污水的厭氧生物處理-污水處理課件

厭氧生物處理基本概念厭氧生物處理的基本生物過程及其特征又稱厭氧消化、The

toxicity

of

chlorine

dioxide由多種（厭氧或兼性）微生物的共同作用下，使有機物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。DO>0.5mg/L

，好氧；DO≈0.5mg/L，有NO

-、NO

-，2

3缺氧；

DO=0mg/L， 無NO

-、NO

-，厭氧。2

3112厭氧反應器的早期研究早期的厭氧處理生物處理，重點是解決城市污水廢污泥的處理問題。

1895年，英國的Cameron創(chuàng)造了一種類似Mouras自動凈化器的構筑物，被命名為化糞池。到1927年，Ruhrverband在專用的消化池中采用污泥加熱裝置之后，使得這種消化池得以推廣。到1950年，Morgan和Torpey的研究成果也促進了高效的、可加溫和攪拌的消化池的發(fā)展，導致了厭氧消化池中攪拌裝置的廣泛應用。上述這些反應器后來被統(tǒng)稱之為第一代反應器。由于厭氧微生物生長緩慢，時代時間長，而厭氧消化池無法將水力停留時間和污泥停留時間分離，由此造成水力停留時間必須較長，一般來講，第一代厭氧反應器處理廢水的停留時間至少20～30天。典型第一代厭氧反

應器的主要技術指標見表。主要技術指標化糞池普通消化池停留時間（d）150～36020～30有機負荷（g/L·d）1.0～1.5處理對象生活污水污泥、污水運行溫度常溫中、常溫3第一代厭氧生物反應器的共同特點是：①水力停留時間（HRT）很長，有時在污泥處理時，污泥消化池的HRT會長達90天，即使是目前在很多現(xiàn)代化城市污水處理廠內(nèi)所采用的污泥消化池的HRT也還長達20~30天；②雖然HRT相當長，但處理效率仍十分低，處理效果還很不好；③具有濃臭的氣味，因為在厭氧消化過程中原污泥中含有的有機氮或硫酸鹽等會在厭氧條件下分別轉(zhuǎn)化為氨氮或硫化氫，而它們都具有十分特別的臭味。以上這些特點使得人們對于進一步開發(fā)和利用厭氧生物過程的興趣大大降低，而且此時利用活性污泥法或生物膜法處理城市污水已經(jīng)十分成功。當進入上世紀50、60年代，特別是70年代的中后期，隨著世界范圍的能源危機的加劇，人們對利用厭氧消化過程處理有機廢水的研究得以強化，相繼出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的處理工藝，從此厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應用于廢水處理，真正成為一種可以與好氧生物處理工藝相提并論的廢水生物處理工藝。這些被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的厭氧生物處理工藝又被統(tǒng)一稱為“第二代厭氧生物反應器

”。4第二代厭氧反應器結(jié)構示意圖1974年，荷蘭的Lettinga等人開發(fā)了升流式厭氧污泥床反應器，標志著厭氧反應器的研究進入了新的時代。第二代厭氧反應器的典型代表有厭氧濾池(AF),上流式厭氧污泥床(UASB)，厭氧流化床(AFB)。第二代厭氧反應器5表1-2

第二代厭氧反應器的主要技術性能第二代厭氧生物反應器的共同特點是:①HRT大大縮短，有機負荷大大提高，處理效率大大提高；②主要包括：厭氧接觸法、厭氧濾池（AF）、上流式厭氧污泥床（UASB）反應器、厭氧流化床（AFB）、厭氧生物轉(zhuǎn)盤（ARBC）和擋板式厭氧反應器等；?HRT與SRT分離，SRT相對很長，HRT則可以較短，反應器內(nèi)生物量很高。6進入20世紀90年代以后，隨著以顆粒污泥為主要特點的UASB反應器的廣泛應用，在其基礎上又發(fā)展起來了同樣以顆粒污泥為根本的顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應器和厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）反應器。其中EGSB反應器利用外加的出水循環(huán)可以使反應器內(nèi)部形成很高的上升流速，提高反應器內(nèi)的基

質(zhì)與微生物之間的接觸和反應，可以在較低溫度

下處理較低濃度的有機廢水，如城市廢水等；而IC反應器則主要應用于處理高濃度有機廢水，依靠

厭氧生物過程本身所產(chǎn)生的大量沼氣形成內(nèi)部混

合液的充分循環(huán)與混合，可以達到更高的有機負

荷。這些反應器又被統(tǒng)一稱為“第三代厭氧生物反應器”。7第三代厭氧反應器九十年代初在國際上以厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB),內(nèi)循環(huán)反應器(IC),升流式厭氧污泥床過濾器(UBF）為代表的第三代厭氧反應器相繼出現(xiàn),圖1-2為EGSB和IC反應器及UBF反應器的結(jié)構示意圖。8第三代厭氧反應器的共同特點是：9微生物均以顆粒污泥固定化方式存在于反應器中，反應器單位容積的生物量更高。能承受更高的水力負荷，并具有較高的有機污染物凈化效能；具有較大的高徑比，一般在5～10以上；占地面積??；動力消耗小。表1-3

第三代厭氧反應器的主要技術性能1011121314152

厭氧法的基本原理廢水厭氧生物處理是指在無分子氧條件下通過

厭氧微生物(anaerobic

microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復雜有機物分解轉(zhuǎn)化成甲

烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物質(zhì)的過程，也稱為厭氧消化(anaerobic

digestion)

。對批量污泥靜置考察，可以見到污泥的消化過程明顯分為兩個階段。固態(tài)有機物先是液化，稱液

化階段；接著降解產(chǎn)物氣化，稱氣化階段；在常溫下，整個過程歷時半年以上。16傳統(tǒng)的厭氧消化理論為兩階段理論17第一階段：酸化階段，最顯著的特征是液態(tài)污泥的pH值迅速下降。污泥中的固態(tài)有機物或污水中的大分子化合物，如淀粉、纖維素、油脂、蛋白質(zhì)等，在無氧環(huán)境中降解時，轉(zhuǎn)化為有機酸、醇、醛、水分子

等液態(tài)產(chǎn)物和CO2、H2、NH3、H2S等氣體分子，氣體大多溶解在泥液中。轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中有機酸是主體。低

pH值有抑制細菌生長的作用，NH3的溶解產(chǎn)物

NH4OH有中和作用。第二階段：氣化階段，由低分子的有機酸經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化為氣體，氣體類似沼澤散發(fā)的氣體，可稱沼氣，主體是CH4，CO2也相當多，還

有微量H2、H2S等，因此氣化階段常稱甲烷化階段。18191967年，Bryant報告認為消化經(jīng)歷四個階段：先是水解

階段，固態(tài)有機物被細菌的胞外酶所水解；第二階段是酸化；在進入甲烷化階段之前，代謝中間液態(tài)產(chǎn)物都要乙酸化，稱

乙酸化階段；第四階段是甲烷化階段。然而甲烷化效率很高

的甲烷八疊球菌能夠代謝甲醇，乙酸和二氧化碳為甲烷。在工程技術上，研究甲烷細菌的通性是重要的，這將有助于打破厭氧生物處理過程分階段的現(xiàn)象，從而最大限度地

縮短處理過程的歷時。經(jīng)驗和研究表明，pH值和溫度是影響

甲烷細菌生長的兩個重要環(huán)境因素。pH值應在6.8～7.2之間。在35℃～38℃和52℃～55℃各有一個最適溫度。2021厭氧消化過程中的主要微生物2222發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌）、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等1、發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌）：主要功能：水解——在胞外酶的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物；酸化——將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；主要細菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機物種類等），有時會成為厭氧反應的限速步驟；產(chǎn)酸反應的速率較快；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2323(2)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：：主要功能：將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2主要反應：乙醇：丙酸丁酸注意：上述反應只有在乙酸濃度很低，系統(tǒng)中氫分壓很低時才能順利進行。主要細菌：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等

多數(shù)是嚴格厭氧菌或兼性厭氧菌。2424(3)產(chǎn)甲烷菌60年代Hungate開創(chuàng)了嚴格厭氧微生物培養(yǎng)技術；主要功能：將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物——乙酸和

H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行；一般可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌；一般來說，乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，但在厭氧反應器中，有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解；2525根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，其分類如下：

最新的分類（Bergy’s細菌手冊第九版），共分為：三2626目、七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：①產(chǎn)甲烷桿菌 ②產(chǎn)甲烷球菌 ③產(chǎn)甲烷八疊球菌 ④產(chǎn)甲烷絲菌在生物分類學上，產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）屬于古細菌（Archaebacteria），大小、外觀上與普通細菌（Eubacteria）相似，但實際上，其細胞成分特殊，特別是細胞壁的結(jié)構較特殊2727在自然界的分布，一般可以認為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地熱泉水、深海火山口、沉

積物等），但實際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲腸道、濕樹木、厭氧反應器等。產(chǎn)甲烷菌都是嚴格厭氧細菌，要求氧化還原電位在-150~-400mv，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達4~6天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應是厭氧消化的限速步驟。28283

厭氧法的工藝和設備29按微生物生長狀態(tài)分為厭氧活性污泥法

(anaerobic

activated

sludge)和厭氧生物膜法

(anaerobic

slime)；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(zhuǎn)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(one

stage

digestion)與兩步厭氧消化

(two

stage

digestion)等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。3．1普通厭氧消化池30普通消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池(conventional

digester)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。 為使進水與微生物盡快接觸，需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種：(a)池內(nèi)機械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環(huán)消化液攪拌。螺旋槳(機械)攪拌的消化池313233化糞池化糞池用于處理來自廁所的糞便污水。廣泛用于不設污水廠的合流制排水系統(tǒng)。例如，郊區(qū)的別墅式建筑。343．2厭氧濾池35厭氧濾池（anaerobic

filter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。 濾池呈圓柱形，池內(nèi)裝放填料，池底和池頂密封。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。363738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；啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短。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。39主要優(yōu)點：處理能力較高濾池內(nèi)可以保持很高的微生物濃度不需另設泥水分離設備、出水SS較

低

設備簡單、操作方便主要缺點：濾料費用較貴濾料容易堵塞403．3

厭氧接觸法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（anaerobic

contactprocess)。41厭氧接觸法實質(zhì)上是厭氧活性污泥法，

不需要曝氣而需要脫氣。厭氧接觸法對懸浮物高的有機廢水(如

肉類加工廢水等)效果很好，懸浮顆粒成為微生物的載體，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接觸池中，要進行適當攪拌以使污泥保持懸浮狀態(tài)。攪拌可以用機械方法，也可以用泵循環(huán)池水。4243443．4上流式厭氧污泥床反應器UASB概述基本特點（優(yōu)點、缺點）UASB的構造和組成顆粒污泥UASB的設計容積配水排泥的設計結(jié)構設計的要求三相分離器設計UASB的啟動45東西湖啤酒廠UASB上圖為UASB和氧化溝右圖為三相分離器4646上流式厭氧污泥床反應器（upflowanaerobic

sludge

blanket

reactor)，簡稱

UASB反應器，是由荷蘭的G.

Lettnga等人在70年代初研制開發(fā)的。污泥床反應器內(nèi)沒有人工載體，反應器內(nèi)微生物以自身聚集生長，為顆粒污泥狀態(tài)存在，因而能達到高生物量和高效高負荷。473.4.1概述48495051523.4.2上流式厭氧污泥床反應器的基本特點優(yōu)點：有機負荷居第二代反應器之首,水力負荷滿足要求;污泥顆?；笫狗磻鲗Σ焕麠l件的抗性增

強;在一定的水力負荷下，可以靠反應器內(nèi)產(chǎn)生的氣體來實現(xiàn)污泥與基質(zhì)的充分接觸。（a）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(sludge

bed)污泥濃度60-80g/L，污泥懸浮層(sludge

blanket)污泥濃度5-7g/L；53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。（b）有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷在小試驗和中型試驗中可高達20-40kg

COD/（m3·d）在大型生產(chǎn)裝置中可達到

6-8kg

COD/（m3·d）。（c）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；簡化了工藝，節(jié)約了投資和運行費用。（d）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；54（e）污泥床內(nèi)不填載體，提高了容積利用率，節(jié)省造價及避

免堵塞問題。55缺點：大型裝置內(nèi)會有短流現(xiàn)象（要求配水裝置性能要好）進水SS要求≤200mg/L，以免對污泥顆?；焕驕p少反應區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞在沒有顆粒污泥接種的情況下，啟動時間長對水質(zhì)和負荷突然變化比較敏感要求水溫高些，最好35℃左右。由圖可見，UASB工作

時，廢水從反應器底部進入，

與污泥床層的高濃度顆粒污泥接觸，污染物被分解產(chǎn)生沼氣。污水、污泥和沼氣一起向上流動，進入反應器的上部的三相分離器，完成氣、液、固三相的分離。被分離的消化氣從上部導出，被分離的污泥則自動滑落到懸浮污泥層。出水則從澄清區(qū)流出。3.4.3

UASB的構造和組成5657UASB反應器的組成58進水配水系統(tǒng) 將廢水盡可能均勻地分配

到整個反應器，并有水力攪拌功能。反應區(qū) 其中包括污泥床區(qū)和污泥懸浮層區(qū)，有機物主要在這里被厭氧菌所分解。三相分離器 由沉淀區(qū)、回流縫組成，其功能是把沼氣、污泥和液體分開。出水系統(tǒng) 其作用是把沉淀區(qū)表層處理過的水

均勻地 加以收集，排出反應器。氣室 也稱集氣罩，其作用是收集沼氣。浮渣清除系統(tǒng)

其功能是清除沉淀區(qū)液面和氣

室表面的浮渣，根據(jù)需要設置。排泥系統(tǒng) 其功能是均勻地排除反應區(qū)的剩余污泥。593.4.5

UASB的設計6060尚無完整的工程設計計算方法；主要內(nèi)容有：①池型選擇，有效容積的確定以及主要部位的尺寸；②設計進水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、和三相分離器等；③其它：排泥和排渣系統(tǒng)等。1、UASB反應器容積及主要構造尺寸的確定：UASB反應器的有效容積(包括沉淀區(qū)和反應區(qū))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容積負荷與反應溫度、廢水性質(zhì)和濃度以及是否形成顆粒污泥有關；對于食品工業(yè)廢水或與之性質(zhì)相近的廢水，一般可以形成顆粒污泥，在不同的反應溫度下的進水容積負荷如下：61