第六章 厌氧生物处理

第六章厌氧生物处理北京市环境保护科学研究院刘晓剑教学内容一、基本知识点1厌氧生物处理法的基本原理2厌氧微生物处理的影响因素3厌氧生物处理的特点4掌握厌氧生物处理的分类（UASB、水解酸化法）5上流式厌氧污泥床反应器（UASB）结构组成、运行原理6厌氧微生物的培养和驯化7掌握厌氧生物处理的运行管理（UASB）水质分析的项目、运行控制指标UASB反应器的初次启动、二次启动厌氧消化过程控制参数水质异常现象及对策二、重点与难点厌氧反应机理，工艺特点，上流式厌氧污泥床（UASB）概念，结构组成。主要内容四.厌氧生物处理的运行管理三.厌氧微生物的培养和驯化二.上流式厌氧污泥床反应器（UASB）一.概述第一节概述（一）厌氧生物处理技术的发展（二）厌氧生物处理法的基本原理（三）厌氧生物处理的特点（四）厌氧生物处理的分类第一节（一）厌氧生物处理技术的发展时间：1896英国第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，至今已有100多年的历史。处理对象：有机污泥—高浓度有机废水—低浓度有机废水（城市污水）反应器：普通厌氧池——Imhoff双层沉淀池——UASB——高效厌氧反应器IC/EGSB等反应条件：从常温条件下到精确控温（中温或高温），从简易池体到专业集成化的厌氧反应器管理：从粗放管理到精细化管理

认识：从简单认知到厌氧微生物种群在有序调控下完成厌氧处理过程。关键人物与时间：Imhoff（1906），Lettinga（20世纪70年代）等第一节（二）厌氧生物处理法的基本原理1厌氧生物处理的净化机理定义：厌氧生物处理是指在无分子氧条件下，通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称厌氧消化。厌氧消化三阶段：水解酸化、产氢产乙酸、产甲烷厌氧消化过程：废水的厌氧生物处理过程是一个复杂的微生物化学过程，它是依靠三大主要类群的细菌：水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌三种细菌的联合作用完成的。第一节（二）厌氧生物处理法的基本原理1厌氧生物处理的净化机理水解酸化阶段（pg256图6-1和图6-2）----（胞外）水解：复杂大分子变小分子（多糖、脂肪、蛋白质），不溶解有机物（颗粒物等）在胞外酶作用下，变溶解性小分子有机物。

----（胞内）酸化：小分子有机物进入细胞内，分解产生高级脂肪酸、醇类。——水解是耗能能量过程，酸化是释放能量过程，二者相互关联，共存。

——酸化要适度，防止PH下降过多，影响水解的进行。产氢产乙酸阶段。----对第一阶段的产物转化为乙酸和氢，不溶解有机物变溶解性有机物。产甲烷阶段----将乙酸、乙酸盐、二氧化碳和氢，转化为甲烷。注意1含氮有机物水解酸化后产氨（NH3)——产碱过程。

2三个阶段之间的平衡：低级脂肪酸的生成与产甲烷之间的平衡，条件变化，产甲烷阶段受抑制，导致酸化。第一节（二）厌氧生物处理法的基本原理1厌氧生物处理的净化机理第一节（二）厌氧生物处理法的基本原理1厌氧生物处理的净化机理第一节（二）厌氧生物处理法的基本原理2厌氧微生物影响因素温度——低温（10~30℃）、中温（30~35℃

）、高温（50~60℃

）在0~56℃甲烷细菌对温度并没有特定的温度限制，但经过在一定温度范围内的驯化后的产甲烷菌对温度变化敏感，特别是高温菌。温度相对恒定对厌氧过程很重要。pH——6.8~7.2（6.5~7.5）(甲烷细菌6.8~7.2，产酸细菌4.5~8）

正常消化池挥发酸200~800mg/L，超过2000mg/L严重酸化有毒物质——重金属和某些阳离子（见Pg258表6~1）营养物质的配比——厌氧微生物正常繁殖生长所需的营养比例=碳：氮：磷=200~300：5：1，厌氧微生物生长率低（0.02~0.1kg污泥/去除1kgCOD)，自身合成量少，利用的碳大部分转化为甲烷。搅拌—使温度、底物和甲烷菌分布均匀。对消化池而言，搅拌尤为重要。第一节（三）厌氧生物处理法的特点应用范围广——各种浓度的有机废水及某些难降解有机物能耗低——不需充氧，产生沼气，回收生物质能负荷高——有机负荷2~10kgBOD/(m3·d)剩余污泥少——碳源转化为甲烷，用于合成细胞的很少氮磷营养需要量较少——C:N:P=（200～300）:5:1杀菌效果好(寄生虫卵和病毒)

启动处理时间长出水难于直接达标排放操作复杂第一节（四）厌氧生物处理的分类厌氧接触法厌氧生物滤池UASB法厌氧流化床两相厌氧法水解酸化法第一节（四）厌氧生物处理的分类1、厌氧接触法脱气厌氧接触法又称厌氧活性污泥法第一节（四）厌氧生物处理的分类1、厌氧接触法优点：能适应悬浮固体较多的废水处理要求泥水接触充分（因为有污泥回流）缺点：污泥沉降困难（污泥以絮状污泥形式存在，气泡粘附在污泥上，影响污泥沉降，需要脱气）负荷较低：中温运行时，有机负荷

2~5kgCOD/(m3·d),属于中低负荷适用性：适用于处理悬浮物浓度较高的有机废水第一节（四）厌氧生物处理的分类2厌氧生物滤池厌氧生物滤池的结构厌氧生物滤池类似于好氧生物滤池，池内放置填料，但池顶密封第一节（四）厌氧生物处理的分类2厌氧生物滤池第一节（四）厌氧生物处理的分类2厌氧生物滤池滤料第一节（四）厌氧生物处理的分类2厌氧生物滤池优点：处理能力较大，出水SS低。(兼有滤料截留悬浮物的作用)设备简单，操作方便。无搅拌设备和泥水分离设备。（微生物附着生长）二次启动时间短。缺点：滤料费用贵，滤料易堵塞且无较好的清洗方法。适用性：适用于处理悬浮物浓度低的有机废水。第一节（四）厌氧生物处理的分类3上流式厌氧污泥床反应器（UASB）上流式厌氧污泥床反应器，简称UASB反应器，它是国内外发展最快的一种厌氧处理技术。由荷兰传入，80年代起国内大量应用。固定床和悬浮床

第一节（四）厌氧生物处理的分类第一节（四）厌氧生物处理的分类3上流式厌氧污泥床反应器（UASB）工艺特点：1运行费用低，投资省，2耐冲击负荷，适应PH和温度变化3结构简单，便于操作4形成颗粒污泥，污泥浓度高，缩短水力停留时间5三相分离器无需沉淀池，无需其它设备6处理有机废水，范围广泛，具有一定抗毒性

第一节（四）厌氧生物处理的分类4厌氧流化床 1、工艺流程 厌氧流化床工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。厌氧流化床工艺流程如右图所示第一节（四）厌氧生物处理的分类4厌氧流化床2、厌氧流化床工艺特点：载体颗粒细，比表面积大，可高达2000～3000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为10～40kgCOD/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时二者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度第一节（四）厌氧生物处理的分类4厌氧流化床床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取：（1）间歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，回到流化床状态运行；（2）尽可能采用质轻、粒细的载体，如粒径20～30μm、相对密度1.05～1.2g/cm3的载体，保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态化。第一节（四）厌氧生物处理的分类5两相厌氧法1、原理与工艺过程原理：两相厌氧是将水解酸化和甲烷化分开，在两个独立的反应器中完成，从而使这两类微生物在各自最佳的条件下生长繁殖，顺次完成厌氧消化全过程。故又称两段厌氧消化法。过程：一级产酸，同时缓冲进水负荷的冲击。二级严格厌氧，培养产甲烷菌产甲烷。反应器形式：按照所处理的废水本质情况，两步可以采用同类型或不同类型的厌氧反应器。如对悬浮固体含量多的高浓度有机废水，第一步反应器可选不易堵塞、效率稍低的反应装置，经水解产酸阶段后的上清液中悬浮固体浓度降低，第二步反应器可采用新型高效厌氧反应器。

第一节（四）厌氧生物处理的分类5两相厌氧法根据不产甲烷菌与产甲烷菌代谢特性及适应环境条件不同，第一步反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行；第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。第一节（四）厌氧生物处理的分类5两相厌氧法第一节（四）厌氧生物处理的分类5两相厌氧法耐冲击负荷能力强，运行稳定。两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件；消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水。缺点是：设备较多，流程和操作复杂。第一节（四）厌氧生物处理的分类6水解酸化法1、工艺原理与特征:水解是指有机物（底物）在进入微生物细胞前，在胞外进行的生物化学反应。这一阶段的基本特征是生物化学反应发生在细胞外，微生物通过释放胞外酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化反应。生物催化反应主要表现为大分子物质的断链和水溶。自然界中许多物质（如蛋白质、糖类、脂肪等）能在好氧、缺氧或厌氧条件进行水解。酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代谢产物主要为各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。第一节（四）厌氧生物处理的分类6水解酸化法pH：最佳5.5~6.5水温：10~20℃反应速度影响不大底物的种类和形态：多糖＞蛋白质＞脂肪；对同类有机物，分子量愈大水解愈困难；颗粒有机物，粒径愈大，水解速度愈小；溶解性有机物愈多，水解愈快。污泥生物固体停留时间：适当。因污泥需更新。水力停留时间：停留时间愈长，水解愈彻底。第二节上流式厌氧污泥床（UASB）反应器（一）UASB反应器结构总体结构及运行流程、污泥床、污泥悬浮层、沉淀区、三相分离器、布水系统（二）UASB设计参数、有机负荷、配水系统、三相分离器、沉淀区、浮渣清除、水封、材料与防腐、臭气防护、排泥、保温、沼气利用

第二节（一）UASB反应器结构1总体结构及运行流程污泥区、悬浮区、分离区、配水系统、三相分离器第二节（一）UASB反应器结构1总体结构及运行流程第二节（一）UASB反应器结构2污泥床污泥浓度高，4000-8000mg/L。70%-80%为颗粒污泥，具有优良的沉降性能，SVI10-20mL/g微生物组成复杂，杆菌，球菌和丝状菌，产甲烷八叠球菌等体积比占30%，降解率为70%-90%。产生沼气，对床层搅拌促进反应。第二节（一）UASB反应器结构2污泥床第二节（一）UASB反应器结构3污泥悬浮层污泥浓度，15000-30000mg/L，自下而上逐渐减小。高度絮凝污泥，非颗粒状，沉降性较差，SVI30-40mL/g体积比占70%，降解率为10%-30%。产生沼气，对床层搅拌促进反应。第二节（一）UASB反应器结构沉淀区安装三相分离器，L，S，G完成三相分离，将附着于颗粒污泥上的气体分离，收集反应区产生的沼气，通过集气室排出反应器，污泥经分离器挡板阻挡后落回反应区，避免污泥流失，确保污泥浓度，降低SS，水从缝隙流出。4沉淀区与三相分离器第二节（一）UASB反应器结构4沉淀区与三相分离器图片第二节（一）UASB反应器结构4沉淀区与三相分离器第二节（一）UASB反应器结构5布水系统上流式厌氧污泥床的搅拌是靠上升的水流和消化过程中产生的沼气气泡，这两个途径完成的。大量沼气的产生，也依赖于布水的均匀、合理。

布水的基本要求：结构简单，耐腐蚀；配水均匀；布水管道不堵塞且易清理。堵塞的原因：进水中有杂质反应过程中产生的反应物或钙镁盐的积累反应器停止运行后，污泥回灌，淤积在布水器里第二节（一）UASB反应器结构5布水系统一般采用多点进水，使进水较均匀地分布在污泥床断面上。常采用穿孔管布水和脉冲进水。（1）一管一点（pg266）（2）一管多点（pg266）每个区域都有单独的布水点和布水管道，对进水流量和流动状态，可在反应器外部监测、控制。保证布水均匀性，维护管理方便图片第二节（一）UASB反应器结构5布水系统第二节（二）UASB主要设计参数1池体设计有机负荷通常指容积负荷，单位有效容积单位时间内可接受的有机物的量。kgCOD/（m3.d）V=QS/N=tQ=AH可根据有机负荷或停留时间确定容积，根据高径比和上升流速确定反应器尺寸。浓度低时，t计算，浓度高时，容积负荷计算，然后彼此校核容积负荷参考P267，技术规范第二节（二）UASB主要设计参数满足条件：1反应器底部配水，服务面积相同，防治断流2考虑水力搅拌，防治局部酸化布水器形式：树枝式、穿孔管式、多点多管计算参考表6-2或技术规范2配水系统设计第二节（二）UASB主要设计参数3三相分离器设计目标达到GLS最好分离效果设计分为沉淀区、回流缝隙、气液分离设计，具体考虑间隙和出水面的截面积、分离器相对于出水液面的位置、倾角、气液界面面积，根据流速确定参数，参照表6-3,6-4设计要点：1沉降斜面与水平面的夹角45°-60°2间隙面积与反应器总面积之比15%-20%3根据反应器高度校核分离器高度。4出气管管径，避免憋气5出水堰设浮渣挡板6浮渣严重时及时清渣第二节（二）UASB主要设计参数出水堰出水，根据堰口负荷计算长度，悬浮物高，可加挡渣板，与三相分离器集成一体，有助于实现设备化。4出水系统第二节（二）UASB主要设计参数集气室浮渣集气室排出或搅拌使浮渣下沉挡板外浮渣根据需要拆除挡板，人工清渣和机械清渣。5浮渣清除第二节（二）UASB主要设计参数定期排泥，其值等于该期间反应器内增值的污泥量多点排泥，保证污泥浓度均匀中下部排泥，保证污泥界面高度6排泥第二节（二）UASB主要设计参数蒸汽换热加热和蒸汽直接加热；罐外和罐内加热，内热式，在罐体里面设置盘管，通蒸汽或者热水；外热式，对进水直接进行加热后，进入罐体，罐体保温总之，保证厌氧反应过程在中温或高温条件下运行，会获得比较高的效率。7加热保温第二节（二）UASB主要设计参数沼气产量：0.25g甲烷/gBOD=0.35L/gBOD沼气浓度：甲烷50%-70%，二氧化碳20%-30%，氢气，氮气，硫化氢沼气贮存：气柜，设计容积按平均气量的2