第五章 厌氧生物处理工艺 第一节 厌氧生物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 现代高速厌氧生物反应器 第五节 厌氧生物处理工艺的运行管理 第一节 厌氧生物处理工艺的发展 概况及特征 一、厌氧生物处理工艺的发展简史 二、厌氧生物处理的主要特征 一、厌氧生物处理工艺的发展简史 1.第一代厌氧生物反应器（上个世纪初期） 人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城 市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（ 如各种厌氧消化池等）这些厌氧反应器现在通称 为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是： ① HRT很长（污泥消化池的HRT会长达90天）；② 处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③ 具有浓 臭的气味以上这些特点使得人们对于进一步开发 和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利 用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成 功 2.第二代厌氧反应器（50年代） 当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后 期，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理 这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处 理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”， 主 要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌 氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、 厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； 它们的主要特点有：① HRT大大缩短，有机负荷 大大提高，处理效率大大提高； ② HRT与SRT分离 ，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物 量很高。
2.第三代厌氧反应器 进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要 特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发 展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床 （EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器其 中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器 内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与 微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理 较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器 则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物 过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分 循环与混合，可以达到更高的有机负荷这些反应 器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器” 二、厌氧生物处理的主要特征 1、主要优点 ① 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气 ）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气 ，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生 物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还 会产生大量的沼气，其中主要的有效成分是甲烷， 是一种可以燃烧的气体，具有很高的利用价值，可 以直接用于锅炉燃烧或发电； ② 污泥产量很低；这是由于在厌氧生物处理过程 中废水中的大部分有机污染物都被用来产生沼气— —甲烷和二氧化碳了，用于细胞合成的有机物相对 来说要少得多；同时，厌氧微生物的增殖速率比好 氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为 0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为 0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为 0.25~0.6kgVSS/kgCOD。
③ 厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一 些有机物进行降解或部分降解；因此，对于某些含 有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可 以获得更好的处理效果，或者可以利用厌氧工艺作 为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后 续好氧处理工艺的处理效果 ④④氮、磷营养需要量较少氮、磷营养需要量较少 ⑤⑤ 好氧法一般要求好氧法一般要求BOD:N:PBOD:N:P为为l00:5:1l00:5:1，，而而 厌氧法的厌氧法的BOD:N:PBOD:N:P为为l00:2.5:0.5l00:2.5:0.5，，对氮、磷对氮、磷 缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少 ⑥⑥⑤⑤有杀菌作用有杀菌作用 ⑦⑦ 厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以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、病毒等杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等 ⑧⑧⑥⑥污泥易贮存污泥易贮存 ⑨⑨ 厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应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器可以季节性或间歇性运转 2、主要缺点 ① 厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程 较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、 不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化 过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制 ，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术 要求； ② 厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、 pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行 和应用受到很多限制和困难； ③ 虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废 水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质 仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的 处理； ④ 厌氧生物处理的气味较大； ⑤ 对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件 下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的 有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。
第二节 早期的厌氧生物反应器 这是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从 1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世 纪的20年代；主要代表有：① 1881年法国Mouras 的自动净化器：② 1891年英国Moncriff的装有填料 的升流式反应器：③ 1895年，英国设计的化粪池（ Septic Tank）；④ 1905年，德国的Imhoff池（又 称隐化池、双层沉淀池）；等等 早期厌氧生物反应器的共同特点是 ： ① 处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的 污泥； ② 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出 水水质； ③ 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和 下层消化池； ④ 停留时间很长，出水水质也较差； 后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广 泛推广，在我国目前仍有应用 化粪池 化粪池用于处理来自厕所的粪便污水广泛用于不设污 水厂的合流制排水系统例如，郊区的别墅式建筑 下图是化粪池的一种构造方式 第三节 厌氧消化池 一、消化池的类型与构造 二、消化池的设计计算 三、沼气的收集与利用 一、消化池的类型与构造 概述 厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥 ，也可应用于处理固体含量很高的有机废水； 它的主要作用是：① 将污泥中的一部分有机物 转化为沼气；② 将污泥中的一部分有机物转化 成为稳定性良好的腐殖质；③ 提高污泥的脱水 性能；④ 使得污泥的体积减少1/2以上；⑤ 使污 泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利 于污泥的进一步处理和利用。
1、消化池的分类 消化池可以按其形状分为：圆柱形、椭圆 形（卵形）和龟甲形等几种形式；也可以按 其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式 和浮动盖式的消化池；或者还可以按其运行 方式的不同分为：传统消化池和高速消化池 1) 传统消化池： 传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设 置加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为 浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中 只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行 ，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统 消化池的最大特点就是消化反应速率很低，HRT 很长，一般为30~90天 2) 高速消化池 与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有 加热、搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需 的时间，也提高了沼气产量，在中温（30~35C ）条件下，其HRT可以为15天左右，运行效果 稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓 缩，上清液与熟污泥不易分离 3) 两级串联消化池 两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用 不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮 存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的HRT 的比值可采用1 : 1~1 : 4，一般为1 : 2。
2、消化池的构造 消化池一般由池顶、池底和池体三部分组 成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和 浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集 消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一 般为倒圆锥形，有利于排放熟污泥 1) 消化池内的搅拌： 在高速消化池内均设有搅拌装置，可以分为机械 搅拌和沼气搅拌两种形式其中的机械搅拌又分为 ：① 泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送 至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌；② 螺旋 浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；③ 水射 器搅拌：利用污泥泵从消化池中抽取污泥后通过水 射器喷射进入消化池，可以起到循环搅拌的作用 而沼气搅拌又可以分为：① 气提式搅拌；② 竖管式 搅拌；③ 气体扩散式搅拌 2) 消化池内的加热： 消化池内的加热方式主要有：① 池内蒸汽直接 加热，其优点是设备简单，但容易造成局部污泥过 热，会影响厌氧微生物的正常活动，而且蒸气直接 通入池内会增加污泥的含水率；② 池外加热：将 进入消化池的污泥预热后再投配到消化池中，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。
二、消化池的设计计算 消化池的设计计算的主要内容包括：① 消 化池体积的计算与池体设计；② 消化池内搅 拌设备的设计与计算；③ 消化池所需要的加 热保温系统的设计与计算；等 1、消化池的池体设计 v目前，国内一般按污泥投配率来计算所 需的消化池容积，即： 式中： lV——消化池的有效容积，m3； lV’——每天需要处理的新鲜污泥的统计 ，m3/d； lp ——污泥投配率 v一般当采用高速消化池来处理来自城 市生活污水处理长的剩余污泥时，在 消化温度为30~35C时，投配率p可取 6~18%；在实际工程中，一般要求消化 池不少于2个，以便轮流检修 v而国外则多按固体负荷率来计算消化 池的有效容积，即： 式中： lGs——每日需要处理的污泥干固体量 ，kgVSS/d； lLv——单位容积消化池固体负荷率， kgVSS/m3.d v一般认为固体负荷率Lv值与污泥的含固 率、消化池内的反应温度等有关，下表中 的数据可供参考： 污泥含固 率（% ） 固体负荷率（kgVSS/m3.d） 24C29C33C35C 41.532.042.553.06 51.912.553.193.83 62.303.063.834.59 72.683.574.465.36 2、消化池的结构尺寸 在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消 化池各部的结构尺寸，其一般要求如下： ① 圆柱形池体的直径一般为6~35m； ② 柱体高径之比为1：2； ③ 池总高与直径之比为0.8~1.0； ④ 池底坡度一般为0.08； ⑤ 池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为 2.0m； ⑥ 池顶至少设两个直径为0.7m的入孔。
3、消化池的工艺管道 在消化池中还需要设置多种工艺管 道，其中主要包括：① 污泥管：进泥 管、出泥管、循环搅拌管；② 上清液 排放管；③ 溢流管；④ 沼气管；⑤ 取 样管；等 三、沼气的收集与利用 1、污泥消化过程中沼气产量的估算： 沼气成分：一般认为CH4 50~70%，CO2 20~30% ，H2 2~5%，N2 ~10%，微量H2S等；沼气产率是 指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3 沼气/m3生污泥；产气率与污泥的性质、污泥投配率 、污泥含水率、发酵温度等有关；当污泥来自城市污 水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投 配率为6~8%，产气率可达10~12 m3沼气/m3生污泥 ；高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26 m3沼气/m。