活性污泥法自1912年被提出以来，经过100多年发展，已经成为了众多污水处理技术中应用为广泛的方法。20世纪80年代在传统活性污泥法基础上发展起来的活性污泥—生物膜共生技术(Integrated Fixed-Film Activated Sludge，IFAS)结合了活性污泥和生物膜的优势，使污水处理效果得到了提升。近年来，随着工业化和城市化程度地不断提升，城镇污水排放量和氮磷污染物不断增加，导致了生活废水中低COD质量浓度和水体富营养化的现状，而氮磷是引起水体富营养化的主要因素。随着国家众多环保政策的出台，给污水处理领域提出了更高要求，越来越多的水处理厂面临着深度脱氮除磷、脱除重金属的挑战，为了满足需求，只能依赖价格高昂的纳滤膜或者反渗透膜，然而成本往往无法承受，因此亟需能够低成本实现污水深度处理与回用的新技术。厌氧氨氧化(Anaerobic Ammonium Oxidation，Anammox)技术由于节省能量、剩余
亚硝化反应(亚硝酸菌)：NH4++1.5O2→NO2-+H2O+2H+
厌氧氨氧化反应化学计量学方程式：NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O
硝化反应(硝化菌)：NH4++2O2→NO3-+2H++H2O
反硝化反应(反硝化菌)：6NO3-+5CH3OH→5CO2+3N2+7H2O+6OH-
2、实验过程
2.1 微生物载体制备
物化破壁技术包括热水解处理、超声波处理、碱解处理、臭氧处理等。其中热水解处理是将污泥在密闭容器加热，使污泥絮体发生一系列的物理化学变化的预处理过程，在实际生产中为常见。研究结果表明，热水解能改变污泥生物降解性能，特别是对溶解性碳水化合物、挥发性悬浮固体(VSS)的水解率有较大的影响，而对氨氮影响较小。超声波预处理的研究主要集中在不同频率、不同强度对污泥作用效果。王晓燕认为，超声处理能促进生物酶强化污泥厌氧发酵生产挥发性脂肪酸;曹秀芹等认为作用时间对污泥破解效果的影响远大于声能密度。徐慧敏等基于超声联合热碱有效破解污泥有机质研究表明，二者同步可以大幅度提高有机质的破解，提高其生物可利用性。此外，石璞玉等臭氧预处理研究表明，臭氧投加量与污泥破壁效果呈现正相关，而超声处理比臭氧处理对厌氧微生物起到更强的消减作用。
1.2 产酸阶段
进行水解的兼性菌完成水解后，将水解产物吸入，继续进行分解代谢，即为产酸阶段。产酸阶段主要依靠产酸菌发挥作用。产酸菌一般为兼性菌，也有少量厌氧菌。产酸菌在污泥中大量存在且生长速率快，适应的温度范围广，能够在高温环境下存活。在厌氧消化过程中，产酸菌能够将非溶解性的有机物质分解并转化为简单的溶解性物质，代谢产物主要为挥发性脂肪酸、挥发醇及一些醛酮物质。消化产物脂肪酸主要包括乙酸、丙酸和丁酸，占挥发性脂肪酸95%，其三种酸中以乙酸为主，占65%~75%;挥发醇主要为甲醇和乙醇。这些溶解性物质能够为产甲烷菌生长繁殖提供营养物质。产酸菌能够通过自身活动消除厌氧消化初期带入的溶解氧，并且能够裂解苯环、重金属等对产甲烷菌有害的物质(H2O2浓度较低时，兼性菌会分泌出一种分解H2O2的酶，将H2O2分解掉，而专性厌氧菌无此功能，这也是兼性菌和专性厌氧菌之间区别本质所在)。
也有学者认为，污泥消化可以考虑将有机质尽可能转化为短链有机酸类(如乙酸)，再通过耦合系统转化为高附加值生物化学品，即将反应控制在产酸阶段，这样不仅可使污泥获得稳定化、无害化处理，还可以寻求污泥资源化再利用的新途径。
1.3 产甲烷阶段
产甲烷率是污泥厌氧消化大的瓶颈问题。一是产甲烷菌是专性厌氧菌，氧的存在能使其迅速失去活性。其机理是当环境有氧存在时，氧气能与产酸阶段产生的氢气迅速合成双氧水，双氧水是一种强氧化剂，其浓度较高时，对所有类型的细菌均具有杀伤作用。二是产甲烷菌繁殖速度慢，代谢活力不强，只能利用挥发性脂肪酸代谢成甲烷。因此产酸阶段是产甲烷阶段的前提，大部分甲烷菌将产酸阶段产生的乙酸吸入胞内进行代谢。
为了提高产甲烷速率，国内外科技工作者做了大量基础性的研究与探讨。孙龙研究表明，10%的含固率和5%的含固率产甲烷气率和有机质去除率类似，实际生产可以考虑设计较高含固率厌氧反应器。此外，应用新材料是研究热点之一。Bigg等利
厌氧消化根据消化温度差异，可以分为高温消化(50℃以上)、中温消化(30~36℃)、常温消化三种方式。当温度在55~60℃左右时，消化效率高，厌氧消化也比较稳定，消化时间仅需要10d左右。从微生物活性来说，产甲烷菌正常生存的温度范围10~60℃，其活性随着温度升高而增大。当温度低于10℃，虽能存活，但代谢将基本停止;当温度超过70℃活性降低。
国内污泥厌氧消化早期多集中于中温条件，高温消化被认为需要消耗更大能量。张辰研究认为，高温厌氧消化对VS和COD具有更高的去除率，提供更多的产甲烷基质和沼气量。无论高温或中温消化均会导致污泥脱水性能变差，且高温消化污泥的毛细吸水时间(CST)高于中温消化污泥。对病原菌的杀灭方面研究发现，中温厌氧消化粪大肠菌群数较少，小于2×106MPN/g，高温厌氧消化满足小于1000MPN/g，说明高温厌氧消化残渣制作肥料更安全可靠。为保持消化池内的温度适中，必须进行加热升温。厌氧消化池的常用加热方式包括：在消化池外热交换器预热、用蒸汽直接在消化池内加热、在消化池内部安装热水加热盘管三种。
2.3 营养与碳氮比
合成细胞所需要的碳源具有双重任务。一是作为反应过程的能源，二是合成新细胞。合成细胞的C/N比约为5∶1，要求C/N比约为(10~20)∶1。如果氮量不足，则消化液缓冲能力低，pH容易降低。反之，pH可能上升，铵盐容易累积，会抑制消化过程。孙洪伟等认为，碳氮比C/N对胞外聚合物(EPS)及其组分具有显著影响。当C/N由0升高至15，EPS和紧密结合型胞外聚合物(TB-EPS)含量逐渐升高，而松散型胞外聚合物(LB-EPS)含量逐渐降低。此外，C/N增大导致毛细吸水时间(CST)和污泥比阻(SRF)值显著增大，污泥的脱水性能变差。实际生产中，污泥碳氮比较低，易产生氨抑制，污泥单独厌氧消化存在产气量低、系统不稳定等问题。利用果蔬、厨房垃圾等易腐有机废物与污泥共消化可以提高甲烷产率与单位处理效率。
2.4 其他
搅拌，厌氧消化池存在分层现象，透过搅拌可以消除分层，增加污泥与微生物的接触，使进泥与原有原料充分接触，加快消化速度。实际生产多采用间歇搅拌方式或多级搅拌方式。由于产甲烷菌的增殖较慢，对环境变化敏感，生物固体停留时间(污泥龄)也是厌氧消化的影响因素之一。污泥池中的硝酸盐将被还原成氮气，由于细胞增殖很少，很少氮转化为细胞，大部分转化为消化液中的氨，氮平衡也是重要的影响因素。另外，重金属及胺类等有毒物质也是影响因素。
3、结论与展望
用纳米材料导电性，将其作为电子供体将二氧化碳还原成甲烷，提升产甲烷菌的产甲烷性;研究还发现0.1%的纳米零价铁的添加量，可以提高甲烷产量30.4%~40.4%。夏兆辉等认为炭材料如生物炭、活性炭等具有比表面积大、导电性优良等，可以促进厌氧消化系统中电子传递，促进二氧化碳还原成甲烷。
2、污泥厌氧消化的影响因素
2.1 酸碱度
酸碱度是污泥厌氧消化限速因子之一。厌氧消化整个过程，通常水解、产酸和产甲烷三个阶段同时存在，各种酸碱综合作用，体现为消化液pH值。改变pH可以引起水解酸化过程中微生物种群和代谢途径的剧烈变化。产酸菌和产甲烷菌均在特定pH值范围才能发挥代谢作用，见表1。当水解和产酸速率超过产甲烷阶段，会造成有机酸的累积而抑制反应;产甲烷与产酸速率接近，则无大量有机酸累积，消化液的pH值升高。发酵产酸中间产物难以控制，产量不稳定，但pH值可以作为综合各个阶段消化状态的一个指标。研究认为，碳水化合物和蛋白质的水解挥发性脂肪酸(VFA)的产生量和产生速率在pH等于7条件时达到大，以TOC和COD表示的水解效率高达80%以上。
选用多孔的石墨、火山岩、沸石混合物(体积比为1∶1∶1)为本实验的生物载体，对其进行酸/碱溶液浸泡腐蚀前处理过程，将多孔材料孔隙中的杂质溶解，随后用蒸馏水冲洗直至水洗液呈中性，终填料形成了疏松多孔的立体絮状结构。经过前处理过程，填料比表面积由2左右增加到5以上，增加了生物膜有效附着面积，有利于其微生态环境的形成和后续实验的顺利展开。
2.2 一体化污水处理装置
设计容积为0.6m3、日处理量为0.5t的一体化污水处理装置，在装置中部设置格栅，格栅上放置0.18m3载体。污水在进入一体化装置前，先经过格栅除渣和曝气处理，使进水中富含溶解氧;出水口后设置沉淀池，使泥水分离后出水。
本实验中，不投加外加碳源及菌种，进水为城市生活污水，具有COD浓度低、氨氮浓度高、进水污染物浓度波动小的特点，在30周的运行过程中，进水悬浮物(SS)浓度200mg/L，COD浓度为200mg/L，NH3-N浓度40mg/L～50mg/L，TP浓度10mg/L。将该污水处理装置运行30周，期间定时取水样采用国家标准方法测定，对运行周期内的悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)数据进行跟踪分析。
3、装置运行情况
污泥产量低、节约投资成本和运行费用的优势，在处理低碳氮比的高氨氮浓度废水方面广泛应用。
本实验结合活性污泥—生物膜共生和厌氧氨氧化污水处理各自的优势，设计了全新的泥膜共生氨氧化(IFAS-Mox)污水处理技术，制成处理能力为0.5t/d的一体化污水处理装置，对装置运行过程中的悬浮物(SS)、化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)等数据进行跟踪分析，终装置稳定运行后出水达到了我国GB18918—2002，城市污水处理厂水污染物排放标准一级A处理效果。
1、实验工艺介绍
格栅除渣的生活污水在经过预曝气之后，进入一体化IFASMox污水处理装置中，一体化污水处理装置中部格栅上放置经过改性的混合多孔微生物载体，工艺流程如图1所示。在经过一段时间微生物驯化富集培养之后，活性污泥在反应器中以悬浮生长的状态存在，微生物在载体表面及孔隙表面富集成膜，形成类颗粒污泥的三维立体生态结构。在活性污泥作用下，污水中的有机物被逐步降解消耗，达到去除COD的目的。经过预曝气的污水中富含溶解氧，进水流经载体所形成的颗粒污泥，在其表面形成具有高浓度溶解氧的好氧层，在载体内部，随着氧气消耗，逐渐变为厌氧状态，在溶解氧梯度变化的载体微生态坏境中，能够实现亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌协同共生，促进不同微生态层之间近距离物质传递，终形成稳定的厌氧氨氧化反应达到脱氮的目的;另外，随着污水中溶解氧被消耗，沿反应器水流方向的溶解氧浓度逐渐降低，由初的好氧状态转变为厌氧状态，在活性污泥中硝化菌和反硝化菌作用下发生硝化—反硝化反应脱除氨
