1、1 厌氧生物处理的基本生物过程及其特征l又称厌氧消化、又称厌氧消化、The toxicity of chlorine dioxide由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生机物分解并产生CHCH4 4和和COCO2 2的过程。的过程。 lDO0.5mg/L DO0.5mg/L ，好氧；，好氧；DODO0.5mg/L0.5mg/L，有，有NONO2 2- -、NONO3 3- -，缺氧；缺氧； DO=0mg/LDO=0mg/L， 无无NONO2 2- -、NONO3 3- -，厌氧。，厌氧。厌氧反应器的早期研究厌氧反应器的早期研究 早
2、期的厌氧处理生物处理，重点是解决城市污水废污泥的处理问题。早期的厌氧处理生物处理，重点是解决城市污水废污泥的处理问题。1895年，英国的年，英国的Cameron创造了一种类似创造了一种类似Mouras自动净化器的构筑物，自动净化器的构筑物，被命名为被命名为化粪池化粪池。到。到1927年，年，Ruhrverband在专用的消化池中采用污泥加在专用的消化池中采用污泥加热装置之后，使得这种消化池得以推广。到热装置之后，使得这种消化池得以推广。到1950年，年，Morgan和和Torpey的的研究成果也促进了高效的、可加温和搅拌的消化池的发展，导致了厌氧消研究成果也促进了高效的、可加温和搅拌的消化池的
3、发展，导致了厌氧消化池中搅拌装置的广泛应用。上述这些反应器后来被统称之为第一代反应化池中搅拌装置的广泛应用。上述这些反应器后来被统称之为第一代反应器。器。 由于厌氧微生物生长缓慢，时代时间长，而厌氧消化池无法将水力停由于厌氧微生物生长缓慢，时代时间长，而厌氧消化池无法将水力停留时间和污泥停留时间分离，由此造成水力停留时间必须较长，一般来讲，留时间和污泥停留时间分离，由此造成水力停留时间必须较长，一般来讲，第一代厌氧反应器处理废水的停留时间至少第一代厌氧反应器处理废水的停留时间至少2030天。典型第一代厌氧反天。典型第一代厌氧反应器的主要技术指标见表。应器的主要技术指标见表。 主要技术指标 化粪
4、池 普通消化池停留时间（d） 150360 2030有机负荷（g/Ld） 1.01.5处理对象 生活污水 污泥、污水运行温度 常温 中、常温 第一代厌氧生物反应器的共同特点是：第一代厌氧生物反应器的共同特点是： 水力停留时间（水力停留时间（HRTHRT）很）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRTHRT会长达会长达9090天，即使是目前在天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRTHRT也还长达也还长达20302030天；天； 虽然虽然HRTHRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不
5、好；相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好； 具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。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的臭味。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。十分成功。 当进入上世纪当进入上世纪50、
6、60年代，特别是年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生
7、物处理工艺又被统一称为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第二代厌氧生物反应器器” 。blogaseffluentinfluentblogaseffluentinfluenteffluentblogasinfluentAFFEB or FBUASBDSFFblogaseffluentinfluentAFB第二代厌氧反应器结构示意图 1974年，荷兰的年，荷兰的Lettinga等人开发了升流式厌氧污泥床反应器，标等人开发了升流式厌氧污泥床反应器，标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。第二代厌氧反应器的典型代志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。第二代厌氧反应器的典型代表有
8、厌氧滤池表有厌氧滤池(AF),上流式厌氧污泥床上流式厌氧污泥床(UASB)，厌氧流化床，厌氧流化床(AFB)。第二代厌氧反应器第二代厌氧反应器 blogaseffluentinfluentblogaseffluentinfluenteffluentblogasinfluentAFFEB or FBUASBDSFFblogaseffluentinfluentAFB表1-2 第二代厌氧反应器的主要技术性能 第二代厌氧生物反应器的共同特点是第二代厌氧生物反应器的共同特点是: HRT大大缩短，有机负荷大大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；大提高，处理效率大大提高； 主要包括：厌氧接触法、厌氧
9、滤池主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（）反应器、厌氧流化床（AFB）、厌）、厌氧生物转盘（氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；）和挡板式厌氧反应器等； HRT与与SRT分离，分离，SRT相对很长，相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。则可以较短，反应器内生物量很高。 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
10、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”。 第三代厌氧反应器第三代厌氧反应器 九十年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床九十年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB) , 内循环反内循环反应器应器(IC) , 升流式厌氧污泥床过滤器升流式厌氧污泥床过滤器(UBF）为代表的第三代厌氧反）为代表的第三代厌氧反应器相继出现应器相继出现, 图图1-2
11、为为EGSB和和IC反应器及反应器及UBF反应器的结构示意图。反应器的结构示意图。 blogaseffluentinfluentinfluenteffluentblogasblogaseffluentinfluentEGSBICUBF表1-3 第三代厌氧反应器的主要技术性能 第三代厌氧反应器的共同特点是：(1) 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器中，反应器单位容积的生物量更高。(2) 能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能；(3) 具有较大的高径比，一般在510以上；(4) 占地面积小；(5) 动力消耗小。 1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固
12、态有机物被细菌的胞外酶所水解；第二阶段是酸化；在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。然而甲烷化效率很高的甲烷八叠球菌能够代谢甲醇，乙酸和二氧化碳为甲烷。 在工程技术上，研究甲烷细菌的通性是重要的，这将有助于打破厌氧生物处理过程分阶段的现象，从而最大限度地缩短处理过程的历时。经验和研究表明，pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。pH值应在6.87.2之间。在3538和5255各有一个最适温度。 22 l发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等等 1 1、发酵细菌（产酸细菌）：、发酵细菌（
13、产酸细菌）： l主要功能：主要功能：水解水解在胞外酶的作用下，将不溶性在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；有机物水解成可溶性有机物； 酸化酸化将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；类等； l主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等杆菌属等23 l水解过程较缓慢，并受多种因素影响（水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pHpH、SRTSRT、有机物种类等），有时会成为厌氧反、有机物种类等），有时会成为厌氧反应的限速步骤；应的限速步骤； l产酸反应的速率较快；产酸反应的速率较快； 可以按功能
14、来分：纤维素分解菌、半纤维素可以按功能来分：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、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。分解菌等。 24 (2)(2)产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌 l主要功能：主要功能：将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和和H H2 2 l主要反应：主要反应： 乙醇：乙醇： 丙酸：丙酸： 丁酸：丁酸： 注意：上述反应只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压注意：上述反应只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低时才能顺利进行。很低时才能顺利进行。 l主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌
15、属、梭菌属、暗杆菌属等杆菌属等 l多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。232232HCOOHCHOHOHCHCH22322332COHCOOHCHOHCOOHCHCH232223222HCOOHCHOHCOOHCHCHCH25 (3)(3)产甲烷菌产甲烷菌 l6060年代年代HungateHungate开创了严格厌氧微生物培养技术；开创了严格厌氧微生物培养技术； l主要功能：将产氢产乙酸菌的产物主要功能：将产氢产乙酸菌的产物乙酸和乙酸和H H2 2/CO/CO2 2转化为转化为CHCH4 4和和COCO2 2，使厌氧消化过程得以顺利，使厌氧消化过程得以顺利进行；进行；
16、l一般可分为两大类：乙酸营养型和一般可分为两大类：乙酸营养型和H H2 2营养型产甲烷营养型产甲烷菌；菌； l一般来说，乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，但在一般来说，乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，但在厌氧反应器中，有厌氧反应器中，有70%70%左右的甲烷是来自乙酸的氧左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解；化分解； 26 l根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，其分类如下：根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，其分类如下： l l l l l l l l l l l最新的分类（最新的分类（BergyBergys s细菌手册第九版），共分为：三细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、目、七科、十九属、656
17、5种；种； 27 l产甲烷菌有各种不同的形态产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：，常见的有： 产甲烷杆菌产甲烷杆菌 产甲烷球菌产甲烷球菌 产甲烷八产甲烷八叠球菌叠球菌 产甲烷丝菌产甲烷丝菌 l在生物分类学上，产甲烷菌（在生物分类学上，产甲烷菌（MethanogensMethanogens）属于古细菌（属于古细菌（ArchaebacteriaArchaebacteria），大小、外），大小、外观上与普通细菌（观上与普通细菌（EubacteriaEubacteria）相似，但实）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊构较特殊28 l在自然界的
18、分布，一般可以认为是栖息于一在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、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，如沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等。器等。 l产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在电位在-150-150 -400-400mvmv，氧和氧化剂对其有很强，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；的毒害作用； l产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达可达
19、4 4 6 6天，因此，一般情况下产甲烷反应是天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。厌氧消化的限速步骤。 螺旋桨(机械)搅拌的消化池32厌氧滤池厌氧滤池 厌氧滤池（厌氧滤池（anaerobic filteranaerobic filter又称又称厌氧厌氧固定膜固定膜反应器，是反应器，是6060年代末开发的新型高效厌年代末开发的新型高效厌氧处理装置。氧处理装置。 滤池呈圆柱形，池内装放填料，滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。池底和池顶密封。 厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作水通过填料层时，在填
20、料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。沼气从池顶部排出。（b b）废水与生物膜两相接触面大，强化了传废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快质过程，因而有机物去除速度快（c c）微生物固着生长为主，不易流失，因此微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；不需污泥回流和搅拌设备； （d d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。艺法时间短。 （e e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位
21、更严重。滤池的清洗生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。也还没有简单有效的方法。3 33 3 厌氧接触法厌氧接触法 在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了化池，形成了厌氧接触法（厌氧接触法（anaerobic contact process)。3 34 4上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器UASBUASB46 l上图为上图为UASBUASB和氧化沟和氧化沟 l右图为三相分离器右图为三相分离器污泥床区进水出水沼气气水沉降区污泥泥+水+气污泥悬浮层区3.4.2上流式厌氧污泥床反应器的上流式厌氧污泥床反应器的基本基本
22、特点特点 60 l尚无完整的工程设计计算方法；尚无完整的工程设计计算方法； l主要内容有：主要内容有： 池型选择，有效容积的确定以及主要部位的尺寸；池型选择，有效容积的确定以及主要部位的尺寸； 设计进水配水系统、出水系统、和三相分离器等；设计进水配水系统、出水系统、和三相分离器等； 其它：排泥和排渣系统等。其它：排泥和排渣系统等。 1 1、UASBUASB反应器容积及主要构造尺寸的确定：反应器容积及主要构造尺寸的确定： lUASBUASB反应器的有效容积反应器的有效容积( (包括沉淀区和反应区包括沉淀区和反应区) ) l多采用进水容积负荷法确定，即：多采用进水容积负荷法确定，即： V = QV
23、 = QS Si i / L / Lv v l 式中：式中：Q Q废水流量，废水流量，m m3 3/d/d；S Si i进水有机物浓进水有机物浓度，度，mgCOD/LmgCOD/L；L Lv v CODCOD容积负荷，容积负荷，kgCOD/mkgCOD/m3 3.d.d 61 l容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否形成容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否形成颗粒污泥有关；颗粒污泥有关； l对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般可以对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般可以形成颗粒污泥，在不同的反应温度下的进水容积负荷形成颗粒污泥，在不同的反应温度下的进水容积负荷如下：如下：
24、62 2 2、进水配水系统的设计：、进水配水系统的设计： l有脉冲式、连续式布水；有脉冲式、连续式布水； l底部有穿孔管、分枝管底部有穿孔管、分枝管 3 3、三相分离器的设计、三相分离器的设计 l三相分离器的基本构造三相分离器的基本构造 l三相分离器的布置形式三相分离器的布置形式 实验开始采用间歇进水的运行方式，从第6d起开启进水泵连续进水，这样做的目的是为了防止启动初期接种污泥随出水大量流失。本阶段控制进水COD浓度从5OOmg/L逐步提高到1000mg1L，反应器容积负荷为0.5-1 kgCOD/(m3 d)，根据COD去除效果，在进水流量相对稳定的前提下，采用增加进水COD浓度的方式来提高反应器的负荷。从图中可以看出启动初期反应器COD去除率较低，这一方面是由于接种的絮状污泥内夹带的溶解性杂质随出水流出，另一方面则是由于接种污泥对实验水质还没有完全适应。从第8d起，COD去除率开始上升，到第22d COD去除率达81.7%o颗粒污泥的扫描电镜照片产甲烷丝菌EGSB 反应器反应器 沼气出水进水污泥床出水循环.配水系统.反应区.三相分离器.沉淀区.出水系统EGSB反应器的结构及其工作原理 70
