1、厌氧生物处理法简介作者：张欣一、厌氧生物处理法的定义 厌氧生物处理又称为厌氧消化、厌氧发酵,是指在没有游离氧的条件下由多种厌氧或兼性厌氧微生物的共同作用,使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。二、厌氧生物处理的特点 不需要另加氧元源，运行费用低；剩余污泥少；可回收能源甲烷；反应速度较慢，反应时间长；处理构筑物容积大。一般可用于对有机污泥和高浓度有机废水（BOD 2000mg/L）的处理。三、厌氧生物处理的基本原理 3.1两阶段理论 在20世纪3060年代,人们普遍认为厌氧消化过程可以简单地分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段,两阶段学说可用图1表示。图1 第一阶段:复杂的有机物,如糖类、脂类和蛋白
2、质等,在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解为低分子的中间产物,主要是一些低分子有机酸,如乙酸、丙酸、丁酸等,和醇类,并有H2、CO2、NH+4和H2S等产生。因为该阶段中,有大量的脂肪酸产生,使发酵液的PH降低,所以,此阶段被称为酸性发酵阶段,或称产酸阶段。第二阶段:产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4和CO2等。由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4和CO2,同时系统中有NH4+存在,使发酵液的PH不断升高。所以此阶段被成为碱性发酵阶段,或称产甲烷阶段。3.2三阶段理论如图2.图2 该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸、H2、CO2和甲醇等以外的有机酸和醇类,所
3、以真实的厌氧消化过程在酸性发酵和碱性发酵阶段之间应该还有一个中间过程,就是产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物,如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和H2,并有CO2产生。3.3四菌群理论 该理论认为复杂有机物的厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与,这四种群是:水解发酵菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌以及产甲烷菌。四种群理论与三阶段理论相比,增加了同型产乙酸菌群,该菌群的代谢特点是能将H2/CO2合成为乙酸,一般情况下这类转化数量很少。3.4五菌群理论 五菌群理论与四种群理论最大的不同在于,把产甲烷菌分为食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两类不同的菌群。厌氧消化过程的5群细菌,
4、构成一条食物链,前三群菌为不产甲烷菌,它们的主要代谢产物为有机酸和氢及二氧化碳。后两群细菌利用乙酸和氢及二氧化碳生成甲烷。所以称前三群菌为不产甲烷菌,或称酸化菌群,后两群菌为产甲烷菌,或称甲烷化菌群。四、厌氧生物处理的方法 厌氧生物处理的工艺经过不断的发展现在已出现了三代厌氧反应器。4.1第一代厌氧反应器厌氧化粪池双 层 沉 淀池（腐 化池）厌 氧 消 化池厌氧接触反应器 （a）(b)(c)(d)图4 第一代厌氧处理典型工艺第一代厌氧反应器的缺点：由于厌氧微生物生长缓慢,世代时间长,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,一般来讲第1代厌氧反应器处理废水
5、的停留时间至少需要20 30天。4.2第二代厌氧反应器的发展历程厌氧滤池（AF)UASB 反应器厌氧固定膜膨胀床反应器(AAFEB)厌氧流化床 （AFB）厌氧折流式反应器（ABR）图5 第二代厌氧处理典型工艺（1）厌氧滤池（AF）高效厌氧处理系统必须满足以下两个条件:(1)系统内能够保持大量的活性厌氧污泥；(2)反应器进水应与污泥保持良好的接触。基于这两个条件产生了一种以微生物固定为原理的高效厌氧反应器厌氧滤池。它的成功之处在于在反应器中加入固体填料(如沙砾等),微生物由于附着生长在填料的表面,免于水力冲刷而得到保留从而巧妙地将平均水力停留时间与生物固体停留时间相分离,其固体停留时间可以长达上
6、百天,这就使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天缩短到几小时或几天。（2）升流式厌氧污泥床(UASB)该工艺由于具有厌氧过滤及厌氧活性污泥法的双重特点，作为能够将污水中的污染物转化成再生清洁能源沼气的一项技术。对于不同含固量污水的适应性也强，且其结构、运行操作维护管理相对简单，造价也相对较低，技术已经成熟，正日益受到污水处理业界的重视，得到广泛的欢迎和应用。UASB的工作原理：UASB由污泥反应区、气液固三相分离器（包括沉淀区）和气室三部分组成。在底部反应区内存留大量厌氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥层。要处理的污水从厌氧污泥床底部流入与污泥层中与污泥进行
7、混合接触，污泥中的微生物分解污水中的有机物，把它转化为沼气。UASB 反应器内有机负荷高,水力停留时间短,处理周期大为缩短;反应器无填料,无污泥回流装置,无搅拌装置,成本和运行费用大大降低;初次启动后可直接以污泥颗粒接种,目前已成为应用最广泛的厌氧处理方法。但反应器内可能出现短流现象,影响处理能力;当进水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。对于这些情况,无疑传统高效UASB 系统的设计需要很大的改进,正是对于这些困难问题的研究,导致产生了第三代高效厌氧反应器的开发和利用。4.3第三代厌氧反应器厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）厌氧内循环（IC）上流污泥床过滤器(UBF)厌氧序批反应器（ASBR）折流式
8、厌氧反应器（ABR）厌氧迁移式污泥床反应器（AMBR）上流式分段污泥床（USSB）厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)EGSB 与UASB 反应器的不同之处仅仅在于运行方式。上流速度高达2.56.0 m/h,远远大于UASB 反应器中采用的约0.52.5 m/h 的上流速度。因此,在EGSB 反应器内颗粒污泥床处于“膨胀状态”,而且在高的上流速度和产气的搅拌作用下,废水与颗粒污泥间的接触更充分,水力停留时间更短,从而可大大提高反应器的有机负荷和处理效率。厌氧内循环反应器(IC)IC反应器实际上是由底部和上部两个UASB反应器串联叠加而成,包括4个不同的功能单元:混合部分、膨胀床部分、精处理部分和回流
9、部分,如图1(b)所示.反应器具有两个三相分离器,使生物量得到有效滞留:一级(底部)分离器分离沼气和水,二级分离器(上部)分离颗粒污泥和水.因大部分沼气已在一级分离器中得到分离,精处理部分内部几乎不存在紊动,因此二级分离器不受高气体流速的影响,能有效分离出水中的颗粒污泥。进水和循环回流的泥水在膨胀床部分充分混合,使进水得到稀释和调节,并在此形成致密的厌氧污泥膨胀床.上流污泥床过滤器(UBF)UBF是在UASB和AF的基础上开发成功的新型复合式厌氧反应器.该新型反应器可以充分发挥UASB和AF两种高效反应器的优点,其底部是高浓度颗粒污泥组成的污泥床,上部是填料及其附着的生物膜组成的滤料层,结构如
10、图1(c)所示.反应器上部的填料层既增加了无效容积的生物总量,又可防止污泥的突然洗出,而且对COD有20%左右的去除率.研究表明,UBF反应器可处理的有机负荷(OLR)直接正比例于系统的生物量浓度,这可以通过改变水力停留时间(HRT)来加以控制.所用的填料可根据废水生物反应特性及水力学特征而进行选择,常用的有:聚氨酯泡沫填料、聚丙烯填料、半软性纤维填料、聚乙烯拉西环、塑料环、活性炭、浮石以及砾石等,其中应用最多的是聚氨酯泡沫填料.因为其比表面积大、空隙度高,具有网状结构,厌氧菌群可以在其表面迅速生长.许多学者对UBF反应器的填料选择进行了研究,发现填料并不是影响总COD去除率和颗粒污泥沉降性能
11、的关键因素.在对高浓度有机废水和城市废弃物的处理中,发现COD去除率受生物量的增殖、OLR和HRT影响最大。注：(a)EGSB;(b)IC;UFB第三代反应器结构示意图ASBR反应器 ASBR法的主要特征是以序批式间歇的方式运行,通常由一个或几个ASBR反应器组成.运行时,废水分批进入反应器,与其中的厌氧颗粒污泥发生生化反应,直到净化后的上清液排出,完成一个运行期。ASBR法一个完整的运行操作周期按次序应分为四个阶段:进水期、反应期、沉降期和排水期,如下图所示：(a)进水期；(b)反应期；(c）沉降期；(d)排水期 单个ASBR反应器就是一个能顺利完成运行周期的处理系统.对于间歇排放的废水,只
12、要排水间歇期足够长,使进水、反应、沉降、排水等一连串操作能够完成,用一个反应器就能达到处理要求.对于连续排放的废水,可用几个反应器轮流接纳废水,分批进行处理.ASBR工艺目前仍处于试验阶段,其特殊的间歇操作方式在理论上能够获得比连续进水的普通厌氧活性污泥法更高效的生物絮凝(甚至颗粒化)和固液分离效果。ASBR反应器能够在565范围内有效操作,尤其是能够在低温和常温(525)下处理低浓度(COD90%。第三代厌氧反应器特点比较 厌氧反应器的处理效率主要决定于反应器所能保有的微生物浓度及其生化反应速率,而传质条件对生化反应速率起着重要的作用。针对这些因素，新一代的反应器具有一些共同的特性:1)微生
13、物均以颗粒污泥固定化的方式存在于反应器中,单位容积达微生物持有量更高;2)能承受更高的水力负荷,具有较高的有机污染物净化效能;3)具有较大的高径比,占地面积小,动力消耗小;4)颗粒污泥与有机物之间具有更好的传质,使反应器的处理能力大大提高.他们也具有各自的特点，也有各自的不足，具体见下表：折流式厌氧反应器（ABR）ABR反应器是在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板,反应器被分隔成几个串联的反应室,每个反应室都可以看作一个相对独立的上流式污泥床（USB）,折板引导水流上下流动通过整个反应器,废水中的有机基质通过与微生物充分的接触而得到去除。反应器的结构示意图如下，在每个隔室的上半部分装上填料，
14、这样可有效地防止污泥的流失。ABR反应器示意图 AMBR工艺类似ABR工艺,在每个隔室里增加了机械搅拌,通过周期性改变进出水的方向来保持大量的污泥,使每个上流式污泥床保持一致。有实验证明，AMBR处理工艺在15和20时处理脱脂牛奶,水力停留时间412h,有机负荷为1030kgCOD/m3d,在更高COD负荷,在15时COD的去除率为59%;在20时,COD负荷为1020 kg COD/m3d COD的去除率为8095%。厌氧迁移式污泥床反应器（AMBR）AMBR工艺基本构造如下图所示图a 底部开孔的反应器结构示意图图b带导流板的反应器结构示意图上流式分段污泥床 上流式分段污泥床反应器是在UAS
15、B反应器的基础上发展而来的,与UASB反应器相比,它是在反应器内竖向增加了多层斜板代替UASB装置中的三相分离器,使整个反应器被分割成多个反应区间,每个反应区间的产气分别经水封后逸出,相当于多个UASB反应器串联而成。使用该反应器在高温条件下,进行蔗糖与VFA混合废水的处理实验,取得了较为满意的结果:肖利平等人采用100mm150mm600mm有效容积为76L,处理淋浴、洗衣和淘米的混合废水,在中温(352)和HRT为095d的条件下,经过60d的培养驯化,当进水含盐量为5000mg/L、COD浓度在5000mg/L以下时,COD去除率在80%左右,日产气量最高可达125L/d。五、现代厌氧反
16、应器技术的发展方向5.1 两相或多级厌氧处理技术 两相厌氧工艺就是把水解和发酵的产酸相与产乙酸和产CH4的产气相分别置于不同的反应器中,这样就可以削弱由酸的积累而导致反应器“酸化”的问题,也使各相能在各自的条件下运行,系统中的污泥的比酸化活性和比产CH4性均高于单相工艺。在相分离的基础上,使产酸相和产CH4相具有复合流态是两相工艺的未来发展方向。5.2分阶段多相厌氧反应器技术 SMPA是新型高效废水厌氧处理工艺研究和开发应用的新思路,该工艺将适用于各种温度条件和不同进水基质类型的处理。SMPA的特点:1)在各级分隔的空间中培养适宜的厌氧微生物种群,以适应相应的底物组分及环境因子(如pH、H2分
17、压等)。2)防止在各个单独空间中独立发展形成的污泥相互混合。3)各个单独空间所产生的气体相互隔开。4)各个单独空间的流态趋于完全混合而工艺流程更接近于推流(即具有复合流态),使系统具有更高的处理效果,提高出水水质。53复合厌氧反应器 复合厌氧反应器(Compound Anaerobic Reactor)第二代厌氧反应器的基础上,融合各种反应器的优点它在实际工程得到广泛采用,其中UASB+AF,UASB+SBR,UASB+DAF,UASB+IPS,USB+AF等在处理城市生活污水方面都取得满意得效果,应该说在实际工程应用中,特别是对于一些特种废水如垃圾渗滤液处理,复合厌氧器能够取得满意的COD去除率。谢谢大家！
