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第八章废水厌氧生物处理工艺厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理工艺的发展概况及特征早期的厌氧生物反应器厌氧消化池现代高速厌氧生物反应器厌氧生物处理的基本原理早期，被称为厌氧消化、厌氧发酵；实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性厌氧）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。厌氧消化过程的基本生物过程——阶段性理论①厌氧反应过程中的阶段性②两阶段理论③三阶段理论④四类群理论厌氧消化的两阶段理论水解细菌产酸菌有机物小分子有机物酸性发酵阶段产甲烷菌脂肪酸、醇类、H2、CO2CO2、CH4碱性发酵阶段发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能：水解和酸化，主要产物：脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要的微生物：统称为发酵细菌或产酸细菌；主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。厌氧消化的两阶段理论水解细菌产酸菌有机物小分子有机物酸性发酵阶段产甲烷菌脂肪酸、醇类、H2、CO2CO2、CH4碱性发酵阶段产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与微生物统称为产甲烷细菌；其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。厌氧消化的三阶段理论两阶段理论的问题：研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4；因而，提出了“三阶段理论”厌氧消化的三阶段理论说明：1）I、II、III为三阶段理论，2）I、II、III、IV为四类群理论；产氢产乙酸菌II乙酸H2+CO2同型产乙酸菌IV脂肪酸、醇类有机物发酵性细菌ICH4+CO2III产甲烷菌和四类群理论三阶段水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。四类群理论同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。三阶段、四类群是目前认为的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。厌氧生物处理工艺的发展概况及特征第一节厌氧处理工艺的发展概况及特征第二节早期的厌氧生物反应器第三节厌氧消化池第四节现代高速厌氧反应器一、厌氧生物处理工艺的发展简史①厌氧过程广泛存在于自然界中；②1881年，法国，LouisMouras，“自动净化器”；③处理城市污水的化粪池、处理剩余污泥的各种厌氧消化池等；——HRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等；第一节厌氧处理工艺的发展概况及特征④70年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理；•厌氧接触法（AnaerobicContactProcess）•厌氧滤池（AnaerobicFilter、AF）•上流式厌氧污泥层（床）反应器(UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)、UASB)•厌氧流化床(AnaerobicFluidizedBed、AFB)•厌氧附着膜膨胀床(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed、AAFEB)•厌氧生物转盘（AnaerobicRotatedBiologicalDisc、ARBD）•挡板式厌氧反应器（AnaerobicBaffledReactor、ABR）现代高速厌氧反应器的主要特点：——HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则较短，反应器内生物量很高。——HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高；⑤90年代以后，在UASB反应器基础上又发展起来了EGSB和IC反应器；——EGSB反应器，处理低温低浓度的有机废水；——IC反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有机负荷。二、厌氧生物处理的主要特征主要优点：•能耗低，且还可回收生物能（沼气）；•污泥产量低；——厌氧微生物的增殖速率低，——产酸菌的产率系数Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，——产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，——好氧微生物的产率系数约为0.5~0.6kgVSS/kgCOD。•厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的某些有机物进行降解或部分降解；厌氧工艺与好氧工艺的比较主要缺点：•反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；•对温度、pH等环境因素较敏感；•出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；•气味较大；•对氨氮的去除效果不好等三、厌氧技术是我国水污染控制的重要手段•我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；•我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；•目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；•厌氧工艺的突出优点是：①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等•厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。第二节早期的厌氧生物反应器•从1881年到上世纪20年代；•1881年，法国Mouras的自动净化器；•1891年，英国Moncriff的装有填料的升流式反应器；•1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；•1905年，德国的ImhoffTank池（又称隐化池、双层沉淀池）SepticTank（化粪池）进水出水浮渣污泥气体ImhoffTank（又称双层沉淀池）进水沉淀熟污泥层污泥消化区双层沉淀池的结构示意图气体污泥层消化区沉淀区沉淀区气体气体出水进水沉淀区沉淀区截面图平面图早期厌氧生物反应器的特点①对废水的处理主要是沉淀，有些还能对沉淀下来的污泥进行部分处理；②停留时间较长，出水水质不好；③目前仍有应用厌氧消化发展的第二阶段，厌氧消化作为剩余污泥处理的主要手段，1927年，加热装置；随后，机械搅拌器；50年代初，沼气循环搅拌装置；高速消化池，至今仍是污泥处理的主要技术。第三节厌氧消化池1消化池的类型与构造主要应用范围：处理剩余污泥，处理固体含量很高的有机废水；主要作用：①将部分有机物转变为沼气；②将部分有机物转化成稳定性较好的腐殖质；③提高污泥的脱水性能；④可减少污泥体积1/2以上；⑤灭活致病微生物。消化池的分类：按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形；按池顶结构：固定盖式和浮动盖式；按运行方式：传统消化池和高速消化池。A、传统消化池：又称低速消化池，无加热和搅拌装置；有分层现象：只有部分容积有效；消化速率很低，HRT很长（30~90天）。熟污泥上清液沼气生污泥浮渣层上清液层反应层熟污泥层沼气气室B、高速消化池•设有加热和搅拌装置；•缩短了HRT，提高了沼气产量，在中温（30~35C）条件下，一般消化时间为15天左右，运行稳定；•但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液不能分离。C、两级消化池•两级串联，第一级是高速消化池，第二级则不设搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能分离上清液；•二者的HRT的比值可采用1:1~4:1，一般为2:1。厌氧消化池中的加热①池内蒸汽直接加热：设备简单，局部污泥易过热，会影响厌氧微生物的正常活动，并会增加污泥含水率；②池外加热：把污泥预热后投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。高碑店污泥消化池高碑店污泥消化池杭州四堡污水厂污泥消化池青岛市团岛污水厂污泥消化池2沼气的收集与利用•污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；•沼气的热值很高（一般为21000~25000kJ/m3，即5000~6000kCal/m3），是一种可利用的生物能源。高碑店沼气发电机第四节现代高速厌氧反应器一、厌氧接触法工艺二、厌氧生物滤池工艺三、上流式厌氧污泥床（UASB）工艺现代高速厌氧反应器的产生与发展厌氧消化技术发展上的第三个时期；1955年，Schroepter首先提出了厌氧接触法参考活性污泥法，增设二沉池和污泥回流系统；处理能力提高，应用于食品包装废水的处理；标志着厌氧技术应用于有机废水处理的开端。随后:厌氧生物滤池AF(AnaerobicFilter)、上流式厌氧污泥床UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)、厌氧流化床AFB(AnaerobicFluidizedBed)等现代高速厌氧反应器的主要特点:•微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长；•容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；•应用于高浓度有机工业废水的处理，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药工业废水、屠宰废水等；•也能应用于城市废水等低浓度废水的处理；•与好氧工艺的串联和组合，可以脱氮和除磷；•含难降解有机物的工业废水的处理。一、厌氧接触法（AnaerobicContactProcess）1、厌氧接触法的工艺流程2、厌氧接触法的特点实质是厌氧活性污泥法，污泥回流是其最大的特点；污泥回流使得HRT与SRT分离；厌氧反应器产泥量很少，几乎不排剩余污泥。与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有：①污泥浓度高，一般为5~10gVSS/l；②有机容积负荷高：中温，COD负荷1~6kgCOD/m3.d，去除率为70~80%；BOD5负荷0.5~2.5kgBOD/m3.d，去除率80~90%；③出水水质较好；④流程较复杂；⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度很高的废水。厌氧接触法存在的问题最大的问题是污泥的沉淀：•污泥上附着有小气泡；•二沉池中污泥易上浮。改进措施：•真空脱气设备•增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。二、厌氧生物滤池1、厌氧生物滤池的工艺特征•60年代末，美国，Young和McCarty•1972年，第一座生产性AF投入运行•与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量的悬浮生长的微生物，废水通过滤料层(上向流或下向流)时，有机物被截留、吸附及分解。升流式厌氧生物滤池进水沼气出水填料布水系统2、厌氧生物滤池的构造特征其它形式的厌氧生物滤池降流式厌氧生物滤池进水沼气出水填料布水系统•生物膜厚度约为1~4mm；生物固体浓度沿滤料层高度而有变化；•适合于处理多种类型、浓度的有机废水，•有机负荷为0.2~16kgCOD/m3.d；•当进水浓度过高时，应采用出水回流的措施：①减少碱度的要求；②降低进水COD浓度；③增大进水流量，改善进水分布条件。(3)厌氧生物滤池的运行特征厌氧生物滤池的优缺点：优点：•生物固体浓度高，有机负荷高；•SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；•启动时间较短，停止运行后的再启动较容易；•无需回流污泥，运行管理方便；•运行稳定性较好。缺点：体积利用率较低，滤料易堵塞三、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器•UpflowAnaerobicSludgeBedReactor,简称UASB反应器；•70年代，荷兰Wageningen农业大学，Lettinga教授世界范围内厌氧工艺的应用情况（截止1999年3月共1303个项目）LAG6%HYBR4%FB2%EGSB11%CSTR10%AF8%UASB59%国内厌氧反应器的应用（共219个项目）UASB58%全混29%AF+UASB1%UBF1%AF1%其它10%UBF=UASB+AF(1)进水配水系统(2)反应区(3)三相分离器(4)出水系统沼气出水(5)集气罩悬浮污泥区颗粒污泥区1、UASB反应器的工作原理与构造2、UASB反