1、第第4章章 水质工程学水质工程学4.3 活性污泥处理工艺活性污泥处理工艺4.5 厌氧生物处理厌氧生物处理 4.4.1 生物膜法的基本概念 4.4.2 生物滤池 4.4.3 生物转盘 生物膜法和活性污泥法一样，都是利用微生物来去除废水中有机物的方法，两者是平行发展平行发展起来的污水好氧处理工艺。生物膜法和活性污泥法的区别 活性污泥法：悬浮生长系统；生物膜法：附着生长系统或固定膜工艺。初沉池初沉池生物膜反应器生物膜反应器进水回流排泥排泥出水二沉池二沉池u初沉池作用：初沉池作用：u去除大部分悬去除大部分悬浮固体物质；浮固体物质；u防止生物膜反防止生物膜反应器堵塞；应器堵塞；二沉池二沉池作用：去作用：
2、去除脱落的除脱落的生物膜，生物膜，提高出水提高出水水质。水质。u出水回流作用：出水回流作用：u稀释进水有机物浓度；稀释进水有机物浓度；u提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对提高生物膜反应器的水力负荷，加大水流对生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜生物膜的冲刷作用，更新生物膜，避免生物膜的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合的过量累积，从而维持良好的生物膜活性和合适的膜厚度；适的膜厚度；u出水回流不是必不可少的。出水回流不是必不可少的。生物膜生物膜作用是什作用是什么？么？4.4.14.4.1生物膜法的基本概念生物膜法的基本概念u生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提；形成性能良好的
3、生物膜的形成及其生长是实现废水有效处理的前提；形成性能良好的生物膜是关键；生物膜是关键；u 定义：定义：好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生好氧生物膜是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物粘附在生物滤池滤料或粘附在生物转盘盘片上的一层粘性的微生物混物粘附在生物滤池滤料或粘附在生物转盘盘片上的一层粘性的微生物混合群体薄膜。合群体薄膜。u是生物膜法净化行是生物膜法净化行废）水的工作主体废）水的工作主体 普通滤池的生物膜厚度约普通滤池的生物膜厚度约2 23mm3mm。u微生物量以每平方米滤料上干燥生物膜的重量或每立方米滤料上的生微生物量以每平方米滤料上干燥生物膜的重量或每立方米滤料上的
4、生物膜污泥重量表示物膜污泥重量表示u生物膜：高度亲水，滤料生物膜：高度亲水，滤料1 1上厌氧层上厌氧层2 2、好氧层好氧层3 3；u附着水层附着水层4 4，流动水层，流动水层5 5；u6 6空气空气O O2 2，7 7有机物有机物BODBOD，8 8好氧产物好氧产物COCO2 2、H H2 2O O，9 9厌氧产物厌氧产物NHNH3 3、H H2 2S S、COCO2 2；生物膜的构造u有机物降解过程：有机物降解过程：u 空气中氧溶解于流动水层中；空气中氧溶解于流动水层中；u 污水中有机物由流动水层传递到附污水中有机物由流动水层传递到附着水层，在进入生物膜；着水层，在进入生物膜；u 微生物代谢
5、有机物。微生物代谢有机物。生物膜的构造（剖面图）料料滤滤生物膜厌氧 好氧空空气气流动水层O O2 2O O2 2BODBODBODBODNHNH3 3H H2 2S SCOCO2 2NHNH3 3COCO2 2H H2 2O OCOCO2 2H H2 2O OO O2 2BODBODO O2 2BODBOD附着水层生物膜的载体生物膜的载体 为生物膜提供附着生长固定表面的材料称为填料填料(载体载体),在生物膜法的发展和性能特征方面填料有着重要的影响。u滴滤池，生产中最早，以碎石为填料。u碎石比表面积小，负荷小，占地大，喷洒废水布水方式不卫生。u所以生物膜法一直未被重视。塑料工业发展，塑料填料引入
6、生物膜处理系统，推动生物膜法发展。载体材料：无机和有机两大类 无无机机类类载载体体u沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷类、沙子、碳酸盐类、各种玻璃材料、沸石类、陶瓷类、碳纤维、矿渣、活性炭等。碳纤维、矿渣、活性炭等。u机械强度高，化学性质相对稳定，比表面积较大。机械强度高，化学性质相对稳定，比表面积较大。u不足：密度较大，在悬浮生物膜反应器中应用受限。不足：密度较大，在悬浮生物膜反应器中应用受限。有有机机类类载载体体u聚氯乙稀聚氯乙稀PVC、聚乙烯、聚乙烯PE、聚苯乙烯聚苯乙烯 PS、聚丙烯、聚丙烯PP、各类树脂、各类树脂、塑料、纤维以及明胶等，塑料、纤维以及明胶等，u有机高分子类载体
7、适用于悬浮状态完全混合反应器工有机高分子类载体适用于悬浮状态完全混合反应器工艺艺（生物流化床、曝气生物滤池等）。（生物流化床、曝气生物滤池等）。u塑料类载体多适用于固定床塑料类载体多适用于固定床（普通生物滤池）（普通生物滤池）或混合型或混合型（如流化床）（如流化床）工艺。工艺。选择生物膜载体的基本原则选择生物膜载体的基本原则 u 足够的机械强度足够的机械强度，以抵抗强烈的水流剪切力作用；u 优良的稳定性优良的稳定性，包括生物、化学和热力学稳定性；u 亲疏水性及良好的表面带电特性亲疏水性及良好的表面带电特性，带正电荷的载体有利；u 无毒性或抑制性；无毒性或抑制性；u 优越的物理性状优越的物理性状
8、，如载体的形态、相对密度相对密度、孔隙率孔隙率和比表面积和比表面积等；u 就地取材、价格合理。就地取材、价格合理。Biofilm on rough surfaceBiofilm on smooth surface载体载体1载体载体2 生物滤池是生物膜反应器的最初形式，已有百余年生物滤池是生物膜反应器的最初形式，已有百余年的发展史。的发展史。u18931893年年u英国英国u将污水喷洒在将污水喷洒在粗滤料上进行净粗滤料上进行净化试验化试验u净化效果良好净化效果良好u生物滤池问世。生物滤池问世。u早期：水力负荷和早期：水力负荷和BODBOD负荷都很低，但占负荷都很低，但占地大，易堵地大，易堵u后来
9、：出水回流，后来：出水回流，提高水力负荷和有机提高水力负荷和有机负荷，为高负荷生物负荷，为高负荷生物滤池。滤池。u现有：现有：u普通低负荷生物滤池普通低负荷生物滤池u高负荷生物滤池高负荷生物滤池u塔式生物滤池塔式生物滤池u曝气生物滤池等。曝气生物滤池等。生物滤池构造与原理通气道排水渗水装置配水虹吸配水干管及支管滤料u布水装置：向滤池表面均匀污水。布水装置：向滤池表面均匀污水。u适应水量的变化；不易堵塞和易于清通以及不受风、适应水量的变化；不易堵塞和易于清通以及不受风、雪影响等特征。雪影响等特征。多采用固定喷嘴式布水系统，由投配池，布水管道和喷嘴等几部分组成。u排水系统：池底，排水系统：池底，包
10、括渗水装置、汇包括渗水装置、汇水沟和总排水沟以水沟和总排水沟以及其供通风的底部及其供通风的底部空间。空间。u两个作用：两个作用：1 1排除排除出水；出水；2 2保证滤池通保证滤池通风良好。风良好。u渗水装置：支撑渗水装置：支撑滤料，其排水孔隙滤料，其排水孔隙总面积不小于滤池总面积不小于滤池表面积表面积20%20%；与池底；与池底距离大于距离大于0.4m0.4m，以，以利通风，一般在出利通风，一般在出水区的四周池壁均水区的四周池壁均匀布置进风孔。匀布置进风孔。构造：构造：池体、滤料、池体、滤料、布水装置布水装置、排水系统、排水系统（1）.构造特征通气道排水渗水装置配水虹吸配水干管及支管滤料 池壁
11、：砖石，围护滤料，能承受滤料压力。有些池壁上有许多孔洞，促进通风。要求池壁高于滤料表面0.50.9m。池体：平面上为方形、矩形或圆形。池底：支撑滤料、排除出水。池底底部四周设通风口，其总面积不小于滤池表面积的1%。滤料：滤池主体，对滤池净化功能有直接影响。要求：比表面积大；孔隙率足够；机械强度较好，不易变形和破碎。生物转盘源于原联邦德国，生物转盘源于原联邦德国，1954年第一套半生产性生物转盘试验装置在西德海尔布隆年第一套半生产性生物转盘试验装置在西德海尔布隆(Heilbronn)污水处理厂建成。污水处理厂建成。原联邦德国斯图加特工业大学勃别尔原联邦德国斯图加特工业大学勃别尔(Popel)教授
12、和哈特曼教授和哈特曼(Hartman)教授进行了大量研究，于教授进行了大量研究，于1964年发表年发表生物转盘生物转盘的设计、计算与性能的设计、计算与性能论文，奠定生物转盘技术发展基础。论文，奠定生物转盘技术发展基础。4.4.3 生物转盘生物转盘 生物转盘构造特征 由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置组成。盘片串联成组，中心贯以转轴，转轴两端安设在半圆型接触反应槽两端的支座上。转盘面积的40左右浸没在槽内的污水中，转轴高出槽内水面1025cm。如下图所示。盘片盘片 u 1）主要部件，应具有轻质高强，耐腐蚀、耐老化、易于挂膜、不变）主要部件，应具有轻质高强，耐腐蚀、
13、耐老化、易于挂膜、不变形，比表面积大，易于取材、便于加工安装等性质。形，比表面积大，易于取材、便于加工安装等性质。一般采用聚氯一般采用聚氯乙烯或聚脂玻璃钢制作乙烯或聚脂玻璃钢制作。=37mm（=1015）u 2）形状、大小：圆形、正多角形，为波纹状盘片，此时表面积可提）形状、大小：圆形、正多角形，为波纹状盘片，此时表面积可提高一倍。直径高一倍。直径：23.6m，最大，最大5.0mu 3）盘片间距：一般为）盘片间距：一般为30mm，多级转盘前级数为，多级转盘前级数为2535mm，后级数，后级数1020mm。u 接触反应槽接触反应槽u 各部位尺寸和长度，据转盘直径和轴长决定，各部位尺寸和长度，据转
14、盘直径和轴长决定，半圆形。u 盘片边缘与槽内面间距不小于盘片边缘与槽内面间距不小于100mm100mm。u 槽底设放空管，槽底设放空管，u 槽两侧面设有进出水设备，多采用锯齿形溢流堰。槽两侧面设有进出水设备，多采用锯齿形溢流堰。u 多级生物转盘的接触反应槽分为若干格，格与格之间设导流槽多级生物转盘的接触反应槽分为若干格，格与格之间设导流槽 。转轴转轴 实心钢轴或无缝钢管实心钢轴或无缝钢管，长，长L=0.57.0m，否则易扰曲变形，否则易扰曲变形，发生折断或扭断，直径发生折断或扭断，直径d=5080mm。转轴中心距槽内水面。转轴中心距槽内水面的距离的距离(b)/转盘直径转盘直径(D)=0.050
15、.15，取，取0.060.1，转轴在液，转轴在液面之上面之上b 150mm。驱动装置驱动装置15-18m/min过高损设备机械过高损设备机械强度，消耗电能，盘面产生较大剪切力，易使生物膜强度，消耗电能，盘面产生较大剪切力，易使生物膜过早剥离。综合考虑各项因素，转盘的转速以过早剥离。综合考虑各项因素，转盘的转速以0.8-3.0 r/min，外缘的线速度以为宜。，外缘的线速度以为宜。转轴与驱动装置转轴与驱动装置生物转盘的净化机理 盘片交替与污水和空气相接触，在盘片上产生一盘片交替与污水和空气相接触，在盘片上产生一层滋生着大量微生物的生物膜。当生物膜与反应层滋生着大量微生物的生物膜。当生物膜与反应槽
16、内污水接触时，污水中有机物被生物膜所吸附槽内污水接触时，污水中有机物被生物膜所吸附降解，当降解，当转盘转动离开污水生物膜与空气接触时，生物膜与空气接触时，一方面生物膜表面吸附水层中的有机物继续降解，一方面生物膜表面吸附水层中的有机物继续降解，一方面吸附水层吸收空气中的氧，供一方面吸附水层吸收空气中的氧，供生物膜利用和将其传递到污水中使槽内的使槽内的DO达到一定浓度。达到一定浓度。而老化了的生物膜在剪切力作用下而脱落，然后而老化了的生物膜在剪切力作用下而脱落，然后进入二沉池。进入二沉池。生物转盘净化反应过程与物质传递过程生物转盘净化反应过程与物质传递过程 第第4章章 水质工程学水质工程学4.3
17、活性污泥处理工艺活性污泥处理工艺4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器4.54.5 厌氧生物处理厌氧生物处理4.5.1 4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理 厌氧生物处理法是在条件下，利用厌氧微生物的生命活动对有机物进行生物降解，从而达到处理有机的目的，又称为厌氧消化法。概念概念p 厌氧消化的终产物为CH4和CO2；p 中高浓度的工业废水 难降解有机废水 低浓度的城镇污水废水浓度4.5.1 4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理好氧处理厌氧处理耦合技术高高多多低浓度低浓度耦合技术
18、低低少少中、高浓度中、高浓度能耗剩余污泥4.5.1 4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理过程过程p 厌氧消化的两阶段理论厌氧消化的两阶段理论 碳水化合物、蛋白质及脂肪 挥发酸、醇类、H2、CO2、H2S及NH4+专性厌氧菌、兼性厌氧菌 专性厌氧菌 第一阶段 第二阶段4.5.1 4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理p 厌氧消化的三阶段理论厌氧消化的三阶段理论 第一阶段 第二阶段 第三阶段 产甲烷菌不能直接利用除之外有机酸和醇类。4.5.1 4.5.1 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理p 厌氧消化的四阶段理论厌氧消化的四阶段理论单糖、双糖、氨基酸
19、及多肽丙酸、丁酸、戊酸及乙醇 4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器第一代厌氧反应器第一代厌氧反应器p 化粪池1895年，英国的Donald设计了世界上第一个，是厌氧处理工艺发展史上的一个重要里程碑。主要用于处理来自厕所的粪便污水，通常设于独立的居住或公共建筑的下水管道上，或郊区的别墅式建筑。A septic tank system4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器化粪池是一个矩形密闭的池子，用隔墙分为两室或三室，各室之间用下水连接管接通。上层为浮渣层，下层为污泥层，中间为水流，通过各室后由另一端排出。化粪池采用污泥与废水
20、完全混合的模式，SRT与HRT相同，厌氧微生物的浓度低，处理效果不佳。p 化粪池进水进水出水出水浮渣浮渣污泥污泥4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器第一代厌氧反应器第一代厌氧反应器p 厌氧接触法对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法。回流污泥 沉淀池 真空脱气器 消化池 废水 图19-9 厌氧生物接触法沼气出水剩余污泥真空脱气器冷却器4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器p 厌氧接触法特点：1.在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，使SRT与水HRT分开，厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，同时可大大降低HRT；2
21、.存在的问题是从厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量气泡，在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走；进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动，产生沼气，使已沉下的污泥上翻，固液分离效果不佳。可采取以下办法解决：（1）在反应器与沉淀池之间设；（2）在反应器与沉淀池之间设；4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器第二代厌氧反应器第二代厌氧反应器提高系统内生物量、强化传质作用、延长SRT、缩短HRT；包括、p 厌氧生物滤池装填料的厌氧反应器。微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，避免了厌氧污泥随出水流失。分为升流式和降流式两种类型。4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与
22、反应器厌氧生物处理工艺与反应器p 厌氧生物滤池处理水 原废水 处理水 沼气沼气滤料原废水 滤料图19-10 厌氧生物滤池优点：实现了SRT和HRT的分离控制；缺陷：容易出现堵塞和短流现象，需要定期清洗，增加运行成本。4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器p 升流式厌氧污泥床第二代厌氧反应器第二代厌氧反应器目前应用最为广泛的高速厌氧反应器，对废水厌氧生物处理具有划时代的意义。集生物反应器与沉淀于一体的厌氧反应器，污水从下部流入，通过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，最终从上部溢流堰流出。（1）在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；（2）在反应器底部设置了
23、均匀布水系统；（3）反应器内的污泥能形成颗粒污泥，具有良好的沉降性和很高的产甲烷活性。4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器p 升流式厌氧污泥床：将进水均匀的分配到反应器整个横断面；：核心区。包括颗粒污泥区和悬浮污泥区；：将沼气、污泥和废水三相分离；收集产生的沼气，并将其导出气室送往沼气柜；均匀收集处理水并将其排出反应器；均匀排除反应区的剩余污泥；清除沉淀区液面和气室表面的浮渣配水系统污泥处 理水沼气三 相 分 离 器出 水 堰水沼 气污 泥颗 粒 污 泥 区悬 浮 污 泥 区图 19-12 升 流 式 厌 氧 污 泥 床4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工
24、艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器p 升流式厌氧污泥床 厌氧颗粒污泥沉速大，可使反应器内维持较高的污泥浓度，平 均可达50 g VSS/L以上；反应器的水力停留时间相对较短；UASB反应器集生物反应器和沉淀分离于一体，结构紧凑；无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率；一般无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用；结构简单，操作运行方便。4.5.2 4.5.2 厌氧生物处理工艺与反应器厌氧生物处理工艺与反应器第三代厌氧反应器第三代厌氧反应器为解决UASB在运行过程中出现的短流、死角和堵塞等问题，在第二代反应器的基础上开发了第三代反应器。p 厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）p 厌氧内循环反应器（IC）p 厌氧折流板反应器（ABR）
