污水的厌氧生物处理污水的厌氧生物处理1 人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百年的历史由于传统的厌氧法存在水力停留时间长、有机负荷率低等特点，在过去很长时间里，没有得到广泛采用它仅限于处理污水厂的污泥、粪便等在废水处理方面，几乎都是采用好氧生物处理近二十多年来，世界上的能源问题突出，而随着生物学、生物化学等学科的发展和工程实践经验的累积，不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，克服了传统工艺的缺点，使得这一处理技术的理论和实践都有了很大进步，使它在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果和经济效益引言引言厌氧工艺多半是能量的净生产者，而好氧工艺则是能量的使用者厌氧工艺多半是能量的净生产者，而好氧工艺则是能量的使用者 人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百21.厌氧氧处理的理的优缺点缺点p优点：点：1）工艺稳定2）减少剩余污泥处置费用3）减少补充氮、磷营养的费用4）贮存能量并具有生态和经济上的优点5）运行简单6）无尾气污染（挥发性有机物）7）处理含表面活性剂废水无泡沫问题8）可以处理好氧过程中不可生物降解物质9）减少氯化有机物的毒性10）可以处理季节性排放的废水第一第一节 厌氧生物氧生物处理的基本原理理的基本原理1.厌氧处理的优缺点优点：第一节 厌氧生物处理的基本原理3p可能的缺点：可能的缺点：1）为增加反应器内生物量启动时间长2）低浓度或碳水化合物废水碱度不足3）某些情况下出水水质不能满足排放到地表水体的要求4）水质浓度低产生的甲烷的热量不足以使水温加热到35度的厌氧生物处理最佳温度5）含有SO42-的废水会产生硫化物和气味6）无硝化作用7）氯化的脂肪族化合物对甲烷菌的毒性比对好氧异养菌大8）低温下动力学速率低9）生物活性最大时要求NH4+浓度高，约40-70mg/L可能的缺点：42.2.厌厌氧与好氧生物技氧与好氧生物技氧与好氧生物技氧与好氧生物技术术的比的比的比的比较较p厌氧工艺的有机负荷是好氧工艺的5-10倍p厌氧工艺中合成生物量仅为好氧工艺的5%-10%p厌氧工艺中营养的需要量仅为好氧工艺的5%-10%p厌氧工艺中活性可保持数月甚至数年而无严重衰退p好氧处理每去除1000kgCOD耗电500-1000kWh，而厌氧处理无曝气能耗p厌氧每去除1000kgCOD产生甲烷的能量为12660000kJ2.厌氧与好氧生物技术的比较厌氧工艺的有机负荷是好氧工艺的553.厌氧生化的原理氧生化的原理3.1 厌氧生化的四个氧生化的四个阶段段厌氧生化处理有的学者将它分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段产甲烷阶段。
但通过近期科学家们的研究发现，将厌氧生化处理分为四个阶段更为合理一些，即将酸化阶段分为发酵酸化阶段和产乙酸阶段因此厌氧生化的四阶段依次为：水解阶段、发酵酸化阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段3.厌氧生化的原理3.1 厌氧生化的四个阶段 63.1.1水解水解阶段段水解即复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程水解过程通常比较慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段影响水解的速度与水解的程度的因素有以下几种：1.水解温度2.有机质在反应器内的保留时间3.有机质的组成4.有机质颗粒的大小5.pH值6.氨的浓度7.水解产物的浓度3.1.1水解阶段 水解即复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的73.1.2 发酵酸化酵酸化阶段段废水中的有机物在发酵细菌的作用下，发生水解和酸化反应,而被降解为以脂肪酸、醇类、CO2和H2等为主的产物.参与反应的微生物则被统称为发酵细菌或产酸细菌，其特点主要有：1)生长速率快,2)对环境条件(如温度、pH、抑制物等)的适应性较强;发酵细菌(产酸细菌)的主要功能是：1)水解:即在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；2)酸化:即将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等小分子有机物。
这类细菌分属梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等，其中大多数是厌氧菌，但也有大量是兼性厌氧菌，一般来说,水解过程比较缓慢，并会受到多种因素影响(pH、水力停留时间、有机物种类等)，有时会成为厌氧反应的限速步骤3.1.2 发酵酸化阶段 废水中的8但产酸反应的速率一般是比较快的如果按功能来分类，则可将发酵细菌分为：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等.其中重要的类群有梭状芽孢杆菌和拟杆菌梭状芽孢杆菌是厌氧的、产芽孢的细菌，因此它们能在恶劣的环境条件下存活拟杆菌大量存在于有机物丰富的地方，它们分解糖、氨基酸和有机酸上述细菌的绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1%的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护像甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害与抑制但产酸反应的速率一般是比较快的如果按功能来分93.1.3产乙酸乙酸阶段段发酵酸化阶段的产物在产乙酸阶段被产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳通常在厌氧颗粒污泥中存在着微生态系统在此系统中，产乙酸菌靠利用氢的细菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行产氢产乙酸菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2。
涉及到的主要反应有：乙醇:CH3CH2OH+H2O=CH3COOH+2H2丙酸:CH3CH2COOH+2H2O=CH3COOH+3H+CO2丁酸:CH3CH2CH2COOH+2H2O2=CH3COOH+2H2上述各个反应只有在系统中的乙酸浓度、和氢分压均很低时才能顺利进行主要的产氢产乙酸菌分属互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等;多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌3.1.3产乙酸阶段 发酵酸化阶段103.1.4 产甲甲烷阶段段此阶段所发生的反应是产甲烷菌利用前一阶段的产物脂肪酸、醇类、CO2和H2等为基质，并最终将其转为CH4和CO2参与反应的微生物被统称为产甲烷菌，其主要特点有：1)生长速率很慢；2)对环境条件(如温度、pH、抑制物等)非常敏感等对产甲烷菌的研究在很长时间内并没有较大的进展直到20世纪60年代，Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术，随后产甲烷菌的研究才得以广泛开展许多研究结果表明，产甲烷菌在分类学上属于古细菌(Archaebacteria)，它们与真细菌的一般特性不同的是细胞壁中没有肽聚糖，细胞中也不含有细胞色素C，而含有其它真细菌所没有的酶系统3.1.4 产甲烷阶段 此阶段所发生11产甲烷菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行。
一般可以简单地将其分为两大类，即乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌；一般来说，自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，主要只有产甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和产甲烷丝状菌(Methanothrix)两大类，但在厌氧反应器中，这两种细菌的数量一般较多，而且有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其进行分类，目前最新的Bergys细菌手册第九版中将产甲烷菌共分为：三目、七科、十九属、65种产甲烷菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的12产甲烷菌具有各种不同的形态，常见的有：1.产甲烷杆菌；2.产甲烷球菌；3.产甲烷八叠球菌；4.产甲烷丝菌等前已述及，在生物分类学上，产甲烷菌(Methanogens)属于古细菌(Archaebacteria)、大小、外观上与普通细菌即真细菌(Eubacteria)相似，但实际上，其细胞成分特别是细胞壁的结构和酶系统较特殊产甲烷菌在自然界中的分布，一般认为它们常栖息于一些极端环境中(如地热泉水、深海火山口、沉积物等)，但实际上其分布极为广泛，如污泥、反刍动物的瘤胃、昆虫肠道、湿的树木、厌氧反应器等产甲烷菌具有各种不同的形态，常见的有：13产甲烷菌都是极严格的厌氧细菌，一般要求其生境中的氧化还原电位为-150400mV，氧和其它任何氧化剂都对其具有极强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢,繁殖的世代时间很长,可长达46天甚至更长，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。
在厌氧反应器中，所产甲烷的大约70%由乙酸歧化菌产生在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳，在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氢盐形式存在另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌（可称为嗜氢甲烷菌）在反应器正常条件下，它们形成占总量30%的甲烷大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个过程可以直接运行产甲烷菌都是极严格的厌氧细菌，一般要求其生14产酸72%17%35%13%10%20%5%28%产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）水解CH4CO2复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、类脂类）简单有机化合物（糖、氨基酸、肽）H2CO2长链脂肪烃（丙酸、丁酸等）乙酸3.2 厌氧生物共生体的串氧生物共生体的串联代代谢产酸72%17%35%13%10%20%5%28%产甲烷的串15 甲烷细菌是专性厌氧的与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质更为敏感通常采用厌氧处理的温度一般选择在中温35-38或高温52-55pH值严格控制在6.8-7.2基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长，但与好氧法相比，对废水中的N、P的含量要求不高。
甲烷细菌是专性厌氧的与产酸菌相比，甲烷16 厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长？这是由有机物厌氧分解的反应所决定的与好氧法相比，厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低（与好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级）要克服这些缺点，最主要的方法是增加参加反应的微生物浓度和提高反应时的温度但要提高反应的温度，就要消耗能量（而水的比热又很大）因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间17第二第二节 污水的水的厌氧生物氧生物处理工理工艺 最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，近年开发的有厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床反应器，分段消化法1.化粪池第二节 污水的厌氧生物处理工艺 最早的厌氧生18 厌氧生物滤池是密封的水池，池内放置填料，如右图所示，污水从池底进入，从池顶排出微生物附着生长在滤料上，平均停留时间可长达100d左右滤料可采用拳状石质滤料，也可采用塑料填料2.厌氧生物滤池 厌氧生物滤池是密封的水池，池内放置填料19 厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备，出水SS较低；设备简单、操作方便等。
它的主要缺点是：滤料费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，生物膜厚堵塞后，没有简单有效的清洗方法因此，悬浮物高的废水不适用厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；20 对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，其流程见右图废水先进入混合接触池与回流的厌氧污泥相混合，然后经真空脱气器而流入沉淀池接触池中的污泥浓度要求很高，在12000-15000mg/L左右，因此回流量很大，一般是废水流量的2-3倍3.厌氧接触法 对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接21 厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气厌氧接触法对悬浮物高的有机废水效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要22 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是由荷兰Lettinga教授在1972年研制，于1977年开发的如图所示，废水自下而上地通过厌氧污泥床反应器在反应器的底部有一个高浓度、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化成CO2和CH4由于气态产物的搅动和气泡黏附污泥，在污泥层之上形成一个污泥悬浮层。
反应器上部设有三相分离器，完成气、液、固的分离4.上流式厌氧污泥床反应器 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是由235.分段厌氧处理法原理:根据厌氧消化阶段进行的事实，对于固态有机物浓度高的污水，将水解、酸化和甲烷化过程分开进行第一段的功能是：固态有机物水解为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，截留固态难降解物质第二段的功能是：保持严格的厌氧条件和pH，以利于产甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气；并截留悬浮固体，以改善出水水质5.分段厌氧处理法 原理:根据厌氧消化阶段进行的事实，对于24二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合下图是采用厌氧接触法和上流式厌氧污泥床反应器串联的组合5.分段厌氧处理法二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合25究竟采用什么样的反应器以及如何组合，要根据具体的水质等情况而定究竟采用什么样的反应器以及如何组合，要根据具体的水质等情况而266.厌氧膨胀床和流化床原理:厌氧膨胀床和厌氧流化床是在床内填充细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒径一般为0.21mm废水从床底部流入，为了使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内的水流上升速度。
6.厌氧膨胀床和流化床 原理:厌氧膨胀床和厌氧流化床是在27厌氧膨氧膨胀床与流化床工床与流化床工艺流程流程厌氧膨胀床与流化床工艺流程28优点：1.细颗粒的载体为微生物随着生长提供较大的表面积，使床内具有很高的微生物浓度（一般为30gvss/l左右）因此有机物容积负荷较大（1040kgcod/m3.d），水力停留时间短，具有较好的乃冲击负荷能力，运行稳定；2.载体处于膨胀或流化状态，防止载体堵塞；3.床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；4.既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，又可用于低浓度的城市污水处理缺点：1.载体流化耗能较大；2.系统的设计运行要求高优点：297.厌氧生物转盘原理:厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于上部加盖密封，为收集沼气和防止液面上的空间有氧存在废水处理是靠盘片表面生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧活性污泥共同完成的盘片转动时，作用在生物膜上的剪力将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外，沼气则从槽顶排出7.厌氧生物转盘 原理:厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘30厌氧生物氧生物转盘构造构造图厌氧生物转盘构造图31特点：特点：1.厌氧生物转盘内微生物浓度高，因此有机物容积负荷高，水力停留时间短。
2.废水在池内沿水平方向流动,反应槽高度小，比厌氧滤池和上流式厌氧污泥床进水提升高度低，所以节能3.厌氧生物转盘一般不需回流，所以比厌氧膨胀床和流化床节能和操纵简单4.不会发生像厌氧滤池等的堵塞问题，处理含较高悬浮物固体浓度的有机废水5.由于转盘和转动混合作用，使盘片上的生物膜保持较高的活性，并使废水与生物膜充分接触，提高耐冲击的能力和处理的稳定性6.厌氧生物转盘多采用多级串联，厌氧微生物也分级，各级微生物处于较好的生态环境7.运行管理方便8.缺点是盘片造价高特点：328.厌氧挡板反应器原理：在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持反应器内较高的污泥浓度以减少水力停留时间挡板把反应器分为若干上向流和下向流室上向流室比较宽，便于污泥的聚集，下向流室比较窄，通往上向流的挡板下部边缘处加50o的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合维持较高的污泥浓度8.厌氧挡板反应器 原理：在反应器内垂直于水流方向设多块挡33厌氧氧挡板反板反应器工器工艺流程流程图厌氧挡板反应器工艺流程图34特点：1.反应器启动期短2.避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的填塞问题3.避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失问题4.不需混合搅拌装置5.不需载体特点：358.IC(InternalCirculation)反应器IC反应器是第三代高效厌氧反应器。
与其他厌氧反应器相比，具有更高的处理效能，大大缩小了反应器的容积，降低了工程投资，节省了占地面积等特点原理：IC反应器构造的特点是具有很大的高径比，一般可达，反应器的高度达到20m左右整个反应器由第一厌氧反应室和第二氧反应室叠加而成每个厌氧反应室的顶部各设一个气、固、液三相分离器第一级三相分离器主要分离沼气和水，第二级三相分离器主要分离污泥和水，进水和回流污泥在第一厌氧反应室进行混合第一反应室有很大的去除有机物能力，进入第二厌氧反应室的废水可继续进行处理去除废水中的剩余有机物，提高出水水质8.IC(Internal Circulation)反应器36IC(InternalCirculation)反应器剖面图IC(Internal Circulation)反应器剖面图37特点：特点：1、极高COD负荷（15-25kgCOD/m3/d）2、结构紧凑，节省占地面积3、借沼气内能提升实现内循环，不必外加动力4、抗冲击负荷能力强5、具有缓冲pH的能力6、出水稳定性好7、高可靠性8、基建投资低特点：38第三第三节厌氧生物氧生物处理法的理法的设计计算算 厌氧生物处理系统的设计包括：流程和设备的选择；反应器和构筑物的构造和容积的确定；需热量的计算和搅拌设备的设计等。
一、流程和设备的选择流程和设备的选择包括：处理工艺和设备的选择；消化温度；采用单级或两级消化等下表列举了几种厌氧处理方法的一般性特点和优缺点，可供工艺选择时参考第三节 厌氧生物处理法的设计计算 厌氧39方法或反应器 特 点 优 点 缺 点 传统消化法在一个消化池内消化，甲烷化和股也分离设备简单反应时间长，池容积大，污泥易随水带走厌氧生物滤池微生物固着生长在滤料表面，适于悬浮物量低的废水设备简单能承受较高负荷，出水悬浮固体低，能耗小底部易发生堵塞，填料费用较贵厌氧接触法用沉淀池分离污泥并进行回流消化池中进行适当搅拌，池内呈完全混合能适应高有机物浓度和高悬浮物的废水能承受较高负荷有一定抗冲击负荷能力，运行稳定，不受进水悬浮物的影响，出水悬浮物低负荷高时污泥会流失设备较多操作上要求较高上流式污泥床反应器消化和固液分离在一个池内，微生物浓度高负荷率高总容积小，能耗低，不需搅拌如设计不善，污泥会大量流失，池构造复杂两段厌氧处理法酸化和甲烷化在两个反应器进行能承受较高负荷，耐冲击，运行稳定设备较多，运行操作较复杂方法或反应器 特 点 40二、厌氧反应器的设计计算确定反应器容积的常用参数是负荷率N和消化时间t，公式为：V=qvtV=qv/NV反应（消化）区的容积，m3qv废水的设计流量，m3/dt消化时间，d废水有机物浓度，g/LN反应区的设计负荷率，kg/m3d二、厌氧反应器的设计41三、消化池的热量计算消化池所需的热量包括：将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、池盖所散失的热量。
提高废水温度所需的热量为Q1：Q1=qvC（t2-t1）qv废水投加量，m3/hC废水的比热，约为4200KJ/m3t2消化池温度，t1废水温度，三、消化池的热量计算42 消化池温度高于周围环境，一般采用中温通过池壁、池盖等散失的热量Q2与池子构造和材料有关，可用下式估算：Q2=KA（t2-t1）式中：A散热面积，m2 K传热系数，KJ/（hm2）t2消化池内壁温度，t1消化池外壁温度，对于一般的钢筋混凝土池子，外面加设绝缘层，K值取20-25KJ/（hm2）消化池温度高于周围环境，一般采用中温通过池壁、池43第四第四节厌氧和好氧技氧和好氧技术的的联合合应用用 近年，水处理工作者打破传统，联合好氧和厌氧技术以处理废水，取得了突出的效果有些废水，含有很多复杂的有机物，对于好氧微生物处理而言是属于难降解或不能降解的，但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解为较小分子的有机物，而那些较小分子的有机物可以通过好氧菌进一步降解相当成功的例子是印染废水的处理采用缺氧与好氧工艺相结合的流程，可以达到生物脱氮的目的在生产实践中，发现有些采用A/O法的污水厂同时有脱氮除磷效果，于是，各种联合运用厌氧-缺氧-好氧反应器的研究广泛开展，出现了厌氧-缺氧-好氧法（A/A/O法）和缺氧-厌氧-好氧法（倒置A/A/O法），可以在去除BOD、COD的同时，达到脱氮除磷的效果。
第四节 厌氧和好氧技术的联合应用 近年44。