相由以下組分組成：

活性的微生物；微生物自身氧化的殘留物；吸附在活性污泥上不能被生物降解的有機物和無機物。其中微生物是活性污泥的主要組成部分。這些微生物包括：細菌、真菌、原生動物、后生動物等多種微生物群體，組成一個生態系統。活性污泥法活性污泥通常為黃褐色絮狀顆粒，直徑一般0.02－2mm，含水率一般為99.2－99.8％，密度一般為1.002－1.006g/cm3。細菌是活性污泥組成和凈化功能的中心，是微生物的最主要部分。活性污泥生物相2、活性污泥法的基本原理基本流程向生活污水注入空氣進行曝氣，持續一段時間以后，污水中即生成一種絮凝體，主要由大量微生物群體繁殖所構成，有巨大的表面積和很強的吸附性能。出水剩余污泥進水回流污泥空氣曝氣池二沉池出水剩余污泥進水回流污泥空氣曝氣池二沉池凈化過程與機理（1）初期去除與吸附作用在很多活性污泥系統里，當污水與活性污泥接觸后很短的時間（10－45min)內就出現了很高的有機物(BOD)去除率。這種初期高速去除現象是吸附作用所引起的。由于污泥表面積很大(可達2000－1000m2/m3混合液)，且表面具有多糖類粘質層，因此，污水中懸浮的和膠體的物質是被絮凝和吸附去除的。活性污泥法的基本原理凈化過程與機理（2）微生物的代謝作用活性污泥中的微生物以污水中各種有機物作為營養，在有氧的條件下，將其中一部分有機物合成新的細胞物質(原生質)，對另一部分有機物則進行分解代謝，即氧化分解以獲得合成新細胞所需要的能量，并最終形成CO2和H2O等穩定物質。活性污泥法的基本原理凈化過程與機理（3）絮凝體的形成與凝聚沉降如果形成菌體的有機物不從污水中分離出去，這樣的凈化不能算結束。為了使菌體從水中分離出來，現多采用重力沉降法。如果每個菌體都處于松散狀態，由于其大小與膠體顆粒大體相同，它們將保持穩定懸浮狀態，沉降分離是不可能的。為此，必須使菌體凝聚成為易于沉降的絮凝體。絮凝體的形成是通過絲狀細菌來實現的。活性污泥法的基本原理3、影響活性污泥法處理效果的因素(1)污泥負荷的影響污泥負荷：活性污泥法中，有機物（BOD5）與活性污泥(MLSS)的重量比值(foodtobioMass，F:M)，一般用N表示。污泥負荷又分為重量負荷和容積負荷。重量負荷(organicloadingrate,NS）即單位重量活性污泥在單位時間內所承受BOD5量，單位為kgBOD5/(kgMLSS

d)。容積負荷（volumetricloadingrate,NV）是曝氣池單位有效容積在單位時間內所承受的BOD5量，單位為kgBOD5/(m3

d)。污泥負荷的計算公式：Q－廢水的處理量，m3/d；V－曝氣池的有效容積，m3；S0－進水BOD5濃度，kg/m3；X－活性污泥濃度，kgMLSS/m3污泥負荷的影響為了表示有機物的去除情況，也采用去除負荷Nr，即單位重量活性污泥在單位時間所去除的有機物重量。Nr－去除負荷；Se－出水BOD濃度。污泥負荷的影響污泥負荷與廢水處理效率、活性污泥特性、污泥生成量、氧的消耗量有很大關系，是設計活性污泥法時的主要參數。污泥負荷影響活性污泥特性。采用不同的污泥負荷，微生物的營養狀態不同，活性污泥絮凝和沉降性也就不同。實踐表明，在一定的活性污泥法系統中，污泥的SVI值與污泥負荷之間有復雜的變化關系。污泥負荷的影響SVI與污泥負荷曲線是具有多峰的波形曲線，有三個低SVI的負荷區和兩個高SVI的負荷區。如果在運行時負荷波動進入高SVI負荷區，污泥沉降性差，將會出現污泥膨脹。一般在高負荷時應選擇在1.5-2.0kgBOD/kgMLSS·d范圍內，中負荷時為0.2-0.4kgBOD/kgMLSS·d，低負荷時為0.03－0.05kgBOD/kgMLSS·d。污泥負荷的影響28(2)污泥齡和水力停留時間的影響污泥齡（sludgeage,

c)：曝氣池中工作著的活性污泥總量與每日排放的污泥量之比，也即新增長的污泥在曝氣池中平均停留時間，或污泥增長一倍平均所需要的時間，也稱固體平均停留時間或細胞平均停留時間。單位是d。污泥齡是影響活性污泥處理效果的重要參數。在運行穩定時，曝氣池中活性污泥的量保持常數，每日排出的污泥量也就是新增長的污泥量。水力停留時間

：指水在處理系統中的停留時間，單位是d。

＝V/QV是曝氣池的體積；Q是廢水的流量。(2)污泥齡和水力停留時間的影響完全混合型曝氣系統示意圖Q,S0,X0進水曝氣池V,Se,X二次沉淀池回流污泥RQ,Se,XrQ+RQSe,XQ-QwSe,Xe排放污泥IIQw,Xr,Se出水污泥齡影響的數學表達(以完全混合型為例)：假定有機物的降解僅在曝氣池中發生，計算

c時只需考慮曝氣池的容積。污泥齡影響的數學表達(以完全混合型為例)：進入和流出系統的微生物量和有機物量的質量平衡(3)溶解氧對于推流式活性污泥法，氧的最大需要量出現在污水與污泥開始混合的曝氣池首端，常供氧不足。供氧不足會出現厭氧狀態，妨礙正常的代謝過程，滋長絲狀菌。供氧多少一般用混合液溶解氧的濃度表示。活性污泥絮凝體的大小不同，所需要的最小溶解氧濃度也就不一樣。絮凝體越小，與污水的接觸面積越大，也越利于對氧的攝取，所需要的溶解氧濃度就小。反之絮凝體大，則所需的溶解氧濃度就大。為了使沉降分離性能良好，較大的絮凝體是所期望的，因此溶解氧濃度以2mg/L左右為宜。(4)營養物在活性污泥系統里，微生物的代謝需要一定比例的營養物，除以BOD表示的碳源外，還需要氮、磷和其他微量元素。生活污水含有微生物所需要的各種元素，但某些工業廢水卻缺乏氮、磷等重要元素。一般認為對氮、磷的需要應滿足以下比例，即BOD:N:P=100:5:1。(5)pH值的影響對于好氧生物處理，pH值一般以6.5－9.0為宜。pH值低于6.5，真菌即開始與細菌競爭，降低到4.5時，真菌將占優勢，嚴重影響沉降分離。pH值超過9.0時，代謝速度受到阻礙。需要指出的是pH值是指混合液而言。對于堿性廢水，生化反應可以起緩沖作用。對于以有機酸為主的酸性廢水，生化反應也可以起緩沖作用。(6)水溫在微生物酶系統不受變性影響的溫度范圍內，水溫上升就會使微生物活動旺盛，就能夠提高反應速度。水溫上升還有利于混合、攪拌、沉降等物理過程，但不利于氧的轉移。對于生化過程，一般認為水溫在20－30℃時效果最好，35℃以上和l0℃以下凈化效果即降低。(7)有毒物質(toxicmaterials)對生物處理有毒害作用的物質很多。毒物大致可分為重金屬、H2S等無機物質和氰、酚等有機物質。這些物質對細菌的毒害作用，或是破壞細菌細胞某些必要的生理結構，或是抑制細菌的代謝進程。毒物的毒害作用還與pH值、水溫、溶解氧、有無其他毒物及微生物的數量或是否馴化等有很大關系。(8)污泥回流比的影響污泥回流比(ratioofreturnedsludge)是指回流污泥的流量與曝氣池進水流量的比值，一般用百分數表示，符號為R。污泥回流量的大小直接影響曝氣池污泥的濃度和二次沉淀池的沉降狀況，所以應適當選擇，一般在20％－50％之間，有時也高達150％。4、活性污泥法的分類(運行方式)按廢水和回流污泥的進入方式及其在曝氣池中的混合方式，活性污泥法可分為推流式（plugflowreactor）和完全混合式(completelymixedreactor)兩大類。推流式活性污泥曝氣池有若干個狹長的流槽，廢水從一端進入，在曝氣的作用下，以螺旋方式推進，流經整個曝氣池，至池的另一端流出，隨著水流的過程，污染物被降解。此類曝氣池又可分為平行水流(并聯)式和轉折水流(串聯)式兩種。曝氣池推流式曝氣池示意圖（平行水流式）

出水剩余污泥進水回流污泥空氣二次沉淀池曝氣池推流式曝氣池示意圖（轉折水流式）

剩余污泥進水回流污泥空氣二次沉淀池出水曝氣池廢水進入曝氣池后在攪拌的作用下迅速與池中原有的混合液充分混合，混合液的組成、微生物群的量和質完全均勻一致，曝氣池中所有部位的生物反應同樣，氧吸收率相同。曝氣池進水回流污泥剩余污泥出水二沉池(2)完全混合式

完全混合式的特點（a）抗沖擊負荷的能力強，池內混合液能對廢水起稀釋作用。示意（b）由于全池需氧要求相同，能節省動力；（c）有時曝氣池和沉淀池可合建，不需要單獨設置污泥回流系統，便于運行管理；（d）連續進水、出水可能造成短路，易引起污泥膨脹。示意（e）池子體積不能太大，因此一般用于處理量比較小的情況，比較適宜處理高濃度的有機廢水。示意接供氧方式，活性污泥可分為兩類：

鼓風曝氣式；

機械曝氣式。鼓風曝氣式：是采用空氣(或純氧)作氧源，以氣泡形式鼓入廢水中。它適合于長方形曝氣池，布氣設備裝在曝氣池的一側或池底。氣泡在形成、上升和破壞時向水中傳氧并攪動水流。機械曝氣式：用專門的曝氣機械，劇烈地攪動水面，使空氣中的氧溶解于水中。通常，曝氣機兼有攪拌和充氧作用，使系統接近完全混合型。5、曝氣的方法、原理與設備曝氣的作用：供氧；攪拌混合作用，使活性污泥在混合液中保持懸浮狀態，與廢水充分接觸混合。(1)

曝氣的方法：鼓風曝氣機械爆氣鼓風機械曝氣聯合(2)

曝氣原理氣液傳質過程通常遵循一定的傳質擴散理論,目前工程和理論上應用較多的為雙膜理論。雙膜理論：在氣-水界面上存在著氣膜和液膜，氣膜外和液膜外有空氣和液體流動，屬紊流狀態，氣膜和液膜間屬層流狀態，不存在對流。

層流液相主體C氣相主體界面氣膜液膜CspgpiPg表示氣相中氧的分壓Pi表示界面處氧的分壓Cs表示界面處水中氧的濃度C表示水中氧的濃度曝氣池內氧傳遞過程的數學表達式：dC/dt－氧的傳遞速率(氧進入水的速率)，mg/(L·h)；C－液相氧的實際濃度，mg/L；Cs－氧的飽和濃度，mg/L；KLa－液相總傳質系數，1/h。曝氣原理曝氣時推動氧分子通過液膜的動力是水中氧的飽和濃度Cs和實際濃度C的差。Cs決定于空氣中氧的分壓，所以最終起決定作用的推動力是氧分壓，而C值由微生物的耗氧速率確定。氧的傳遞速率同氣、液兩相的界面面積成正比，由于其面積難于估算，所以把它的影響包括在傳質系數內，故KLa叫總傳質系數。KLa的倒數單位是時間，可以把它看作是把溶解氧濃度從C增加到Cs所需的時間。曝氣原理(3)曝氣設備衡量曝氣設備效能的指標：

動力效率EP、氧轉移效率EA、充氧能力。動力效率：指消耗1kWh電能所轉移到液體中去的氧量，單位為kg/kWh。氧轉移效率：也稱氧利用率，指鼓風曝氣轉移到液體中的氧占供給氧的百分數：EA=(Ro/W)×100％。

W－供氧量，kg/h；Ro－吸氧量，kg/h。對于鼓風曝氣，各種擴散裝置在標準狀態下的EA值是事先通過脫氧清水的曝氣試驗測定得出的，一般為5％－15％左右。充氧能力：指葉輪或轉刷在單位時間內轉移到液體中的氧量kg/h。對曝氣設備的要求：良好的曝氣設備除應具有較高的動力效率和氧轉移效率外，還應盡可能滿足下列要求：（a）攪拌均勻；（b）構造簡單；（c）能耗少；（d）價格低；（e）性能穩定，故障少；（f）不產生噪音及其它公害；（g）對某些工業廢水耐腐蝕性強。曝氣設備

鼓風曝氣鼓風曝氣是傳統的曝氣方法，它由三部分組成：

加壓設備；

擴散裝置；

管道系統。加壓設備：一般采用回轉式鼓風機，也有采用離心式鼓風機的，為了凈化空氣，其進氣管上常裝設空氣過濾器，在寒冷地區，還常在進氣管前設空氣預熱器。曝氣方法擴散裝置分為以下幾類：小氣泡擴散裝置：擴散板、擴散管或擴散盤屬小氣泡擴散裝置；中氣泡擴散裝置：穿孔管屬中氣泡擴散裝置；大氣泡擴散裝置：豎管曝氣屬大氣泡擴散裝置；水力剪切擴散裝置：倒盆式、撞擊式和射流式屬水力剪切擴散裝置機械剪切擴散裝置：渦輪式屬機械剪切擴散裝置。曝氣設備

機械曝氣設備的式樣較多，大致可歸納為葉輪和轉刷兩大類。曝氣葉輪：有安裝在池中與鼓風曝氣聯合使用的，也有安裝在池面的，后者稱“表面曝氣”。表面曝氣具有構造簡單，動力消耗小，運行管理方便，氧吸收率高的優點，故應用較多。常用的表面曝氣葉輪有泵型，倒傘型和平板型。機械曝氣幾種葉輪曝氣器不同形式的轉刷曝氣器不同形式的轉刷曝氣器曝氣器的選擇原則：鼓風曝氣器優點：供應空氣的伸縮性較大，曝氣效果也較好，一般用于較大的曝氣池。缺點：需要鼓風機和管道系統。曝氣頭易堵塞。機械曝氣器優點：對于較小的曝氣池能減少動力費用，并省去鼓風曝氣所需的管道系統和鼓風機等設備，維護管理也比較方便。缺點：轉速高，其動力消耗隨曝氣池的增大而迅速增大，所以曝氣池不能太大。曝氣器需要較大的表面積，因此曝氣池的深度受到限制。此外，若曝氣池中產生泡沫，將嚴重降低充氧能力。兩種曝氣器比較從混合液流型可分為：

推流式、完全混合式、循環混合式；從平面形狀可分為：

長方廊道形、圓形或方形、環形跑道形；從采用的曝氣方法可分為：

鼓風曝氣式、機械曝氣式、聯合式；從曝氣池與二次沉淀池的關系可分為：分建式、合建式。曝氣設備曝氣池的類型與構造推流式曝氣池結構示意圖曝氣裝置曝氣總管曝氣池壁曝氣池壁完全混合式曝氣池(圓形)完全混合式曝氣池(方形)完全混合式曝氣池(長方形)完全混合式曝氣池(分建式)循環混合式曝氣池多采用轉刷供氧，其平面形狀如環形跑道，如下圖所示。循環混合式曝氣池也稱氧化渠或氧化溝（oxidationditch)，是一種簡易的活性污泥系統，屬于延時曝氣法。氧化溝的平面圖像跑道一樣，轉刷設置在氧化渠的直段上，轉刷旋轉時混合液在池內循環流動，流速保持在0.3m/s以上，使活性污泥呈懸浮狀態。循環混合式曝氣池氧化渠的典型布置（a）簡化了預處理。氧化溝水力停留時間和污泥齡比一般生物處理法長，懸浮有機物可與溶解性有機物同時得到較徹底的去除，排出的剩余污泥已得到高度穩定，因此氧化溝可以不設初次沉淀池，污泥也不需要進行厭氧消化；（b）占地面積少。因在流程中省略了初次沉淀池、污泥消化池，有時還可省略二次沉淀池和污泥回流裝置，使污水廠總占地面積不僅沒有增大，相反還可縮小；氧化溝的特點：（c）從溶解氧的分布看，氧化溝具有推流特性，溶解氧濃度在沿池長方向形成濃度梯度，形成好氧、缺氧和厭氧條件。通過對系統合理的設計與控制，可以取得最好的除磷脫氮效果。另外，氧化溝的曝氣方式也不限于轉刷一種，也可以用其它方法曝氣。氧化溝的構造形式也是多種多樣的，根據不同的目的可以設計多種形式的氧化溝。氧化溝技術是近年來發展較快的生物水處理技術之一。6、活性污泥的評價指標（1）混合液懸浮固體(mixedliquorsuspensionsolid,MLSS)混合液是曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合懸浮液。混合液固體懸浮物數量是指單位體積混合液中干固體的含量，單位為mg/L或g/L，工程上還常用kg/m3，也稱混合液污泥濃度（一般用X表示）。它是計量曝氣池中活性污泥數量多少的指標。一般活性污泥法中，MLSS濃度一般為2－4g/L。（2）混合液揮發性懸浮固體

(mixedliquorvolatilesuspensionsolid,MLVSS)指混合液懸浮固體中的有機物的重量，單位為mg/L、g/L或kg/m3。把混合液懸浮固體在600℃焙燒，能揮發的部分即是揮發性懸浮固體，剩下的部分稱為非揮發性懸浮固體。一般在活性污泥法中用MLVSS表示活性污泥中生物的含量。在一般情況下，MLVSS/MLSS的比值較固定，對于生活污水，常在0.75左右。對于工業廢水，其比值視水質不同而異。6、活性污泥的評價指標（3）污泥沉降比(settlingvolume,sludgesedimentationratio,SV)污泥沉降比是指曝氣池混合液在l00mL量筒中，靜置沉降30min后，沉降污泥所占的體積與混合液總體積之比的百分數。所以也常稱為30min沉降比。正常的活性污泥在沉降30min后，可以接近它的最大密度，故污泥沉降比可以反映曝氣池正常運行時的污泥量。可用于控制剩余污泥的排放。它還能及時反映出污泥膨脹等異常情況，便于及早查明原因，采取措施。6、活性污泥的評價指標污泥沉降比測定比較簡單，并能說明一定問題，因此它成為評定活性污泥的重要指標之一。（4）污泥體積指數

(sludgevolumeindex,SVI)污泥體積指數也稱污泥容積指數，是指曝氣池出口處混合液，經30min靜置沉降后，沉降污泥體積中1g干污泥所占的容積的毫升數，單位為mL/g，但一般不標出。它與污泥沉降比有如下關系：SVI=(SV×10)/X式中：X的單位為g/L，SV以百分數代入。6、活性污泥的評價指標SVI值能較好地反映出活性污泥的松散程度(活性)和凝聚、沉降性能。SVl值過低，說明污泥顆粒細小緊密，無機物多，缺乏活性和吸附力；SVI值過高，說明污泥難于沉降分離，并使回流污泥的濃度降低，甚至出現污泥膨脹(sludgebulking)，導致污泥流失等后果。一般認為，處理生活污水時SVI<100時，沉降性能良好；SVI為100-200時，沉降性能一般；SVI>200時，沉降性能不好。一般控制SVI為50－150之間較好。6、活性污泥的評價指標第三節好氧附著生長處理技術--------生物膜法一、生物膜法的基本原理二、生物膜法的主要特征三、生物濾池四、生物轉盤五、生物接觸氧化法六、生物流化床1、生物膜在載體上的生長過程：當有機污水或由活性污泥懸浮液培養而成的接種液流過載體時，水中的懸浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有機底物而生長繁殖，逐漸在載體表面形成一層粘液狀的生物膜。這層生物膜具有生物化學活性，有進一步吸附、分解污水中呈懸浮、膠體和溶解狀態的污染物。一、生物膜法的基本原理2、生物膜的降解機理(1)物質的傳遞①空氣中的氧溶解于流動水層中，通過附著水層傳遞給生物膜；②有機污染物則由流動水層傳遞給附著水層，然后進入生物膜；③微生物的代謝產物如H2O等則通過附著水層進入流動水層，并隨其排走；④CO2及厭氧層分解產物如H2S、NH3以及CH4等氣態代謝產物則從水層逸出進入空氣中。(2)膜的生長與脫落

①生物膜降解有機物的過程，也是膜生長的過程；

②好氧層與厭氧層的平衡穩定關系；

③厭氧層加厚，生物膜老化、脫落。⑴生物相方面的特征：

①微生物多樣化②生物的食物鏈長③能夠存活世代時間較長的微生物④分段運行與優占種屬二、生物膜的主要特征(2)處理工藝方面的特征：

①對水質、水量變動有較強的適應性

②污泥沉降性能良好，宜于固液分離

③能夠處理低濃度的污水

④易于維護運行、節能

二、生物膜的主要特征(1)生物濾池法的特征：生物濾池法是在砂濾池的基礎上發展起來的一種生物膜處理方法，它利用濾料表面形成的一層生物膜來凈化污水。在濾池內，污水由于重力作用自上而下地連續流經濾料，濾料表面的微生物借助酶的作用，使被吸附和吸收的有機物在氧氣的參與下進行氧化分解，同時微生物又以有機物為營養進行自身繁殖。老化的微生物附著力差，在污水沖刷會不斷脫落，脫落后隨水流出濾池，同時新的生物膜不斷生長，因而處理可連續進行。三、生物濾池生物濾池處理過程，是一個復雜的物理化學、生物化學和水動力學的綜合過程。(2)典型構造生物濾池主要由池壁、池底、濾料、布水器等部分組成。

濾料：組成濾層的過濾材料。常以花崗石、安山巖、閃綠巖等較硬的巖石以及無煙煤等材料制成。

布水器：將污水散布于濾層表面的裝置，使用較多的是旋轉式布水器，其次是固定噴嘴式布水器。三、生物濾池(3)影響生物濾池性能的主要因素----負荷率

水力負荷率：以濾料體積表示,m3(污水）/m3（濾料）·d。

有機負荷率：以進水有機污染物或特定污染物表示,kg(BOD5或特定污染物）/m3（濾料）·d。水力負荷率與生物膜更新的關系：水力負荷小，生物膜厚，易堵塞；水力負荷大于8m/d時，水力沖刷作用強，生物膜更新快，不易堵塞，生物活性好。但污水停留時間短，出水水質下降。三、生物濾池城市污水BOD5在200-300mg/L，處理效率要求80-90%時，低負荷生物濾池的有機負荷率：0.2kg/m3（濾料）·d，高負荷生物濾池的有機負荷率：1.1kg/m3（濾料）·d左右。普通生物濾池；高負荷生物濾池；塔式生物濾池；曝氣生物濾池(4)生物濾池的類型由于低密度濾料的使用，生物濾池突破了高度的限制，可達8～20m，外形像塔，故稱之；塔身分為數層，每層設置格柵，承擔濾料重量；水力負荷可高達20～200m/d，有機負荷2～3kg/m3d；可多段進水，但要加強預處理，防止堵塞；優點：占地大大縮小，能使用水質水量變化；缺點：廢水提升費用高，濾池太高管理不便。塔式濾池20世紀80年代發展的高效、低成本、小體積的污水處理系統；主要分類：上流式和下流式；填料特性：高比表面積、低密度、硬度大、抗磨損、化學穩定性好；處理效果好：BOD5、SS、NH3-N可分別達到10、10、1mg/L；抗沖擊能力強：可適應水質、水量的波動，即使長時間停用啟用后也可迅速恢復。曝氣生物濾池1.特點生物轉盤是一種通過盤面轉動，交替與污水和空氣接觸從而使污水凈化的一種處理方法。它是在生物過濾法基礎上發展起來一種高效處理新技術，也是生物膜法之一，具有運行簡便，可根據不同的要求調節接觸時間、耗電少等優點，很適于小規模的污水處理。四、生物轉盤

生物轉盤是由氧化槽支撐和水平軸固定的一系列間距很近的圓盤所組成。盤片由合成樹脂（聚氯乙稀、玻璃鋼）、金屬（鉛、鋼）或竹材制成。氧化槽一般是與圓盤外形基本吻合的半圓形，由鋼筋混凝土或鋼板制成，由電動機和變速裝置帶動水平軸使盤片緩緩轉動。

2.構造

轉盤用人工方法或自然方法掛膜后，轉盤表面就形成了類似生物濾池濾料那樣的生物膜。轉盤旋轉時，浸入污水的部分，其上的生物膜吸附有機污染物，并吸收生物膜外水膜中的溶解氧，在生物酶的催化作用下，分解有機物，排出代謝產物，微生物在這一過程中以有機污染物為營養進行自身繁殖。轉盤露出水面的部分，空氣不斷地溶解到水膜中取，增加其溶解氧量。生物膜交替地與污水和空氣接觸，形成一個連續的吸附－吸氧－氧化分解過程，使污水得到凈化。3.工作原理

微生物濃度高。若把生物膜折算成曝氣池污泥濃度，可達10000～20000mg/L；生物相分級，預留無該機的污水水質相適應。這對微生物生長，有機污染物降解有利；具有消化、反硝化、除磷功能。由于污泥泥齡長，可生長生長期較長的消化、反硝化菌；不回流污泥，除水可加混凝劑除磷；耐沖擊負荷，可適應BOD5達10～10000mg/L

的有機廢水；微生物食物鏈長，污泥量少，含水率低，易于處理。生物轉盤的特征1.特點接觸氧化法是在接觸濾池和生物濾池的基礎上發展起來的處理方法，具有介于生物濾池或活性污泥法的特征。即在不透水的池內，填充填料，下側曝氣。在生物膜固定和污水流動方面和生物濾池相同，以污水充滿池內、用人工進行曝氣而言，又和活性污泥法相似。又稱接觸曝氣或淹沒式生物濾池、或固定式活性污泥法。

四生物接觸氧化法

生物接觸氧化法與生物濾池的區別水流流態不同：生物膜表面直接與污水接觸，提供更大污染物傳質空間；水流穩定，加上充沛的溶解氧，適于微生物生長，微生物相豐富，能形成穩定的生態系；供氧方式不同：曝氣供氧，傳質快，效率高，污水中DO濃度大；容積負荷高且污泥產量低：污染物和氧氣的傳質條件好，單位容積生物量高于活性污泥法和生物濾池法（125g/m2填料表面，相當于MLSS13g/L)，故容積負荷高，并保持較低的F/M，；不需污泥回流，運行管理方便；耐沖擊負荷和水質驟變：污泥濃度高，完全混合。生物接觸氧化池的構造池體：用于放置填料，布水布氣裝置，設置支撐填料的柵板和格柵的構筑物，鋼或鋼筋混凝土結構，池底設置派你裝置；填料：生物膜附著的載體，要求比表面積大、空隙率大、強度大、水力阻力小，化學與生物穩定性好。制作材料為聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、環氧玻璃鋼等，形狀為蜂窩狀或波紋板狀；此外還有纖維狀軟性填料，由尼龍、維綸、腈綸和滌綸等化學纖維編結成。布氣管：分流式：中心曝氣，側面曝氣；直流式：全面曝氣。2.構造

五、生物流化床

在反應器中裝入粒徑較小、密度大于水的載體顆粒，通過污水以一定的流速自下而上的流動使載體成流化狀態，污水中有機污染物通過與載體表面生長的生物膜相接觸而達到去除的目的。生物流化床的類型兩相生物流化床：流化床中只有固液兩相，由液體流動托起固體顆粒，溶氧過程在另外的設備中完成。由于處于流態化工況下的水流流速難于使固體顆粒表面的生物膜脫落，故增加脫膜設備；三相生物流化床：流化床中同時有氣、固、液三相，氣、液兩相同時流動托起固體顆粒，過程三相流，其中的氣流同時起充氧作用，激烈湍動的氣、液兩相流使固體顆粒表面的生物膜脫落，故不必再設脫膜設備；第四節厭氧生物處理技術一、概述二、厭氧生物處理的機理三、影響厭氧生物處理的主要因素四、厭氧法的工藝和設備五、厭氧設備的運行管理六、兩相厭氧處理系統七、厭氧制氫技術八、厭氧和好氧技術的比較和聯合運用一、概述廢水厭氧生物處理是環境工程與能源工程中的一項重要技術，是有機廢水強有力的處理方法之一。過去，它多用于城市污水處理廠的污泥、有機廢料以及部分高濃度有機廢水的處理。目前，厭氧生化法不僅可用于處理有機污泥和高濃度有機廢水，也用于處理中、低濃度有機廢水，包括城市污水。很多工廠利用此法處理污泥產生沼氣發電，如北京高碑店污水處理廠。

厭氧生物處理方法和基本功能有二：（1）酸發酵，目的是為進一步進行生物處理提供易生物降解的基質；（2）甲烷發酵，目的是為進一步降解有機物和生產氣體燃料。二、厭氧生物處理的機理廢水厭氧生物處理是指在無分子氧條件下通過厭氧微生物(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質的過程，也稱為厭氧消化。與好氧過程的根本區別在于不以分子態氧作為受氫體，而以化合態氧、碳、硫、氮等作為受氫體。厭氧生物處理是一個復雜的微生物化學過程，依靠三大主要類群的細菌，即水解產酸細菌、產氫產乙酸細菌和產甲烷細菌的聯合作用完成。厭氧消化過程劃分為三個連續的階段，即水解酸化階段、產氫產乙酸階段和產甲烷階段。第一階段為水解酸化階段。復雜的大分子、不溶性有機物先在細胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機物，然后滲入細胞體內，分解產生揮發性有機酸、醇類、醛類等。這個階段主要產生較高級脂肪酸。第二階段為產氫產乙酸階段。在產氫產乙酸細菌的作用下，第一階段產生的各種有機酸被分解轉化成乙酸和H2、CO2等組分。第三階段為產甲烷階段。產甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、CO2和H2等轉化為甲烷。有機物厭氧分解的三個階段此過程由兩組生理上不同的產甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產生甲烷，前者約占總量的l/3后者約占2/3。上述三個階段的反應速度依廢水性質而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質均能被微生物迅速分解，對含這類有機物為主的廢水，產甲烷易成為限速階段。三、影響厭氧生物處理的主要因素控制厭氧處理效率的基本因素有兩類:一類是基礎因素，包括微生物量(污泥濃度)、營養比、混合接觸狀況、有機負荷等；另一類是環境因素，如溫度、pH值、有毒物質等。產甲烷細菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，產甲烷階段是厭氧過程速率的限制步驟。（一）溫度條件

據產甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為低溫消化（5-15℃）、中溫消化（30-35℃）和高溫消化（50-55℃）三種類型。產甲烷菌對溫度的變化十分敏感，在35℃和53℃上下可以分別獲得較高的消化效率，溫度為40-45℃時，厭氧消化效率較低。溫度對厭氧消化過程的影響溫度的急劇變化和上下波動不利于厭氧消化作用。短時內溫度升降5℃，沼氣產量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至停止產氣。溫度的波動，不僅影響沼氣產量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對溫度變化更為敏感。溫度的暫時性突然降低不會使厭氧消化系統遭受根本性的破壞，溫度一經恢復到原來水平時，處理效率和產氣量也隨之恢復。（二）pH值每種微生物可在一定的pH值范圍內活動，產酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。產甲烷菌要求環境介質pH值在中性附近，最適宜pH值為7.0-7.2。在厭氧法處理廢水的應用中，由于產酸和產甲烷大多在同一構筑物內進行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應器內的pH值最好在6.8-7.2的范圍內。（三）有機負荷在厭氧法中，有機負荷通常指容積有機負荷，簡稱容積負荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量（kgCODcr/m3·d)。對懸浮生長工藝，也有用污泥負荷表達的，即kgCODcr/(kg污泥·d)。在污泥消化中，有機負荷習慣上以投配率或進料率表達，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分數。由于各種濕污泥的含水率、揮發組分不盡一致，投配率不能反映實際的有機負荷，為此，又引入反應器單位有效容積每天接受有機負荷值因工藝類型、運行條件以及廢水中污染物的種類及其濃度而異。在通常的情況下，常規厭氧消化工藝中溫處理高濃度工業廢水的有機負荷為2-3kgCODcr/(m3·d)，在高溫下為4-6kgCOD/(m3·d)。上流式厭氧污泥床反應器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機負荷在中溫下為5-15kgCODcr/(m3·d)，可高達30kgCODcr/(m3·d)。在處理具體廢水時，最好通過試驗來確定其最適宜的有機負荷。（四）厭氧活性污泥厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機物、無機物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎保證。厭氧活性污泥的性質主要表現為它的作用效能與沉降性能。故在一定的范圍內，活性污泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。（五）攪拌和混合通過攪拌可消除池內梯度，增加食料與微生物之間的接觸，避免產生分層，促進沼氣分離。在連續投料的消化池中，還使進料迅速與池中原有料液相混勻。在傳統厭氧消化工藝中，也將有攪拌的消化器稱為高效消化器。攪拌程度與強度要適當。（六）廢水的營養比厭氧微生物的生長繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進料的碳、氮、磷比例，因為其他營養元素不足的情況較少見。厭氧法中碳:氮:磷控制為200-300:5:1為宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對厭氧消化的影響更為重要。研究表明，合適的C/N為10-18:1。（七）有毒物質包括有毒有機物、重金屬離子和一些陰離子等。對有機物來說，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環等結構，往往具有抑制性。有毒物質的最高容許濃度與處理系統的運行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關。四、厭氧法的工藝和設備按微生物生長狀態分為厭氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厭氧生物膜法(anaerobicslime)。厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應器等；厭氧生物膜法包括厭氧濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉盤等。按投料、出料及運行方式分為分批式、連續式和半連續式。（一）普通厭氧消化池普通消化池又稱傳統或常規消化池，消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續進入池中，經消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產沼氣從頂部排出。池徑從幾米至三、四十米，柱體部分的高度約為直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。為使進水與微生物盡快接觸，需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種：(a)池內機械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環消化液攪拌。螺旋槳攪拌的消化池普通消化池的特點是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液；厭氧消化反應與固液分離在同一個池內實現，結構較簡單；對無攪拌的消化器，還存在料液的分層現象嚴重，微生物不能與料液均勻接觸的問題；溫度不均勻，消化效率低。（二）厭氧接觸法在消化池后設沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法。厭氧接觸法的特點:（a）通過污泥回流，保持消化池內污泥濃度較高，一般為10-15g/L，耐沖擊能力強；（b）消化池的容積負荷較普通消化池高，中溫消化時，一般為2-l0kgCODcr/m3·d，水力停留時間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15-30天，而接觸法小于10天；（c）可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題；（d）混合液經沉降后，出水水質好；（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設備；（f）厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進行固液分離的缺點。（三）厭氧濾池厭氧濾池（anaerobicfilter)又稱厭氧固定膜反應器，是上世紀60年代末開發的新型高效厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形，池內裝放填料，池底和池頂密封。厭氧微生物附著于填料的表面生長，當廢水通過填料層時，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，并產生沼氣，沼氣從池頂部排出。廢水從池底進入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進入，以降流的形式流過填料層，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池。厭氧生物濾池的特點（a）由于填料為微生物附著生長提供了較大的表面積，濾池中的微生物量較高，又因生物膜停留時間長，平均停留時間長達100天左右，因而可承受的有機容積負荷高，COD容積負荷為2-16kgCODcr/(m3·d)，且耐沖擊負荷能力強；（b）廢水與生物膜兩相接觸面大，強化了傳質過程，因而有機物去除速度快；（c）微生物固著生長為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設備；（d）啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短；（e）處理含懸浮物濃度高的有機廢水，易發生堵塞，尤以進水部位更嚴重，因此，進水懸浮物濃度不應超過200mg/L。（四）厭氧流化床厭氧流化床特點（a）載體顆粒細，比表面積大，可高達2000-3000m2/m3左右，使床內具有很高的微生物濃度，因此有機物容積負荷大，一般為10-40kgCODcr/m3·d，水力停留時間短，具有較強的耐沖擊負荷能力，運行穩定；（b）載體處于流化狀態，無床層堵塞現象，對高、中、低濃度廢水均表現出較好的效能；（c）載體流化時，廢水與微生物之間接觸面大，同時兩者相對運動速度快，強化了傳質過程，從而具有較高的有機物凈化速度；（d）床內生物膜停留時間較長，剩余污泥量少；（e）結構緊湊、占地少以及基建投資省等；（f）但載體流化耗能較大，且對系統的管理技術要求較高。（六）上流式厭氧污泥床反應器上流式厭氧污泥床反應器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，簡稱UASB反應器，是由荷蘭的G.Lettnga等人在上世紀70年代初研制開發的。污泥床反應器內沒有載體，是一種懸浮生長型的消化器。由反應區、沉淀區和氣室三部分組成。上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設置氣、液、固三相分離器，則一般為矩形，高度一般為3-8m，其中污泥床1-2m，污泥懸浮層2-4m，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構，上流式厭氧污泥床反應器的特點:

（a）反應器內污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30-40g/L，其中底部污泥床污泥濃度60-80g/L，污泥懸浮層污泥濃度5-7g/L；污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度發展的顆粒污泥組成，顆粒的直徑一般在0.5-5.0mm之間，顆粒污泥是UASB反應器的一個重要特征。（b）有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷一般為10-20kgCODcr/（m3·d）；（c）反應器內設三相分離器，被沉淀區分離的污泥能自動回流到反應區，一般無污泥回流設備；（d）無混合攪拌設備。投產運行正常后，利用本身產生的沼氣和進水來攪動；（e）污泥床內不填載體，節省造價及避免堵塞問題。（f）反應器內有短流現象，影響處理能力。進水中的懸浮物應比普通消化池低得多，特別是難消化的有機物固體不宜太高，以免對污泥顆粒化不利或減少反應區的有效容積，甚至引起堵塞；（g）運行啟動時間長，對水質和負荷突然變化比較敏感。(七)內循環厭氧反應器（InternalCirculation

）和厭氧污泥膨脹床反應器（ExpandedGranularSludgeBed

）IC反應器示意圖

EGSB反應器示意圖

內循環厭氧反應器（IC）由第一厭氧反應室和第二氧反應室疊加而成。每個厭氧反應室的頂部各設一個氣、固、液三相分離器。第一級三相分離器主要分離沼氣和水，第二級三相分離器主要分離污泥和水。內循環厭氧反應器COD容積負荷可達15-25kgCODcr/m3?d。內循環厭氧反應器借沼氣內能提升實現內循環，不必外加動力，結構緊湊，節省占地面積。此外，內循環厭氧反應器抗沖擊負荷能力強，出水穩定性好。厭氧顆粒污泥膨脹床反應器（EGSB）在結構形式、污泥形態等方面與UASB非常相似，EGSB中一般采用2.5-6m/h的液體表面上升流速（最高可達10m/h）。高的液體表面上升流速使顆粒污泥床層處于膨脹狀態，不僅使進水能與顆粒污泥能充分接觸，提高了傳質效率，而且有利于基質和代謝產物在顆粒污泥內外的擴散、傳送。厭氧顆粒污泥活性高，沉降性能好，粒徑和強度較大，抗沖擊負荷能力強，適用范圍廣，可用于SS含量高和對微生物有抑制性的廢水處理。五、

兩相厭氧處理系統厭氧消化反應分別在兩個獨立的反應器中進行，每一反應器完成一個階段的反應，如一為產酸階段，另一為產甲烷