1、第十五章 污水的厌氧生物处理,第一节 厌氧生物处理的基本原理,第二节 污水的厌氧生物处理方法,第三节 厌氧生物处理法的设计,第四节 厌氧和好氧技术的联合运用,第一节 厌氧生物处理的基本原理,厌氧生物处理：在无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，也称为厌氧消化。,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）。,一.
2、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，（BOD5 2000mg/L), 。 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
3、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，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。 （5）污泥产量低易贮存 污泥产量低且沉降性能好，仅为好氧法的1/61/10。厌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）操作控制因素较为复杂。 （4）厌氧过程会产生
4、臭气。,二. 厌氧法的基本原理 1.传统的厌氧消化理论为两阶段理论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。,1、两阶段理论将厌氧发酵分为产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。,有机酸积累时pH下降故称产酸阶段,有机酸和醇被产甲烷菌分解产生CH4、CO2等。酸被分解pH迅速上升故称为碱性发酵阶段。,两阶段理论形成较早，对甲烷菌如何利用甲醇以上的醇及乙酸以上的有机酸难以解释，因此，该理论尚未得到确认。,第一阶段：酸化阶段 特征：是液
5、态污泥的pH值迅速下降。降解原料：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。产物： 液态产物：有机酸、醇、醛、水分子等 气态产物：CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。pH值迅速下降的原因 转化产物中有机酸是主体，NH3的溶解产物NH4OH有中和作用。,重点,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。,重点,2、三阶段理论 产甲烷菌只能利用乙酸、H2/CO2和甲醇； 长链脂肪酸和醇类必须被产氢产乙酸菌转化为乙
6、酸、H2、CO2和甲醇后，才能被产甲烷菌利用。 厌氧发酵依次分为水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段三个阶段。 起作用的细菌分别称为水解发酵细菌、产氢产乙酸菌、产甲烷细菌。,重点,2、三阶段理论,水解发酵阶段： 复杂有机物(纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪)被发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶） (纤维素酶、纤维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶) 分解为可溶于水的简单化合物。 纤维素被水解转化为糖； 蛋白质被转化为简单的氨基酸； 脂类被转化为脂肪酸和甘油。 这些简单的有机物再被产酸菌转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇。,2、三阶段理论,产氢产乙酸阶段： 产氢产乙酸菌把挥发性脂肪酸（如丙酸、丁酸和等），还
7、有醇、酮、醛转化为乙酸和H2 、CO2等。,产甲烷阶段：产甲烷菌将上一阶段的产物降解为CH4和CO2，也利用上一阶段产生的H2将部分CO2转化为CH4。,（一）厌氧条件：创造厌氧条件 产酸阶段需要厌氧条件：该阶段不产甲烷微生物大多数是厌氧茵，需要在厌氧的条件下，把复杂的有机物质分解成简单的有机酸等。 产气阶段需严格的厌氧条件：该阶段的产甲烷细菌是专性厌氧菌，不仅不需要氧，氧对产甲烷细菌反而有毒害作用，在有氧的环境中，甲烷菌受到抑制，但并不死亡。要求氧化还原电位在-330毫伏以下。,二 、厌氧消化的影响因素,重点,（二）pH 1、产甲烷菌适宜pH为6.87.2 2、可通过加石灰或含氮物料调节pH
8、。,污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH有可能维持在6.8以上，酸化和甲烷化两大类细菌就可以共存，从而消除分阶段现象。,（三）温度 一般来讲，池内发酵液温度在10以上，只要其他条件配合得好(如酸碱度适宜，发酵菌多)就可以开始发酵，产生沼气。 代谢速率在3538有一个高峰，5065有另一高峰。幻灯片 20 中温消化：消化时间约为20d，对寄生虫卵和大肠菌杀灭率低。常用此消化。 高温消化，消化时间约为10d，可杀灭99% 常温消化，低于20的消化。,（三）温度6、温度要相对稳定，一天内的变化范围在2内为宜。原因：甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感，即使温度只降低2，也能立即
9、产生不良影响，产气下降。,温度对厌氧消化过程的影响,（四）泥龄,中温消化：泥龄一般需2030 d，方可满足甲烷菌的生长繁殖条件。 高温消化：泥龄一般需1015 d。 有机物降解程度是泥龄的函数，而不是进水有机物的函数。故提高进水有机物浓度，便可充分利用消化池体积。 泥龄的计算：与曝气池内泥龄的计算相同。,（五）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料液相混匀。 搅拌程度与强度要适当，太剧烈会破坏产乙酸菌和产甲烷菌间的共生关系。,（六）营养和C/N比碳氮比例为10-20：1，即可正常发酵。过低：则
10、会放出大量的NH3，抑制产甲烷菌的活动；过高：细胞的N量不足，消化液缓冲能力低，pH容易低，反应速率下降。 2. 碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜,（七）添加剂在发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、碳酸钙、炉灰等均可不同程度地提高产气量、甲烷含量以及有机物质的分解率，其中以添加磷矿粉的效果为最佳。 在发酵液中添加纤维素酶，能促进纤维素分解，提高稻草的利用率，使产气量提高34-59%。 添加少量活性碳粉末则可以提高产气2-4倍。添加浓度为0.01%的表面活性剂“叶温20”，则可降低表面张力，增强原料和菌的接触，产气量最高可增加40%。,在有许多化学物质能抑制发酵微生物的生命活力，
11、统称为有毒物质。有毒物质的种类很多。沼气发酵菌对它们有允许浓度，常使沼气发酵受阻。 有毒物质的种类一定的忍耐程度，超过很多，有无机的和有机的、有植物性的和矿物性的物质。,甲烷菌专性厌氧，且处理系统中不能含有浓度过高的SO42-，SO32-。,有害物质的允许浓度,厌氧发酵中菌种数量的多少和质量的好坏直接影响沼气的产生。 酒厂、屠宰场和城市下水污泥活性较强，可直接做为接种物添加。添加接种物可促进早产气，提高产气率。也可把现有污水处理场和工业厌氧发酵罐的发酵液作为“种”使用，以缩短菌体增殖的时间。 高温发酵时的必须用高温发酵的发酵液作种，进行中温发酵的必须用中温发酵的发酵液作种。不能指望中温发酵的菌
12、群在高温条件下得到良好的效果。因为，两个不同的微生物类群，具有不同的生理特性。,（六）接种物,主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。,厌氧生物处理的适应范围,第二节 污水的厌氧生物处理工艺,一、化粪池,化粪池例图,用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。,用于处理来自厕所的粪便污水。 一般分为二室。用隔墙分为两室或三室，各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入，通过各室后由另一端排出。一室：污水分为三层：浮渣、水流和污泥层；污泥和浮渣被截留与此室。二室：经沉淀后，污水进入二室进一步处理。 污水停留时间短（1224h
13、），污泥停留时间0.5-1年。温度较低且混合程度差，处理效果不好，仅将生活污水中的粪便等悬浮物截留并消化。 半年左右清除一次。,流出,二、厌氧生物滤池,是装填滤料的厌氧反应器。 滤料：碎石、卵石、塑料等 与生物滤池相似，但要密封以收集沼气，水流方向相反。 厌氧微生物膜生长在填料表面，吸附、降解有机物； 滤池后一般设沉淀池，以分离出生物膜。可分为升流式和降流式两种形式,二、厌氧生物滤池,升流式和降流式厌氧生物滤池,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
14、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。,不讲,对厌氧生物滤池采取如下改进： （a）出水回流； （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；,不讲,（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；
15、（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。,不讲,优点： 处理能力高； 池内微生物浓度可以很高； 能承受水质、水量的冲击负荷； 出水SS较低； 设备简单、勿需污泥回流，能耗低、运行管理方便。,缺点： 滤料费用较高； 滤料易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚； 堵塞后，没有简单有效的清洗方法。 因此，悬浮物高的废水不适用。,三、厌氧接触法（厌氧活性污泥法）,对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。,作用：由于消化池中排出的污泥附着大量气
16、泡，进入沉淀池后易上浮被出水带走，所以在此应尽可能脱除气体。,需要适当搅拌以使污泥悬浮,适用对象：对悬浮物高的有机废水（如肉类加工废水等）效果很好，悬浮颗粒物成为微生物的载体，且很容易在沉淀池中沉淀。,厌氧接触法的优点:,（a）污泥回流，使消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，大大降低了HRT。 HRT比普通消化池大大缩短，如中温下，普通消化池因为为了保证泥龄，HRT为15-30天，而接触法小于612 h；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， （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
17、液经沉降后，出水水质好，,混合液难于在沉淀池中进行固液分离。原因：混合液中含沼气，混合液在沉淀池内产生沼气。 需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。,厌氧接触法的缺点:,提高沉淀池内固液分离效果的措施:,(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； (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。,四、上流式厌氧污泥床反应器(UASB),有机负荷率和去除率高，不需要搅拌设备，能适应负荷
18、冲击和温度与pH的变化。,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。,运 行 过 程,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,UASB反应器的构造,15.4.4 UASB反
19、应器的结构设计原理,UASB反应器的构造,1. 进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断 面，起到水力搅拌并均匀上升。2. 反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。 3. 三相分离器，其功能是将气体、固体和液体三相进行分离。4. 集气室，其功能是收集产生的沼气，并将其导出气室送往沼气柜。5. 处理水排出
20、系统，均匀收集处理水并将其排出反应器。,升流式厌氧污泥床在构造,三相分离器,三、UASB的工作原理图,用于加热,上流式厌氧污泥床反应器的基本特点,优点： （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；折合浓度可达2030g/L。污泥龄一般为30天以上。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）容积负荷高。水力停
21、留时间短，中温消化，一般可高达10kgCOD/（m3d），甚至高达15-40kg COD/（m3d）。 （c）设备简单，运行方便，勿需沉淀池和污泥回流设备。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
22、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。,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。,UASB
23、 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,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。,五、分段厌氧处理法,第一段. 水解酸化：水解和液化有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态物质。,第二段.甲烷化过程：保持严格的厌氧条件和pH，以利于
24、甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。,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,六 厌氧膨胀床与流化床反应器,厌氧膨胀床和厌氧流化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。废水从床底部流人，为使 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流速。厌氧膨胀床膨胀率为10%20%，颗粒保持 相互接触。 厌氧流化床反应器膨胀率为20%70%，颗粒无规则自由运动。 载体：石
25、英砂、无烟煤、活性炭、陶粒、沸石等。,特点： 1）微生物浓度高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。 缺点： 1）载体流化能耗较大； 2）系统的设计要求高。,七、厌氧生物转盘,厌氧生物转盘构造,由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置组成， 上部加盖密封，防止液面上的
26、空间有氧存在。 盘片转动时的剪力将老化的生物膜剥下，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。,厌氧生物转盘的特点,微生物浓度高，可承受高的有机物负荷； 废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能； 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； 处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；,厌氧生物转盘特点,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； 有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强； 可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下； 便于运行管理。,八、 两相厌氧生物处理,基本原理：有机底物的厌氧降解，可以分为产酸和产甲烷两个阶段。 工艺：把这两个阶段的反
27、应分别在两个独立的反应器内进行。分别创造各自最佳的环境条件，培养两类不同的微生物，并有旺盛的生理功能活动，将这两个反应器串联起来，形成能够承受较高的负荷率的两相厌氧发酵系统。,1 什么是两相厌氧生物处理原理？,2、特点,能够向产酸菌、乙酸菌、产甲烷菌分别提供各自最佳的生长繁殖条件，使各个反应器达到最佳的运行效果； 酸化反应器存在着一定的缓冲作用。当进水负荷有大幅度变动时，对后续的产甲烷反应器影响能够缓解，具有一定的耐冲击负荷的能力。 酸化反应器反应进程快，水力停留时间短，负荷率高，可去除20%30%的COD，能够减轻产甲烷反应器的负荷。 负荷高，反应器容积小，基建费用低。,3、如何实现两相的分
28、离？,返回,在两相厌氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有： 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。 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。 动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，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。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。,第三节 厌氧生物处理法的设计,一、流程和设备的选择,二、厌氧反应器的设计,计算确定反应器容积的常用参数是负荷L和消化时间t，公式为：,式中： V: 反应区容积 Q: 废水
29、的设计流量t: 消化时间 L: 有机负荷S0 ：有机物浓度,设 计 参 数,传统消化法：t15dL 13KgCOD/m3d 厌氧生物滤池和厌氧接触法：t0.53dL 310KgCOD/m3d,产气量一般可按0.40.5m3/kg(COD)进行估算。,三、 消化池的热量计算,包括将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、池盖所散失的热量。,提高废水温度所需的热量为Q1：,通过池壁、池盖等散失的热量Q2与池子构造和材料有关，可用下式估算：,C污水的热容，约为4200kJ/(m3）,好氧生物和厌氧生物处理比较,第四节 厌氧和好氧技术的联合运用,有些废水含有很多复杂的有机物，对于好氧生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的，但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解为较小分子的有机物，而那些较小分子的有机物可以通过好氧菌进一步分解。,采用缺氧与好氧工艺相结合的流程，可以达到生物脱氮的目的(A/O法)。厌氧-缺氧-好氧法(A/A/O法)和缺氧-厌氧-好氧法(倒置A/A/O法)，可以在去除BOD和COD的同时，达到脱氮、除磷的效果。,本 章 结 束 谢 谢！,
