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第18章 厌氧生物处理 18.1厌氧生物处理的发展18.1.1 第一代厌氧生物反应器化粪池、双层沉淀池，厌氧消化池等，特点： 水力停留时间（HRT）很长， 虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果不理想； 具有浓臭的气味，18.1.2第二代厌氧生物反应器 主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等。主要特点： HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。18.1.3第三代厌氧生物反应器进UASB反应器的广泛应用，在其基础上以颗粒污泥为主要特征的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。18.2厌氧生物处理的主要特征18.2.1主要优点1）能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）。2）污泥产量很低。3） 厌氧微生物可以对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解。18.2.2主要缺点1）厌氧生物处理过程中所涉及的生化反应过程较为复杂，因此在厌氧反应器运行过程中对技术要求很高；2）厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；3）虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质通常较差，一般需要利用好氧工艺进一步处理；4）厌氧生物处理的气味较大；5）对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化作用导致氨氮浓度的上升。18.3 厌氧生物处理基本原理Bryant认为消化经历四个阶段：1.水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶水解；2.酸化；3.乙酸化阶段,指进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化4.第四阶段是甲烷化阶段。根据厌氧消化的两大类菌群，厌氧消化过程又可分为两个阶段，即：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段，如(图 19-1) 所示。1.酸性发酵阶段两阶段理论将液化阶段和产酸阶段合称为酸性发酵阶段。在酸性发酵阶段，高分子有机物首先在兼性厌氧菌胞外酶的作用下水解和液化，然后渗入细胞体内，在胞内酶的作用下转化为醋酸等挥发性有机酸和硫化物。pH 值下降。 氢的产生，是消化第一阶段的特征，所以第一阶段也称作“氢发酵”。兼性厌氧菌在分解有机物的过程中产生的能量几乎全部消耗作为有机物发酵所需的能源，只有少部分合成新细胞。因此酸性消化时，细胞的增殖很少。产酸菌在低 pH 值时也能生存，具有适应温度、 pH 值迅速变化的能力。 2.碱性消化阶段专性厌氧菌将消化过程第一阶段产生的中间产物和代谢产物均被甲烷菌利用分解成二氧化碳、甲烷和氨，pH 值上升。由于消化过程第二阶段的特征是产生大量的甲烷气体，所以第二阶段称为“甲烷发酵”。由于甲烷菌的生长条件特别严格，即使在合适的条件下其增殖速度也非常小，因此甲烷化过程控制污水或者污泥的厌氧消化进程。 厌氧消化两阶段示意图 废水处理工艺中的厌氧微生物在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（ non-menthanogens ）和产甲烷细菌（ menthanogens ）。厌氧消化过程的非产甲烷菌和产甲烷菌的生理特性有较大的差异，对环境条件的要求迥异 。 产酸菌和产甲烷菌的特性参数 参数 产甲烷菌 产酸菌 对 pH 的敏感性 敏感，最佳 pH 为 6.87.2 不太敏感，最佳 pH 为 5.57.0 氧化还原电位 Eh -350mv( 中温 ) ， -560mv( 高温 ) 2000 Na 3500 5500 氨氮 1500 3000 Fe 1710 溶解性硫化物 200 Cr 6+ 3 Ca 2500 4500 Cr 3+ 500 Mg 1000 1500 Cd 150 K 2500 4500 7. 酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用 厌氧微生物的生命活动、物质代谢与 pH 有密切的关系， pH 值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的 pH 值，过高或过低的 pH 对微生物是不利的，表现在： 1）由于 pH 的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收； 2） pH 除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞； 3 ） pH 强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的 pH 值时才能发挥最大活性，不适宜的 pH 值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。 厌氧消化体系中的产甲烷菌对 pH 的变化非常敏感，大多数产甲烷菌适合的 pH 范围在 6.177.14 之间， pH 在 6.87.2 时产甲烷菌的活性最高。 pH 低于 6.2 时产甲烷效率明显下降是由于此时甲烷的形成速率低于有机酸的形成速率，此时，产甲烷菌的生长则被明显抑制，而产酸菌的活性仍很旺盛，常导致 pH 降至 4.55.0 ，这种酸化状态对甲烷菌是有毒害作用的。 pH 高于 7.5 时产甲烷效率的明显下降是由于NH4+ 转变成了对产甲烷菌有毒的、非离子化的 NH3 。在实际运行中根据实际情况要投加碳酸氢钠、碳酸钠等缓冲物质。如果酸性过大，可在发酵液中加人适量的石灰；如碱性过大则应及时投加新鲜的消化基质和水并排除部分消化物。18.4.2 厌氧消化过程中沼气产量的估算用下式进行估算： 理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25 gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。18.4.3厌氧消化动力学在厌氧消化条件下，BOD5去除属于一级反应，其动力学公式如下：底物去除速率： 细菌增殖速率： 细菌净比增殖速率(d-1)： 细菌增殖速率与生物固体平均停留时间（c）的关系： 由上式得S=Ks(1+bc)/ c(Yk-b)-1 式中k单位质量细菌对底物的最大利用速率：质量/细菌质量S可降解的底物量：质量/体积X细菌浓度：质量/体积；dx/dt细菌增殖速率：质量/体积时间Ks半速度常数：质量/底物体积；Y细菌产率：细菌质量/底物质量-ds/dt底物去除速率：质量/（体积时间）b细菌衰亡速率系数：d-1底物降解速率E： E=(Sa-Se)/Sa100% 式中 Sa原污泥可生物降解底物浓度mg/LSe剩余的可生物降解底物浓度mg/L18.5 两级厌氧与两相厌氧处理18.5.1两级厌氧生物处理两级消化：根据沼气产生的规律设计。 消化时间与产气率关系曲线 1. 目的：节省能量（节省污泥加温与搅拌的部分能量）2. 特点：第一级：加热（3335）、搅拌。第二级：不加热（2026）、不搅拌（可视为污泥浓缩池用）。3. 池容 18.5.2 两相厌氧生物处理两相厌氧消化：根据消化机理设计。1. 目的：改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。2. 特点：第一相：n=100%；t停=1d处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二阶段）。需加热、搅拌。第二相：n=（1517）%； ；处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。3. 产气量：1.01.3m3/m3或0.91.1m3/kgBOD54. 优点：（1） 总容积小（2） 加热耗热量少，搅拌能耗少（3） 运行管理方便18.6 厌氧生物处理工艺与反应器18.6.1早期的厌氧生物反应器早期的厌氧生物反应器的共同特点是：（1）处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥；（2）停留时间很长，出水水质也较差； 早期的厌氧生物反应器18.6.2 厌氧消化池1. 池形消化池的基本池形有圆柱形和蛋形两种。2. 构造消化池的构造主要包括污泥的投配、排泥及溢流系统，沼气排出、收集与贮气设备、搅拌设备及加温设备等。（1）投配、排泥与溢流系统1）污泥投配：生污泥需先排入消化池的污泥投配池，然后用污泥泵抽送至消化池。2）排泥：消化池的排泥管设在池底，依靠消化池内的静水压力将熟污泥排至污泥的后续处理装置。3）溢流装置：用以保持沼气室压力恒定。溢流装置必须绝对避免集气罩与大气相通。溢流装置常用形式有倒虹管式、大气压式及水封式等3种。如图所示：（2）沼气的收集与贮存设备 由于产气量与用气量常常不平衡，所以必须设贮气柜进行调节。沼气从集气罩通过沼气管输送倒贮气柜。贮气柜有低压浮盖式与高压球形罐两种：（3）搅拌设备搅拌的目的是使池内污泥温度与浓度均匀，防止污泥分层或形成浮渣层，缓冲池内碱度，从而提高污泥分解速度。当消化池内各处污泥浓度相差不超过10时，被认为混合均匀。消化池的搅拌方法有沼气搅拌，泵加水射器搅拌及联合搅拌等3种可用连续搅拌；也可用间歇搅拌，在510h内将全池污泥搅拌一次。1）泵加水射器搅拌2）联合搅拌法联合搅拌法的特点是把生污泥加温、沼气搅拌联合在一个装置内完成。 3）沼气搅拌沼气搅拌的优点是搅拌比较充分，可促进厌氧分解，缩短消化时间。（4）加温消化池加温目的在于：维持消化池的消化温度（中温或高温），使消化能有效地进行。加温方法有两种：1）用热水或蒸汽直接通入消化池或通入设在消化池内的盘管进行间接加热；缺点：使污泥的含水率增加，局部污泥受热过高及在盘管外壁结壳等。2）池外间接加温，即把生污泥加温到足以达到消化温度、补偿消化池壳体及管道的热损失。优点：壳有效地杀灭生污泥中的寄生虫卵。池外间接加温用套管式泥水热交换器或热交换器兼混合器完成。如(图19-9)所示： 套管式热交换器 1- 污泥入口； 2- 污泥出口； 3- 热媒进口； 4- 热媒出口 3. 消化池的设计计算（1）消化池的池体设计 p 污泥投配率。一般当采用高速消化池处理来自城市生活污水处理厂的剩余污泥时，在消化温度为3035C时，投配率p可取618%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。（2）消化池的结构尺寸在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部位的结构尺寸，其一般要求如下：1）圆柱形池体的直径一般为635m；2）柱体高径之比为1：2；3）池总高与直径之比为0.81.0；4）池底坡度一般为0.08；5）池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m；6）池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。（3）消化池的工艺管道在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括： 污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管； 上清液排放管； 溢流管； 沼气管； 取样管；等。4. 沼气的收集与利用（1）污泥消化过程中沼气产量的估算当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为68%，产气率可达1012 m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为68%，产气率可达2226 m3沼气/m3生污泥；投配率为1315%，产气率可达1315 m3沼气/m3生污泥。（2）沼气的收集在沼气管道沿程上应设置凝结水罐和阻火器等，为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。（3）沼气的贮存与利用一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的2540%，即610 h的产气量；沼气柜需要注意防腐和防火。18.6.3 厌氧接触工艺厌氧接触法是在普通污泥消化池的基础上，并受活性污泥系统的启示而开发的。其流程如下所示： 厌氧生物接触法 主要特征：在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时间。根据生物固体平均停留时间，可得下式：式中 生物固体平均停留时间，d； 反应器中微生物浓度， g/m3； 反应器容积，m3； 出水微生物浓度，g/m3； 处理废水流量， m3/d； 剩余污泥微生物浓度，g/m3； 剩余污泥排放量，m3/d 。假设系统的剩余污泥很少，甚至可做到不从系统排放剩余污泥，则 ，则上式可改写为：式中 为水力停留时间，d。18.6.4 厌氧生物滤池1. 厌氧生物滤池的构造厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没地通过滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。产生的沼气则聚集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水则由旁侧流出。为了分离处理水挟出的生物膜，一般在滤池后需设沉淀池。2. 厌氧生物滤池的形式根据水流方向，厌氧生物滤池可分为升流式和降流式两种形式。如下图所示：a 降流式 b升流式 厌氧生物滤池 3. 厌氧生物滤池的特点（1）由于填料为生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又由于生物膜停留时间长，平均停留时间长达100d左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为216kgCOD/m3d，且耐冲击负荷能力强；（2）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；（3）微生物固着生长为主，不易流失，因而不需污泥回流和搅拌设备；（4）启动或停止运行后再启动时间较短。但该工艺也存在一些问题：处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位最为严重。滤池的冲洗还没有简单有效的方法。18.6.5 厌氧生物转盘1.厌氧生物转盘的构造厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于上部加盖密封，为收集沼气和防止液面上的空间有氧存在。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成。如下(图19-12)所示： 厌氧生物转盘构造图 2.厌氧生物转盘的特点：1） 微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；2） 废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；3） 勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；4） 处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；5） 由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性；6） 有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；7） 可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；8） 便于运行管理。18.6.6 UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器1. 升流式厌氧污泥床的构造升流式厌氧污泥床在构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器。 升流式厌氧污泥床 2. 升流式厌氧污泥床的组成（1) 进水配水系统（2) 反应区（3) 三相分离器三相分离器由沉淀区、回流缝和气封等组成；其主要功能有： 将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开； 保证出水水质； 保证反应器内污泥量； 有利于污泥颗粒化。（4) 出水系统（5) 气室（6）浮渣收集系统（7） 排泥系统3. 升流式厌氧污泥床的特点：1）污泥床内生物量多，折合浓度可达2030g/L；2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况下可达10kgCOD/(m3d)左右甚至能够高达1540 kgCOD/(m3d)，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池和污泥回流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。4. 升流式厌氧污泥床的类型（1） 开敞式UASB反应器（2）封闭式UASB反应器5. 升流式厌氧污泥床的设计（1）有效容积及主要构造尺寸的确定UASB反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即： 式中 Q废水流量，m3/d；Si进水有机物浓度，mgCOD/l；Lv COD容积负荷，kgCOD/m3.d。（2）三相分离器的设计三相分离器的设计要点： 沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡度应为5560；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的停留时间应在1.52.0h之间； 回流缝的设计； 气液分离效果的计算与校核；等。三相分离器单元几何尺寸关系见图18-12。基本要求为：；其中根据Stocks公式有：三相分离器单元几何尺寸关系18.6.7 厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器1. 厌氧膨化床与厌氧流化床的工艺流程两相厌氧流化床工艺流程如图所示，床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒径一般为0.21mm。废水从床底部流入，为使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升速度。 二相厌氧流化床流程图 2. 厌氧膨化床与厌氧流化床的特点：1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度，一般为30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，一般为1040 kgCOD/(m3d)，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定；2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处理。厌氧流化床的主要缺点有：1）载体流化能耗较大；2）系统的设计要求高。18.6.8 厌氧折流板式反应器1. 厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程厌氧折流板式反应器及废水处理工艺流程如图所示。在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来保持反应器内较高的污泥浓度以减少水力停留时间。挡板把反应器分为若干个上向流室和下向流室。上向流室比较宽，便于污泥聚集，下向流室比较窄，通往上向流的导板下部边缘处加60的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持较高的污泥浓度，当废水COD浓度高时，为避免出现挥发性有机酸浓度过高，减少缓冲剂的投加量和减少反应器前端形成的细菌胶质的生长，处理后的水进行回流，使进水COD稀释至大约510g/L，当废水COD浓度较低时，不需进行回流。 厌氧挡板反应器工艺流程图 2. 厌氧挡板式反应器的特点：(1）反应器启动期短。试验表明，接种一个月后，就有颗粒污泥形成，两个月就可以投入稳定运行；(2) 避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题；(3）避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失问题；(4）不需要混合搅拌装置；(5）不需载体。186.9 高温厌氧处理工艺一般认为，操作温度在 50 或者更高则可称为高温，嗜热菌在此条件下对废水中的有机物进行消化，从而降解有机废物并通过产甲烷回收能量。高温厌氧生物处理技术主要有以下几个突出优点：1 细菌生长速率高，通常细菌在 55 时的生长速率是 30 时的 2 3 倍，即其产甲烷活性较高；2 病原菌的去除率较高，经高温厌氧消化的污泥和出水可用于灌溉和施肥；3 剩余污泥产率低，虽然高温下细菌的生长速率高，但其衰亡速率也高，所以净污泥产率低。高温厌氧消化的效果受到各种因素的影响，主要影响因素为： 1 温度和 pH 值：温度和 pH 值对高温厌氧消化工艺均有较大的影响。在高温厌氧生物反应器内微生物对温度的变化十分敏感，温度的大幅度波动会对颗粒污泥的形成产生不利的影响，一般将温度变化控制在 1 2 的范围内。厌氧处理体系中的 pH 值除了受进水 pH 值的影响外，还取决于代谢过程中建立的缓冲平衡。影响缓冲平衡的参数有挥发性脂肪酸、碱度和 CO 2 含量。高温厌氧颗粒的最适温度为 55，最适值为 6.5 。 2 有机负荷：高负荷是高温厌氧的优势所在，而事实上高负荷对于污泥颗粒的形成具有重要作用，可使底物更多地进入颗粒污泥内部，从而允许大的颗粒污泥生长和存在。而减少反应器负荷则会导致颗粒污泥强度降低，负荷的波动会导致颗粒污泥的破碎。要使反应器可承受较高负荷，则对反应器的设计有很高的要求。 3 挥发性脂肪酸：挥发性脂肪酸浓度也是控制高温厌氧反应器正确运行的重要指标。4 微生物载体：在一些高温厌氧生物反应器中需要加入载体，加速颗粒污泥的形成，例如厌氧滤床 (AF) 和厌氧流化床 (AFB)，在启动阶段投加惰性颗粒可以起到初期污泥精核的作用，利用颗粒的表面性质，加快那些易于形成颗粒污泥的细菌在颗粒表面富集。一般初期加细小颗粒的体积不超过反应器体积的 2% 。 5 上流式厌氧污泥床： UASB 具有负荷高，能耗小，无须填料和载体，有效容积率高，总运行成本低等优点，是目前应用最广泛的高速反应器之一。 UASB 用于高温厌氧条件下处理有机废水的工艺在过去的十几年中已经得到了较多的研究。污泥颗粒化是大多数 UASB 反应器启动的目标和成功启动的标志。影响颗粒污泥形成的因素很多，废水类型、废水前处理、pH 值、温度、有机负荷以及反应器的结构等都会对其产生一定的影响。有人利用 UASB 高温厌氧处理蔗糖 - 挥发性脂肪酸混合物，在相当长的时间内反应器表现出了良好的稳定性。 3 个月内反应器的 COD 负荷增加到 100kg/( 3 ) ， COD 去除率增加到 90% ，生物产气率约为 50 3 /( 3 ) ，没有出现明显的高温菌洗出现象。 6 厌氧流化床： AFB 是在 UASB 基础上改良的反应器类型。在 AFB 中 , 由于反应器中混合充分，且生物膜的分布比较均一，所以 AFB 可以被看作连续流、全混流的均一微生物体系。 AFB 依靠在惰性的填充微粒表面形成生物膜来保留厌氧污泥，而其中物质的传递和混合则依靠带有生物膜的微粒形成流化态来实现。 实例：某糟液废水高温厌氧处理工艺 某糟液废水处理工程设计处理水量为 1500 t/d ，分 2 期建成。主要设计参数如下： 废水水质 CODCr 40000-70000 mg/L BOD5 35000-40000 mg/LpH为 3.7一4SS为 4000一12 000 mg/L；出水水质 CODCr 100 mg/LpH 6一9 BODS 20 mg/LSS 70 mg/L；工程主要分3个部分：污水处理系统、污泥处置、系统和沼气回收系统。污水处理系统由6座直径为15m的高温（55）UASB，3座SBR反应池和调质调量设施组成。为解决腐蚀问题，UASB中的三相分离器及大阻力配水器、