1、厌氧生物法废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程的一项重要技术，是有机废水强有力的处理方法之一。过去，它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以及部分高浓度有机废水的处理，在构筑物型式上主要采用普通消化池。由于存在水力停留时间长、有机负荷低等缺点，较长时期限制了它在废水处理中的应用。70 年代以来，世界能源短缺日益突出，能产生能源的废水厌氧技术受到重视，研究与实践不断深入，开发了各种新型工艺和设备，大幅度的提高了厌氧反应器内活性污泥的持留量，使处理时间大大缩短，效率提高。目前，厌氧生化法不仅可用于处理有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点。（1
2、） 应用范围广 好氧法因供氧限制一般只适用于中、低有机废水，而厌氧既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理法来说是可降解的，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。废水有机物达到一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。当原水BOD7 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） 负荷高 通常好氧法的有机容积负荷为
3、24kgBOD/m3d，而厌氧法为 210 kgCOD/m3d，高的可达 50kgCOD/m3d。（4） 剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好。好氧法每去除 1 kgCOD将产生 0.40.6kg 生物量,而厌氧法去除 1kgCOD 只产生 0.020.1kg生物量,其剩余污泥只有好氧法的 520%。同时,消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥和处理简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。（5） 氮、磷营养需要较少。好氧法一般要求 BOD:N:P 为 100:5:1，而厌氧法的 BOD:N:P 为 100:2.5:0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。（
4、6） 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。（7） 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。与好氧反应器相比,在停止运行一段时间后,能较迅速启动。但是,厌氧生物处理法也存在下缺点:1.厌氧微生物增殖缓慢,因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长。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处理;3.厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。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(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。与好氧过程的根本区别在
5、于不以分子态氧作为受氢体,而以化合态氧、碳、硫、氮等为氢体。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、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。因而粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段,即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。第一阶段为水解酸化阶段。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水分子,溶性有机物,然后渗入细胞体内,分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个分阶段主要产生较高级脂肪酸。由于简单碳水化合物的分解产酸作用,要比含氮有机物的分解产氨作用迅速,故蛋白质的分解在碳水化合物分解后产生。含氮有机物分解产生的 NH3 除了提供合
6、成细胞物质的氮源外,在水中部分电离,形成 NH4HCO3,具有缓冲消化液 PH 值的作用,故有时也把继碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为酸性减退期。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氧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。第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO 2 和 H2 等转化成甲烷。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,前者约占总量有 1/3,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、果胶和脂类等污染物为主
7、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。虽然厌氧消化过程可以分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦被PH 值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程停滞。第二节 厌氧法的影响因素厌氧法对环境条件的要求比好氧法更严格。一般认为，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
8、；另一类是环境因素，如温度、PH 值、氧化还原电位、有毒物质等。由厌氧法的基本原理可知，厌氧过程要通过多种生理上不同的微生物类群联合作用来完成。如果把产甲烷菌以前的所有微生物统称为不产甲烷菌，则它包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多，与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对 PH 值、温度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性，且其增殖速度快。而产甲烷菌是一群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对生长环境条件的要求比不产甲烷菌更严格，而且其繁殖的世代期更长。因此，产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。正因为此，在讨论厌氧过程的影响因素时，多以产甲烷菌的
9、生理、生态特征来说明。一、 温度条件温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般以为，产甲烷菌的温度范围为 560，在 35和 53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为 4045时，厌氧消化效率较低，由此可见产甲烷菌的适宜温度区域不一致，而且最适温度范围较小。根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧消化法可分为常温消化、中温消化、高温消化三种类型。1、 常温厌氧消化，指在自然气温或水温下进行废水厌氧消化处理的工艺，适宜温度范围 1030。2、 中温消化，适宜温度范围为 3538，若低于 32或高于 40，厌氧消化的效率即趋向明显地降低。3、 高温厌氧
10、消化，适宜温度为 5055。上述适宜温度有时因其他工艺条件的不同而有某种程度的差异，如反应器内较高的污泥浓度，即较高的微生物酶浓度，则使温度的影响不易显露出来。在一定温度范围内，温度提高，有机物去除率提高，产气量提高。一般认为，高温消化比中温消化的产气量高一倍。温度的高低不仅影响沼气的产量，而且影响沼气中甲烷的含量和厌氧消化污泥的性质，对不同性质的底物影响程度不同。温度对反应速度的影响同样是明显的。一般地说，在其它工艺条件相同的情况下，温度每上升 10，反应速度大约增加 24 倍，因此，高温消化期比中温消化期短。温度对反应速度的影响可以用 Arrhenius 关系式描述。温度 T 对含高浓度脂
11、类物质混合废水甲烷发酵的影响，下列经验公式 KT=6.67*10-0.015（35-T） 式中 KT 为温度 T 时的反应速率常数 d-1，该式选用于温度在 2035范围以内。 温度的急剧变化和上下波动不利厌氧消化作用。短时内温度升降 5，沼气产量明显下降，波动幅度过大时，甚至停止产气，温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。因此,在设计消化器时常采用一定的控温措施，尽可能使消化器在恒温下运行，温度变化幅度不超过 23/h。然而，温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复，只是温度降低持
12、续的时间较长时，恢复时间也相应延长。二、 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 范围较广，在 4.58.0 之间。产甲烷菌要求环境介质 PH 值在中性附近，最适 PH 为 7.07.2，PH6.67.4 较为适宜。在厌氧法处理废水应用中，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 PH 在 6.57.5（最好6.87.2）的范围。PH 值条件失常首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能正常地代谢降解，从而使整过消化过程的协调平衡丧失。若 PH 降到 5 以下，
13、对产甲烷菌毒性较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞，即使 PH 恢复到 7.0 左右，厌氧装置的处理能力也不易恢复；而在稍高 PH 值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快恢复活性。所以厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。在厌氧消化过程中， ，PH 的升降变化除外界因素影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。产酸作用产物有机酸的增加，会使 PH下降；含氮有机物分解产物氨的增加，会引起 PH 的升高。在 PH 为 68 范围内，控制消化液 PH 值的主要化学系统是二氧化碳-重碳酸盐缓冲系统。在厌氧处理中，PH 值除受进水 PH 影响外，主要取决于代谢过程中自然建立的缓
14、冲平衡，取决于挥发酸、碱度、CO 2、氨氮、氢之间的平衡。由于消化液中存在氢氧化铵、碳酸氢盐等缓冲物质。PH 难以判断消化液中的挥发酸积累程度，一旦挥发酸的积累量足以引起消化液 PH 值的下降时，系统中碱度的缓冲力已经丧失，系统工作已经相当紊乱。所以在生产运转中常把挥发酸浓度及碱度作为管理指标。三、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。对厌氧反应器介质中的氧浓度可根据浓度与电位的关系判断，即由氧化还原电位表达。氧化还原电位与氧浓度的关系可用 Nernst 方程确定。研究表明，产甲烷菌初始繁殖的环境条件
15、是氧化还原电位不能高于-330mv。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1 -0.1V；而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制在-0.3-0.35V（中温消化）与-0.560.6V（高温消化） ，常温消化与中温消化相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。氧是影响厌氧反应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 值的升降以及氨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。四、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
16、机物量（KgCOD/m 3d） 。对悬浮生长工艺,也有用污泥负荷表达的,即 KgCOD/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的有效容积的百分数.由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反应实际的有机负荷，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。有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之一然。对于具体应用场合，进料的有机浓度是一定的，有机负荷或投
17、配率的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。但因反应器相对的处理量增多，单位容积的产气量将有所提高。如前所述，厌氧处理系统正常运转取决于产酸与产甲烷反应速率的相对平衡。一般产酸速度大于产甲烷速度，若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸率（产甲烷）率，挥发酸将累积而使 PH 下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停止，系统失败，并难以调整复苏。此外，有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速度大于增长速度而降低消化效率。这种影响在常规厌氧消化工艺中更加突出。相反若有机负荷太低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器
18、容积将增大，使消化设备的利用效率降低，投资和运行费用提高。有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水废物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机物负荷为 23 KgCOD/m3d，在高温下为 46 KgCOD/m3d。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为515 KgCOD/m3d，可高达 30 KgCOD/m3d。在处理具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的机负荷。五、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率有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧
19、消化的基本保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能，前者主要取决于活微生物的比例及其对底物的适应性和活性微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能是指污泥混合液在静止状态下的沉降速度，它与污泥的凝聚性有关、与好氧处理一样，厌氧活性污泥也以 SVI 衡量。GLettinga 认为在上流式厌氧污泥床反应器中，当活性污泥的 SVI为 1520mg/l 时，污泥具有良好的沉淀性能。厌氧处理时，废水中的有机物主要靠活性污泥中的微生物分解去除，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。但至一定程度后，效率的提高不再明显。这主要
20、因为：（1）厌氧污泥的生长率低、增长速度慢，积累时间过长后，污泥中无机成份比例增高，活性降低；（2）污泥浓度过高有时易于引起堵塞而影响正常运行。六、搅拌和混合混合搅拌也是提高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。通过搅拌可以消除池内梯度，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，还使进料速度与池中原有料液相混匀。采用搅拌措施显著提高消化的效率，故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。但是对于混合搅拌程度与强度，尚有不同观点，如对混合搅拌与产气量的关系，有资料说明，适当搅拌优于频频搅拌，也有资料说明，频频搅拌为好
21、。一般认为，产甲烷菌的生长需要较宁静的生长环境，巴斯韦尔曾指出：消化池的每次搅拌时间不应超过去时1h。Kpejnc 认为消化池内的物质移动速度不宜超过 0.5m/s，因为这是微生物生命活动的临界速度。搅拌的速度还与污水废物的性状有关。当含不溶性物质较多时，因易于生成浮渣，搅拌的功效更加显著；对可溶性物质或易消化悬浮固体的污水，搅拌的功效也相对地小一些。搅拌的方式有：（1）机械搅拌器搅拌法。 （2）消化液循环搅拌法。（3）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的 CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量。厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以
22、上流的方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到一定程度的搅拌作用。七、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、磷以及其它微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其它营养元素不足的情况较少见。不同的微生物、在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷比例不完全一致。一般认为，厌氧法中碳：氮：磷控制为 200300：5：1 为宜。此比值大于好氧法中 100：5：1，这与厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的 C/N 为 1018：1。在厌氧处理时提供氮源，除满足合成菌体所需之外，还有利于提高反应
23、器的缓冲能力。若氮源不足，即碳氮比太高，则不仅厌菌增殖缓慢，而且消化液的缓冲能力降低，PH 值容易下降。相反，若氮源过剩，即碳氮比太低，氮不能充分利用将会导致系统中氨的过分累积，PH 上升至 8.0 以上，而抑制产甲烷菌的生长繁殖，使消化效率降低。八、有毒物质厌氧系统中的有毒物质会不同程度地对过程产生抑制作用，这些物质可能是进水中所含成分，或是厌氧菌代谢的副产物、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，往往具有抑制作用。五氯苯酚和半纤维素衍生物，主要抑制产乙酸和产甲烷细菌的活动。重金属被认为是使反应器失败的最普通及最主要因素，它通过与微生物酶中的巯基、氨基、
24、羟基等相结合，而使酶失活，或者通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。据资料，金属离子对产甲烷菌的影响按CrCuZnCd Ni 的顺序减少。氨是厌氧过程中的营养物质和缓冲剂，但高浓度时也产生抑制作用，其机理与重金属不同，是由 NH4+浓度增高和PH 值上升两方面所产生的。主要影响产甲烷阶段，抑制作用可逆。据资料，当 NH3-N 浓度在 15003000mg/l 时则不论 PH 值如何，铵离子都有毒。过量的硫化物存在也会对厌氧过程产生强列的抑制。首先，由硫酸盐等还原为硫化物的反硫化过程与产甲烷过程争夺有机物氧化脱下来的氢。其次，当介质中可溶性硫化物积累后，会对细菌细胞的功能产生直接抑制，使产甲烷菌的种
25、类减少。但当与重金属离子共存时，因将形成硫化物沉淀而使毒性减轻。据资料介绍，当硫含量在 100mg/L 时，对产甲烷过程有抑制，超过 200mg/L，抑制作用十分明显。硫的其它形式化合物（如 SO2、SO 42-等）对厌氧过程也有抑制。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。第三节能 厌氧法的工艺和设备厌氧消化工艺有多种分类方法。按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法；按投料、出料及运行方式分为分批式、连续式和半连续式；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与两步厌氧消化等。
26、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。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。一、 厌氧消化池普通厌氧消化池又称传统或常规消化池，已有百余年的历史。消化池常用密闭的圆柱形池，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，所产的沼气从顶部排出。池径从几米至三、四十米，柱体部份的高度约为直径的 1/2，池底显圆锥形，以利排泥。一般都有盖子，以保证良好的厌氧条件，收集沼气和保持池内的温度，并减少池面的蒸发。为了使进料和厌氧污泥充分接触、使所产的沼气气泡及时逸出而设有搅拌装置，此外，进行中温和高温消化时，常需对消化液加热。常用的搅
27、拌方式有三种：（1）池内机械搅拌。 （2）沼气搅拌，即用压缩机把沼气从池顶抽出，再从池底充入，循环沼气进行搅拌；（3）循环消化液搅拌，即池内设有射流器，由池外水泵压送的循环消化液经射流器喷射，在喉管处造成真空，吸进一部份池中的消化液，形成较强烈的搅拌，一般情况下每隔 24 小时搅拌一次。在排放消化液时，通常停止搅拌，经沉淀分离后排出上清液。常用加热方式有三种：（10）废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；（2）热蒸汽直接在消化器内加热；（3）在消化器内部按装热交换管。 （1）和（3）两种方式可以利用热水、蒸汽或热烟气等废热源加热。普通消化池的一般负荷，中温为 23 KgCOD/m3
28、d，高温为 56 KgCOD/m3d。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。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。但缺乏持留和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，还存在料液分离现象严重，微生物不能与料液均匀接触，温度也不均匀，消化效率低等缺点。二、厌氧接触法为了克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池设沉淀池，将沉淀池污泥回流至消化池，形成厌氧接触法，该系统即使污泥不流失、出水水质稳定，又可提高消化池的污泥浓度，从而提高设备的有机负荷和处理效率。然而，从消化池排出的混合液在沉淀池中进行固液分离
29、有一定的困难。其原因一方面由于混合液中污泥上附着的微小沼气泡，易于引起污泥上浮；另一方面，由于混合液中的污泥仍具有产甲烷活性，在沉淀中仍能继续产气，从而妨碍污泥颗粒的沉降和压缩。为了提高沉淀池中混合液的固液、分离效果，目前采用以下几种方法脱气：（1）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。005Mpa） ，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能；（2）热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却，如中温消化液 35冷却到 1525，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；（3）絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥凝聚成大颗粒，加速沉淀；（4）用超滤器代替沉
30、淀池，以改善固液分离效果。此外，为保证沉淀池分离效果，在设计时，沉淀池内表面负荷比一般废水沉淀池表面负荷小，一般不大于是 1m/h，混合液在沉淀池内停留时间比一般废水沉淀时间长，可采用 4h。厌氧接触法的特点：（1）通过污泥回流，保证消化池内污泥浓度较高，一般为 1015g/L，耐冲击能力强；（2）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时一般为 210 KgCOD/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 1530 天，而接触法小于 10 天；（3）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；（4）混合液经沉淀后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流
31、和脱气装置。厌氧接触法还存在混合液在沉淀池中难于进行固液分离的缺点。三、上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器，简称 UASB 反应器，是由荷兰的 Glrttinga等人在 70 年代初研制开发的。污泥反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的反应器，由反应区、沉淀区、和气室三部分组成。在反应器的底部是浓度较高的污泥层，称污泥床，在污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层，通常把污泥层和悬浮污泥层称为反应区，在反应区上部设有气、液、固三相分离器。废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生物分解废水中的有机物产生沼气，微小沼气泡在上升过程中，不断合并逐渐形成较大的气泡。由于气泡上升产生较强
32、烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜壁返回到反应区内。在一定的水力负荷下，绝大部份污泥颗粒能保留在反应区内，使反应区有足够的污泥量。反应区中污泥层约为反应区总高度的 1/3，但污泥量约占全部污泥量的2/3 以上。由于污泥层中污泥量比悬浮层大，底物浓度高，酶的活性也高，有机物的代谢速度较快，因此，大部分有机物在污泥层被去除。研究表明，废水通过污泥层已有 80%以上的有机物被转化，余下的
33、再通过悬浮层处理，有机物总的去除达 90%以上。虽然悬浮层去除的有机物量不大，但是其高度对混合程度、产气量和过程稳定性至关重要。因此，应保证适当的悬浮层乃至反应区高度。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，废部显锥形或圆弧形，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 38M，其中污泥床 12M，污泥悬浮层 24M，多用钢结构或钢筋混凝土结构，三相分离器可由多个单元组成。当废水流量较小，浓度较高时，需要的沉淀面积较小，沉淀区的面积和池形可与反应区相同；当废水流量较大，浓度较低时，需要的沉淀面积较大，为使反应区的过流面积不致太大，可采用沉淀区面积大于反
34、应区，即反应器上部面积大于下部面积的池形。设置气、液、固三相分离器是上流式厌氧污泥床的重要结构特性，它对污泥床的正常运行和 获得良好的出水水质起十分重要的作用。上流式厌氧污泥床的三相分离器是使混合液上升和污泥回流严格分开，有利于污泥絮凝沉淀和污泥回流。三相分离器应满足以下条件：（1）沉淀区斜壁角度约阶段 50，使沉淀在斜底上的污泥不积聚，尽快滑回反应区内；（2）沉淀区的表面负荷为 0.7m3/m2h 以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于 2m/h；（3）应防止气泡进入沉淀区影响沉淀；（4）应防止气室产生大量泡沫；并控制好气室的高度防止浮渣堵塞出气管，积证气室出气管畅通无阻。从实际
35、来看，气室水面上总有一层浮渣，其厚度与水质有关。因此，在设计气室高度时，应考虑浮渣层的高度。此外还应考虑浮渣的排放。上流式厌氧污泥床的混合是靠上流的水流和消化过程产生的沼气泡来完成的。因此，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。上流式厌氧污泥床反应器的特点是：（1）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为 3040g/L，其中底部污泥床污泥浓度为 6080g/L，污泥悬浮层污泥浓度为 57g/L；（2）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD 容积负荷一般为 1020 KgCOD/m3d， （3）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
36、应区，一般无污泥回流装置；（4）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；（5）污泥床内不填载体，节省造价和避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，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；运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。四、厌氧滤池厌氧滤池又称厌氧固定膜反应器，是 60 年代开发的高效新型厌氧装置，滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。厌氧生物附着在填料表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶排
37、出。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水流出池外。废水从池底进入，从池上部排出。称升流式厌氧池；废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底排出，称降流式厌氧滤池。厌氧生物滤池填料比表面积和空隙率对设备处理能力有较大的影响。填料比表面积越大，可以承受的有机负荷越高，空隙率越大，沉淀池的容积利用系数越高，堵塞减小.因此,与好气生物滤池类似对填料的要求为:比表面积大,填充后空隙率高,生物膜易附着，对微生物细胞无抑制和毒害作用，有一定强度，且质轻、价谦、来源广。填料层高度，对于拳状滤料，高度不超过 1.2M 为宜，对于塑料填料，高度以 16M 为宜。填料的支掌板采用多孔板或竹子板
38、。进水系统需考虑易于维修和布水均匀，且有一定的水力冲刷强度。对直径较小的厌氧滤池常采用短管布水，对直径较大的厌氧滤池多用可拆卸的多孔管布水。在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在生物膜中，少部分厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。厌氧微生物的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。为此，对厌氧生物滤池采用如下改进：（1）出水回流，使进水有机物得以稀释，同时提高池内水流速度，冲刷滤料空隙中的悬浮物，有利于消除滤池的堵塞。此外，对某此酸性水，出水回流起到中合作用，减少中和药剂的用量
39、。 （2）部分充填载体，为了避免堵塞，仅在滤池的底部和滤池的中部各设一层填料薄层，空隙率大大提高。处理能力增大。 （3）采用平流式厌氧生物滤池，滤池前段下部进水，后段上部溢流出水，顶部设气室，底部设污泥排放口，使沉淀悬浮物得到连续排除。可克服堵塞现象。厌氧生物滤池的特点是：（1）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，又生物膜停留时间长，平均停留时间长达 100 天左右，因此可承受的有机容积负荷高，COD 容积负荷为 216 KgCOD/m3d，且耐冲击负荷能力强；（2）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；（3）微生物固着生长为主，不易流失
40、，因此不需污泥回流和搅拌装置；（4）启动或停止后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：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。五、厌氧流化床厌氧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，当水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧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。床内填充细小固体颗粒载体，废水以一定流速从池底部流入，使填料层处于流态化，每个颗粒可在床层中自由运动，而床层上部保持一个清晰的泥水界面。为使填料层流态化，一般需要回流泵将部分出水
41、回流，以提高床内水流的上升速度。为降回循环的动力能耗，宜取质轻、粒细的载体。常用的载体有石英沙、无烟煤、活性碳、聚氯乙稀颗粒、陶粒和沸石等，粒径一般为 0.21mm,大多在 300500um 之间.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.一般来说,最大流态化速度要比临界流化速度大 10 倍以上,所以,上升流速的选定具有充分的余地,实际操作中,上升流速只要控制在 1.21.5 倍临界流化速度即可满中生物流化床的要求.最大流化速度即颗粒被带出的最低流速,其值接近于固体颗粒的自由沉降速度.厌氧流化床的特点：（1）载体颗粒细，比表面积大，可高达200
42、03000m2/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 1040 KgCOD/m3d，水力停留时间短，具有较高的耐冲击负荷能力，运行稳定；（2）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处理效能；（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较快，强化了转质过程，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较高。为子降低动能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交替操作。固定床操作时
43、，不需回流，在一定时间间歇后，又起动回流泵，呈流化床运行；（2）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径 2030um、相对密度 1.051.2g/cm3 的载体，保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流化状。六、两步厌氧法和复合厌氧法两步厌氧法是分别由两个独立的厌氧反应器组成，每一个反应器完成一个阶段的反应，比如一为产酸阶段，另一为产甲烷阶段，故又称两段式厌氧消化法。按照所处理的废水水质情况，两步可以采用同类型或不同类型的消化反应器。如对悬浮固体含量多的高浓度有机废水，第一步反应器可采用不易堵塞、效率较低的反应装置，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消化器，根据
44、不产甲烷与产甲烷菌代谢特点及适宜环境条件不同，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。因此，两步厌氧法具有如下持点：（1）耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺点；（2）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；（3）消化效率高，尤其适宜处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水。但两步法设备较多,流程和操作复杂。两步厌氧法是由两个独立的反应器串联组合而成，而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，设备的
45、上部为厌氧滤池，下部为上流式厌氧污泥床，可以集两者优点于一体，反应器下部即进水部位，由于不装填料，可以减少堵塞，上部装设固定填料，充分发挥滤层填料的有效载留污泥能力，提高反应器内的生物量，对水质和负荷突然变化和短流现象起缓冲和调节作用，使反应器具有良好的工作特性。第四节 厌氧产气量的计算回收沼气是厌氧法的主要特点之一，对被处理的对象产气量的计算和测定，有助于评价试验结果、工艺运转效率及稳定性，在工程设计方案比较时、能量衡算、经济效益等都建立在产气量的基础上。当废水中的有机物组分复杂，不便于精确地定性定量时，可按 COD值来计算产气量。但是由于受诸多因素的影响，实际产气量与理论产气量总有出入。当
46、适用精度要求不高时，可直接采用理论计算值，在特殊情况下，应综合考勤诸多因素的影响。一、 理论产气量的计算1、 根据废水 COD 与产气量关系计算在实际工程中，被处理的纯底物的情况很少见，通常废水中的有机物组分复杂，不便于精确地定性定量，而以 COD 等综合指标表征，为此，了解去除单位重量 COD 的产气量范围，对于工程设计颇有实用价值。COD 在大多数情况下可以达到理论需氧量（TID）的 95%以上。因此，可以根据去除单位重量 TOD 的产气量，大体上预计出COD 与产气量的关系。McCarty 指出，可以根据甲烷气体的当量来计算废水厌氧消化的产气量。CH4+2O2 CO2+2H2O根据上式，
47、在标准状态下，1mol 甲烷，相当于 2mol（或64g）COD，则还原 1gCOD 相当于生成 22.4/64=0.35L 甲烷，以V1 代表。实际消化温度下形成的甲烷气体体积可以根据查理定理算出：V2= V1 式中 V2消化温度 T2 的气体体积，L；V1标准条件 T1 下的气体体积，L；T1标准条件下的温度，273K；T2消化温度， K； 根据 COD 的去除量与甲烷气的产生量的关系，可以下式预测一个厌氧消化系统的甲烷日产量 VCH4（m/d）：VCH4 = V2【Q*（S 0-Se）-1.42Q x】*10 -3式中 1.42Qx 项代表每天从反应器中排泥所流出的 COD 量; Se
48、(出水中的 COD)包括不能降解和尚未降解的有机物.T2T1一般,甲烷在沼气中的含量约为 55%73%,CO2 占 25%35%,NH3 占1%2%,H2S 占 0.5%1.5%.由此可得沼气的日产量 Vg= VCH4 式中 P 为以小数表示的沼气中甲烷的含量,P 值越大,沼气热值越高.三、 实际产气率分析在厌氧消化工艺中，把转化 1kgCOD 所产的沼气或甲烷称为产气率。由于实际气率受物料的性质、工艺条件以及管理技术水平等多种因素的影响，因此，在不同场合，实际产气率与理论会有不同程度的差异。处理装置中的实际气率（甲烷）的值主要取决于以下诸因素。1 物料的性质对于不同质的底物，去除 1gCOD
49、 产气量不是常量。通常所称的理论产气率，即去除 1gCOD 产生 0.35 标准升甲烷或 0.7 标准升沼气，是根据碳水化合物厌氧分解计算的结果，不能代表各种底物的情况。就厌氧分解等到当量 COD 的不同有机物而言，脂类（类脂物）的产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高；碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；从脂肪酸厌氧消化产气情况表明，随着碳链的增加，去除单位重量有机物的产气量增加，而去除单位重量 COD 的产气量则下降。2 废水 COD 浓度废水的 COD 浓度低，单位有机物的甲烷产率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致，如当进水 COD 为 2000mg/L 时，去1P除 1kgCOD 所产生的甲烷的 21L 溶于水；而当进水 COD 为1000mg/L 时，则去除 1kgCOD 所产的甲烷有 42L 溶于水；因此实际工程中高浓度有机废水的产气率能接近理论值,而低浓度有机废水的产气率则低于理论值。3 沼气中甲烷含量
