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、厭氧生物處理的對象1、有機污泥有機污泥包括廢水好氧生物處理過程生成的大量活性污泥和生物膜，初沉池可沉淀的有機固體，以及人畜的糞便等。2、有機廢水食品工業(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)以專門利用生物質(zhì)轉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物，防止對水體的污染。3、利用污水廠污泥和高濃度有機廢水產(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70年代年提出(1)第一階段：水解和發(fā)酵性細菌將復雜有機物水解為小分子有機物如：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，再脫氨基成有機酸和氨；

脂類水解為低級脂肪酸和醇,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；將三碳以上有機酸、長鏈脂肪酸、芳香族酸及醇等分解為乙酸和H2的細菌和硫酸還原菌。(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)乙酸細菌將CO2和H2轉化為乙酸的過程。其作用目前尚在研究。四、厭氧法的影響因素厭氧法對環(huán)境條件的要求比好氧法更嚴格。一般認為，控制厭氧處理效率的基本因素有2類：一類是基礎因素，包括微生物量(污泥濃度)、營養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機負荷等；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，有機物去除率提高，產(chǎn)氣量提高。溫度的急劇變化和上下波動不利于厭氧消化作用。短時內(nèi)溫度升降5℃，沼氣產(chǎn)量明顯下降，波動的幅度過大時，甚至停止產(chǎn)氣。溫度的波動，不僅影響沼氣產(chǎn)量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對溫度變化更為敏感。溫度的暫時性突然降低不會使厭氧消化系統(tǒng)遭受根本性的破壞，溫度一經(jīng)恢復到原來水平時，處理效率和產(chǎn)氣量也隨之恢復。

2、pH值

每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動，產(chǎn)酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，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用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構筑物內(nèi)進行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應器內(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，還取決于有機物代謝過程中某些產(chǎn)物的增減。(產(chǎn)酸作用產(chǎn)物使有機酸的含量增加，會使pH值下降。含氮有機物分解產(chǎn)物氨的增加，會引起pH值升高。)

在生產(chǎn)運轉中常把揮發(fā)酸濃度及堿度作為管理指標。

3、氧化還原電位無氧環(huán)境是嚴格厭氧的產(chǎn)甲烷菌繁殖的最基本條件之一。產(chǎn)甲烷菌對氧和氧化劑非常敏感，這是因為它不象好氧菌那樣具有過氧化氫酶。氧是影響厭氧反應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、有機負荷在通常的情況下，常規(guī)厭氧消化工藝中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機負荷為2-3kgCOD/(m3·d)，在高溫下為4-6kgCOD/(m3·d)。上流式厭氧污泥床反應器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機負荷在中溫下為5-15kgCOD/(m3·d)，可高達30kgCOD/(m3·d)。在處理具體廢水時，最好通過試驗來確定其最適宜的有機負荷。

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物、無機物組成。厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎保證。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，促進沼氣分離。在連續(xù)投料的消化池中，還使進料迅速與池中原有料液相混勻。攪拌的方法：(1)機械攪拌器攪拌法；(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備，雖沒有專設攪拌裝置，但以上流的方式連續(xù)投入料液，通過液流及其擴散作用，也起到一定程度的攪拌作用。7、廢水的營養(yǎng)比

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

8、有毒物質(zhì)

包括有毒有機物、重金屬離子和一些陰離子等。對有機物來說，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結構，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)的運行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作控制條件等因素有關。

五、厭氧生物處理的主要特征1、優(yōu)點

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

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

(7)厭氧方法的菌種沉降性能好，生物活性保存期長，中止營養(yǎng)條件下可保留至少1年以上。(8)密閉系統(tǒng)，臭味對環(huán)境影響小。2、主要缺點①厭氧生物處理過程中所涉及到的生化反應過程較為復雜;②厭氧微生物特別是其中的產(chǎn)甲烷細菌對溫度、pH等環(huán)境因素非常敏感，也使得厭氧反應器的運行和應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行進一步的處理；④厭氧生物處理的氣味較大；⑤對氨氮的去除效果不好，一般認為在厭氧條件下氨氮不會降低，而且還可能由于原廢水中含有的有機氮在厭氧條件下的轉化導致氨氮濃度的上升。⑥厭氧反應器初次啟動過程緩慢，一般需要8～12周時間?！?5-2厭氧生物處理裝置

按微生物生長狀態(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、厭氧生物轉盤等。

厭氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)厭氧生物膜法(anaerobicslime)按投料、出料及運行方式分為分批式(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)轉化反應的總過程是否在同一反應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器

這是厭氧消化應用于廢水處理的初級階段，是從1881年法國Mouras設計的自動凈化器開始到本世紀的20年代；主要代表有：①1881年法國Mouras的自動凈化器：②1891年英國Moncriff的裝有填料的升流式反應器：③1895年，英國設計的化糞池（SepticTank）；④1905年，德國的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器的共同特點是：①處理廢水的同時，也處理從廢水中沉淀下來的污泥；②前幾種構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，有上層沉淀池和下層消化池；④停留時間很長，出水水質(zhì)也較差；⑤后兩種反應器曾在英、美、德、法等國得到廣泛推廣，在我國目前仍有應用。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發(fā)和推廣應用，厭氧生物處理被認為是效率低、HRT長、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用，產(chǎn)生的剩余污泥也越來越多，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，又增加了機械攪拌器，反應速率進一步提高；50年代初又開發(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。普通消化池的特點是:

(1)可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。(2)厭氧消化反應與固液分離在同一個池內(nèi)實現(xiàn)，結構較簡單。(3)缺乏持留或補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胞。(4)對無攪拌的消化器，還存在料液分層現(xiàn)象嚴重，微生物不能與料液均勻接觸的問題。(5)溫度不均勻，消化效率低。

為使進料與厭氧污泥盡快接觸、使所產(chǎn)沼氣氣泡及時逸出而設置攪拌裝置。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)熱交換器預熱到規(guī)定溫度再進入消化池；(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，在消化池中設有加熱和/或攪拌裝置，可縮短有機物穩(wěn)定所需的時間，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器厭氧消化技術發(fā)展上的第三個時期：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上，在高速消化池之后增設二沉池和污泥回流系統(tǒng)，并將其應用于有機廢水的處理；處理能力提高，應用于食品包裝廢水的處理；標志著厭氧技術應用于有機廢水處理的開端。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器UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)、厭氧附著膜膨脹床反應器AAFEB(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed)、厭氧流化床AFB(AnaerobicFluidizedBed)等高效厭氧反應器，在這些厭氧反應器中，主要具有如下特點：微生物不呈懸浮生長狀態(tài)，而是呈附著生長；有機容積負荷大大提高，水力停留時間顯著縮短；首先應用于高濃度有機工業(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；也有應用于城市廢水的處理；如果與好氧生物處理工藝進行串聯(lián)或組合，還可以同時實現(xiàn)脫氮和除磷；并對含有難降解有機物的工業(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充厭氧活性污泥的缺點，在消化池后設沉淀池，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:(1)通過污泥回流，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；(2)消化池的容積負荷較普通消化池高，中溫消化時，一般為2～l0kgCOD/m3·d，水力停留時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備；(5)厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進行固液分離的缺點。

厭氧接觸法的缺點:2、上流式厭氧污泥床反應器（USAB

）上流式厭氧污泥床反應器（upflowanaerobicsludgebedreactor），簡稱UASB反應器，是由荷蘭的G.Lettnga等人在20世紀70年代初研制開發(fā)的。污泥床反應器內(nèi)沒有載體，是一種懸浮生長型的消化器。由反應區(qū)(reactionregion)、沉淀區(qū)(settlingregion)和氣室(gascollectiondome)三部分組成。

反應區(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，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構。

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：細菌很容易在惰性材料表面上附著并結團。污泥中存在大量的絲狀菌，具有較強的附著能力。

UASB反應器初次啟動的操作原則1、啟動階段的目的：污泥適應將要處理廢水中的有機物污泥具有很好的沉降性2、啟動時要遵守的原則：最初污泥負荷不要太高在揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應增加反應器負荷控制厭氧細菌的生存環(huán)境種泥量要盡量多控制一定的上升流速3.形成顆粒污泥的過程：啟動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.反應器的工藝條件4.不同的出水乙酸濃度可以決定優(yōu)勢菌種影響污泥顆?；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)過程中所能進入顆粒內(nèi)部的深度3.有機負荷的高低4.如果低負荷忽然增加負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.相對密度在1.01---1.05左右4.污泥指數(shù)與顆粒大小有關5.顆粒污泥在反應器中的沉降速率為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)酸細菌和產(chǎn)甲烷細菌，產(chǎn)酸細菌在顆粒外部，產(chǎn)甲烷細菌在顆粒污泥內(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反應器的結構設計原理

UASB反應器的構造

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

2.反應區(qū)，反應區(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行混合接觸，污泥中的微生物分解有機物，同時產(chǎn)生的微小沼氣氣泡不斷地放出。微小氣泡在上升過程中，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，形成一個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、固體和液體三相進行分離。

4.集氣室，其功能是收集產(chǎn)生的沼氣，并將其導出氣室送往沼氣柜。

5.處理水排出系統(tǒng)，均勻收集處理水并將其排出反應器。

UASB反應器的設計計算1.UASB反應器設計計算的主要內(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進水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、三相分離器等主要設備的設計計算；③其它設備和管道如排泥和排渣系統(tǒng)等的設計計算2.有效容積及主要構造尺寸的確定：

UASB反應器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應區(qū)的總容積作為反應器的有效容積進行考慮，多采用進水容積負荷法確定，即：

V=Q×Si/Lv

式中：Q——廢水流量，m3/d；

Si——進水有機物濃度，mgCOD/l；

Lv——COD容積負荷，kgCOD/m3.d。3.三相分離器的設計：三相分離器的基本原理與構造在UASB反應器中三相分離器可以有以下幾種布置形式①沉淀區(qū)的設計：要求表面負荷應小于1.0m3/m2.d；集氣罩斜面的坡度應為55~60°；沉淀區(qū)的總水深應不小于1.5m，廢水在沉淀區(qū)的停留時間應在1.5~2.0h之間；②回流縫的設計；③氣液分離效果的計算與校核；三相分離器的設計要點上升流速4.出水系統(tǒng)的設計：5.浮渣清除系統(tǒng)的設計：6.排泥系統(tǒng)設計：7.其他設計中應考慮的問題：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，布水應盡量均勻，避免溝流，進水方式分為間歇式，脈沖式，連續(xù)均勻流，連續(xù)與間歇回流結合9.進水水質(zhì)的特性：應考慮是否影響污泥的顆?；纬膳菽母≡?、降解速率等問題。10.UASB的有機容積負荷：確定有機負荷，以及進水流量和進水COD，可確定反應器的有效容積。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入排氣系統(tǒng)。UASB優(yōu)點

(1)反應器內(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反應器的一個重要特征。(3)有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷一般為10～20kgCOD/（m3·d）；(4)反應器內(nèi)設三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動回流到反應區(qū)，一般無污泥回流設備；(5)無混合攪拌設備。投產(chǎn)運行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進水來攪動；污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價及避免堵塞問題。

缺點

(1)反應器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。進水中的懸浮物應比普通消化池低得多，特別是難消化的有機物固體不宜太高，以免對污泥顆?；焕驕p少反應區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；(2)運行啟動時間長，對水質(zhì)和負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器，是60年代末開發(fā)的新型高效厭氧處理裝置。廢水從池底進入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進入，以降流的形式流過填料層，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，當廢水通過填料層時，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，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，在池進水部位高，相應的有機物去除速度快。當廢水中有機物濃度高，特別是進水懸浮固體濃度和顆粒較大時，進水部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

為此，對厭氧生物濾池采取如下改進：（1）出水回流，使進水有機物濃度得以稀釋，同時提高池內(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：濾池前段下部進水，后段上部溢流出水，頂部設氣室，底部設污泥排放口，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

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

厭氧流化床是借鑒流態(tài)化技術的一種生物反應裝置。它以小粒徑載體為流化粒料，廢水作為流化介質(zhì)，當廢水以升流式通過床體時，與床中附著于載體上的厭氧微生物膜不斷接觸反應，達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，比表面積大，可高達2000～3000m2/m3左右，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，因此有機物容積負荷大，一般為10～40kgCOD/m3·d，水力停留時間短，具有較強的耐沖擊負荷能力，運行穩(wěn)定；（2）載體處于流化狀態(tài)，無床層堵塞現(xiàn)象，對高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能；（3）載體流化時，廢水與微生物之間接觸面大，同時兩者相對運動速度快，強化了傳質(zhì)過程，從而具有較高的有機物凈化速度；（4）床內(nèi)生物膜停留時間較長，剩余污泥量少；（5）結構緊湊、占地少以及基建投資省等。

優(yōu)點

缺點（6）但載體流化耗能較大，且對系統(tǒng)的管理技術要求較高。

為了降低動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，不需回流，在一定時間間歇后，又啟動回流泵，呈流化床運行；（2）盡可能取質(zhì)輕、粒細的載體，如粒徑20～30μm、相對密度1.05～1.2g/cm3的載體。保持低的回流量，甚至免除回流就可實現(xiàn)床層流態(tài)化。

5、厭氧生物轉盤和擋板反應器

厭氧生物轉盤的構造與好氧生物轉盤相似，不同之處在于盤片大部分(70％以上)或全部浸沒在廢水中，為保證厭氧條件和收集沼氣，整個生物轉盤設在一個密閉的容器內(nèi)。

厭氧生物轉盤

(1)構造由盤片、密封的反應槽、轉軸及驅動裝置等組成。

圖15-8厭氧生物轉盤構造圖

對廢水的凈化靠盤片表面的生物膜和懸浮在反應槽中的厭氧菌完成，產(chǎn)生的沼氣從反應槽頂排出。(2)運行由于盤片的轉動，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（a）厭氧生物轉盤內(nèi)微生物濃度高，因此有機物容積負荷高，水力停留時間短；（b）無堵塞問題，可處理較高濃度的有機廢水；（c）一般不需回流，所以動力消耗低；（d）耐沖擊能力強，運行穩(wěn)定，運轉管理方便。但盤片造價高。

厭氧擋板反應器是從研究厭氧生物轉盤發(fā)展而來的，生物轉盤不轉動即變成厭氧擋板反應器。

厭氧擋板反應器擋板反應器與生物轉盤相比，可減少盤的片數(shù)和省去轉動裝置。

6、兩步厭氧法和復合厭氧法

(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器組合的工藝系統(tǒng)。厭氧消化反應分別在兩個獨立的反應器中進行，每一反應器完成一個階段的反應，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器。

如對懸浮固體含量多的高濃度有機廢水，第一步反應器可選不易堵塞、效率稍低的反應裝置，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，控制條件之產(chǎn)生脂肪酸，盡量不產(chǎn)生沼氣沉淀分離，去除不溶性有機物產(chǎn)甲烷階段，使第一步反應產(chǎn)生的有機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環(huán)境條件不同，第一步反應器可采用簡易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值范圍條件下運行；第二步反應器則要求嚴格密封、嚴格控制溫度和pH值范圍。

兩步厭氧法具有如下特點：(a)耐沖擊負荷能力強，運行穩(wěn)定，避免了一步法不耐高有機酸濃度的缺陷；(b)兩階段反應不在同一反應器中進行，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廢水。缺點：(d)但兩步法設備較多，流程和操作復雜。

(2)復合厭氧法

圖15-11

纖維填料厭氧濾池和UASB復合法工藝兩步厭氧法是由2個獨立的反應器串聯(lián)組合而成，而復合厭氧法是在一個反應器內(nèi)由2種厭氧法組合而成。

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

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

2．根據(jù)COD與產(chǎn)氣量關系計算在標準狀態(tài)下，1mol甲烷，相當于2mol（或64g）COD，則還原1gCOD相當于生成22.4/64=0.35L甲烷。

二、實際產(chǎn)氣率分析

在厭氧消化工藝中，實際產(chǎn)氣率受物料的性質(zhì)、工藝條件以及管理技術水平等多種因素的影響，在不同的場合，實際產(chǎn)氣率與理論值會有不同程度的差異。1.物料的性質(zhì)就厭氧分解等當量COD的不同有機物而言，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，在實際工程中，高濃度有機廢水的產(chǎn)氣率接近理論值，而低濃度有機廢水的產(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菌等的活動有關。若系統(tǒng)中上述菌較多，則由于這些菌會與產(chǎn)甲烷菌爭奪碳源，從而使產(chǎn)氣率下降。5．工藝條件影響對同種廢水，在不同的工藝條件下，其去除單位重量COD的產(chǎn)氣量不同。詳細討論參閱本章第二節(jié)。6．去除的COD中用于合成細菌細胞所占的比例對于等當量COD的不同有機物，厭氧消化時用于細菌細胞合成的系數(shù)有一定的差異，故產(chǎn)氣率不是常量。去除的COD中用于合成細菌細胞所占的比例越大，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·℃(實驗值)；

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。通過池壁、池蓋等散失的熱量,Q2與池子構造和材料有關，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.工藝流程設計§15-4厭氧設備的運行管理

一、厭氧設備的啟動

厭氧設備在進入正常運行之前應進行污泥的培養(yǎng)和馴化。厭氧處理工藝的缺點之一是微生物增殖緩慢，設備啟動時間長，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)消化的有機污泥自行培養(yǎng)，所需時間更長。一般來說，接種污泥量為反應器有效容積的10％-90％，依