第15章厌氧生物处理

1、第十五章第十五章 厌氧生物处理厌氧生物处理15.1 概述概述15.1.1 厌氧生物处理的发展厌氧生物处理的发展 15.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧生物处理的特点 15.1.3 厌氧生物处理工艺的分类厌氧生物处理工艺的分类 15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势厌氧生物处理的发展趋势 厌氧生物处理的发展厌氧生物处理的发展n 厌氧过程广泛存在于自然界中，主要用于剩余污泥的厌氧过程广泛存在于自然界中，主要用于剩余污泥的厌氧消化处理厌氧消化处理. .n 18811881年，法国，年，法国，Louis Mouras Louis Mouras ，“自动净化器自动净化器”；n 处理城市污水的化粪池、双层沉淀

2、池等处理城市污水的化粪池、双层沉淀池等 处理剩余污泥处理剩余污泥的各种厌氧消化池等；的各种厌氧消化池等；nHRTHRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等；很长、处理效率很低、浓臭的气味等；n7070年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消 化工艺开始大规模地应用于废水处理；化工艺开始大规模地应用于废水处理；厌氧生物处理的发展厌氧生物处理的发展n 厌氧接触法（厌氧接触法（Anaerobic Contact ProcessAnaerobic Contact Process）n 厌氧滤池厌氧滤池（Anaerobic FilterAnaerobic Fil

3、ter、 AFAF ）n 上流式厌氧污泥层（床）反应器上流式厌氧污泥层（床）反应器(Upflow Anaerobic (Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed)Sludge Blanket (Bed)、UASBUASB ) )n 厌氧流化床厌氧流化床 (Anaerobic Fluidized Bed(Anaerobic Fluidized Bed、AFBAFB ) )n 厌厌 氧氧 附附 着着 膜膜 膨膨 胀胀 床床 (Anaerobic Attached Film(Anaerobic Attached Film Expanded Bed Expanded B

4、ed 、AAFEB)AAFEB)n 厌厌 氧氧 生生 物物 转转 盘盘 （ Anaerobic Rotated BiologicalAnaerobic Rotated Biological DiscDisc、ARBDARBD）n 折流式厌氧反应器（折流式厌氧反应器（Anaerobic Baffled ReactorAnaerobic Baffled Reactor、 ABRABR）厌氧生物处理的发展厌氧生物处理的发展n9090年代以后，在年代以后，在UASBUASB反应器基础上又发展起来了反应器基础上又发展起来了 nEGSBEGSB和和ICIC反应器；反应器； nEGSBEGSB反应器，处理低

5、温低浓度的有机废水；反应器，处理低温低浓度的有机废水；nICIC反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有 机负荷。机负荷。15.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧生物处理的特点厌氧生物处理优点：厌氧生物处理优点：能耗少（可产生沼气）、运行费用低、污泥产量少，能耗少（可产生沼气）、运行费用低、污泥产量少，能处理高浓度有机废水和某些好氧不能处理的有机废能处理高浓度有机废水和某些好氧不能处理的有机废水、水、BOD（COD）有机负荷和容积负荷高、可间歇运）有机负荷和容积负荷高、可间歇运行。行。厌氧生物处理缺点：厌氧生物处理缺点：启动周期长、出水不达标（需加好氧工

6、艺）。启动周期长、出水不达标（需加好氧工艺）。15.1.4 厌氧生物处理的发展趋势厌氧生物处理的发展趋势从目前厌氧处理工艺技术和设备发展前景来看，进一从目前厌氧处理工艺技术和设备发展前景来看，进一步提高生物处理能力和稳定性的途径有以下方面：步提高生物处理能力和稳定性的途径有以下方面： （1）提高反应器中生物持有量；）提高反应器中生物持有量； （2）利用厌氧微生物处理中微生物种群的特点，实现）利用厌氧微生物处理中微生物种群的特点，实现相分离；相分离； （3）研制反应器使之形成特殊的水力流态，创造厌氧）研制反应器使之形成特殊的水力流态，创造厌氧微生物的最适生存条件。微生物的最适生存条件。15.2

7、厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理15.2.1 复杂有机物的厌氧降解复杂有机物的厌氧降解 15.2.2 水解阶段水解阶段 15.2.3 产酸发酵阶段产酸发酵阶段 15.2.4 产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段 15.2.5 产甲烷阶段产甲烷阶段 15.2.6 其他厌氧生物处理过程其他厌氧生物处理过程15.2.1 复杂有机物的厌氧降解复杂有机物的厌氧降解传统观点认为：有机物的厌氧生物处理分为两个阶段：传统观点认为：有机物的厌氧生物处理分为两个阶段：产酸（或酸化）阶段（产酸（或酸化）阶段（acidogenic phase）和产甲烷（或）和产甲烷（或甲烷）阶段（甲烷）阶段（methanogen

8、ic phase） 1967年年Bryant报告认为，复杂有机物的厌氧反应过程经报告认为，复杂有机物的厌氧反应过程经历历3个阶段。个阶段。 后来发展为后来发展为4阶段的厌氧代谢过程：水解（阶段的厌氧代谢过程：水解（hydrolysis）阶段；产酸发酵（阶段；产酸发酵（acidogenic fermentation）阶段；）阶段；产氢产乙酸（产氢产乙酸（H2-producing acetogenesis）阶段；）阶段； 产产甲烷（甲烷（methanogenesis）阶段）阶段 细菌类型分为两大类型：产酸细菌（细菌类型分为两大类型：产酸细菌（acidogens）和产甲）和产甲烷细菌（烷细菌（met

9、hanogens）厌氧生物代谢过程示意图厌氧生物代谢过程示意图图19-1 产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）乙酸CH4 CO228%72% 长链脂肪酸（丙酸、丁酸等） 简单有机化合物（糖、氨基酸、肽） 复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、类脂类）13%10%5%20%35%17%水解产酸H2CO215.2.2 水解阶段水解阶段水解定义水解定义：复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚外水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程体的过程 不溶解性大分子有机物经胞外水解酶的作用，在溶液不溶

10、解性大分子有机物经胞外水解酶的作用，在溶液中分解为水溶性的小分子有机物，如氨基酸、脂肪酸、中分解为水溶性的小分子有机物，如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等葡萄糖、甘油等 纤维素经水解转化成较简单的糖类；纤维素经水解转化成较简单的糖类； 蛋白质转化成较简单的氨基酸；蛋白质转化成较简单的氨基酸； 脂类转化成脂肪酸和甘油等脂类转化成脂肪酸和甘油等15.2.3 产酸发酵阶段产酸发酵阶段发酵（发酵（fermentation）定义：有机物既作为电子受体也）定义：有机物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程是电子供体的生物降解过程 。简单的有机物在产酸菌的作用下（胞内酶）经过厌氧简单的有机物在产酸菌的作用下

11、（胞内酶）经过厌氧发酵和氧化转化成发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸乙酸、丙酸、丁酸等（挥发性）脂等（挥发性）脂肪酸和醇类等肪酸和醇类等 。产酸发酵的末端产物组成取决于厌氧生态条件、底物产酸发酵的末端产物组成取决于厌氧生态条件、底物种类和参与的微生物群。种类和参与的微生物群。15.2.4 产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸阶段：将产酸发酵阶段将产酸发酵阶段2C以上的有机酸以上的有机酸（除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程，（除乙酸）和醇转化为乙酸、氢气、二氧化碳的过程，并产生新的细菌物质。并产生新的细菌物质。 这类细菌称为产氢产乙酸细菌。这类细菌称为产氢产乙酸细菌。水

12、解的产物被发酵细菌摄入体内，进行代谢水解的产物被发酵细菌摄入体内，进行代谢，由于菌由于菌种不同，产物也不一样，众多产物中仅种不同，产物也不一样，众多产物中仅CO2、H2、乙乙酸、甲酸、甲醇、甲胺（三甲一乙）可以被产甲烷细酸、甲酸、甲醇、甲胺（三甲一乙）可以被产甲烷细菌利用菌利用。其它产物（丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类）经产氢产乙其它产物（丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类）经产氢产乙酸细菌进一步转化成酸细菌进一步转化成H2和乙酸等方可被利用。和乙酸等方可被利用。15.2.5 产甲烷阶段产甲烷阶段产甲烷阶段：由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、产甲烷阶段：由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、甲酸、甲醇、甲胺和二氧

13、化碳甲酸、甲醇、甲胺和二氧化碳/氢气等转化为甲烷和二氢气等转化为甲烷和二氧化碳（沼气）的过程氧化碳（沼气）的过程 产甲烷细菌利用产甲烷细菌利用CO2、H2、三甲一乙将有机物中的碳、三甲一乙将有机物中的碳最终以最终以CH4、CO2等产物形式逸出。等产物形式逸出。 15.2.6 其他厌氧生物处理过程其他厌氧生物处理过程1. 硫酸盐还原过程硫酸盐还原过程 硫酸盐还原：是指在厌氧条件下，化能异养型硫酸盐还硫酸盐还原：是指在厌氧条件下，化能异养型硫酸盐还原细菌（原细菌（sulfate-reducing bactecia，简称，简称SRB）利用废）利用废水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化合物还原为水中

14、的有机物作为电子供体，将氧化态硫化合物还原为硫化物的过程。硫化物的过程。 以乳酸为电子供体的化学反应式可表示为：以乳酸为电子供体的化学反应式可表示为： 2343423222442264CH CHOHCOOHSOADPH POCH COOHCOSH OATP15.2.6 其他厌氧生物处理过程其他厌氧生物处理过程硫酸盐还原过程对厌氧生物处理的影响硫酸盐还原过程对厌氧生物处理的影响 ：废水废水SO42-浓度低时，还原作用弱，对厌氧处理无影响，浓度低时，还原作用弱，对厌氧处理无影响，且且SO42-还原菌可利用还原菌可利用H2，从而降低氢分压，一定程度上，从而降低氢分压，一定程度上促进有机物厌氧处理。促

15、进有机物厌氧处理。废水废水SO42-浓度高时，浓度高时， SO42-还原菌会和产甲烷菌竞争共还原菌会和产甲烷菌竞争共同底物乙酸和同底物乙酸和H2；同时；同时SO42-还原产生的还原产生的H2S会对甲烷菌会对甲烷菌产生抑制作用，产生抑制作用，H2S还会对沼气的产生造成严重影响。还会对沼气的产生造成严重影响。故象味精废水等高浓度故象味精废水等高浓度SO42-废水，宜用专门的废水，宜用专门的SO42-反应反应器用作器用作SO42-还原，目前常用的是二相厌氧反应器（有二还原，目前常用的是二相厌氧反应器（有二个独立的产酸菌反应器和产甲烷菌反应器个独立的产酸菌反应器和产甲烷菌反应器)。其他厌氧生物处理过程

16、其他厌氧生物处理过程2. 反硝化与厌氧氨氧化反硝化与厌氧氨氧化 （1）生物反硝化反应生物反硝化反应：（2）厌氧氨氧化：厌氧氨氧化：无氧环境中，同时存在无氧环境中，同时存在 NH4+和和 NO2-时，时， NH4+作为反硝化的无机电子供体，作为反硝化的无机电子供体， NO2-作为作为电子受体，产生电子受体，产生N2，这是生物氮转化的新理论。，这是生物氮转化的新理论。厌氧氨氧化细菌有可能是亚硝化单胞菌属中的二个种厌氧氨氧化细菌有可能是亚硝化单胞菌属中的二个种（N.europaea和和N.eutropha），它们能），它们能同时进行硝化和同时进行硝化和反硝化反硝化，无氧条件下，无氧条件下， NH4+

17、为电子供体，转化为电子供体，转化N2，还，还原原NO2-，无需有机，无需有机C源，以碳酸盐或源，以碳酸盐或CO2为无机为无机C源，氨源，氨氮转化率同好氧硝化相当，能节省氮转化率同好氧硝化相当，能节省C源和供氧消耗。源和供氧消耗。研究认为：在高氨氮废水中，控制亚硝化在研究认为：在高氨氮废水中，控制亚硝化在57%时，进时，进入厌氧氨氧化反应器，生成的入厌氧氨氧化反应器，生成的NO2-和氨氮刚好同时去除和氨氮刚好同时去除15.3 厌氧微生物生态学厌氧微生物生态学厌氧生物处理中，一般产酸细菌种群多，代谢速率和厌氧生物处理中，一般产酸细菌种群多，代谢速率和生长速率快，所以厌氧处理中（产酸阶段和产甲烷阶生

18、长速率快，所以厌氧处理中（产酸阶段和产甲烷阶段）的控制步骤在段）的控制步骤在产甲烷阶段产甲烷阶段。近年来，随着对厌氧生物处理的研究，对产酸阶段的近年来，随着对厌氧生物处理的研究，对产酸阶段的影响因子也作了很大的研究，力求最大限度地发挥两影响因子也作了很大的研究，力求最大限度地发挥两类菌群的作用。类菌群的作用。15.3 厌氧微生物生态学厌氧微生物生态学厌氧处理中，由于产甲烷阶段要求的生态条件苛刻，厌氧处理中，由于产甲烷阶段要求的生态条件苛刻，并对环境改变敏感，对产甲烷阶段研究较多，目前对并对环境改变敏感，对产甲烷阶段研究较多，目前对厌氧处理生态学的研究包含了以下部分：厌氧处理生态学的研究包含了以

19、下部分：15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子影响产酸细菌的主要生态因子 15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子 15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子影响硫酸盐还原菌的主要生态因子 15.3.4 厌氧生化反应动力学厌氧生化反应动力学 15.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系相互关系 15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子影响产酸细菌的主要生态因子1. PH值值：一般认为最佳一般认为最佳pH值为值为67；考虑到产甲烷菌的；考虑到产甲烷菌的生存条件（生存条件（ pH值为值为6.57.5 ），反

20、应器中产酸发酵区域），反应器中产酸发酵区域的的pH不应低于不应低于5.5。 现代研究证明，在正常现代研究证明，在正常ORP（-150-400mv）范围内：）范围内： PH=4-4.5时，发生乙醇型发酵；时，发生乙醇型发酵； PH=4.5-5时，发生丁酸时，发生丁酸型发酵；型发酵；PH=5左右时，主要产物有乙酸、丙酸、丁酸和左右时，主要产物有乙酸、丙酸、丁酸和乙醇；乙醇；PH=5.5左右时，发生丙酸型发酵；左右时，发生丙酸型发酵；2. 氧化还原电位（氧化还原电位（ORP) ：一般认为，产酸细菌的最适一般认为，产酸细菌的最适ORP范围为范围为200300mV。 15.3.1 影响产酸细菌的主要生态

21、因子影响产酸细菌的主要生态因子3. 碱度碱度：在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有在产酸发酵过程中，足够的碱度可保证系统具有良好的缓冲能力，避免良好的缓冲能力，避免pH值迅速降低而导致某些厌氧细值迅速降低而导致某些厌氧细菌受到抑制。菌受到抑制。 4. 温度温度：一般来说，产酸细菌最佳工作温度为一般来说，产酸细菌最佳工作温度为35 左右左右 5. 水力停留时间和有机负荷水力停留时间和有机负荷 有机负荷为有机负荷为560 ，产酸细菌可发挥良好，产酸细菌可发挥良好的作用，水力停留时间过短将影响底物的转化程度。水力的作用，水力停留时间过短将影响底物的转化程度。水力停留时间过短则出水中会出现较多未

22、降解的有机物。停留时间过短则出水中会出现较多未降解的有机物。3/()kgCODmd15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子1. PH值值：一般来说，产甲烷细菌的最适一般来说，产甲烷细菌的最适pH值为值为6.57.5； 2. 氧化还原电位氧化还原电位 ：产甲烷细菌最适产甲烷细菌最适ORP为为300500mV；pH值低，值低，ORP值高；值高；pH值高，值高，ORP低。低。 3. 有机负荷率有机负荷率：负荷率习惯上以投配率表达，即每日投加负荷率习惯上以投配率表达，即每日投加的的生污泥生污泥容积占反应器容积的百分数，而对于厌氧生物处容积占反应器容积的百分数，而对于厌氧生

23、物处理有机废水时，大都以容积负荷率为参数，悬浮生长工艺理有机废水时，大都以容积负荷率为参数，悬浮生长工艺也可用污泥负荷率作指标；也可用污泥负荷率作指标； 4. 温度温度：最适温度有最适温度有2个区，中温区在个区，中温区在3039之间，高之间，高温区在温区在5060。 15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子5. 污泥浓度：污泥浓度：在连续式厌氧生物处理有机废水系统中，在连续式厌氧生物处理有机废水系统中，新开发的工艺均以污泥保有量高为主要特点。如上流新开发的工艺均以污泥保有量高为主要特点。如上流式厌氧污泥层反应器，平均污泥浓度可达到式厌氧污泥层反应器，平均污泥浓度可

24、达到3050g/L，比好氧曝气池中生物量高比好氧曝气池中生物量高1020倍。倍。 6. 碱度：碱度：产甲烷细菌的生存条件一般为产甲烷细菌的生存条件一般为pH在在6以上以上 7. 接触与搅拌：接触与搅拌：搅拌是提高传质速率的重要因素之一。搅拌是提高传质速率的重要因素之一。影响传质速率的因素主要有厌氧污泥与介质间的液膜影响传质速率的因素主要有厌氧污泥与介质间的液膜厚度，搅拌可降低液膜厚度。另外注意布水系统对接厚度，搅拌可降低液膜厚度。另外注意布水系统对接触的影响，避免在反应器中出现短流的现象。触的影响，避免在反应器中出现短流的现象。 15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细

25、菌因子8. 营养营养：试验表明，试验表明，COD：N：P控制在控制在500：5：1左右为左右为宜，在厌氧处理装置启动时，可稍微增加氮素，有利于微宜，在厌氧处理装置启动时，可稍微增加氮素，有利于微生物的增殖，并有利于提高反应器的缓冲能力生物的增殖，并有利于提高反应器的缓冲能力 9. 抑制物和激活剂抑制物和激活剂 所谓所谓“有毒有毒”是相对的，既有激活作用又有抑制作用，关键是相对的，既有激活作用又有抑制作用，关键在于它们的浓度界限，即毒阈浓度。在于它们的浓度界限，即毒阈浓度。 氨对产甲烷阶段的影响见下表氨对产甲烷阶段的影响见下表15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子

26、厌氧生物处理中重金属毒性限度见下表厌氧生物处理中重金属毒性限度见下表15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子部分有机物在厌氧处理中的容许浓度见下表部分有机物在厌氧处理中的容许浓度见下表15.3.2 影响产甲烷细菌的主要细菌因子影响产甲烷细菌的主要细菌因子其它一些物质对厌氧处理的激活作用见下表其它一些物质对厌氧处理的激活作用见下表15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态因子影响硫酸盐还原菌的主要生态因子1、温度、温度：中温的硫酸盐还原菌最适生长温度为中温的硫酸盐还原菌最适生长温度为3035；高温菌种能够在；高温菌种能够在5070的范围内生长；的范围内生长； 2、PH

27、值值：最适的最适的pH值是值是6.58.0； 3、氧化还原电位、氧化还原电位ORP： 一般应保持在一般应保持在100mV以下；以下； 4、碳硫比、碳硫比： 不应小于不应小于1：5； 5、盐度、盐度：非嗜盐性的硫酸盐还原菌培养基的非嗜盐性的硫酸盐还原菌培养基的pH值应调值应调至至7.1；嗜盐性的硫酸盐还原菌的培养基最好调至；嗜盐性的硫酸盐还原菌的培养基最好调至7.6。嗜盐性菌一般分布在海洋环境中，要求嗜盐性菌一般分布在海洋环境中，要求NaCl浓度大于浓度大于0.6，最适宜的浓度为，最适宜的浓度为13。15.3.4 厌氧生化反应动力学厌氧生化反应动力学厌氧生化反应动力学方程式：厌氧生化反应动力学方

28、程式： 式中式中 底物去除速率，底物去除速率， ； 最大比底物利用速率，最大比底物利用速率， ； 可降解的底物浓度，可降解的底物浓度，mg/L； 半速度常数，即最大比底物利用速率为一半时的底物半速度常数，即最大比底物利用速率为一半时的底物 浓度，浓度，mg/L； 生物浓度，生物浓度，mg/L； 细菌增殖速率，细菌增殖速率， ； 细菌产率系数，细菌产率系数，mgVSS/mgCOD； 细菌衰亡速率系数，细菌衰亡速率系数， 。maxsugsudkSXdSrdtKsSdXrYrk Xdt maxsusgdrkSKXrYk/()mgL d/()gCODgVSS d/()mgVSSL d/()mgVSSm

29、gVSS d厌氧生化反应动力学厌氧生化反应动力学将上式合并，并除以将上式合并，并除以X得：得： 式中式中 细菌比增殖速率，细菌比增殖速率，mgVSS/（mgVSSd） 对厌氧生物处理系统来说，典型的对厌氧生物处理系统来说，典型的Y0.040.10mgVSS/mgCOD，kd0.020.04mgVSS/（mgVSSd），厌氧细菌的动力学参数见下表：），厌氧细菌的动力学参数见下表： maxgdsrkSYKXKS15.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系势种群的演替及相互关系1. 产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底

30、物 2. 产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 3. 产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 4. 产酸细菌为产甲烷细菌的生化反应解除了反馈控制产酸细菌为产甲烷细菌的生化反应解除了反馈控制 5. 产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜PH值值15.4 升流式厌氧污泥层工艺升流式厌氧污泥层工艺升流式厌氧污泥层（升流式厌氧污泥层（Upflow Anaerobic Sludge Blanket，简称，简称UASB）反应器，由荷兰）反应器，由荷兰Wageningen农业大学农业大

31、学Lettinga等人在等人在19711978年间研制的。年间研制的。 配水系统污泥处 理水沼气三 相 分 离 器出 水 堰水沼 气污 泥颗 粒 污 泥 区悬 浮 污 泥 区图 19-12 升 流 式 厌 氧 污 泥 床UASB工艺的工作原理工艺的工作原理废水自下部进入反应器，并以一定上升流速通过污泥层向废水自下部进入反应器，并以一定上升流速通过污泥层向上流动；上流动； 进水底物与厌氧活性污泥充分接触而降解，并产生沼气；进水底物与厌氧活性污泥充分接触而降解，并产生沼气； 随着气体量增加，气体从污泥层不断逸出，引起污泥层呈随着气体量增加，气体从污泥层不断逸出，引起污泥层呈沸腾流化状态；沸腾流化状

32、态； 气、液、固的混合液上升至三相分离器内，气体可被收集，气、液、固的混合液上升至三相分离器内，气体可被收集，污泥和水则进入上部相对静止的沉淀区，在重力作用下，污泥和水则进入上部相对静止的沉淀区，在重力作用下，水与污泥分离，上清液从沉淀区上部排出，污泥被截留在水与污泥分离，上清液从沉淀区上部排出，污泥被截留在三相分离器下部并通过斜壁返回到反应区内。三相分离器下部并通过斜壁返回到反应区内。配水系统污泥处 理水沼气三 相 分 离 器出 水 堰水沼 气污 泥颗 粒 污 泥 区悬 浮 污 泥 区图 19-12 升 流 式 厌 氧 污 泥 床UASB工艺的工作原理工艺的工作原理污泥在污泥在UASB反应器

33、的分布规律如下图所示反应器的分布规律如下图所示：15.4.2 颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件UASB反应反应器的有机负器的有机负荷能达荷能达5-6kgCOD/m3.d，关健是，关健是其能形成颗其能形成颗粒污泥。粒污泥。15.4.2 颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件1. 颗粒污泥形成的原理颗粒污泥形成的原理 在在UASB污泥颗粒化过程中，根据接种污泥的性质、底物污泥颗粒化过程中，根据接种污泥的性质、底物的成分及启动条件，可能形成以下三种类型的颗粒污泥的成分及启动条件，可能形成以下三种类型的颗粒污泥（1）杆菌颗粒，直径在）杆菌颗粒，

34、直径在13mm；（；（2）丝菌颗粒，直径）丝菌颗粒，直径在在15mm ；（；（3）球菌颗粒，直径在）球菌颗粒，直径在0.10.5mm。 Lettinga等研究认为：细菌很容易在惰性材料表面上附着等研究认为：细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团。污泥结团的主要核心是较重的污泥及颗粒，细菌并结团。污泥结团的主要核心是较重的污泥及颗粒，细菌则以某种程度附着在上面，颗粒污泥中存在着大量的丝状则以某种程度附着在上面，颗粒污泥中存在着大量的丝状甲烷菌属，如索氏丝状甲烷菌，具有极强的附着能力，能甲烷菌属，如索氏丝状甲烷菌，具有极强的附着能力，能促进颗粒污泥的形成。促进颗粒污泥的形成。有良好沉降性的颗粒污泥形

35、成和成熟是有良好沉降性的颗粒污泥形成和成熟是UASB高效运行的高效运行的关健。关健。颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件2. UASB反应器初次启动的操作原则反应器初次启动的操作原则 启动阶段的目的：启动阶段的目的：一是使污泥适应将要处理废水中的一是使污泥适应将要处理废水中的有机物；二是使污泥具有良好的沉降性能。有机物；二是使污泥具有良好的沉降性能。 综合研究表明，启动应遵循综合研究表明，启动应遵循5个原则：个原则： （1）最初的污泥负荷应低于）最初的污泥负荷应低于0.10.2kgCOD/（kgSSd）；（）；（2）废水中原来存在和产生出来的各种）废水中原来存在和产

36、生出来的各种挥发酸未能有效地分解之前，不应增加反应器负荷；挥发酸未能有效地分解之前，不应增加反应器负荷； （3）反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧细菌繁）反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧细菌繁殖的范围内；（殖的范围内；（4）种泥量应尽可能多，一般应为）种泥量应尽可能多，一般应为1015kgVSS/m3；（；（5）控制一定的上升流速，允许多余）控制一定的上升流速，允许多余的污泥冲洗出来，截留住重质污泥。的污泥冲洗出来，截留住重质污泥。颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件形成颗粒污泥的过程可以归纳为以下三个阶段：形成颗粒污泥的过程可以归纳为以下三个阶段： 第一阶段

37、：启动与提高污泥活性阶段；有机负荷第一阶段：启动与提高污泥活性阶段；有机负荷1kgCOD/（m3d），时间约），时间约11.5个月。个月。 第二阶段：形成颗粒污泥阶段；有机负荷选择第二阶段：形成颗粒污泥阶段；有机负荷选择13kgCOD/（m3d），颗粒逐渐成长为直径），颗粒逐渐成长为直径13mm左左右的颗粒污泥，此阶段右的颗粒污泥，此阶段11.5月。月。 第三阶段：逐渐形成颗粒污泥层阶段。反应器的阿有第三阶段：逐渐形成颗粒污泥层阶段。反应器的阿有机负荷大于机负荷大于35kgCOD/（m3d），随着负荷的提高，），随着负荷的提高，反应器的污泥总量逐渐增加，污泥层逐渐提高，颗粒反应器的污泥总量逐渐

38、增加，污泥层逐渐提高，颗粒污泥层需要污泥层需要34个月。个月。颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件3. 影响污泥颗粒化的因素影响污泥颗粒化的因素 （1）接种污泥：同类和稠密型（）接种污泥：同类和稠密型（60kg/m3）污泥效果好，）污泥效果好， （2）废水的性质：包括有机组分）废水的性质：包括有机组分(易降解易降解)、浓度、浓度COD5g/L、悬浮物含量、悬浮物含量(SS2g/L)及可生物降解性能等及可生物降解性能等. （3）反应器的工艺条件：主要控制参数有温度、挥发酸、）反应器的工艺条件：主要控制参数有温度、挥发酸、固体停留时间（固体停留时间（SRT）以及有机负荷

39、等。）以及有机负荷等。 4. 影响颗粒污泥直径大小的因素影响颗粒污泥直径大小的因素 颗粒污泥的大小受底物在传质过程中所能进入颗粒内部的颗粒污泥的大小受底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度支配。深度支配。 颗粒化过程的关键因素：较大的上升流速与产气量可选择颗粒化过程的关键因素：较大的上升流速与产气量可选择性地洗出较小的颗粒和絮状污泥性地洗出较小的颗粒和絮状污泥15.4.3 颗粒污泥的性质颗粒污泥的性质1. 颗粒污泥的物理性质颗粒污泥的物理性质 （1）形状不规则，一般呈球形或椭球形，直径）形状不规则，一般呈球形或椭球形，直径0.12mm左右，最大可达左右，最大可达35mm； （2）颜色呈灰黑色或

40、褐黑色；）颜色呈灰黑色或褐黑色； （3）相对密度一般为）相对密度一般为1.011.05左右；左右； （4）污泥指数（）污泥指数（SVI）与颗粒大小有关，颗粒污泥一）与颗粒大小有关，颗粒污泥一般为般为10mL/gSS； （5）颗粒污泥在反应器中的沉降速率一般为）颗粒污泥在反应器中的沉降速率一般为0.30.8m/h； 颗粒污泥的性质颗粒污泥的性质2. 颗粒污泥的成分颗粒污泥的成分 含有微生物及分泌物外。一般都含有惰性物质，还含含有微生物及分泌物外。一般都含有惰性物质，还含有金属离子。有金属离子。 成熟的颗粒污泥，成熟的颗粒污泥，VSS/SS一般为一般为7080，根据废，根据废水性质可在水性质可在3

41、090。 3. 颗粒污泥的活性颗粒污泥的活性 活性可采用最大比底物利用速率（活性可采用最大比底物利用速率（kmax）表示，不同）表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同。底物培养的颗粒污泥的活性不同。 4. 颗粒污泥的微生物组成颗粒污泥的微生物组成15.4.4 UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理UASB反应器设计需要考虑的主要因素为：反应器设计需要考虑的主要因素为： （1）废水组成成分和固体含量；）废水组成成分和固体含量； （2）有机容积负荷（）有机容积负荷（volumetric organic load）；）； （3）上升流速（）上升流速（upflow velocity）；）；

42、（4）三相分离系统；）三相分离系统； （5）布水系统和水封高度等物理特性。）布水系统和水封高度等物理特性。UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理1. 废水水质特性废水水质特性 设计中应考虑废水是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫设计中应考虑废水是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫和浮渣，降解速率如何等。和浮渣，降解速率如何等。 废水中含有的悬浮固体愈多，所形成的颗粒密度越小，废水中含有的悬浮固体愈多，所形成的颗粒密度越小，进水悬浮固体浓度不应大于进水悬浮固体浓度不应大于6gTSS/L。 2. 有机容积负荷有机容积负荷 Lettinga等推荐的典型有机容积负荷见下两表等推荐的典型有机容积负荷见下两

43、表第十五章 厌氧生物处理UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理3. 上升流速上升流速 亦称表面水力负荷，与进水流量和反应器横截面积有亦称表面水力负荷，与进水流量和反应器横截面积有关，是重要的设计参数。关，是重要的设计参数。 Lettinga等推荐的典型上升流速和反应器高度见下表：等推荐的典型上升流速和反应器高度见下表： UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理4. 三相分离器的结构三相分离器的结构 气、固、液分离器又称三相分离器，由沉淀区、集气室气、固、液分离器又称三相分离器，由沉淀区、集气室(或称集气罩或称集气罩)和气封组成，其功能是把气体和气封组成，其功能是把气体(沼气沼

44、气)、固体、固体(微生物微生物)和液体分离。和液体分离。 气体被分离后进入集气室气体被分离后进入集气室(罩罩)，然后，固液混合液在沉淀，然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体藉重力由回流缝返回反应区。区进行固液分离，下沉的固体藉重力由回流缝返回反应区。 三相分离器分离效果好坏将直接影响反应器的处理效果三相分离器分离效果好坏将直接影响反应器的处理效果 三相分离器的主要功能有：一是收集从分离器下反应室产三相分离器的主要功能有：一是收集从分离器下反应室产生的沼气，达到气液分离的目的；二是使得在分离器之上生的沼气，达到气液分离的目的；二是使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来，达到固液分离的目的的

45、悬浮物沉淀下来，达到固液分离的目的 UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理 要实现三相分离器的功能，应满足以下条件：要实现三相分离器的功能，应满足以下条件： （1）水和污泥的混合物在进入沉淀室前，产生气泡须得到分离。）水和污泥的混合物在进入沉淀室前，产生气泡须得到分离。 （2）要防止沉降室内气体的产生，所以污泥在沉降室内的停留时间一定）要防止沉降室内气体的产生，所以污泥在沉降室内的停留时间一定要短，厌氧反应过程必须在进入三相分离器之前完成。要短，厌氧反应过程必须在进入三相分离器之前完成。 （3）由于厌氧污泥具有凝结的性质，液流上升通过泥层时，应有利于在）由于厌氧污泥具有凝结的性质，液

46、流上升通过泥层时，应有利于在沉淀区内形成污泥层。沉淀区斜壁角度要恰当，应使沉淀在斜底上的污沉淀区内形成污泥层。沉淀区斜壁角度要恰当，应使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内，以维持反应区内有很高的污泥浓度和较泥不积聚，尽快滑回反应区内，以维持反应区内有很高的污泥浓度和较长的污泥龄。长的污泥龄。 （4）沉淀区的表面负荷应在一定范围（）沉淀区的表面负荷应在一定范围（3.0m3/（m2h）内，混合液）内，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉淀速度。进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于颗粒污泥的沉淀速度。 （5）应防止气室产生大量的泡沫，且要控制气室的高度，防止浮渣阻塞）应

47、防止气室产生大量的泡沫，且要控制气室的高度，防止浮渣阻塞出气管出气管 UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理三相分离器的设计示意图见下图三相分离器的设计示意图见下图UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理分离器的设计应考虑以下几方面的因素：分离器的设计应考虑以下几方面的因素： （1）沉淀器底部倾角应较大，可选择）沉淀器底部倾角应较大，可选择4560 （2）沉淀器内最大截面的表面水力负荷应保持在）沉淀器内最大截面的表面水力负荷应保持在 以下，水流通过液固分离孔隙的平均流速以下，水流通过液固分离孔隙的平均流速应保持在应保持在 以下；以下；（3）气体收集器间缝隙的截面面积不小于总面

48、积的）气体收集器间缝隙的截面面积不小于总面积的1520； （4）对于高为）对于高为57m的反应器，气体收集器的高度应为的反应器，气体收集器的高度应为1.52m； （5）b100200mm； （6）控制气室）控制气室 的水面高度及压力。的水面高度及压力。320.7/()summh3202/()ummhUASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理a的构造较为简单，但泥水分离的情况不够理的构造较为简单，但泥水分离的情况不够理想，因为回流缝内同时存在上升和下降两种流想，因为回流缝内同时存在上升和下降两种流体，互相有干扰。体，互相有干扰。c也有类似情况。也有类似情况。b的构造虽的构造虽较为复杂，但污

49、泥回流和水流上升互相不干扰，较为复杂，但污泥回流和水流上升互相不干扰，污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离效果也较好。效果也较好。UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理5. 布水系统布水系统 提高反应器处理能力的重要因素之一：底物与污泥充分接提高反应器处理能力的重要因素之一：底物与污泥充分接触，布水应尽量均匀，避免沟流，布水点的设置很重要。触，布水应尽量均匀，避免沟流，布水点的设置很重要。 原则上：原则上：UASB反应器的进水可参考滤池大阻力布水系统反应器的进水可参考滤池大阻力布水系统形式，在反应器底部均匀设置布水点，布水的不均匀系数形式，

50、在反应器底部均匀设置布水点，布水的不均匀系数为为0.95，可以达到布水均匀的目的。，可以达到布水均匀的目的。 对大型对大型UASB构筑物，采取在反应器底部多点进水；构筑物，采取在反应器底部多点进水； 对于对于UASB反应器，反应器，Lettinga建议在完成了启动之后，每建议在完成了启动之后，每个进水点负担个进水点负担2.0-4.0m2。 但是在温度低于但是在温度低于20或低负荷的情况，产气率较低并且污或低负荷的情况，产气率较低并且污泥和进水的混合不充分时，需要较高密度的布水点。对于泥和进水的混合不充分时，需要较高密度的布水点。对于城市污水城市污水De Man和和van de last建议建议

51、1-2m2/孔孔UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理大型大型UASB反应器的布水系统见下图：反应器的布水系统见下图：UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理6. 水封高度水封高度 设计水封高度的计算原理图：设计水封高度的计算原理图：UASB反应器的结构设计原理反应器的结构设计原理计算式为：计算式为： 式中式中 水封有效高度；水封有效高度； 气室液面出水的高度；气室液面出水的高度； 水封后面的阻力；水封后面的阻力； 气室顶部到出水水面的高度，由沉淀器尺寸气室顶部到出水水面的高度，由沉淀器尺寸 决定；决定； 气室高度。气室高度。 12122()HHHhhH1212HHHhh15

52、.4.5 UASB反应器的若干发展形式反应器的若干发展形式1. 复合式厌氧反应器（复合式厌氧反应器（Upflow Blanket Filter，简称，简称UBF） 在在UASB反应器的污泥层上部增加生物填料，填料上可生反应器的污泥层上部增加生物填料，填料上可生长大量厌氧细菌，从而起到污泥拦截和增加生物量的作用。长大量厌氧细菌，从而起到污泥拦截和增加生物量的作用。UASB反应器的若干发展形式反应器的若干发展形式2. 厌氧折流板反应器（厌氧折流板反应器（Anaerobic Baffled Reactor，简，简称称ABR） 如图所示：如图所示： ABR工艺的优越性：运行简单；在较短的水力停留时工艺

53、的优越性：运行简单；在较短的水力停留时间（间（HRT）下可实现较长的污泥龄（）下可实现较长的污泥龄（SRT）；不需特）；不需特殊的污泥特性，生物适应能力强；可处理各种废水；殊的污泥特性，生物适应能力强；可处理各种废水；多级运行可改善降解动力学条件；耐冲击负荷。多级运行可改善降解动力学条件；耐冲击负荷。UASB反应器的若干发展形式反应器的若干发展形式3. 厌氧往复层反应器（厌氧往复层反应器（Anaerobic Migrating Blanket Reactor，简称，简称AMBR） 如图所示，该工艺在如图所示，该工艺在ABR的基础上加入机械搅拌。的基础上加入机械搅拌。UASB反应器的若干发展形式

54、反应器的若干发展形式4. 内循环（内循环（Internal Circulation，简称，简称IC）厌氧工艺）厌氧工艺 IC厌氧反应器由荷兰厌氧反应器由荷兰Paques公司公司1985年在年在UASB基础基础上推出的第三代高效厌氧反应器，上推出的第三代高效厌氧反应器，1988年第一座生产年第一座生产规模的规模的IC反应器投入运行。反应器投入运行。 IC反应器的结构组成：（反应器的结构组成：（1）混合区，进水与回流污泥）混合区，进水与回流污泥混合；（混合；（2）颗粒污泥膨胀床区，第一反应室；（）颗粒污泥膨胀床区，第一反应室；（3）精处理区，第二反应室；（精处理区，第二反应室；（4）内循环系统，是

55、）内循环系统，是IC反应反应器的核心构造，包括一级三相分离器、沼气提升管、器的核心构造，包括一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管；（气液分离器和泥水下降管；（5）二级三相分离区，包）二级三相分离区，包括集气管和沉淀区。括集气管和沉淀区。 IC反应器结构示意图：反应器结构示意图：UASB反应器的若干发展形式反应器的若干发展形式IC反应器的主要创新点：反应器的主要创新点： （1）实现自发的内循环污泥回流；）实现自发的内循环污泥回流； （2）引入分级处理，并赋予其新的功能；）引入分级处理，并赋予其新的功能； （3）泥水充分接触，提高传质速率。）泥水充分接触，提高传质速率。 IC反应器的

56、不足：反应器结构较复杂，施工、安装和反应器的不足：反应器结构较复杂，施工、安装和日常维护困难；反应器高度大，水泵的动力消耗有所日常维护困难；反应器高度大，水泵的动力消耗有所增加；反应器的结构尺寸和设计参数还需进一步探索。增加；反应器的结构尺寸和设计参数还需进一步探索。15.5 两相厌氧生物处理两相厌氧生物处理15.5.1 两相厌氧生物处理原理两相厌氧生物处理原理 15.5.2 两相厌氧生物处理技术两相厌氧生物处理技术 15.5.3 最适液相末端发酵产物的选择最适液相末端发酵产物的选择15.5.1 两相厌氧生物处理原理两相厌氧生物处理原理两相厌氧消化工艺是在上世纪两相厌氧消化工艺是在上世纪70年

57、代产生的。年代产生的。其基本出发点是：在单相反应器中，存在着脂肪酸的产其基本出发点是：在单相反应器中，存在着脂肪酸的产生与被利用（产甲烷）之间的平衡，维持两类微生物之生与被利用（产甲烷）之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的。克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的。 两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足两类不同细菌的最适生长同的运行参数，使其分别满足两类不同细菌的最适生长条件；反应器可以

58、采用前述任一种反应器，二者可以相条件；反应器可以采用前述任一种反应器，二者可以相同也可以不同同也可以不同两相厌氧生物处理原理两相厌氧生物处理原理实现二相分离的方法主要有：实现二相分离的方法主要有： （1） 化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；制产甲烷菌在产酸相中的生长； （2）物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应）物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；器的基质有显著的差别，以实现相的分离； （3） 动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生

59、长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间，使速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌无法在产酸相中生长。产甲烷菌无法在产酸相中生长。 目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。两相厌氧生物处理原理两相厌氧生物处理原理主要特点：主要特点： （1）有机负荷比单相工艺明显提高；）有机负荷比单相工艺明显提高； （2）产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增）产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；加； （3） 运行更加稳定，承受冲击负荷的能

60、力较强；运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强； （4）当废水中含有）当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；菌的影响由于相的分离而减弱； （5） 对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。15.5.2 两相厌氧生物处理技术两相厌氧生物处理技术国内外的两相厌氧生物处理工艺所采用的反应器形式国内外的两相厌氧生物处理工艺所采用的反应器形式来看，主要有两种：来看，主要有两种： 一种是两相均采用一种是两相均采用UASB反应器；