厌氧生物处理课件

1、水污染控制工程第3篇生物处理理论与技术2022/7/271第14章 厌氧生物处理主要内容14.1 概述14.2 厌氧生物处理的基本原理14.3 厌氧微生物生态学14.4 UASB反应器14.5 两相厌氧处理工艺14.6 悬浮生长厌氧工艺14.7 附着生长厌氧工艺水污染控制工程2022/7/272推荐几本参考书张自杰主编，废水处理理论与设计，北京：中国建筑工业出版社，2003 顾夏声、黄铭荣等编著，水处理工程，北京：清华大学出版社，1985贺延龄编著，废水的厌氧生物处理，北京：中国轻工业出版社，1998张希衡等编著，废水厌氧生物处理工程，北京：中国环境科学出版社，1996胡纪萃等编著，废水厌氧生

2、物处理理论与技术，北京：中国建筑工业出版社，2003 张自杰主编，排水工程（下册），北京：中国建筑工业出版社，2000（第四版）沈耀良等编著，废水生物处理新技术理论与应用（第二版），北京：中国环境科学出版社，2006C. P. Leslie Grady,Jr.,et al., Biological Wastewater Treatment, Marcel Dekker, Inc., New York, 1999J. F. Malina Jr., et al., Design of Anaerobic Processes for the Treatment of Industrial and M

3、unicipal Wastes, Technomic Publishing Co., inc. 19922022/7/27314.1 概述（Brief Introduction）14.1.1 厌氧生物处理（anaerobic bio-treatment）的概念14.1.2 厌氧生物处理的特点14.1.3 厌氧生物处理的发展14.1.4 厌氧生物处理的工艺2022/7/27414.1.1 厌氧生物处理的概念何谓厌氧生物处理？在不供氧（DO=0）的条件下，借助于厌氧微生物的作用，对废水中有机污染物通过代谢途径进行分解，并使其转化为无机物（CO2，CH4，H2O，NH4+等）的过程，同时产生厌氧微生

4、物生长繁殖所需要的能量；是废水生物处理的重要工艺方法；主要应用于高浓度有机废水的处理。以有机物为主要降解处理对象。 14.1 概述2022/7/27514.1.1 厌氧生物处理的概念厌氧微生物对有机物的转化Conversion of organics during anaerobic treatment 14.1 概述2022/7/27614.1.1 厌氧生物处理的概念厌氧微生物对有机物的转化14.1 概述2022/7/27714.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧和好氧生物处理运行特性的比较14.1 概述2022/7/27814.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧和好氧生物处理运行特性的比较14.1

5、 概述2022/7/27914.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧和好氧生物处理运行特性的比较Comparison of different index between anaerobic and aerobic process14.1 概述2022/7/271014.1.2 厌氧生物处理的特点厌氧生物处理的优缺点优点能耗少、运转费低，适用于高浓度有机废水的处理；污泥产量及营养需求少；产生甲烷，可作潜在能源；可承受较高的有机负荷，并实现HRT与SRT的有效分离。缺点运行启动时间长、控制要求高；难以一次性实现达标排放；处理效果受温度的影响大。14.1 概述2022/7/271114.1.3 厌氧生物

6、处理的发展历史沿革问世至今已百余年经历四个不同发展时期20世纪20年代前：主要用于生活污水（粪便）处理。如法国的自动净化器（1881年）、英国的化粪池（1895年）和德国的Imhoff池（1905年）；20世纪50年代前：应用于污泥的稳定化处理（普通污泥消化池）；20世纪50年代后：应用于各种高浓度有机（工业）废水处理。20世纪70年代后：开发和应用新型、高效厌氧处理工艺，应用迅速推广。14.1 概述2022/7/271214.1.3 厌氧生物处理的发展历史沿革14.1 概述Imhoff tank2022/7/271314.1.3 厌氧生物处理的发展工艺类型近三十年快速发展经历三代厌氧反应器工

7、艺第一代厌氧反应器工艺（传统型污泥消化池和废水厌氧反应器）：20世纪5060年代前应用于污泥的稳定化和污水处理处理；时间长、容积大、效率低。 HRT=SRT；第二代厌氧反应器工艺（两相及 UASB工艺等）： 20世纪70年代后应用于污水处理；时间短、容积大大缩小、效能提高。 SRTHRT（SRT与HRT分离）；第三代厌氧反应器工艺（分相多级工艺等）： 20世纪90年代后应用于高浓度有机废水处理；时间更段、容积更小、效能更高。 SRTHRT（ SRT与HRT分离、微生物分相、复合流态）。14.1 概述2022/7/271414.1.3 厌氧生物处理的发展应用现状广泛应用于各类有机废水处理全球有2

8、000余座厌氧废水处理工艺14.1 概述Application of different types of anaerobic treatment technologies in the world 2022/7/271514.1.4 厌氧生物处理的工艺典型工艺流程14.1 概述2022/7/2716几种工艺型式14.1.4 厌氧生物处理的工艺14.1 概述第一代厌氧反应器 普通消化池 厌氧接触池2022/7/271714.1.4 厌氧生物处理的工艺几种工艺型式14.1 概述第二代厌氧反应器厌氧生物滤池两相厌氧工艺2022/7/271814.1.4 厌氧生物处理的工艺几种工艺型式14.1 概述

9、第二代厌氧反应器UASBUASB2022/7/271914.1.4 厌氧生物处理的工艺几种工艺型式14.1 概述第三代厌氧反应器ABR2022/7/272014.1.4 厌氧生物处理的工艺几种工艺型式14.1 概述第三代厌氧反应器ICIC2022/7/272114.1.4 厌氧生物处理的工艺几种工艺型式14.1 概述第三代厌氧反应器EGSBEGSB2022/7/272214.2 厌氧生物处理的基本原理14.2.1 厌氧降解（anaerobic biodegradation）机理14.2.2 厌氧水解（hydrolysis）14.2.3 产酸发酵（acid-producing fermentat

10、ion）14.2.4 产氢/产乙酸（H2/acetic acid production ）14.2.5 产甲烷（methane production）14.2.6 其它厌氧反应2022/7/272314.2.1 厌氧降解机理微生物厌氧降解作用的发现14.2 厌氧生物处理的基本原理John Dalton (1766-1844), collecting marsh gas with youngsters nearby Manchester, England沼气的发现2022/7/272414.2.1 厌氧降解机理微生物厌氧降解作用的发现1776年，Valta发现沼泽中产生与有机质分解有关的可燃气体

11、；1806年，Herry确认上述气体为甲烷；1868年，Bechamp首次从微生物角度阐述了甲烷的形成机理；1875年，Popoff较系统地研究了各种有机底物的产甲烷过程；1902年，Maze获得一种产甲烷微球菌（马氏甲烷球菌）；1906年，Shngen培养出一种八叠球菌和杆状菌的共生培养物，但未进一步分离鉴定；1916年，Omeliansky分离出一株 不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌。 并命名为奥氏甲烷杆菌。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/272514.2.1 厌氧降解机理微生物厌氧降解作用的发现之后，Schnellen分离出（巴氏）甲烷八叠球菌和甲酸甲烷杆菌，为厌氧微生物学发酵原

12、理上的重大突破；1967年，Bryant发现，可将乙醇转化为CH4的产甲烷杆菌为两种共生菌（一中将乙醇转化为乙酸和H2、另一种利用H2将CO2转化为甲烷）。此发现揭示出能够被产甲烷菌利用的有机底物种类是有限的，主要有2碳的乙酸、1碳的甲酸、甲醇、甲胺和CO2 / H2等。1977年，Thaner等全面阐述了厌氧转化过程中的能量转化过程。14.2 厌氧生物处理的基本原理巴氏甲烷八叠球菌梅氏甲烷八叠球菌沃氏产甲烷球菌2022/7/272614.2.1 厌氧降解机理复杂有机物的厌氧降解14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/272714.2.1 厌氧降解机理复杂有机物的厌氧降解14.2 厌氧生

13、物处理的基本原理2022/7/272814.2.1 厌氧降解机理复杂有机物的厌氧降解14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/272914.2.2 厌氧水解厌氧水解的概念复杂非溶解性有机物难以直接为厌氧菌利用，而在产酸菌胞外水解酶的作用下，被转化为简单溶解性有机单体或二聚体、同时合成新细胞体的生物转化过程。纤维素被纤维素酶水解为纤维二糖与葡萄糖；淀粉被淀粉酶水解为麦芽糖和葡萄糖；蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等。水解产物（小分子有机物）可透过细胞膜并为其所利用。复杂有机物的水解过程较为缓慢，常为厌氧反应过程的速率控制步骤之一，受多种因素的影响。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7

14、/273014.2.2 厌氧水解厌氧水解的概念Particulates made soluble and large polymers converted to simpler monomersCarbohydrates, fats, and proteinsLarge molecules (polymers) broken down into smaller molecules (monomers)Allow passage through bacterial cell wallFacultative anaerobes and anaerobesMay be rate limiting s

15、tep in process if high concentration of particulate organic matter existed in wastewater.14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/273114.2.2 厌氧水解厌氧水解的概念14.2 厌氧生物处理的基本原理淀粉和纤维素的水解2022/7/273214.2.2 厌氧水解厌氧水解的概念14.2 厌氧生物处理的基本原理蛋白质的水解 脂肪的水解2022/7/273314.2.2 厌氧水解厌氧水解反应动力学14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/273414.2.3 产酸发酵产酸发酵的概念有机物既作电子供

16、体亦作电子受体，在产酸发酵菌的作用下，将溶解性有机单体或二聚体转化为挥发性脂肪酸（VFA）和醇为主要末断产物、同时合成新细胞的生物转化过程（简称酸化）。主要产物：甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、乳酸、等VFA；乙醇等醇类；CO2、NH3、N2、H2S等。速率较快。其发酵产物为产甲烷菌的底物，其产物的类型和产率对产甲烷菌有重大影响。发酵产酸菌种类多、数量大。最重要的是梭状芽孢杆菌（Clostridium）和拟杆菌属（Bacteriodes）。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/273514.2.3 产酸发酵产酸发酵的概念Sugars, amino acids, and fatty

17、acids converted to C3 and C4 volatile fatty acids (76%), H2 (4%), and acetic acid (20%)Optimum growth rate occurs near pH 6Volatile fatty acids generally not significant consumer of alkalinityCO2 significant consumer of alkalinityNH3 produced from amino acids14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/273614.2.3 产酸发酵产酸发

18、酵的类型决定因素厌氧条件、底物种类、参与微生物种群、运行环境（pH与碱度、ORP、OLR、HRT等）三大类型丁酸型发酵（butyric acid type fermentation）末端产物为丁酸、乙酸和H2/CO2。丙酸型发酵（propionic acid type fermentation）末端产物为丙酸、乙酸CO2 和少量H2。乙醇型发酵 （ethanol acid type fermentation）末端产物为乙醇、乙酸和H2/CO2，及少量丁酸。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/273714.2.3 产酸发酵产酸发酵菌14.2 厌氧生物处理的基本原理有梭状芽孢的产酸杆菌属

19、（Clostridium）2022/7/273814.2.3 产酸发酵产酸发酵菌14.2 厌氧生物处理的基本原理拟杆菌属（Bacteriodes）2022/7/273914.2.3 产酸发酵以葡萄糖为底物的产酸发酵过程14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274014.2.4 产氢产乙酸产氢产乙酸的概念在产氢产乙酸菌（HPA）的作用下，将2C以上的有机酸和醇等转化为CH3COOH、CO2和H2、同时合成新细胞的生物转化过程（简称乙酸化）。发生的条件：根据Gibbs自由能，在标准条件下，乙醇、丁酸和丙酸的产氢产乙酸过程只能在氢分压很低（低于0.1hPa）时（或及时将产生的氢排出或被其它微

20、生物利用）发生。种间转移和互营联合：HPA与耗氢微生物（产甲烷菌、硫酸盐还原菌等）间的共生现象。即HPA只有在耗氢微生物共生的情况下，才能进行有效的产酸产氢作用。同型产乙酸菌：当氢分压较高时，利用H2和CO2或甲醇（还原）合成乙酸（一般占乙酸总产生量的1%4%）。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274114.2.4 产氢产乙酸产氢产乙酸的反应过程14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274214.2.5 产甲烷产甲烷的概念严格专性产甲烷菌将乙酸、甲醇、甲酸、和CO2/H2等转化为CH4+CO2（沼气）的过程。代谢速率较慢。在溶解性有机物的厌氧处理过程中，产甲烷阶段往往是整

21、个厌氧处理过程的速率限制步骤。产甲烷菌的类型氧化氢产甲烷细菌（hydrogen-oxidizing methanogens，HOM）、氧化氢利用乙酸产甲烷细菌（hydrogen-oxidizing acetate-utilizing methanogens，HOAM）、非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌（non-hydrogen-oxidizing acetate-utilizing methanogens，NHOAM）。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274314.2.5 产甲烷产甲烷菌的类型14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274414.2.5 产甲烷重要的产甲烷菌反应过

22、程14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/274514.2.6 其它厌氧反应硫酸盐还原在厌氧条件下，化能异养型硫酸盐还原菌（sulfate-reducing bacteria，SRB）利用废水中有机物作为电子供体，将氧化态硫化合物（硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐）还原为硫化物（HS-、H2S和S2-）的过程。参与废水处理的SRB有9个属中主 要的两个：脱硫弧菌属和脱硫肠 状菌属（desulfovibrio和desulfotomaculum）。14.2 厌氧生物处理的基本原理脱硫弧菌2022/7/274614.2.6 其它厌氧反应硫酸盐还原14.2 厌氧生物处理的基本原理厌氧条件下硫酸盐的还

23、原过程2022/7/274714.2.6 其它厌氧反应硫酸盐还原硫酸盐还原的电子供体（物）氢、醇、脂肪酸（包括单羧基酸、二羧基酸）、某些氨基酸、糖、环状芳香族化合物、多种苯环取代基的酸类及长链溶解性烷烃等。SRB的类型利用氢的SRB；利用乙酸的SRB；利用脂肪酸的SRB；利用芳香族化合物的SRB。14.2 厌氧生物处理的基本原理脱硫弧菌2022/7/274814.2.6 其它厌氧反应硫酸盐还原影响硫酸盐还原过程的因素pH值、电子供体的种类、温度、抑制剂、ORP、代谢中间产物、重金属、可见光等；硫酸盐还原的益处SRB利用H2，降低厌氧生物处理中氢分压，促进有机物的厌氧分解过程；硫酸盐还原的影响与

24、产甲烷菌竞争（共同）底物（乙酸化 和H2），对产甲烷产生间接抑制；产生H2S对产甲烷菌等造成直接抑制。影响沼气质量。14.2 厌氧生物处理的基本原理对高浓度硫酸盐废水，一般应采用两相处理，先脱硫。2022/7/274914.2.6 其它厌氧反应反硝化污水中硝酸盐氮（NO3-N）和亚硝酸盐氮（NO2-N ）在无氧或缺氧条件下，被反硝化菌转化（还原）为氮气（N2）的过程。有分子氧存在时，反硝化菌氧化分解有机物，利用分子态氧作最终电子受体；在无分子态氧存在时，反硝化菌利用NO3- 和 NO2- 中的N5+和N3+作电子受体，O2-作受氢体生成H2O和OH-，有机物则作为碳源和电子供体提供能量并得到氧

25、化降解。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/275014.2.6 其它厌氧反应氨的厌氧氧化（ANAMMOX）在无氧环境中，同时存在NH4+和NO2- 时，NH4+作为反硝化的无机电子供体， NO2-作为电子受体，生成氮气的过程（20世纪末的最新发现！）（ANaerobic AMMonium OXidation）。氨厌氧氧化菌：尚未完全确定，可能为一类革兰氏阴性专性厌氧菌，如亚硝化单孢菌属（Nitrosomonas）中的两个种（N. europaea 和 N. eutropha）能同时硝化与反硝化。14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/275114.2.6 其它厌氧反应氨的厌氧

26、氧化（ANAMMOX）14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/275214.2.6 其它厌氧反应氨的厌氧氧化ANAMMOX菌仅以碳酸盐和CO2等无机物为其碳源，产率非常低。NH4+和NO2-的比例大致为1:1，反应的最适宜温度为3537 ，pH为6.78.3。NH4+的转化率约为0.25mgN/mgSS.d。可能的转化途径14.2 厌氧生物处理的基本原理2022/7/275314.2.6 其它厌氧反应氨的厌氧氧化SHARON（半硝化）ANAMMOX工艺处理高浓度氨氮废水时，控制57%亚硝化，使NH4+/NO2-比控制在1:1.13左右， 生成的亚硝酸盐和剩余的氨氮能匹配去除。CANON工

27、艺生物膜系统；严格控制温度、DO和NH4+。SBRANAMMOX工艺序批式运行；补充外源NO2-N。14.2 厌氧生物处理的基本原理SHARONANAMMOX工艺2022/7/275414.3 厌氧微生物生态学14.3.1 影响产酸菌（APB）的因素14.3.2 影响产甲烷菌（MPB）的因素14.3.3 影响SRB的因素14.3.4 厌氧反应动力学14.3.5 厌氧菌群之相互关系2022/7/275514.3.1 影响产酸菌的因素产酸菌的功能及其影响因素功能为产甲烷菌提供适宜的底物（低分子量的VFA等）。对溶解性的有机底物而言，一般不构成限速步骤。不同条件下，产酸发酵的类型和速率不同；影响因素

28、pH、ORP、碱度、温度、水力停留时间（HRT）、 有机负荷（OLR）等。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/275614.3.1 影响产酸菌的因素pH的影响极为重要的影响因子（生态因子），影响产酸速率和代谢类型；适宜范围较宽：3.58.0，最适为67pH= 4.04.5，乙醇型发酵pH= 4.55.0，丁酸型发酵，伴随乙醇型发酵；pH= 5.0左右，乙酸、丙酸、丁酸和乙醇等的产生量几乎相等；pH= 5.5左右，丙酸型发酵；pH6.0，丁酸型发酵；产酸相pH一般不宜低于5.5。单相反应器中须考虑产甲烷菌对pH的要求。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/275714.3.1 影响产酸菌的

29、因素氧化还原电位（ORP）的影响极为重要的影响因子（生态因子），影响专性厌氧菌和兼性厌氧菌的比例；最适ORP为-200mV-300mV；与废水类型、有机底物浓度、反应器型式（密闭性）等有关；ORP-100mV时，丙酸产率较高；ORP-50mV时，几乎在所有pH范围内均发生丙酸型发酵；可适当投加铁粉等还原剂控制ORP；降低ORP可避免产生大量乳酸（其存 在生成丙酸的潜在危险）。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/275814.3.1 影响产酸菌的因素氧化还原电位（ORP）的影响14.3 厌氧微生物生态学2022/7/275914.3.1 影响产酸菌的因素碱度/VFA的影响反映处理过程中中和酸

30、能力的指标，表示了反应体系对pH的缓冲能力；足够的碱度可保证系统良好的缓冲能力，维持稳定的pH，保证厌氧微生物功能的正常发挥和处理效果；取决于反应器中气、液两相CO2的平衡所构成的碳酸盐缓冲体系及其缓冲能力；缓冲强度最大值发生在pH=6；VFA浓度提高，消耗碱度，降低pH。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276014.3.1 影响产酸菌的因素碱度/VFA的影响14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276114.3.1 影响产酸菌的因素碱度/VFA的影响碱度的类型碳酸盐碱度（主要）挥发性脂肪酸（HAc）盐碱度氨/铵离子碱度；挥发性脂肪酸盐碱度常发生于pH为4.7左右的环境中；氨/铵离子

31、碱度通过对废水有机底物中有机氮的氨化作用产生。一般宜将反应器的碱度控制在2000mg/L 3000mg/L之间；VFA应控制在2000mg/L以内，最佳为 200mg/L。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276214.3.1 影响产酸菌的因素温度的影响影响微生物的生长和对有机底物的代谢速率。重要控制指标；根据微生物对温度的适应性不同，有高温菌、中温菌和低温菌；多以3035 中温运行。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276314.3.1 影响产酸菌的因素温度的影响14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276414.3.1 影响产酸菌的因素废水特性及ORL的影响为满足微生物生长对

32、营养的要求，须保证进是一定的营养比例；C:N:P一般控制在250:5:1；应根据不同的厌氧反应器类型和处理要求确定合理的OLR。当OLR（Organic Loading Rate）为560kgCODcr/m3.d时，产酸菌可发挥良好的作用；在高负荷条件下运行时，产酸菌污泥的颜色将有黑向灰-灰白-白转变。HRT过短降低处理效率，易使微生物流失。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276514.3.1 影响产酸菌的因素废水特性及ORL的影响14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276614.3.2 影响产甲烷菌的因素产甲烷菌及其基本特性既不属于原核生物，也不属于真核生物，而被归于与原核生物极

33、其接近的古生物；对作用其细胞壁的高效抗菌素（如青霉素等）不敏感，可在培养基中加入青霉素进行选择性培养；为一类专性严格厌氧菌，对营养要求较为简单，但对环境条件的变化极为敏感；世代期长，生长速率慢，为厌氧生物处理的速率控制步骤；新型高效厌氧工艺的研究开发均以促进和提高产甲烷速率膸出发点。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276714.3.2 影响产甲烷菌的因素pH的影响对pH变换极为敏感，适宜范围较窄；适宜范围：6.08.0，最适为6.87.2；pH6，产甲烷受到抑制，甚或死亡；必须严格控制，并充分考虑与产酸菌的协调。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276814.3.2 影响产甲烷菌

34、的因素氧化还原电位（ORP）的影响保证严格的无氧环境是专性严格厌氧菌生长繁殖的基本条件之一；初始繁殖的条件为ORP不高于-330mV ；最适ORP为-300mV-500mV；按Nernst方程，ORP=-330mV相当于2.361056L水中含1mol氧；ORP受pH的影响：pH值低，ORP高； pH值高，ORP低；厌氧反应器初始运行时，应保持中性pH。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/276914.3.2 影响产甲烷菌的因素有机负荷率（OLR）的影响反映了微生物与底物间的动态平衡关系，生物处理中的关键运行控制参数；投配率（p）（用于污泥消化） 。即每日向厌氧反应器中投加的生污泥量（V1

35、）与厌氧反应器的有效容积（V）之比。普通厌氧污泥消化池的p值一般为2%5%（即消化时间为2050天）；高负荷污泥消化池的p值一般为7%12%（即消化时间为815天）；有机物容积负荷（Fv）（废水处理） 。即单位容积的厌氧器在单位时间内接受的有机物量（kgCODcr /m3.d）。其取值与废水类型、处理要求、厌氧反应器的工艺形式及环境条件，常需通过试验进行合理确定。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277014.3.2 影响产甲烷菌的因素温度的影响适宜温度范围较宽（583）；在535内，温度每升高1015 ，则反应速率提高12倍；两个最适温度区别：3039 （中温菌）和5060 （高温菌）

36、。应通过经济技术比较确定合理的运行温度。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277114.3.2 影响产甲烷菌的因素污泥浓度的影响厌氧反应器中污泥浓度（X）间接表示两活性微生物的数量；决定反应器处理能力和效率的基本因素和运行控制参数。与处理工艺的运行方式密切相关。悬浮生长型厌氧反应器中的污泥浓度往往低于固定（颗粒）化工艺。新型厌氧工艺的开发以提高反应器中污泥量并保持其良好活性和不同污泥组成间的平衡协调为目标，尤其是实现HRT与SRT的分离。如UASB、ABR、EGSB、IC等反应器中 的污泥浓度可高达3080G/L，比常规好 氧生物处理高1030倍。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/

37、277214.3.2 影响产甲烷菌的因素碱度的影响与其对产酸菌的影响相同；营养比的影响与其对产酸菌的影响基本相同；有毒有害物的影响有毒有害物质的危害有毒物破坏微生物细胞的正常结构， 使酶变性而失活； 有害物抑制微生物的正常功能的发 挥，与其竞争底物或抑制其活性。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277314.3.2 影响产甲烷菌的因素有毒有害物的影响氨氮（NH4+-N） 50200 mg/L，具有刺激作用；15003000mg/L具有明显的抑制作用一般控制在1000mg/L以下。硫酸盐（SO42-）的控制不大于5000 mg/L；COD/ SO42-大于 10；当H2S浓度大于100mg

38、/L时便具有抑制 作用。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277414.3.2 影响产甲烷菌的因素有毒有害物的影响厌氧生物处理中几种典型有毒有害物的允许浓度14.3 厌氧微生物生态学请参见有关资料！2022/7/277514.3.2 影响产甲烷菌的因素微生物与废水的接触传质的重要性搅拌反应器的水力流态反应器的运行方式（混合状态）；反应器的构造（接触方式）；反应器中的水流速度（对污泥的 截留与水力剪切作用）。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277614.3.3 影响SRB的因素温度的影响中温最适：3035，可承受42 ；高温适合： 5070。pH一般4.59.5，最适 6.58.0

39、；不同的pH影响硫化 氢的存在形态。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277714.3.3 影响SRB的因素ORP的影响SRB为严格厌氧菌，不能在有DO的条件下生长 ；ORP应保持在-100mV以下。碳硫比（COD/SO42-）影响SRB的还原能力；以有效去除硫酸盐为目标时， COD/SO42-应1.5；提供小分子有机物（甲醇等）作为电子供体，可提高硫酸盐还原速率。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277814.3.4 厌氧反应动力学反应动力学方程遵循一级动力学；以厌氧反应阶段为基础（速率控制步骤）14.3 厌氧微生物生态学2022/7/277914.3.4 厌氧反应动力学反应动力

40、学常数14.3 厌氧微生物生态学2022/7/278014.3.5 厌氧菌群之相互关系对不同环境因素的适应关系14.3 厌氧微生物生态学2022/7/278114.3.5 厌氧菌群之相互关系推流式反应器中不同微生物的演替关系沿水流方向呈现典型的微生物更替关系；水解菌产酸发酵菌产氢产乙酸菌产甲烷菌；对相分离、SMPA工艺的研发有重大指导意义！14.3 厌氧微生物生态学请大家思考，在完全混合式反应器中微生物的存在状态！2022/7/278214.3.5 厌氧菌群之相互关系不同微生物间的协同关系产酸菌为产甲烷提供生长繁殖的底物；产酸菌为产甲烷菌创造适宜的ORP条件；产酸菌为产甲烷菌清除有毒物质；产甲

41、烷菌为产酸菌的生化反应解除了反馈抑制；产酸菌和产甲烷菌共同维持适宜的pH值产酸菌降低pH，产甲烷菌利用酸而提高pH；在酸的产生和酸的利用间存在平衡，防止酸化；需要控制合适的运行负荷（OLR）。14.3 厌氧微生物生态学2022/7/278314.4 UASB反应器14.4.1 工艺原理14.4.2 颗粒污泥及其形成条件14.4.3 工艺设计14.4.4 UASB工艺的发展Lettinga教授First full-scale UASB plant(200m3) installed and tested in 1978 at the CSM sugar-bet factory in Halfweg

42、2022/7/278414.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行基本组成反应区污泥床悬浮层进水区三相分离区沉淀区水封气水分离器14.4 UASB反应器2022/7/278514.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行运行过程上向流动污泥产气气固液分离泥水分离气体收集 14.4 UASB反应器2022/7/278614.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行14.4 UASB反应器2022/7/278714.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行14.4 UASB反应器2022/7/278814.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行14.4 UASB反应器2022/7/2

43、78914.4.1 工艺原理UASB反应器的构造与运行14.4 UASB反应器UASB反应器及颗粒污泥2022/7/279014.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的特征在反应器中保持高的生物量实现HRT与SRT的分离改善沉降性能提高反应速率14.4 UASB反应器2022/7/279114.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的特征14.4 UASB反应器2022/7/279214.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的特征14.4 UASB反应器2022/7/279314.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的特征14.4 UASB反应器2022/7/279414.4.2 颗粒污泥及其形

44、成条件颗粒污泥的特征14.4 UASB反应器2022/7/279514.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的类型杆菌颗粒紧密球形颗粒，主要由杆状菌、丝状菌组成；颗粒直径13mm。丝菌颗粒颗粒大致呈球形，主要由松散互卷的丝状菌组成，丝状菌附着在惰性粒子表面；颗粒直径15mm。球菌颗粒精密球状颗粒，主要由甲烷八叠球菌组成；颗粒直径0.11.5mm。14.4 UASB反应器2022/7/279614.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的形成过程14.4 UASB反应器2022/7/279714.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的形成过程14.4 UASB反应器2022/7/279814.4.

45、2 颗粒污泥及其形成条件UASB初次启动的操作原则启动目的使污泥适应所处理的废水水质；使污泥具有良好的沉降性能。五条原则最初的污泥负荷低于0.10.2kgCODcr/kgMLSS.d；在废水中原有和分解产生的VFA有效分解之前，不应提高反应器负荷；反应器内的环境条件应控制在有利于产甲烷菌繁殖之范围内；接种污泥量应尽可能多，一般应为1015kgVSS/m3；控制一定的上升流速，允许多余（稳定差）的污泥洗脱掉，而截留重质污泥。14.4 UASB反应器2022/7/279914.4.2 颗粒污泥及其形成条件UASB初次启动的操作原则颗粒污泥形成的三个阶段启动与提高负荷阶段：OLR1.0kgCODcr

46、/m3.d，持续11.5个月左右，逐渐提高有机负荷，筛选污泥、促进沉淀；颗粒污泥形成阶段：ORL 为1.03.0kgCODcr/m3.d，颗粒污泥逐渐成长为13mm。需时11.5个月。污泥活性（产甲烷能力）得到提高；颗粒污泥床形成阶段：反应器OLR3.05.0kgCODcr/m3.d，随ORL的提高，反应器污泥总量逐渐增加，污泥床逐渐增高。14.4 UASB反应器 在接种污泥充足、操作条件得当的前提下，形成具有一定高度颗粒污泥床约需时34个月。2022/7/2710014.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的物理性质形状：不规则，一般为球性或椭球形，直径0.12.0mm，最大3.05.0mm

47、；颜色：黑色或褐黑色或灰色，肉眼可见表面包裹灰白色的生物膜；相对密度：1.011.05左右；污泥指数（SVI）：细小颗粒20；颗粒污泥10；沉淀性能较好的絮凝性污泥4050；沉降速率：0.30.8m/h。14.4 UASB反应器2022/7/2710114.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的成分除含微生物及其分泌物以外，一般都含有惰性物质，如碳酸钙盐晶体、纤维、砂粒等；含有多种金属离子；成熟的颗粒污泥其VSS/SS 一般为0.70.8，其范围为 0.30.9。14.4 UASB反应器2022/7/2710214.4.2 颗粒污泥及其形成条件颗粒污泥的活性以最大比底物利用速率（kmax，gC

48、ODcr/gVSS.d）表示；不同底物培养的颗粒污泥其活性不同；葡萄糖： kmax =1.2；啤酒废水： kmax = 1.9；挥发酸混合底物培养： kmax = 2.22.5；乙酸、丁酸等（高温下甲烷丝菌）： kmax = 4.27.3；与颗粒污泥成分、环境条件及微生物的类型有关。14.4 UASB反应器2022/7/2710314.4.2 颗粒污泥及其形成条件影响污泥颗粒化的因素接种污泥的特征：稠密型污泥（60g/L）比稀薄型污泥具有更好的沉淀性能，利于颗粒化；处理废水的性质：有机成分、浓度、SS、BOD5/CODcr等。启动时，较低的进水浓度利于颗粒污泥的形成，一般以CODcr进水浓度为

49、40005000mg/L为宜。浓度过高应进行稀释；进水SS应控制在2000mg/L以内。过多惰性物质的存在不利于污泥颗粒化；对于难降解废水，宜适当补充易降解废水或物质（如淀粉等），以改善其可生化性。反应器的工艺条件：温度、pH、HRT、SRT、OLR等。14.4 UASB反应器2022/7/2710414.4.3 工艺设计主要设计参数表面水力负荷（上升流速u，m/h）有机容积负荷（OLR，kgCODcr/m3.d）反应区高度（h）14.4 UASB反应器 形成絮凝性污泥层时：u=0.5m/h（最大1.5m/h），相应的OLR为56 kgCODcr/m3.d，反应区高度一般为6m为宜； 完全为颗

50、粒污泥床时： u=0.60.9m/h（最大1.5m/h），相应的OLR为1020 kgCODcr/m3.d或以上，反应区高度一般为3.56m；2022/7/2710514.4.3 工艺设计表面水力负荷（上升流速u，m/h）重要的工艺设计参数；决定UASB的截面积（A） ；与颗粒污泥的沉降速度和进水水质有关。14.4 UASB反应器2022/7/2710614.4.3 工艺设计有机容积负荷（OLR，kgCODcr/m3.d）重要工艺设计参数；决定UASB的处理效能 ；与所需达到的处理要求和进水水质有关。14.4 UASB反应器2022/7/2710714.4.3 工艺设计有机容积负荷（OLR，k

51、gCODcr/m3.d）重要工艺设计参数；决定UASB的处理效能 ；与所需达到的处理要求和进水水质有关。14.4 UASB反应器2022/7/2710814.4.3 工艺设计三相分离器的设计UASB的重要组成部分，目前多为专利技术；具有或需满足气、液、固三相分离的功能；14.4 UASB反应器2022/7/2710914.4.3 工艺设计三相分离器的设计UASB的重要组成部分，目前多为专利技术；具有或需满足气、液、固三相分离的功能；14.4 UASB反应器2022/7/2711014.4.3 工艺设计三相分离器的设计集气罩安装角度= 4560；沉淀区表面水力负荷0.7m3/m2.h；水流通过缝

52、隙的流速 2.0m/h；集气室间缝隙的总截 面积不小于反应器截 面积的15%20%；集气室高度1.01.5m；气封交叉板重叠1020cm。14.4 UASB反应器2022/7/2711114.4.3 工艺设计布水系统的设计作用：均匀布水是保证处理效果的重要条件；原则：采用大阻力配水系统；方式：间歇式、脉冲式、连续式、组合式；布置：多点布水，每个点的服务面积为13m2。14.4 UASB反应器2022/7/2711214.4.3 工艺设计布水系统的设计作用：均匀布水是保证处理效果的重要条件；原则：采用大阻力配水系统；方式：间歇式、脉冲式、连续式、组合式；布置：多点布水，每个点的服务面积为13m2

53、。14.4 UASB反应器德国专利布水系统2022/7/2711314.4.3 工艺设计水封高度作用：保证集气；原则：不堵塞；计算：H=H1- H2 =（h1+h2）-H2。14.4 UASB反应器2022/7/2711414.4.3 工艺设计沼气产量及其成分1mol（16g） 的甲烷相当于64gCODcr；氧化l.0gCODcr或BOD5可产生0.35L的CH4；CODcr浓度越低，单位重量有机物的产气率越高。在实际工程中，高浓度有机废水的产气率能接近理论值，而低浓度有机废水则一般低于理论值；稳态运行时，沼气中的CH4含量和CO2的含量基本稳定。甲烷的含量一般为65%75%，二氧化碳的含量为

54、20%30%。当沼气中含有H2S气体时，反应器将受到严重的抑制而使甲烷和二氧化碳的含量大大降低。 14.4 UASB反应器2022/7/2711514.4.3 工艺设计封盖及维护 当单个反应器的容积超过1500m3时，其建造、运行管理、进水系统的布置及反应器的启动都将变得比较麻烦。反应器的总容积超过1500m3时，宜建造几个平行的单元，控制单元容积10001500m3之内；UASB反应器不宜封闭，而只将气体收集部分封闭，可降低造价；装有检修口，以便及时地清除反应器中积累的砂、渣壳等无机物质。14.4 UASB反应器2022/7/2711614.4.4 UASB工艺的发展复合式厌氧反应器（UBF

55、） UASB的改进型；亦称升流式污泥床滤池 （Upflow Blanket Bilter，UBF）；在UASB反应器中增设填料， 形成附着、颗粒化和悬浮态 生物量共存的体系；高度一般小于4m，受污 泥床膨胀高度限制；已在实际工程中取得良 好应用。14.4 UASB反应器2022/7/2711714.4.4 UASB工艺的发展厌氧折流板反应器（ABR） UASB的改进型；无需特殊的三相分离器；运行简单；HRT与SRT分离；有效实现相分离；复合水力流态堵塞可能性小；对废水适应性强；应用较少。14.4 UASB反应器2022/7/2711814.4.4 UASB工艺的发展厌氧折流板反应器（ABR）

56、UASB的改进型（第三代）；无需特殊的三相分离器；运行简单；HRT与SRT分离；有效实现相分离；复合水力流态堵塞可能性小；对废水适应性强；应用较少。14.4 UASB反应器2022/7/2711914.4.4 UASB工艺的发展厌氧往复层反应器（AMBR） ABR的改进型；增加机械搅拌， 保证泥水混合；进、出水交替 转换；已开始中试研 究。14.4 UASB反应器2022/7/2712014.4.4 UASB工艺的发展内循环氧反应器（IC Internal Cirulation） UASB的改进型（第三代）；两个USAB串联，高径比大； 直径48m，高1625m；荷兰Paques公司开发；处理

57、能力大、投资少、 占地小；五个组成部分：混合区、 第一反应室、第二反应室、 内循环系统、二级三相分 离区。14.4 UASB反应器2022/7/2712114.4.4 UASB工艺的发展内循环氧反应器（IC） 实现自发内循环；实现分级处理；泥水充分接触；结构复杂，施工困难；日常维护困难。14.4 UASB反应器2022/7/2712214.4.4 UASB工艺的发展厌氧膨胀床反应器（EGSB）UASB的改进型（第三代）；通过专门设置的出水回流，不仅因对进水具有良好的稀释作用而可最大限度地提高其对进水水质变化的适应性，具有极强的抗冲击负荷能力；水流负荷高，颗粒污泥处于膨胀状态，增强泥水的混合接触

58、，加速传质过程，提高了反应速率和处理能力，使其HRT大大缩短（一般在23h以内）。14.4 UASB反应器2022/7/2712314.4.4 UASB工艺的发展厌氧膨胀床反应器（EGSB）高径比大，占地面积小。特殊设计的三相分离器，允许在 很高的上升流速下获得良好的分 离效果。14.4 UASB反应器2022/7/2712414.5 两相厌氧工艺14.5.1 两级与两相厌氧工艺之区别14.5.2 两相厌氧工艺的原理14.5.3 两相厌氧工艺的流程2022/7/2712514.5.1 两级与两相厌氧工艺之区别两级/段厌氧工艺（Two-Stage Anaerobic Process）两个单相反应

59、器的串联运行，即每个反应器中均存在产酸菌和产甲烷菌。其运行原理与单个反应器相同；利于提高运行稳定性和处理效果；以水力流态和反应动力学为依据。两相厌氧工艺（Two-Phase Anaerobic Process ）基于产酸相和产甲烷相特性的不同，并根据两类微生物的相互关系，分别在不同的运行环境条件下串联运行；保证两相的平衡，提高处理能力和运行稳定性。以不同微生物的反应特性和对环境条件的要求为依据。14.5 两相厌氧工艺2022/7/2712614.5.2 两相厌氧工艺的原理混相厌氧工艺存在的问题产酸菌的产酸速率与产甲烷菌对酸的利用速率间的不平衡，易导致反应器的“酸化”；不同微生物对环境条件（温度

60、、pH、ORP等）的适应性和要求不同，易使有效运行和稳定控制变得十分困难；难以控制产酸发酵的类型，尤其是难以避免丙酸型发酵（其产氢产乙酸速率很低），而影响甲烷菌对酸的利用。两相厌氧工艺的出发点克服混相工艺的不足，创造两相最佳环境，控制产酸发酵类型，获得稳定、高效的处理效果。14.5 两相厌氧工艺2022/7/2712714.5.2 两相厌氧工艺的原理两相厌氧工艺中相的分离1971年由Ghosh 和Pohland提出相分离概念；在两个反应器中分别培养出产酸菌和产甲烷菌；根据各自的反应终产物特征，将其分别称之为产酸相（Acidogenic Phase）和产甲烷相（Methanogenic Phas