水污染控制工程第十五章污水的厭氧生物處理化學與環(huán)境工程系楊爽

目錄第一節(jié)污水厭氧生物處理的基本原理第二節(jié)污水的厭氧生物處理工藝第三節(jié)厭氧生物處理法的設(shè)計計算厭氧污水污泥處理技術(shù)的發(fā)展1860年法國的Muras將簡易沉淀池改為污泥處理構(gòu)筑物；1895年英國Cameron進一步改進為腐化池；1903年英國的Travis首先建成了雙層沉淀池；1906年德國的Imhoff發(fā)明Imhoff雙層沉淀池；1912年英國的伯明翰市建了第一個消化池；1920年英國Watson建成最早二級消化池，同時利用了沼氣；1925－1926年在德國、美國相繼建成較標準的消化池。

厭氧生物處理法或厭氧消化法：在無分子氧條件下，通過兼性菌和厭氧菌的代謝作用，降解污泥和廢水中有機物的過程。分解的最終產(chǎn)物主要是沼氣，可作為能源。厭氧生物處理法的處理對象是：高濃度有機工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動植物殘體及糞便等。

第一節(jié)污水厭氧生物處理的基本原理厭氧生物處理的目的

1.從環(huán)境衛(wèi)生上講，通過厭氧生物處理，可殺菌滅卵、防蠅除臭，以防傳染病的蔓延；

2.從保護環(huán)境上來講，通過厭氧生物處理，可去除廢水中的大量有機物，防止對水體的污染；

3.從獲得生物能源上講，利用污水廠污泥和高濃度有機物廢水產(chǎn)生沼氣可獲得可觀的生物能；

4.從運行管理上講，厭氧發(fā)酵后，固體量一般可減少約1/2，并提高了污泥的脫水性能，有利于污泥的運輸、利用和處置。厭氧生化法的優(yōu)點：（1）應用范圍廣

因供氧限制，好氧法一般適用于中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法適用于中、高濃度有機廢水。有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的，但對厭氧生物處理是可降解的，如固體有機物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。

(2)能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要充氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機物達一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。研究表明，當原水BOD5達到1500mg/L時，采用厭氧處理即有能量剩余。有機物濃度愈高，剩余能量愈多。一般厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。（3）氮、磷營養(yǎng)需要量較少好氧法一般要求BOD:N:P為l00:5:1，而厭氧法的BOD:N:P為200:5:1，對氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營養(yǎng)鹽量較少。（4）有殺菌作用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。（5）污泥易貯存厭氧活性污泥可以長期貯存，厭氧反應器可以季節(jié)性或間歇性運轉(zhuǎn)。厭氧生物處理法缺點:（1）厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設(shè)備啟動和處理所需時間比好氧設(shè)備長；（2）出水往往達不到排放標準，需要進一步處理，故一般在厭氧處理后串聯(lián)好氧處理；（3）厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復雜。（4）厭氧過程會產(chǎn)生氣味對空氣有污染。一、厭氧消化的機理有機物厭氧消化過程生化階段ⅠⅡⅢ物態(tài)變化水解酸化（1）酸化（2）氣化生化過程大分子不溶態(tài)有機物轉(zhuǎn)化為小分子溶解態(tài)有機物小分子溶解態(tài)有機物轉(zhuǎn)化為（H2+CO2）及A、B兩類產(chǎn)物B類產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為（H2+CO2）及乙酸等CH4、CO2等菌群發(fā)酵細菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌甲烷細菌

第一階段為水解階段。廢水及污泥中不溶性復雜大分子的有機物，如蛋白質(zhì)、多糖類、脂肪等被細菌的胞外酶水解為小分子的溶解性有機物。有水解作用的發(fā)酵細菌將蛋白質(zhì)分解為氨基酸，將纖維素、淀粉等碳水化合物水解成單糖。第二階段為酸化階段（1）。溶解性的有機物由發(fā)酵細菌將小分子的有機物轉(zhuǎn)化成兩類簡單的有機物：一類為能被甲烷細菌直接利用的有機物，如甲酸、甲醇、甲胺、乙酸等；另一類則是不能被甲烷細菌直接利用的有機物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等;酸化階段（2）。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將前一階段產(chǎn)生的不能被甲烷細菌利用的各種有機型中間產(chǎn)物進一步降解成H2和乙酸，有時還有CO2生成。第三階段為產(chǎn)甲烷階段或氣化階段。甲烷細菌把甲酸、乙酸、甲醇以及CO2和H2等基質(zhì)通過不同路徑轉(zhuǎn)化為甲烷。二、厭氧消化的影響因素（1）營養(yǎng)物廢水、污泥及廢料中的有機物種類繁多，只要未達到抑制濃度，都可連續(xù)進行厭氧生物處理。對生物可降解性有機物的濃度并無嚴格限制，但若濃度太低，比耗熱量高，經(jīng)濟上不合算；水力停留時間短，生物污泥易流失，難以實現(xiàn)穩(wěn)定的運行。一般要求COD大于1000mg/L。

COD∶N∶P=200∶5∶1（2）氧化還原電位（ORP）厭氧環(huán)境是厭氧消化過程賴以正常進行的最重要的條件。厭氧環(huán)境，主要以體系中的氧化還原電位來反映。一般情況下，氧的溶入無疑是引起發(fā)酵系統(tǒng)的氧化還原電位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，其它一些氧化劑或氧化態(tài)物質(zhì)的存在（如某些工業(yè)廢水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性廢水中的H+等），同樣能使體系中的氧化還原電位升高。當其濃度達到一定程度時，同樣會危害厭氧消化過程的進行。高溫厭氧消化系統(tǒng)適宜的氧化還原電位為-500~-600mV；中溫厭氧消化系統(tǒng)及浮動溫度厭氧消化系統(tǒng)要求的氧化還原電位應低于-300~-380mV。產(chǎn)酸細菌對氧化還原電位的要求不甚嚴格，甚至可在+100~-100mV的兼性條件下生長繁殖；甲烷細菌最適宜的氧化還原電位為-350mV或更低。

（3）溫度溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素之一。溫度主要影響微生物的生化反應速度，因而與有機物的分解速率有關(guān)。工程上：低溫消化溫度為15~25℃

中溫消化溫度為30~38℃（以33~35℃為多）；高溫消化溫度為50~55℃。厭氧消化對溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于±2℃。溫度突變幅度太大，會招致系統(tǒng)的停止產(chǎn)氣。（4）pH值及酸堿度產(chǎn)甲烷的pH值范圍在6.8-7.2，最佳的pH值范圍在6.5-7.5之間，若超出此界限范圍，產(chǎn)甲烷速率將急劇下降；而產(chǎn)酸菌的pH值范圍在4.5-8.0之間。因此，當厭氧反應器運行的pH值超出甲烷菌的最佳pH值范圍時，系統(tǒng)中的酸性發(fā)酵可能超過甲烷發(fā)酵，會導致反應器內(nèi)呈現(xiàn)“酸化”現(xiàn)象。（5）毒物凡對厭氧處理過程起抑制或毒害作用的物質(zhì)，都可稱為毒物。（5）有機負荷率正常處理的厭氧處理裝置是處于甲烷發(fā)酵階段，污泥和廢水在厭氧反應器內(nèi)的停留時間是一定的，如果投加生污泥或有機物過多，則產(chǎn)酸速率將超過產(chǎn)甲烷速率，有機酸會積累起來，超過緩沖能力后，反應器會發(fā)生酸化，產(chǎn)甲烷細菌將受到抑制。（6）攪拌有利于新投入的新鮮污泥（或廢水）與消化污泥的充分接觸，使反應器內(nèi)的溫度、有機酸、厭氧菌分布均勻，并能防止消化池表面形成污泥殼，以利于沼氣的釋放。攪拌可提高沼氣產(chǎn)量和縮短消化時間。第二節(jié)污水的厭氧生物處理工藝一、化糞池二、厭氧接觸法

在普通消化池后段設(shè)置污泥沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法。該系統(tǒng)能夠降低污泥流失率，出水水質(zhì)穩(wěn)定，水處理效率得以提高。

消化池出水進行固液分離較困難。原因：混合液污泥中附著大量沼氣泡，引起污泥上?。涣硗?，混合液中的污泥仍具有產(chǎn)甲烷活性，沉淀池中繼續(xù)產(chǎn)氣。為提高沉淀池固液分離效率，需要在消化池與沉淀池之間設(shè)置脫氣裝置。脫氣方法如下:真空脫氣：使混合液經(jīng)過真空器脫除氣泡。熱交換急冷法：急速冷卻混合液，破壞產(chǎn)甲烷細菌的生存溫度條件，控制污泥繼續(xù)產(chǎn)氣。絮凝沉淀：投加絮凝劑改善污泥沉降性能。采用過濾裝置代替沉淀池。特點：（1）回流使得消化池中污泥濃度增大，為10-15g/L，耐沖擊力強；（2）容積負荷高，水力停留時間少；中溫消化時，一般為2-10kgCOD/m3d；（3）可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；（4）混合液經(jīng)沉淀后出水水質(zhì)較好，但需要增設(shè)沉淀池、回流與脫氣設(shè)施。三、升流式厭氧污泥床反應器（UASB）主要特點在于無載體，主要由反應區(qū)、沉淀區(qū)、氣室三部分組成。反應區(qū)包括底部高濃度的污泥床和污泥床上部濃度較低的懸浮污泥層；反應區(qū)上部設(shè)置三相分離器。三相分離器的主要作用是將反應過程中產(chǎn)生的氣體、污泥固體以及處理廢水加以分離，將沼氣引入氣室、將固體導入反應區(qū)，將處理水引入出水區(qū)。厭氧污泥床的混合采用進水沖擊以及反應產(chǎn)生的沼氣攪拌進行，一般采用多點進水。UASB反應器示意圖

UASB布置結(jié)果示意圖布水區(qū)反應區(qū)三相分離區(qū)超高三相分離器特點污泥濃度高，平均為30-40g/L；有機負荷高，水力停留時間小，中溫消化；設(shè)置三相分離器，無污泥回流設(shè)備；無混合攪拌設(shè)備；無載體，避免堵塞等問題，也減少造價；反應器存在短流，影響處理能力；難以適應高懸浮物含量污水；運行啟動時間長，對水質(zhì)與負荷突然變化較敏感。四、厭氧生物濾池

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。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。

填料可采用拳狀石質(zhì)濾料，如碎石、卵石等，也可使用塑料填料。

在濾池中，微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。微生物總量沿池高度分布不均勻，在進水部位較高有機質(zhì)去除速度快。當廢水有機物濃度高或進水懸浮物濃度和顆粒較大時，進水部位容易發(fā)生堵塞。防止堵塞方法如下：（1）出水回流，進水有機物得以稀釋，提高池內(nèi)水流速，沖刷濾料間的懸浮物。（2）部分充填載體，在濾池底部與中部設(shè)置填料薄層，孔隙率增大。（3）采用軟性填料，孔隙率增大，可防止堵塞。

特點：微生物量大，生物膜停留時間長，可承受有機容積負荷高，耐沖擊負荷能力強；污染物質(zhì)與生物接觸面積大，強化傳質(zhì)過程，有機物去除速度快；微生物固著生長為主，不易流失，不需污泥回流以及攪拌設(shè)備；啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝時間短。處理懸浮物較高濃度時，易堵塞。濾池清洗無簡單有效的方法。五、厭氧生物轉(zhuǎn)盤

盤片大部分或全部浸沒在廢水中，為保障厭氧條件與沼氣回收，系統(tǒng)在密閉條件下進行。厭氧生物轉(zhuǎn)盤由盤片、密封的反應槽、轉(zhuǎn)軸以及驅(qū)動裝置組成。

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)生的沼氣從頂部排出；盤片的轉(zhuǎn)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)，隨出水流出反應系統(tǒng)。特點：（1）微生物濃度高，有機容積負荷高，水力停留時間短；（2）無堵塞問題，可處理較高濃度有機廢水；（3）一般不需回流，動力消耗低；（4）耐沖擊能力強，運行穩(wěn)定，管理方便；（5）盤片價格高。六、厭氧膨脹床和厭氧流化床

廢水流經(jīng)床體時，與床中附著于載體上的厭氧微生物膜不斷接觸，達到污染物質(zhì)降解的目的。流化可使得污染物質(zhì)與生物接觸面積增加，流化的實現(xiàn)可增大進水流速。特點：載體顆粒細，比表面積大，使床內(nèi)具有較高的微生物濃度，水力停留時間短；載體處于流化狀態(tài)，無床層堵塞現(xiàn)象；載體流化時，廢水與微生物之間接觸面積大，加快了傳質(zhì)過程，提高處理效率；生物膜停留時間長，生于污泥量少；結(jié)構(gòu)緊湊。流化狀態(tài)的維持可提高處理效果，但勢必增大了處理成本（能耗）；固液分離較困難，很難大規(guī)模運用。七、兩段厭氧消化法

厭氧消化分別在兩個獨立的反應器中進行。第一階段反應器控制到產(chǎn)酸階段，第二階段反應器控制到產(chǎn)甲烷階段。第一階段：選擇不宜堵塞、負荷較高的裝置，在非密閉裝置中，常溫，較寬pH。第二階段：要求嚴格封閉，嚴格控制溫度和pH。適于處理懸浮位物較高的條件。八、厭氧-好氧聯(lián)合處理技術(shù)有些廢水，含有很多復雜的有機物，對于好氧生物處理而言是屬于難生物降解或不能降解的，但這些有機物往往可以通過厭氧菌分解為較小分子的有機物，而那些較小分子的有機物可以通過好氧菌進一步分解。采用缺氧與好氧工藝相結(jié)合的流程，可以達到生物脫氮的目的(A/O法)。厭氧-缺氧-好氧法(A/A/O法)和缺氧-厭氧-好氧法(倒置A/A/O法)，可以在去除BOD，COD的同時，達到脫氮、除磷的效果。習題課1.試述生物膜法凈化污水的原理。2.畫出UASB反應器結(jié)構(gòu)簡圖，并結(jié)合厭氧反應原理簡述其工作過程。3.結(jié)合你所學的專業(yè)知識，談談如何控制水污染？4.已知普通生物濾池濾料體積600m3，濾池高2m，處理水量Q=120m3/h，進水BOD200mg/L，去除效率為85%，求：（1）水力負荷；（2）體積負荷；（3）有機負荷。5.某工廠廢水水量為2500m3/d，進水BOD5為706mg/L，經(jīng)過初沉池后BOD5去除15%，擬采用生物濾池進行處理，濾池進水BOD為200mg/L，出水要求達到30mg/L，已知有機負荷為1.0kg/m3.d，濾床高度為2.5m，計算出濾床的體積V、濾池的有效面積A，并校核水力負荷（水力負荷應在10-15m3/m2.d之間）。6.某食品加工廠廢水，COD=16000mg/L，SS=800mg/L，擬首先采用厭氧生物法進行處理，問采用何種厭氧工藝設(shè)備，并說明選型的理由。2.

廢水自下而上的通過UASB反應器，經(jīng)過底部的高濃度、高活性污泥層，水中復雜的大分子、不溶性有機物先在細菌胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機物，然后滲入細胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機酸、醇類、醛類等。水解和酸化階段主要產(chǎn)生較高級脂肪酸。然后在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的作用下，前兩個階段產(chǎn)生的各種有機酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸、CO2和H2。產(chǎn)甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、CO2和H2等繼續(xù)轉(zhuǎn)化為甲烷。由于氣態(tài)產(chǎn)物（消化氣）的攪動和氣泡粘附污泥在污泥層上形成了污泥懸浮層。反應器的上部設(shè)有三相分離器，完成氣、液