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1、污水的厌氧生物处理 The Anaerobic Processes,1 概述 2 厌氧法的基本原理 3 厌氧法的工艺和设备,污水厌氧生物处理的发展过程 早期发展 18811950年 第二代厌氧反应器 1955年开发了厌氧接触法新工艺，标 志着现代厌氧反应器的开端。 第三代厌氧反应器 1980年Switzenbaum等推出了厌氧附着膜膨胀 床反应器（AAFEB）,还有厌氧流化床（AFB）。,1概述,厌氧生化法的优点：,（1）应用范围广 因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。 有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如
2、固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。,(2)能耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。 废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。 一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。,（3）氮、磷营养需要量较少 好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为l00:2.5:0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。 （4）有杀菌作用 厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死
3、废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。 （5）污泥易贮存 厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。,厌氧生物处理法缺点:,（1）厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长； （2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理； （3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。 （4）厌氧过程会产生气味对空气有污染。,2 厌氧法的基本原理 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(anaerobic microbes)(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(methane)和二氧化碳(carbon dioxi
4、de)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobic digestion) 。 对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；在常温下，整个过程历时半年以上。,传统的厌氧消化理论为两阶段理论 第一阶段：酸化阶段，最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降。污泥中的固态有机物或污水中的大分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体。低pH值有抑制细菌生长的作用，NH3的溶解产物NH
5、4OH有中和作用。,第二阶段：气化阶段，由低分子的有机酸经微生物作用转化为气体，气体类似沼泽散发的气体，可称沼气，主体是CH4，CO2也相当多，还有微量H2、H2S等，因此气化阶段常称甲烷化阶段。,与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic bacteria)的联合作用完成。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的
6、兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌。,新的研究成果阐明厌氧消化经历四个阶段,复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。,产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。,在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。,此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。 上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素
7、、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤； 简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。,甲烷菌的微生物学特征,简介：甲烷菌属于古菌中的一类。 古 菌 （Archaeobacteria）与原核生物极其接近。研究利用基因分析手段（DNA的G+C%，16SrRNA碱基顺序比较）发现，有一些特点与真核生物相同。,古菌的特点,形 态：薄、扁平、直角几何形态； 细胞结构：组分特异性；含有内含子； 代 谢：特殊的辅酶，代谢多样性； 呼吸类型：多为厌氧； 繁殖速度：比细菌慢； 生活习性：适应极端环境。,古菌的分类,按照生活习性和
8、生理特性分为三大类： 产甲烷菌，嗜热嗜酸菌，极端嗜盐菌 伯杰氏系统细菌学手册分为五大群： 产甲烷古菌，古生硫酸盐还原菌， 极端嗜盐菌，无细胞壁古生菌， 极端嗜热硫代谢菌,厌氧法的影响因素,控制厌氧处理效率的基本因素有两类: 一类是基础因素，包括微生物量 (污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等； 另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。 产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，对于一般工业废水，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。,21 温度条件,各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为25-60。 在35和53上下可以分别获得较高的消
9、化效率，温度为40-45时，厌氧消化效率较低。 据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。,温度对厌氧消化过程的影响,2.2 pH值,每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0-7.2。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。,23氧化还原电位,无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之
10、一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。 氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素，但不是唯一因素。 挥发性有机酸的增减、pH值的升降以及铵离子浓度的高低等因素均影响系统的还原强度。如pH值低，氧化还原电位高；pH值高，氧化还原电位低。,24有机负荷,在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3d)。 对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(kg污泥d)。 在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。 由于各种湿污泥的
11、含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kgMLVSS/m3d。,25厌氧活性污泥,厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。 厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。 厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉降性能。 故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。,26搅拌和混合,通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。 在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有
12、料液相混匀。 在传统厌氧消化工艺中，也将有搅拌的消化器称为高效消化器。 搅拌程度与强度要适当。,27废水的营养比,厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。 厌氧法中碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜。,28有毒物质,包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。 有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。,3 厌氧法的工艺和设备,按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobi
13、c activated sludge)和厌氧生物膜法(anaerobic slime)； 按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)； 根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化(one stage digestion)与两步厌氧消化(two stage digestion)等 厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。,31普通厌氧消化池,普通消化池又称传统或常规消化池(conventional digester) 消化池常用密闭的
14、圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。 池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。 为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。,螺旋桨(机械)搅拌的消化池,循环消化液搅拌式消化池,高温厌氧消化需要加温，常用加热方式有三种: (a)废水在消化池外先经热交换器预热到规定温度再进入消化池； (b)热蒸汽直接在消化器内加热； (c)在消化池内部安装热交换管。,普通消化池的特点是:,可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。
15、厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。 对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。 温度不均匀，消化效率低。,化粪池 化粪池用于处理来自厕所的粪便污水。广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。例如，郊区的别墅式建筑。 下图是化粪池的一种构造方式。,32厌氧滤池,厌氧滤池（anaerobic filter又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。 滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。 厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧
16、生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。,废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池； 废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。,填料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，也可使用塑料填料。,厌氧生物滤池的特点及改进：,在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。 厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高，相应的有机物去除速度快。 当废水中有机物浓度高时，特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。,对厌氧生物滤池采取如下改进： （a）出水回流； （
17、b）部分充填载体； （c）采用软性填料。 厌氧生物滤池的特点是： （a）由于填料为微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，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16 kgCOD/(m3d)，且耐冲击负荷能力强；,（b）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 （c）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备； （d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。 （e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。,主要缺点： 滤料
18、费用较贵 滤料容易堵塞,主要优点： 处理能力较高 滤池内可以保持很高的微生物浓度 不需另设泥水分离设备、出水SS较 低 设备简单、操作方便,33 厌氧接触法,在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobic contact process)。,厌氧接触法工艺动画,厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。 厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。 在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。,厌氧接触法的特点:,（a）通过污泥回流
19、，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强； （b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；,（c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题； （d）混合液经沉降后，出水水质好， （e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备 （f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。,几种脱气方法:,(a)真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005 MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能； (
20、b)热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却。 (c)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降； (d)用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。,34上流式厌氧污泥床反应器UASB,3.4.1 概述 3.4.2 基本特点（优点、缺点） 3.4.3 UASB的构造和组成 3.4.4 颗粒污泥 3.4.5 UASB的设计 （1）容积 （2）配水 （3）排泥的设计 （4）结构设计的要求 （5）三相分离器设计 3.4.6 UASB的启动,上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，简称UASB反应器，是由
21、荷兰的G. Lettnga等人在70年代初研制开发的。 污泥床反应器内没有人工载体，反应器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能达到高生物量和高效高负荷。,3.4.1概述,上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。 大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构。,UASB反应器示意图,3.4.2上流式厌氧污泥床反应器的基本特点,优点： 有机负荷居第二代反应器之首,水力负荷满足要求;污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强;在一定的水力负荷下，可以靠
22、反应器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触。 （a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层(sludge blanket)污泥浓度5-7g/L；,污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度发展的颗粒污泥(sludge granules)组成，颗粒的直径一般在0.5-5.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。 （b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达20-40kg COD/（m3d）在大型生产装置中可达到 6-8kg COD/（m3d）。 （c
23、）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；简化了工艺，节约了投资和运行费用。 （d）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；,（e）污泥床内不填载体，提高了容积利用率，节省造价及避免堵塞问题。 缺点： （a）大型装置内会有短流现象（要求配水装置性能要好） （b）进水SS要求200mg/L，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞 （c）在没有颗粒污泥接种的情况下，启动时间长 （d）对水质和负荷突然变化比较敏感 （e）要求水温高些，最好35左右。,由图可见，UASB工作时，废水从反应器底部进入，与污泥床层的高浓度颗粒
24、污泥接触，污染物被分解产生沼气。污水、污泥和沼气一起向上流动，进入反应器的上部的三相分离器，完成气、液、固三相的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层。出水则从澄清区流出。,3.4.3 UASB的构造和组成,UASB反应器的组成 (1)进水配水系统 将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并有水力搅拌功能。 (2)反应区 其中包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解。 (3)三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。,(4)出水系统 其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地 加以收集，排出反应器。 (5)气室 也称集气罩，其作
25、用是收集沼气。 (6)浮渣清除系统 其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣，根据需要设置。 (7)排泥系统 其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。,厌氧污泥的主要聚集形式包括颗粒(granules)、 团体(pellets)、絮体（flocs)、絮状污泥(nocculent sludge)等。 定义：团体和颗粒是结构紧密的聚集体。 这些聚集体沉降后呈现固定的形态。 絮体和絮状污泥则是具有蓬松结构的聚集体，这些聚集体沉降后无固定形态。,3.4.4 厌氧颗粒污泥,3.4.5 UASB 的设计 （1）UASB反应器容积的确定,进水容积负荷法 V反应器有效容积， m3 ； Q废水流量， m3 d； So
26、进水COD或BOD5浓度，gmL； NVCOD或BOD5容积负荷，kg(m3d) NV 与水温、水质、污染物可生化性有关，一般取 68kgCOD/ m3d,（2）进水配水系统的设计 （3）排泥系统设计 （4）UASB反应器的结构设计要求,（5）三相分离器设计,三相分离器的基本构造 ： 三相分离器的型式是多种多样的，但其三项主要功能均为气液分离、固液分离和污泥回流；主要组成部分为气封、沉淀区和回流缝。,3.4.6升流式厌氧污泥床反应器的启动,UASB反应器的启动可分为两个阶段: 接种污泥在适宜的驯化过程中获得一个合理分布的微生物群体。 这种合理分布群体的大量生长、繁殖 启动具体过程如下：,3.4
27、.7 厌氧流化床,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。,流化床操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大流态化速度。上升流速应控制在1.21.5倍临界流化速度。,厌氧流化床特点：（1）载体颗粒细，比表面积大，可高达20003000m2/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1040kgCOD/m3d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；（2）载体
28、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；（3）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；（4）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（5）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。,3.4.8 厌氧转盘和挡板反应器,厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似。不同之处在于盘片大部分(70以上)或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧生物转盘由盘片，密封的反应槽、转轴瓦驱动装置等组成，其构造如图所示。对废水的净化靠盘片 表面
29、的生物膜和悬浮在反应槽中 的厌氧菌完成，产生的沼气从反 应橹顶排出。由于盘片的转动， 作用在生物膜上的剪力可将老化 的生物膜剥落，在水中呈悬浮状 态，随水流出槽外。,厌氧挡板反应器是从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。挡板反应器与生物转盘相比，可减少盘的片数和省去转动装置。其工艺流程如图15-24所示。在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持较高的污泥浓度。挡板把反应器分为若干上向流和下向流室，上向流室比下向流室宽，便于污泥的聚集。通往上向流的挡板下部边缘处加50的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合。因而无需混合搅拌装置，避 免了厌氧滤池和厌氧流化
30、床的堵塞 问题和能耗较大的缺点，启动期比 上流式厌氧污泥床短。,七、两步厌氧法和复合厌氧发,3.4.9 复合厌氧法 两步厌氧消化法是厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应；复合厌氧法是在一个反应器内由两种厌氧法组合而成。如上流式厌氧污泥床与厌氧滤池组成的复合厌氧法 。,3.4.10 分段厌氧处理法,消化可将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内分阶段进行，以使两类微生物都能在各自的最适条件下生长繁殖。 第一段的功能是： 水解和液化固态有机物为有机酸 缓冲和稀释负荷冲击与有害物质 截留难降解的固态物质 第二段的功能是： 保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长 降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气 截留悬浮固体，以改善出水水质,二段式厌氧处理法可以采用不同构筑物予以组合。例如对悬浮物高的工业废水，采用厌氧接触法与上流式厌氧污泥床反应器串联的组合，其流程如下图。,二段式厌氧处理法的特点,优点： 运行稳定可靠 能承受pH值、毒物的冲击 有机负荷率高 消化气中甲烷含量高 缺点： 使用设备较多 流程和操作复杂 不能对各种废水都提高负荷,