1、第七章第七章 污水的厌氧生物处理污水的厌氧生物处理厌氧工艺的发展历史 1881年年2月，法国月，法国宇宙宇宙，莫拉斯（，莫拉斯（Mouras）将简易沉）将简易沉淀池加以改进而得到的淀池加以改进而得到的“自动净化器自动净化器”。1895年，英国卡麦隆（年，英国卡麦隆（Cameron）获得腐化池专利。）获得腐化池专利。1899年，美国年，美国Clark提出应将污泥和水分离，再将污泥隔绝提出应将污泥和水分离，再将污泥隔绝空气消化的想法。空气消化的想法。1904年，首先在英国汉普敦建成了双层沉淀池，将沉淀池年，首先在英国汉普敦建成了双层沉淀池，将沉淀池下部改变为消化室。下部改变为消化室。主要优点有：主
2、要优点有：(a)能量需求大大降低，还可产生能量；能量需求大大降低，还可产生能量；(b)污泥产量极低，沉降性好；污泥产量极低，沉降性好；(c)被降解的有机物种类多，应用范围广，主要用于处理高浓度被降解的有机物种类多，应用范围广，主要用于处理高浓度有机废水，也可用于处理低浓度有机废水，也能处理某些好有机废水，也可用于处理低浓度有机废水，也能处理某些好氧微生物难降解的物质；氧微生物难降解的物质；(d)对水温的适应范围广；对水温的适应范围广；(e)有机容积负荷率高；有机容积负荷率高；(f)营养盐类需要量少。营养盐类需要量少。厌氧法的缺点是；(a)厌氧设备启动时间长；(b)处理后的出水水质差，往往需进一
3、步处理才能达标排放。厌氧法与好氧法的比较类型类型优点优点缺点缺点适用条件适用条件好氧法好氧法处理程度高处理程度高负荷高负荷高占地面积少占地面积少设备简单设备简单能耗高能耗高运行管力要求高运行管力要求高可能发生污泥膨胀可能发生污泥膨胀生物脱氮功能有限生物脱氮功能有限对营养物质有要求对营养物质有要求城市污水处理，有机城市污水处理，有机工业废水处理。适用工业废水处理。适用于大、中、小型污水于大、中、小型污水处理厂。处理厂。厌氧法厌氧法能耗低能耗低适用范围广适用范围广剩余污泥少剩余污泥少可回收沼气可回收沼气耐冲击负荷耐冲击负荷对营养物要求低对营养物要求低可间歇运行可间歇运行处理程度低，出水达不到排放处
4、理程度低，出水达不到排放要求要求水力停留时间长，占地面积大水力停留时间长，占地面积大设备复杂设备复杂启动时间长启动时间长污水和污泥处理。特污水和污泥处理。特别适用于高浓度有机别适用于高浓度有机废水和污泥处理。废水和污泥处理。6.1 厌氧生物处理的基本原理 传统上，污泥在脱水作最后处置前进行厌氧处理，传统上，污泥在脱水作最后处置前进行厌氧处理，称为污泥消化，称为污泥消化，“消化消化”也常作为厌氧处理的简称。也常作为厌氧处理的简称。早期的厌氧处理都是针对污泥消化的。早期的厌氧处理都是针对污泥消化的。厌氧的反应过程大致可以分为几个步骤：水解；酸厌氧的反应过程大致可以分为几个步骤：水解；酸化；乙酸化；
5、甲烷化。化；乙酸化；甲烷化。产生气味的原因是原水中的产生气味的原因是原水中的N、S被还原为被还原为H2S、NH3等。等。厌氧呼吸厌氧呼吸是在厌氧呼吸是在没有氧分子没有氧分子的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。氢酶系统，没有氧化酶系统。反应最终受体是反应最终受体是氧以外的有机物或无机物氧以外的有机物或无机物。根据最终受体不同，分为：根据最终受体不同，分为：发酵和无氧呼吸发酵和无氧呼吸。1 发酵：指供氢体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用，最终受体无需外加，就是供氢体分解的产物。氧化不彻底，能量少，故该类厌氧微生物消耗底物较多
6、。2 无氧呼吸：指以无机化合物（如：NO3-,NO2-,SO42-,S2O32-,CO2等）替代分子氧，作为最终受体的生物氧化作用。无氧呼吸可以使有机底物被彻底氧化，能量得以分级释放，产生的能量要远大于发酵过程。废水的厌氧生物处理厌氧处理中的微生物群落主要是原核性质的，包括细菌和古细菌。厌氧生物处理的过程是一个多步骤的过程。复杂的可降解颗粒物蛋白质和碳水化合物脂肪氨基酸和单糖长链脂肪酸挥发性有机酸（丙酮酸和丁酸等）乙酸氢甲烷1234567水解发酵厌氧氧化2/31/3影响因素（针对产气步骤）温度：温度：低温消化（低温消化（1520），中温消化（），中温消化（35-38），高温消化（），高温消化（
7、52-55），），工艺中应采取保温及温控措施。工艺中应采取保温及温控措施。pH：甲烷菌适宜甲烷菌适宜pH：6.8-7.2，为此需要在线监控，投加石灰或，为此需要在线监控，投加石灰或Na2CO3中和中和微生物产生的酸。微生物产生的酸。碳氮比碳氮比C/N：一般要满足一般要满足COD:N:P=800:5:1即可，实际处理液的即可，实际处理液的C/N 以以(1020):1为宜。缺氮磷可以通过施加化肥达到目的。为宜。缺氮磷可以通过施加化肥达到目的。硫化物：硫化物：甲烷菌最佳生长需要甲烷菌最佳生长需要11.5mg/L的硫（以的硫（以H2S计）。目前高负荷反应器计）。目前高负荷反应器硫化物可以达到硫化物可以
8、达到150200mg/L。有毒物质：有毒物质：尤其是重金属的毒害作用很大，如果运行不顺利，可以考虑是否尤其是重金属的毒害作用很大，如果运行不顺利，可以考虑是否为重金属原因。为重金属原因。搅拌和混合搅拌和混合：要求适合的搅拌速度。：要求适合的搅拌速度。污泥泥龄：污泥泥龄：较长的泥龄有利于厌氧微生物繁殖生存。较长的泥龄有利于厌氧微生物繁殖生存。6.2 污水的厌氧生物处理方法停留时间一般为1224小时，污泥大约半年清除一次，出水不能直接排放水体，常在绿地下设渗水系统排出。化粪池普通消化池 常采用圆柱形或蛋形。常采用圆柱形或蛋形。中温或高温消化时，需要对料液进行加热。中温或高温消化时，需要对料液进行加
9、热。为保持池内温度均匀，利于沼气释放，需要搅拌，为保持池内温度均匀，利于沼气释放，需要搅拌，一般每隔一般每隔24小时搅拌一次。小时搅拌一次。为节省能源，可采用二级消化工艺，为节省能源，可采用二级消化工艺，二级消化池与普通消化池相同，但是不设搅拌，二级消化池与普通消化池相同，但是不设搅拌，相当于沉淀池。相当于沉淀池。普通消化池污泥停留时间等于水利停留时间，停留时间较长（20-30天），反应池体积大，负荷低。按容积大小分可分为小型池（1000-2500m3），中型池（2500-5000m3），大型池（5000-10000m3）。按运行方式分类有一级和二级之分。消化池的搅拌主要有以下几种方式：水泵循
10、环搅拌（设备简单，维修方便）；机械搅拌；沼气搅拌（可以提高沼气产量）。目前仍有应用，主要应用于：污泥稳定；高浓度有机工业废水；高悬浮物含量有机废水；难降解有机物工业废水等。洛杉矶Hyperion污水处理厂蛋型厌氧消化池 采纯氧曝气,每日约需纯氧220吨，生物反应池内MLSS维持在1,0001,500mg/L，出水端溶氧值控制于510 mg/L，水力停留时间约6小时，污泥停留时间约为11.5天 设有18座圆柱型及18座蛋型消化槽，消化温度控制在95F，污泥停留时间约15天，产气量每天可达740万立方英呎，其中甲烷含量约64，每日需供给Scattergood蒸气发电厂作为燃料，以交换该电厂提供优惠
11、电价，1.3美元/KWh(市价9美元/KWh)旧金山Oceanside水污染控制厂之蛋型厌氧消化槽池Oceanside水污染控制厂之生物处理系统系采纯氧活性污泥法，生物反应池共三池，每池分为六槽。共设有4个蛋型消化槽，每座消化槽容积为750,000加仑，采单段中温操作，操作温度约为95F，停留时间约为24天。每槽产气量约为100,000立方英呎，产出瓦斯气体主要作为锅炉及发电机之燃料，目前每日可提供厂内约1/2之用电。北京市高碑店污水处理厂污泥消化池污泥处理采用中温两级消化技术，消化后经脱水的泥饼外运作为农业和绿化的肥源。消化过程中产生的沼气,用于发电可解决厂内部分用电。规模为日 处理污水10
12、0万立方米，占北京市污水总量40%。一级处理包括格栅、泵房、曝气沉砂池和矩形平流式沉淀池；二级处理采用空气曝气活性污泥法。水解反应器优点：优点：1.不需要密封，搅拌，三相分离器不需要密封，搅拌，三相分离器2.出水可生化性好，减少后续反应时间出水可生化性好，减少后续反应时间3.出水没有不良气味出水没有不良气味4.池体积小，节省基建费用池体积小，节省基建费用5.污泥量少，污水、污泥一次性处理，不需要中温消化。污泥量少，污水、污泥一次性处理，不需要中温消化。项目项目COD(mg/L)BOD(mg/L)SS(mg/L)溶解性溶解性COD比例比例%BOD5/COD原污水原污水493.3170.2277.
13、450.80.345水解出水水解出水278.4115.245.377.80.414工艺特点：污染物数量质量变化；有机物数量显著减少；污水可生化性提高。原污水与水解出水水质比较水解-好氧联合处理工艺流程厌氧接触法污泥浓度要求很高，在1200015000mg/L左右；污泥回流量很大，一般是废水流量的23倍。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水（如肉类加工废水）效果很好，中温消化经过612小时，BOD5去除率可达90以上。存在问题及解决方法该工艺存在的问题有：(a)厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量的气泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走；(b)进入沉淀他的污泥仍有产甲烷菌在活动并产生沼气，使已
14、沉下的污泥上翻，影响出水水质、降低回流污泥的浓度。对此采取措施有：(a)在反应器和沉淀池之间设脱气器尽可能脱除沼气；(b)在反应器与沉淀池之间设冷却器，抑制产甲烷菌的活动；(c)在沉淀池投加混凝剂：(d)用超滤（或膜分离器）代替沉淀池。厌氧生物滤池厌氧生物滤池(AF升流式，升流式，DSFF降流式降流式)密封的水池，优点有：处理能力较高；微生物浓度高，出水SS较低，设备简单、操作方便；缺点：滤料费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，而且堵塞后没有有效的清洗方法。填料的选择填料是厌氧生物滤池的主体，要满足以下条件：填料是厌氧生物滤池的主体，要满足以下条件：比表面极大；表面粗糙；保证机械强度；价格低廉
15、；选择合适的形状、比表面极大；表面粗糙；保证机械强度；价格低廉；选择合适的形状、空隙度和颗粒尺寸；空隙度和颗粒尺寸；常用填料基本上与好氧接触氧化工艺基本相同，主要有常用填料基本上与好氧接触氧化工艺基本相同，主要有:1.实心块状填料实心块状填料：如碎石、砾石等，容易发生堵塞和短流。：如碎石、砾石等，容易发生堵塞和短流。2.空心填料空心填料：多用塑料制成，呈圆柱形或球形，可以减少滤料层的堵塞：多用塑料制成，呈圆柱形或球形，可以减少滤料层的堵塞现象。现象。3.蜂窝或波纹板填料蜂窝或波纹板填料：塑料波纹板和蜂窝填料，质量轻、稳定，不易堵：塑料波纹板和蜂窝填料，质量轻、稳定，不易堵塞。塞。4.软性或半软
16、性填料软性或半软性填料：半软性聚乙烯、弹性聚苯乙烯滤料，软性尼龙纤：半软性聚乙烯、弹性聚苯乙烯滤料，软性尼龙纤维滤料。比表面积和空隙率较大。维滤料。比表面积和空隙率较大。厌氧生物转盘优点有：(a)微生物浓度高，可承受高额的有机物负荷，相应的去除率可达90左右；(b)废水水平流动也不需要回流，可以节约能源；(c)由于转盘的转动，不断使老化的生物膜脱落，以保持生物膜的活性；(d)可采用多级串联，使各级微生物处于最佳的生存条件。主要缺点是盘片成本高，整个装置造价很高。该反应器的设计按负荷法设计。升流式厌氧污泥床（升流式厌氧污泥床（UASB）升流式厌氧污泥床（UASB），由荷兰Dr.Gatze Let
17、tinga在20世纪70年代研发的，是集生物反应与沉淀于一体，主要构造包括：污泥床、污泥悬浮层、沉淀区、三相分离器及进水系统。SS80厌氧膨胀床(EGSB)和厌氧流化床(UFB)特点：(a)床内具有很高的微生物浓度(一般为30gMLVSS/L左右)，有机物容积负荷率较大，水力停留时间短，具有较好的耐冲击负荷能力，运行稳定；(b)膨胀或流化的载体可避免堵塞；(c)床内生物固体停留时间长运行稳定，剩余污泥少；(d)可用于处理高浓度有机废水，也可用于处理低浓度的城市废水。缺点：(a)为保证载体膨胀或流化，能耗较大；(b)系统的设计运行要求高。一般膨胀率为1020称为厌氧膨胀床，膨胀率为2070时称为
18、厌氧流化床。The expanded granular sludge bed(EGSB)reactor EGSB反应器工业应用情况废水类型废水类型反应器容反应器容积（积（m3）运行温度运行温度（）进水进水COD（mg/L）HRT（h）COD去去除率（除率（%）酒精废水酒精废水2.5302100-2000.09-2.183-98啤酒废水啤酒废水225.515-20666-8861.6-2.470-91屠宰废水屠宰废水2.7351440-42000.270蔗糖废水蔗糖废水8.68550-1100490-97化工废水化工废水27530400001.898产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数发酵产酸菌发酵产
19、酸菌产甲烷菌产甲烷菌种类种类多多相对少相对少生长速率生长速率快快慢慢对对pH的敏感性的敏感性不太敏感（不太敏感（5.5-7）敏感（敏感（6.8-7.2）对温度敏感性对温度敏感性20-3530-38；50-5550-55对对H2的敏感性的敏感性敏感敏感不太敏感不太敏感对毒物的敏感性对毒物的敏感性一般性敏感一般性敏感敏感敏感厌氧转化过程的相分离理论水解酸化产乙酸产甲烷分阶段多项厌氧反应器技术（Staged Multi-Phase Anaerobic Reactor SMPA)在各级分隔空间中培养适宜的厌氧微生物，适应底物及环境防止各个单独空间中独立发展形成的污泥相混合各个单独空间所产生的气体相互隔
20、开各个单独空间的流态趋于完全混合，而工艺流程趋于近推流，即复合流态，使系统有更高的处理效果。厌氧折流反应器（ABR）容易产生短流、死区及生物固体的流失等问题。厌氧折流反应器（ABR）厌氧折流反应器（ABR）优点指标指标主要优点主要优点反应器结构反应器结构结构简单、无运动部件、无需机械混合装置、结构简单、无运动部件、无需机械混合装置、造价低、容积利用率高、不易堵塞、污泥床膨造价低、容积利用率高、不易堵塞、污泥床膨胀程度较低、反应器总高度、投资成本和运转胀程度较低、反应器总高度、投资成本和运转费用低。费用低。生物量特性生物量特性对生物体的沉降性能没有特殊要求、污泥产率对生物体的沉降性能没有特殊要求
21、、污泥产率低、剩余污泥量少、泥龄长、污泥无需载体表低、剩余污泥量少、泥龄长、污泥无需载体表面生长、无需后续沉淀池进行泥水分离。面生长、无需后续沉淀池进行泥水分离。工艺运行工艺运行水利停留时间短，可以间歇运行、耐水力负荷水利停留时间短，可以间歇运行、耐水力负荷和有机负荷能力强，对进水中的有毒有害物质和有机负荷能力强，对进水中的有毒有害物质具有良好的承受力、可以长时间运行而无须排具有良好的承受力、可以长时间运行而无须排泥。泥。ABR反应器与其他反应器性能比较反应器类型反应器类型废水类型废水类型反应器容积反应器容积（L）容积负荷容积负荷（kgBOD/m3d）COD去除率去除率（%）AFBR制酒废水制
22、酒废水572AF糖浆废水糖浆废水1829UASB屠宰废水屠宰废水331185UASB糖浆废水糖浆废水852377ABR制酒废水制酒废水6.33.591ABR糖浆废水糖浆废水1652077ABR运行中注意的问题 回流：稀释进水中的有毒物质，提高前段回流：稀释进水中的有毒物质，提高前段pHpH，减少，减少泡沫。泡沫。低浓度废水：采用短低浓度废水：采用短HRTHRT。高浓度废水：采用长高浓度废水：采用长HRTHRT。高高SSSS废水：增大第一室容积，截留废水：增大第一室容积，截留SSSS。温度：温度：35-2535-25之间降温没有影响。但低于之间降温没有影响。但低于2525度将度将使反应速度降低。
23、使反应速度降低。部分厌氧处理工艺的比较构筑物类型构筑物类型优点优点缺点缺点厌氧消化池厌氧消化池可适应高可适应高SS浓度浓度负荷低，需要较大池容积负荷低，需要较大池容积接触消化接触消化适应中等适应中等SS浓度浓度中等负荷，运行管理复杂中等负荷，运行管理复杂UASB工艺工艺适应高或低浓度适应高或低浓度COD，负荷高，负荷高，运行简单运行简单颗粒污泥培养需要技巧，不适颗粒污泥培养需要技巧，不适应高应高SS浓度废水浓度废水厌氧滤池厌氧滤池适应高或低浓度适应高或低浓度COD，运行简单，运行简单SS浓度高时有堵塞危险浓度高时有堵塞危险厌氧塘厌氧塘投资少，实际不需要维护投资少，实际不需要维护占地面积大，产生
24、臭味，不能占地面积大，产生臭味，不能回收沼气回收沼气6.3厌氧生物处理法的设计设计内容包括：设计内容包括：1.流程和设备的选择：流程和设备的选择：处理工艺和设备的选择；消化温度；采用单级或两级消化等。处理工艺和设备的选择；消化温度；采用单级或两级消化等。2.反应器和构筑物的构造和容积的确定反应器和构筑物的构造和容积的确定3.需热量的计算和搅拌设备的设计需热量的计算和搅拌设备的设计反应器容积的确定LQSV0（容积负荷法）不同消化温度下消化池建议采用的有机负荷消化温度消化温度810152027303337有机容积负荷有机容积负荷kg/(m3 d)最小最小0.250.330.50.651.01.31
25、.62.5最大最大0.350.470.70.951.41.82.33.5厌氧接触消化工艺建议采用的设计参数消化池消化池沉淀池沉淀池有机容积负荷有机容积负荷kgCOD/(m3 d)污泥负荷污泥负荷kgCOD/kgVSS dMLVSSg/L污泥回流比污泥回流比水力表面负荷水力表面负荷m3/m2 h水力停留时间水力停留时间h260.25610200300不大于不大于14UASB反应器在不同温度下的有机负荷温度温度有机负荷有机负荷kgCOD/(m3 d)可沉可沉COD26231.521.531.252中温和高温消化的有机负荷和消化时间消化温度消化温度挥发性有机负荷挥发性有机负荷kgCOD/(m3 d)
26、产气量产气量m3/m3 d消化时间消化时间d中温消化中温消化0.61.511.32030高温消化高温消化2.02.83.04.01015消化池需热量计算121ttcQQ)(2outinttAKQ21QQQ厌氧生物处理特别是甲烷化，需要较高的反应温度。一般需要对投加的废水加温和对反应池保温。消化池所需要的热量包括：1.将废水提高到池温所需的热量；2.补偿池壁、池盖所散失的热量。c废水比热，约为4200kJ/m3；K传热系数，kJ/(hm2)；A散热面积，m2；消化池内外壁温度，例题某地区设计人口为900，000人，人均污水量为120L/d，采用传统活性污泥工艺处理，泥龄为10天，曝气池中MLSS
27、为3000mg/L，水力停留时间为5小时，污泥含水率为98，污泥试图采用厌氧消化工艺处理，停留时间为20天，试估算污泥消化池的有效容积。cVXX/QtV tQV 例题 某污水处理厂采用传统活性污泥工艺处理城市污水，投产3年出水效果一直保持稳定。近期由于来水水质波动，发现曝气池有臭味发出，而且污泥发黑，并且在二沉池有大块的黑色污泥上浮。试画出该厂的工艺流程简图。请根据上述条件分析事故原因，提出可行的解决办法。另外该厂二期扩建计划正在筹备之中，二期建成后除了处理该城市污水以外，还要接收该市某食品加工厂的有机废水，水量为现有城市污水的1/4，COD、氨氮、有机磷浓度均很高。根据你目前学到的知识，提出你认为合理的改建扩建计划，使其达到处理要求。Gatze Lettinga荣获2007泰勒环境成就奖Gatze Lettinga发明的UASB处理法，应用在全世界3/4的厌氧污水处理厂中，并且Gatze Letting没有申请专利而将这种技术免费普及。泰勒奖评委会认为Lettinga的工作“为世界特别是发展中国家提供了一种污水处理的极优秀的工艺。”“UASB反应器概念对所有人都是公开的，特别是对发展中国家的人民，这是我一直期望的”Gatze Lettinga
