第15章 污水的厭氧生物處理

第15章污水的厭氧生物處理

§15-1概述

一、厭氧生物處理的對(duì)象1、有機(jī)污泥有機(jī)污泥包括廢水好氧生物處理過(guò)程生成的大量活性污泥和生物膜，初沉池可沉淀的有機(jī)固體，以及人畜的糞便等。2、有機(jī)廢水食品工業(yè)，如酒精、味精、制糖、淀粉、屠宰和啤酒等工業(yè)排出的廢水，不僅數(shù)量多，而且濃度也很高。3、生物質(zhì)以專門(mén)利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為新能源為主要目的的厭氧發(fā)酵法，是利用某些植物莖桿和葉子等生物質(zhì)通過(guò)厭氧發(fā)酵獲得生物能——沼氣。二、厭氧生物處理的目的1、殺菌滅卵、防蠅除臭，防止傳染病的發(fā)生和蔓延。2、去除廢水中大量有機(jī)物，防止對(duì)水體的污染。3、利用污水廠污泥和高濃度有機(jī)廢水產(chǎn)生沼氣可獲得可觀的生物能源。三、厭氧法的基本原理四階段發(fā)酵——Zeikus20世紀(jì)70年代年提出(1)第一階段：水解和發(fā)酵性細(xì)菌將復(fù)雜有機(jī)物水解為小分子有機(jī)物如：纖維素、淀粉水解為單糖，再發(fā)酵為丙酮酸；

蛋白質(zhì)水解為氨基酸，再脫氨基成有機(jī)酸和氨；

脂類水解為低級(jí)脂肪酸和醇,如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇、CO2、H2、NH3和H2S等。微生物群落：水解、發(fā)酵性細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、雙歧桿菌；鏈球菌和腸道菌等。(2)第二階段：產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸菌把第一階段的產(chǎn)物進(jìn)一步分解為乙酸和氫氣。微生物群落：產(chǎn)氫和產(chǎn)乙酸菌，如奧氏甲烷桿菌；將三碳以上有機(jī)酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、芳香族酸及醇等分解為乙酸和H2的細(xì)菌和硫酸還原菌。(3)第三階段：有2組生理不同的專性厭氧的產(chǎn)甲烷菌群。一是將CO2或CO和H2合成CH4；另一組是將乙酸脫羧生成CH4和CO2，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解為CH4。(4)第四階段：同型產(chǎn)乙酸階段是同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌將CO2和H2轉(zhuǎn)化為乙酸的過(guò)程。其作用目前尚在研究。四、厭氧法的影響因素厭氧法對(duì)環(huán)境條件的要求比好氧法更嚴(yán)格。一般認(rèn)為，控制厭氧處理效率的基本因素有2類：一類是基礎(chǔ)因素，包括微生物量(污泥濃度)、營(yíng)養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機(jī)負(fù)荷等；另一類是環(huán)境因素，如溫度、pH值、氧化還原電位、有毒物質(zhì)等。各類微生物適宜的溫度范圍是不同的，一般認(rèn)為，產(chǎn)甲烷菌的溫度范圍為5-60℃。

①常溫厭氧消化，指在自然氣溫或水溫下進(jìn)行廢水厭氧處理的工藝，適宜溫度范圍10～30℃。②中溫消化，適宜溫度35～38℃，若低于32℃或者高于40℃，厭氧消化的效率即趨向明顯地降低。③高溫厭氧消化，適宜溫度50～55℃。

1、溫度一定范圍內(nèi)，溫度提高，有機(jī)物去除率提高，產(chǎn)氣量提高。溫度的急劇變化和上下波動(dòng)不利于厭氧消化作用。短時(shí)內(nèi)溫度升降5℃，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動(dòng)的幅度過(guò)大時(shí)，甚至停止產(chǎn)氣。溫度的波動(dòng)，不僅影響沼氣產(chǎn)量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對(duì)溫度變化更為敏感。溫度的暫時(shí)性突然降低不會(huì)使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞，溫度一經(jīng)恢復(fù)到原來(lái)水平時(shí)，處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復(fù)。

2、pH值

每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動(dòng)，產(chǎn)酸細(xì)菌對(duì)酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。

產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近，最適宜pH值為7.0-7.2，pH6.6-7.4較為適宜。在厭氧法處理廢水的應(yīng)用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進(jìn)行，故為了維持平衡，避免過(guò)多的酸積累，常保持反應(yīng)器內(nèi)的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范圍內(nèi)。在厭氧消化過(guò)程中，pH值的升降變化除了外界因素的影響之外，還取決于有機(jī)物代謝過(guò)程中某些產(chǎn)物的增減。(產(chǎn)酸作用產(chǎn)物使有機(jī)酸的含量增加，會(huì)使pH值下降。含氮有機(jī)物分解產(chǎn)物氨的增加，會(huì)引起pH值升高。)

在生產(chǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)中常把揮發(fā)酸濃度及堿度作為管理指標(biāo)。

3、氧化還原電位無(wú)氧環(huán)境是嚴(yán)格厭氧的產(chǎn)甲烷菌繁殖的最基本條件之一。產(chǎn)甲烷菌對(duì)氧和氧化劑非常敏感，這是因?yàn)樗幌蠛醚蹙菢泳哂羞^(guò)氧化氫酶。氧是影響厭氧反應(yīng)器中氧化還原電位條件的重要因素，但不是唯一因素。

揮發(fā)性有機(jī)酸的增減、pH值的升降以及銨離子濃度的高低等因素均影響系統(tǒng)的還原強(qiáng)度。如pH值低，氧化還原電位高；pH值高，氧化還原電位低。

4、有機(jī)負(fù)荷在通常的情況下，常規(guī)厭氧消化工藝中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機(jī)負(fù)荷為2-3kgCOD/(m3·d)，在高溫下為4-6kgCOD/(m3·d)。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機(jī)負(fù)荷在中溫下為5-15kgCOD/(m3·d)，可高達(dá)30kgCOD/(m3·d)。在處理具體廢水時(shí)，最好通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定其最適宜的有機(jī)負(fù)荷。

5、厭氧活性污泥

厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機(jī)物、無(wú)機(jī)物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關(guān)系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎(chǔ)保證。厭氧活性污泥的性質(zhì)主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉降性能。故在一定的范圍內(nèi)，活性污泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。

6、攪拌和混合

通過(guò)攪拌可消除池內(nèi)梯度，增加食料與微生物之間的接觸，避免產(chǎn)生分層，促進(jìn)沼氣分離。在連續(xù)投料的消化池中，還使進(jìn)料迅速與池中原有料液相混勻。攪拌的方法：(1)機(jī)械攪拌器攪拌法；(2)消化液循環(huán)攪拌法-水射器攪拌；(3)沼氣循環(huán)攪拌法-消化氣循環(huán)攪拌等。其中沼氣循環(huán)攪拌，還有利于使沼氣中的CO2作為產(chǎn)甲烷的底物被細(xì)菌利用，提高甲烷的產(chǎn)量。

厭氧濾池和上流式厭氧污泥床等新型厭氧消化設(shè)備，雖沒(méi)有專設(shè)攪拌裝置，但以上流的方式連續(xù)投入料液，通過(guò)液流及其擴(kuò)散作用，也起到一定程度的攪拌作用。7、廢水的營(yíng)養(yǎng)比

厭氧微生物的生長(zhǎng)繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷比例，因?yàn)槠渌麪I(yíng)養(yǎng)元素不足的情況較少見(jiàn)。厭氧法中碳:氮:磷控制為(200～300):5:1為宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例對(duì)厭氧消化的影響更為重要。

8、有毒物質(zhì)

包括有毒有機(jī)物、重金屬離子和一些陰離子等。對(duì)有機(jī)物來(lái)說(shuō)，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結(jié)構(gòu)，往往具有抑制性。有毒物質(zhì)的最高容許濃度與處理系統(tǒng)的運(yùn)行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關(guān)。

五、厭氧生物處理的主要特征1、優(yōu)點(diǎn)

(1)應(yīng)用范圍廣(2)能耗大大降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；(3)處理負(fù)荷高、占地少，反應(yīng)器體積小；

(4)污泥產(chǎn)量很低，且其濃縮性、脫水性能良好；(5)對(duì)營(yíng)養(yǎng)物需求量小，其BOD5∶N∶P＝800∶5∶1；(6)厭氧處理過(guò)程有一定的殺菌作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲(chóng)卵、病毒等；

(7)厭氧方法的菌種沉降性能好，生物活性保存期長(zhǎng)，中止?fàn)I養(yǎng)條件下可保留至少1年以上。(8)密閉系統(tǒng)，臭味對(duì)環(huán)境影響小。2、主要缺點(diǎn)①厭氧生物處理過(guò)程中所涉及到的生化反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜;②厭氧微生物特別是其中的產(chǎn)甲烷細(xì)菌對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素非常敏感，也使得厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行和應(yīng)用受到很多限制和困難；③出水水質(zhì)通常較差，一般需要利用好氧工藝進(jìn)行進(jìn)一步的處理；④厭氧生物處理的氣味較大；⑤對(duì)氨氮的去除效果不好，一般認(rèn)為在厭氧條件下氨氮不會(huì)降低，而且還可能由于原廢水中含有的有機(jī)氮在厭氧條件下的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致氨氮濃度的上升。⑥厭氧反應(yīng)器初次啟動(dòng)過(guò)程緩慢，一般需要8～12周時(shí)間。§15-2厭氧生物處理裝置

按微生物生長(zhǎng)狀態(tài)分為：

厭氧活性污泥法包括：普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等。

厭氧生物膜法包括：厭氧生物濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)等。

厭氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)厭氧生物膜法(anaerobicslime)按投料、出料及運(yùn)行方式分為分批式(batch)、連續(xù)式(continuous)和半連續(xù)式(semi-continuous)；根據(jù)厭氧消化中物質(zhì)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的總過(guò)程是否在同一反應(yīng)器中并在同一工藝條件下完成，又可分為一步厭氧消化(onestagedigestion)與兩步厭氧消化(twostagedigestion)等。一、早期的厭氧生物反應(yīng)器

這是厭氧消化應(yīng)用于廢水處理的初級(jí)階段，是從1881年法國(guó)Mouras設(shè)計(jì)的自動(dòng)凈化器開(kāi)始到本世紀(jì)的20年代；主要代表有：①1881年法國(guó)Mouras的自動(dòng)凈化器：②1891年英國(guó)Moncriff的裝有填料的升流式反應(yīng)器：③1895年，英國(guó)設(shè)計(jì)的化糞池（SepticTank）；④1905年，德國(guó)的Imhoff池（又稱隱化池、雙層沉淀池）；等等。這些早期的厭氧生物反應(yīng)器的共同特點(diǎn)是：①處理廢水的同時(shí)，也處理從廢水中沉淀下來(lái)的污泥；②前幾種構(gòu)筑物由于廢水與污泥不分隔而影響出水水質(zhì)；③雙層沉淀池則有了很大改進(jìn)，有上層沉淀池和下層消化池；④停留時(shí)間很長(zhǎng)，出水水質(zhì)也較差；⑤后兩種反應(yīng)器曾在英、美、德、法等國(guó)得到廣泛推廣，在我國(guó)目前仍有應(yīng)用。二、普通厭氧消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池。

消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續(xù)進(jìn)入池中，經(jīng)消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產(chǎn)沼氣從頂部排出。池徑從幾米至三、四十米，柱體部分的高度約為直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。

隨著活性污泥法、生物濾池等好氧生物處理工藝的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，厭氧生物處理被認(rèn)為是效率低、HRT長(zhǎng)、受溫度等環(huán)境條件的影響大，因此處于一種被遺棄的狀態(tài)；但好氧生物處理工藝的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的剩余污泥也越來(lái)越多，其穩(wěn)定化處理的主要手段是厭氧消化，這是第二階段的主要特征。

1927年，首次在消化池中加上了加熱裝置，使產(chǎn)氣速率顯著提高；隨后，又增加了機(jī)械攪拌器，反應(yīng)速率進(jìn)一步提高；50年代初又開(kāi)發(fā)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置；帶加熱和攪拌裝置的消化池被稱為高速消化池，至今仍是城市污水處理廠中污泥處理的主要技術(shù)。普通消化池的特點(diǎn)是:

(1)可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。(2)厭氧消化反應(yīng)與固液分離在同一個(gè)池內(nèi)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。(3)缺乏持留或補(bǔ)充厭氧活性污泥的特殊裝置，消化器中難以保持大量的微生物細(xì)胞。(4)對(duì)無(wú)攪拌的消化器，還存在料液分層現(xiàn)象嚴(yán)重，微生物不能與料液均勻接觸的問(wèn)題。(5)溫度不均勻，消化效率低。

為使進(jìn)料與厭氧污泥盡快接觸、使所產(chǎn)沼氣氣泡及時(shí)逸出而設(shè)置攪拌裝置。常用攪拌方式有三種：圖15-2循環(huán)消化液攪拌式消化池(a)池內(nèi)機(jī)械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環(huán)消化液攪拌。

圖15-1螺旋槳攪拌的消化池進(jìn)行中溫和高溫厭氧消化需要加溫，常用加熱方式有三種：(a)廢水在消化池外先經(jīng)熱交換器預(yù)熱到規(guī)定溫度再進(jìn)入消化池；(b)熱蒸汽直接在消化器內(nèi)加熱；(c)在消化池內(nèi)部安裝熱交換管。

上述，在消化池中設(shè)有加熱和/或攪拌裝置，可縮短有機(jī)物穩(wěn)定所需的時(shí)間，也提高沼氣產(chǎn)量，這種消化池叫高速消化池。三、現(xiàn)代高速厭氧生物反應(yīng)器厭氧消化技術(shù)發(fā)展上的第三個(gè)時(shí)期：1955年，Schroepter提出了厭氧接觸法，主要是在參考好氧活性污泥法的基礎(chǔ)上，在高速消化池之后增設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于有機(jī)廢水的處理；處理能力提高，應(yīng)用于食品包裝廢水的處理；標(biāo)志著厭氧技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的開(kāi)端。隨后又相繼出現(xiàn)了厭氧生物濾池AF(AnaerobicFilter)、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)、厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器AAFEB(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed)、厭氧流化床AFB(AnaerobicFluidizedBed)等高效厭氧反應(yīng)器，在這些厭氧反應(yīng)器中，主要具有如下特點(diǎn)：微生物不呈懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，而是呈附著生長(zhǎng)；有機(jī)容積負(fù)荷大大提高，水力停留時(shí)間顯著縮短；首先應(yīng)用于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理，如食品工業(yè)廢水、酒精工業(yè)廢水、發(fā)酵工業(yè)廢水、造紙廢水、制藥工業(yè)廢水、屠宰廢水等；也有應(yīng)用于城市廢水的處理；如果與好氧生物處理工藝進(jìn)行串聯(lián)或組合，還可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫氮和除磷；并對(duì)含有難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水具有較好的處理效果。1、厭氧接觸法為了克服普通消化池不能持留或補(bǔ)充厭氧活性污泥的缺點(diǎn)，在消化池后設(shè)沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobiccontactprocess）。

但從消化池排出的混合液在沉淀池中進(jìn)行固液分離有一定困難。原因：(1)混合液中污泥上附著大量的微小沼氣泡，易于引起污泥上?。?2)混合液中的污泥仍具有產(chǎn)甲烷活性，在沉淀過(guò)程中仍能繼續(xù)產(chǎn)氣，從而妨礙污泥顆粒的沉降和壓縮。

為了提高沉淀池中固液分離效果，目前采用以下幾種方法脫氣：(1)真空脫氣，由消化池排出的混合液經(jīng)真空脫氣器(真空度為0.005MPa)，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉降性能；(2)熱交換器急冷法，將從消化池排出的混合液進(jìn)行急速冷卻。(3)絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝劑，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降；(4)用超濾器代替沉淀池，以改善固液分離效果。

厭氧接觸法的優(yōu)點(diǎn):(1)通過(guò)污泥回流，保持消化池內(nèi)污泥濃度較高，一般為10～15g/L，耐沖擊能力強(qiáng)；(2)消化池的容積負(fù)荷較普通消化池高，中溫消化時(shí)，一般為2～l0kgCOD/m3·d，水力停留時(shí)間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15～30天，而接觸法小于10天；(3)可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問(wèn)題；(4)混合液經(jīng)沉降后，出水水質(zhì)好，但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設(shè)備；(5)厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進(jìn)行固液分離的缺點(diǎn)。

厭氧接觸法的缺點(diǎn):2、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（USAB

）上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（upflowanaerobicsludgebedreactor），簡(jiǎn)稱UASB反應(yīng)器，是由荷蘭的G.Lettnga等人在20世紀(jì)70年代初研制開(kāi)發(fā)的。污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有載體，是一種懸浮生長(zhǎng)型的消化器。由反應(yīng)區(qū)(reactionregion)、沉淀區(qū)(settlingregion)和氣室(gascollectiondome)三部分組成。

反應(yīng)區(qū)上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設(shè)置氣、液、固三相分離器，則一般為矩形，高度一般為3～8m，其中污泥床1～2m，污泥懸浮層2～4m，多用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

UASB顆粒污泥形成的原理及主要工藝條件

顆粒污泥形成的原理1.三種類型的顆粒污泥：桿菌顆粒絲菌顆粒球菌顆粒2.顆粒污泥的形成原理：細(xì)菌很容易在惰性材料表面上附著并結(jié)團(tuán)。污泥中存在大量的絲狀菌，具有較強(qiáng)的附著能力。

UASB反應(yīng)器初次啟動(dòng)的操作原則1、啟動(dòng)階段的目的：污泥適應(yīng)將要處理廢水中的有機(jī)物污泥具有很好的沉降性2、啟動(dòng)時(shí)要遵守的原則：最初污泥負(fù)荷不要太高在揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應(yīng)增加反應(yīng)器負(fù)荷控制厭氧細(xì)菌的生存環(huán)境種泥量要盡量多控制一定的上升流速3.形成顆粒污泥的過(guò)程：?jiǎn)?dòng)與提高污泥活性階段形成顆粒污泥階段逐漸形成顆粒污泥層階段1.接種污泥2.廢水的性質(zhì)3.反應(yīng)器的工藝條件4.不同的出水乙酸濃度可以決定優(yōu)勢(shì)菌種影響污泥顆?；囊蛩赜绊戭w粒污泥直徑大小的因素1.溫度2.底物在傳質(zhì)過(guò)程中所能進(jìn)入顆粒內(nèi)部的深度3.有機(jī)負(fù)荷的高低4.如果低負(fù)荷忽然增加負(fù)荷將使顆粒污泥破碎5.用較大的上升氣流與產(chǎn)氣量可選擇性的洗出較小的顆粒污泥。顆粒污泥的性質(zhì)

顆粒污泥的物理性質(zhì)

1.形狀不規(guī)則2.顏色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜3.相對(duì)密度在1.01---1.05左右4.污泥指數(shù)與顆粒大小有關(guān)5.顆粒污泥在反應(yīng)器中的沉降速率為0.3---0.8m/h

顆粒污泥的成分

1.微生物及其分泌物微生物：各類產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌，產(chǎn)酸細(xì)菌在顆粒外部，產(chǎn)甲烷細(xì)菌在顆粒污泥內(nèi)部2.惰性物質(zhì)3.金屬離子

顆粒污泥的活性

采用最大比底物利用速率表示，不同底物培養(yǎng)的顆粒污泥的活性不同UASB反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

UASB反應(yīng)器的構(gòu)造

1.進(jìn)水配水系統(tǒng)，將進(jìn)入反應(yīng)器的廢水均勻地分配到反應(yīng)器整個(gè)橫斷面，起到水力攪拌并均勻上升。

2.反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部形成顆粒污泥層。廢水從厭氧污泥床底部流入，與顆粒污泥層中的污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生的微小沼氣氣泡不斷地放出。微小氣泡在上升過(guò)程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡。在顆粒污泥層上部，由于沼氣的攪動(dòng)，形成一個(gè)污泥濃度較小的懸浮污泥層。

3.三相分離器，其功能是將氣體、固體和液體三相進(jìn)行分離。

4.集氣室，其功能是收集產(chǎn)生的沼氣，并將其導(dǎo)出氣室送往沼氣柜。

5.處理水排出系統(tǒng)，均勻收集處理水并將其排出反應(yīng)器。

UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算1.UASB反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容有：①池型選擇、有效容積以及各主要部位尺寸的確定；②進(jìn)水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、三相分離器等主要設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算；③其它設(shè)備和管道如排泥和排渣系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)計(jì)算2.有效容積及主要構(gòu)造尺寸的確定：

UASB反應(yīng)器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應(yīng)區(qū)的總?cè)莘e作為反應(yīng)器的有效容積進(jìn)行考慮，多采用進(jìn)水容積負(fù)荷法確定，即：

V=Q×Si/Lv

式中：Q——廢水流量，m3/d；

Si——進(jìn)水有機(jī)物濃度，mgCOD/l；

Lv——COD容積負(fù)荷，kgCOD/m3.d。3.三相分離器的設(shè)計(jì)：三相分離器的基本原理與構(gòu)造在UASB反應(yīng)器中三相分離器可以有以下幾種布置形式①沉淀區(qū)的設(shè)計(jì)：要求表面負(fù)荷應(yīng)小于1.0m3/m2.d；集氣罩斜面的坡度應(yīng)為55~60°；沉淀區(qū)的總水深應(yīng)不小于1.5m，廢水在沉淀區(qū)的停留時(shí)間應(yīng)在1.5~2.0h之間；②回流縫的設(shè)計(jì)；③氣液分離效果的計(jì)算與校核；三相分離器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)上升流速4.出水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：5.浮渣清除系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：6.排泥系統(tǒng)設(shè)計(jì)：7.其他設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問(wèn)題：加熱和保溫；沼氣的收集、貯存和利用；防腐；8.UASB的布水系統(tǒng)：為使底物與污泥能充分接觸，布水應(yīng)盡量均勻，避免溝流，進(jìn)水方式分為間歇式，脈沖式，連續(xù)均勻流，連續(xù)與間歇回流結(jié)合9.進(jìn)水水質(zhì)的特性：應(yīng)考慮是否影響污泥的顆粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等問(wèn)題。10.UASB的有機(jī)容積負(fù)荷：確定有機(jī)負(fù)荷，以及進(jìn)水流量和進(jìn)水COD，可確定反應(yīng)器的有效容積。11.UASB的水封高度：控制一定的氣囊高度可壓破泡沫，可避免泡沫和浮泥進(jìn)入排氣系統(tǒng)。UASB優(yōu)點(diǎn)

(1)反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30～40g/L，其中底部污泥床(sludgebed)污泥濃度60～80g/L，污泥懸浮層(sludgeblanket)污泥濃度5～7g/L；(2)污泥床中的污泥由活性生物量占70～80％的高度發(fā)展的顆粒污泥(sludgegranules)組成，顆粒的直徑一般在0.5～5.0mm之間，顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的一個(gè)重要特征。(3)有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，中溫消化，COD容積負(fù)荷一般為10～20kgCOD/（m3·d）；(4)反應(yīng)器內(nèi)設(shè)三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動(dòng)回流到反應(yīng)區(qū)，一般無(wú)污泥回流設(shè)備；(5)無(wú)混合攪拌設(shè)備。投產(chǎn)運(yùn)行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來(lái)攪動(dòng)；污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免堵塞問(wèn)題。

缺點(diǎn)

(1)反應(yīng)器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高，以免對(duì)污泥顆粒化不利或減少反應(yīng)區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；(2)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。

3、厭氧濾池

(AF)厭氧濾池（anaerobicfilter）又稱厭氧固定膜反應(yīng)器，是60年代末開(kāi)發(fā)的新型高效厭氧處理裝置。廢水從池底進(jìn)入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進(jìn)入，以降流的形式流過(guò)填料層，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池。

分類圖15-6升流式厭氧生物濾池厭氧微生物附著于填料的表面生長(zhǎng)，當(dāng)廢水通過(guò)填料層時(shí)，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機(jī)物被降解，并產(chǎn)生沼氣，沼氣從池頂部排出。濾池中的生物膜不斷地進(jìn)行新陳代謝，脫落的生物膜隨出水流出池外。

在厭氧生物濾池中，厭氧微生物大部分存在生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。運(yùn)行情況厭氧微生物總量沿池高度分布是很不均勻的，在池進(jìn)水部位高，相應(yīng)的有機(jī)物去除速度快。當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度高，特別是進(jìn)水懸浮固體濃度和顆粒較大時(shí)，進(jìn)水部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

為此，對(duì)厭氧生物濾池采取如下改進(jìn)：（1）出水回流，使進(jìn)水有機(jī)物濃度得以稀釋，同時(shí)提高池內(nèi)水流的流速，沖刷濾料空隙中的懸浮物，有利于消除濾池的堵塞；（2）部分充填載體：為了避免堵塞，僅在濾池底部和中部各設(shè)置一填料薄層，空隙率大大提高，處理能力增大；（3）采用平流式厭氧生物濾池：濾池前段下部進(jìn)水，后段上部溢流出水，頂部設(shè)氣室，底部設(shè)污泥排放口，使沉淀懸浮物得到連續(xù)排除；（4）采用軟性填料：軟性填料空隙率大，可克服堵塞現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)

（1）由于填料為微生物附著生長(zhǎng)提供了較大的表面積，濾池中的微生物量較高，又因生物膜停留時(shí)間長(zhǎng)，平均停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100天左右，因而可承受的有機(jī)容積負(fù)荷高，COD容積負(fù)荷為2～16kgCOD/(m3·d)，且耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；（2）廢水與生物膜兩相接觸面大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，因而有機(jī)物去除速度快；（3）微生物固著生長(zhǎng)為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設(shè)備；（4）啟動(dòng)或停止運(yùn)行后再啟動(dòng)比前述厭氧工藝法時(shí)間短；（5）處理含懸浮物濃度高的有機(jī)廢水，易發(fā)生堵塞，尤以進(jìn)水部位更嚴(yán)重。濾池的清洗也還沒(méi)有簡(jiǎn)單有效的方法。缺點(diǎn)4、厭氧流化床

厭氧流化床是借鑒流態(tài)化技術(shù)的一種生物反應(yīng)裝置。它以小粒徑載體為流化粒料，廢水作為流化介質(zhì)，當(dāng)廢水以升流式通過(guò)床體時(shí)，與床中附著于載體上的厭氧微生物膜不斷接觸反應(yīng)，達(dá)到厭氧生物降解目的，產(chǎn)生沼氣，于床頂部排出。圖15-7厭氧流化床工藝流程（1）載體顆粒細(xì)，比表面積大，可高達(dá)2000～3000m2/m3左右，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，因此有機(jī)物容積負(fù)荷大，一般為10～40kgCOD/m3·d，水力停留時(shí)間短，具有較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力，運(yùn)行穩(wěn)定；（2）載體處于流化狀態(tài)，無(wú)床層堵塞現(xiàn)象，對(duì)高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能；（3）載體流化時(shí)，廢水與微生物之間接觸面大，同時(shí)兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度快，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程，從而具有較高的有機(jī)物凈化速度；（4）床內(nèi)生物膜停留時(shí)間較長(zhǎng)，剩余污泥量少；（5）結(jié)構(gòu)緊湊、占地少以及基建投資省等。

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)（6）但載體流化耗能較大，且對(duì)系統(tǒng)的管理技術(shù)要求較高。

為了降低動(dòng)力消耗和防止床層堵塞，可采取如下措施：（1）間歇性流化床工藝，即以固定床與流化床間歇性交替操作。固定床操作時(shí)，不需回流，在一定時(shí)間間歇后，又啟動(dòng)回流泵，呈流化床運(yùn)行；（2）盡可能取質(zhì)輕、粒細(xì)的載體，如粒徑20～30μm、相對(duì)密度1.05～1.2g/cm3的載體。保持低的回流量，甚至免除回流就可實(shí)現(xiàn)床層流態(tài)化。

5、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)和擋板反應(yīng)器

厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的構(gòu)造與好氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)相似，不同之處在于盤(pán)片大部分(70％以上)或全部浸沒(méi)在廢水中，為保證厭氧條件和收集沼氣，整個(gè)生物轉(zhuǎn)盤(pán)設(shè)在一個(gè)密閉的容器內(nèi)。

厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)

(1)構(gòu)造由盤(pán)片、密封的反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸及驅(qū)動(dòng)裝置等組成。

圖15-8厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)造圖

對(duì)廢水的凈化靠盤(pán)片表面的生物膜和懸浮在反應(yīng)槽中的厭氧菌完成，產(chǎn)生的沼氣從反應(yīng)槽頂排出。(2)運(yùn)行由于盤(pán)片的轉(zhuǎn)動(dòng)，作用在生物膜上的剪力可將老化的生物膜剝落，在水中呈懸浮狀態(tài)，隨水流出槽外。

(3)特點(diǎn)（a）厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)內(nèi)微生物濃度高，因此有機(jī)物容積負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短；（b）無(wú)堵塞問(wèn)題，可處理較高濃度的有機(jī)廢水；（c）一般不需回流，所以動(dòng)力消耗低；（d）耐沖擊能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便。但盤(pán)片造價(jià)高。

厭氧擋板反應(yīng)器是從研究厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)展而來(lái)的，生物轉(zhuǎn)盤(pán)不轉(zhuǎn)動(dòng)即變成厭氧擋板反應(yīng)器。

厭氧擋板反應(yīng)器擋板反應(yīng)器與生物轉(zhuǎn)盤(pán)相比，可減少盤(pán)的片數(shù)和省去轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。

6、兩步厭氧法和復(fù)合厭氧法

(1)兩步厭氧消化法

兩步厭氧消化法是一種由上述厭氧反應(yīng)器組合的工藝系統(tǒng)。厭氧消化反應(yīng)分別在兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器中進(jìn)行，每一反應(yīng)器完成一個(gè)階段的反應(yīng)，比如一為產(chǎn)酸階段，另一為產(chǎn)甲烷階段，故又稱兩段式厭氧消化法。

按照所處理的廢水水質(zhì)情況，兩步可以采用同類型或不同類型的消化反應(yīng)器。

如對(duì)懸浮固體含量多的高濃度有機(jī)廢水，第一步反應(yīng)器可選不易堵塞、效率稍低的反應(yīng)裝置，經(jīng)水解產(chǎn)酸階段后的上清液中懸浮固體濃度降低，第二步反應(yīng)器可采用新型高效消化器。

熱交換器:

被廢水加熱到需要的溫度水解產(chǎn)酸反應(yīng)，控制條件之產(chǎn)生脂肪酸，盡量不產(chǎn)生沼氣沉淀分離，去除不溶性有機(jī)物產(chǎn)甲烷階段，使第一步反應(yīng)產(chǎn)生的有機(jī)酸生成甲烷和二氧化碳等最終產(chǎn)物根據(jù)不產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)甲烷菌代謝特性及適應(yīng)環(huán)境條件不同，第一步反應(yīng)器可采用簡(jiǎn)易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值范圍條件下運(yùn)行；第二步反應(yīng)器則要求嚴(yán)格密封、嚴(yán)格控制溫度和pH值范圍。

兩步厭氧法具有如下特點(diǎn)：(a)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，避免了一步法不耐高有機(jī)酸濃度的缺陷；(b)兩階段反應(yīng)不在同一反應(yīng)器中進(jìn)行，互相影響小，可更好地控制工藝條件；(c)消化效率高，尤其適于處理含懸浮固體多、難消化降解的高濃度有機(jī)廢水。缺點(diǎn)：(d)但兩步法設(shè)備較多，流程和操作復(fù)雜。

(2)復(fù)合厭氧法

圖15-11

纖維填料厭氧濾池和UASB復(fù)合法工藝兩步厭氧法是由2個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器串聯(lián)組合而成，而復(fù)合厭氧法是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)由2種厭氧法組合而成。

設(shè)備的上部為厭氧濾池，下部為UASB，可以集兩者優(yōu)點(diǎn)于一體，反應(yīng)器下部即進(jìn)水部位，由于不裝填料，可以減少堵塞，上部裝設(shè)固定填料，充分發(fā)揮濾層填料的有效截留污泥的能力，提高反應(yīng)器內(nèi)的生物量，對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷的突然變化和短流現(xiàn)象起緩沖和調(diào)節(jié)作用，使反應(yīng)器具有良好的工作特性。

2/5/202384§15-3厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)1.流程和設(shè)備的選擇2.厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.消化池的熱量計(jì)算4.工藝流程的設(shè)計(jì)5.沼氣的收集、貯存85厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)1.流程和設(shè)備的選擇2.厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)3.消化池的熱量計(jì)算4.工藝流程的設(shè)計(jì)861.流程和設(shè)備的選擇處理工藝和設(shè)備的選擇消化溫度選擇單級(jí)或兩級(jí)(段)消化87882.厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算確定反應(yīng)器容積的常用參數(shù)是負(fù)荷率N和消化時(shí)間t，公式為：（P281表15－2）：產(chǎn)氣量一般可按0.4~0.5m3/kg(COD)進(jìn)行估算。893.產(chǎn)氣量計(jì)算一、理論產(chǎn)氣量的計(jì)算1.根據(jù)廢水有機(jī)物化學(xué)組成計(jì)算產(chǎn)氣量當(dāng)廢水中有機(jī)組分一定時(shí)，對(duì)不含氮的有機(jī)物也可用以下巴斯維爾（Buswell和Mueller）通式計(jì)算:

2．根據(jù)COD與產(chǎn)氣量關(guān)系計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol甲烷，相當(dāng)于2mol（或64g）COD，則還原1gCOD相當(dāng)于生成22.4/64=0.35L甲烷。

二、實(shí)際產(chǎn)氣率分析

在厭氧消化工藝中，實(shí)際產(chǎn)氣率受物料的性質(zhì)、工藝條件以及管理技術(shù)水平等多種因素的影響，在不同的場(chǎng)合，實(shí)際產(chǎn)氣率與理論值會(huì)有不同程度的差異。1.物料的性質(zhì)就厭氧分解等當(dāng)量COD的不同有機(jī)物而言，脂類（類脂物）的產(chǎn)氣量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的沼氣數(shù)量雖少，但甲烷含量高；碳水化合物所產(chǎn)生的沼氣量少，且甲烷含量也較低；從脂肪酸厭氧消化產(chǎn)氣情況表明，隨著碳鍵的增加，去除單位重量有機(jī)物的產(chǎn)氣量增加，而去除單位重量COD的產(chǎn)氣量則下降。

2．廢水COD濃度廢水的COD濃度越低，單位有機(jī)物的甲烷產(chǎn)率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在實(shí)際工程中，高濃度有機(jī)廢水的產(chǎn)氣率接近理論值，而低濃度有機(jī)廢水的產(chǎn)氣率則低于理論值。3．沼氣中的甲烷含量沼氣中的甲烷含量越高，其在水中的溶解度越大。故甲烷的實(shí)際產(chǎn)氣率越低。4．生物相的影響產(chǎn)氣率還與系統(tǒng)中硫酸鹽還原菌及反硝化細(xì)菌等的活動(dòng)有關(guān)。若系統(tǒng)中上述菌較多，則由于這些菌會(huì)與產(chǎn)甲烷菌爭(zhēng)奪碳源，從而使產(chǎn)氣率下降。5．工藝條件影響對(duì)同種廢水，在不同的工藝條件下，其去除單位重量COD的產(chǎn)氣量不同。詳細(xì)討論參閱本章第二節(jié)。6．去除的COD中用于合成細(xì)菌細(xì)胞所占的比例對(duì)于等當(dāng)量COD的不同有機(jī)物，厭氧消化時(shí)用于細(xì)菌細(xì)胞合成的系數(shù)有一定的差異，故產(chǎn)氣率不是常量。去除的COD中用于合成細(xì)菌細(xì)胞所占的比例越大，則分解用以產(chǎn)生甲烷的比例將越小，從而去除1kgCOD的甲烷產(chǎn)量越低。一般情況下，變幅小于10％。934.消化池的熱量計(jì)算

消化池所需的熱量包括：將廢水提高到池溫所需的熱量和補(bǔ)償池壁、池蓋所散失的熱量。提高廢水溫度所需的熱量為Q1：

Q1=qv·C（t2-t1）

qv——廢水投加量，m3／h；

C——廢水的比熱，約為4200kJ／m3·℃(實(shí)驗(yàn)值)；

t2——消化池溫度，℃；

t1——廢水溫度，℃。

2/5/202394消化池溫度高于周圍環(huán)境，一般采用中溫。通過(guò)池壁、池蓋等散失的熱量,Q2與池子構(gòu)造和材料有關(guān)，可用下式估算：

Q2=K·A（t2-t1）式中：A——散熱面積，m2；

K——傳熱系數(shù)，kJ／(h．m2·℃)；

t2——消化池內(nèi)壁溫度，℃

t1——消化池外壁溫度，℃2/5/2023955.工藝流程設(shè)計(jì)§15-4厭氧設(shè)備的運(yùn)行管理

一、厭氧設(shè)備的啟動(dòng)

厭氧設(shè)備在進(jìn)入正常運(yùn)行之前應(yīng)進(jìn)行污泥的培養(yǎng)和馴化。厭氧處理工藝的缺點(diǎn)之一是微生物增殖緩慢，設(shè)備啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，若能取得大量的厭氧活性污泥就可縮短投產(chǎn)期。厭氧污泥可以取自正在工作的厭氧處理構(gòu)筑物或江河湖泊沼澤底、下水道及污水集積腐臭處等厭氧生境中的污泥，最好選擇同類物料厭氧消化污泥。如果采用一般的未經(jīng)消化的有機(jī)污泥自行培養(yǎng)，所需時(shí)間更長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，接種污泥量為反應(yīng)器有效容積的10％-90％，依