15 厌氧生物处理.ppt

1、第15章 厌氧生物处理,重点： 厌氧生物处理机理、两级厌氧生物处理与两 相厌氧生物处理、升流式厌氧污泥床（UASB 法)、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。 难点： 生物接触氧化法，厌氧生物处理机理、 UASB法、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。,15.7 固着生长厌氧生物处理法,15.1 概述,15.2 厌氧生物处理的基本原理,15.3 厌氧微生物生态学,15.4 升流式厌氧污泥层工艺,15.5 两相厌氧生物处理,15.6 悬浮生长厌氧生物处理法,15.8 厌氧生物处理工艺的运行管理,15.1 概述,厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生 命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过 程。

2、 厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即产酸发酵细菌(fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic bacteria)的联合作用完成。 厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理,最早的厌氧生物处理,15.1.1 厌氧生物处理的发展,厌氧处理法最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥。, 1881年法国Mouras的自动净化器： 1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器： 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）； 1905，德Imhoff池（称隐化池、

3、双层沉淀池） 特点有： 可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。 厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。 对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。 温度不均匀，消化效率低,15.1.1 厌氧生物处理的发展,进入上世纪50、60年代，特别是70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氧生物处理工艺相

4、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物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有： HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高； 主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。,发展的厌氧生物处理,15.1.1 厌氧生物处理的发展,发展的厌氧生物处理,厌氧接触法,厌氧生物转盘,厌氧生物滤池,现代的厌氧生物处理,进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主

5、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”。,现代的厌氧生物处理,颗粒污泥膨胀床（EGSB ）,厌氧内循环（IC）反应器,15.1.2 厌氧生物处理的特

6、点,与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点： 1）运行费用低,约为好氧处理的1/3 厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下，兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处理方法厌氧菌分解有机物是发酵过程，不必提供氧气。 2）可生产生物能 污泥消化最终的产物为沼气，沼气的热值很高，是一种清洁能源 。发达国家城市废水处理厂的污泥厌氧消化所产生的沼气转化的电能可解决处理厂所需电力的33%-100%。 3）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好 好氧法每去除l kgCOD将产生0.4-O.6 kg生物量，而厌氧出去除l kgCOD只产生0.02-0.l kg生物量，其剩余污泥量

7、只有好氧法的5-20。 同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。,主要优点,15.1.2 厌氧生物处理的特点,4）氮、磷营养需要量较少 好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为3300-500:5:1，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。 5）厌氧消化对某些难降解有机物有较好的降解能力 有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等 6）负荷高 通常好氧法的有机容积负荷为2-4 kgBOD/(m3d)，而厌氧法为

8、2-lO kgCOD/(m3d)，高的可达50 kgCOD/(m3d)。,主要优点,1. 不能去除废水中的氮和磷 2. 启动过程较长 3. 运行管理较为复杂 4. 卫生条件较差 5. 去除有机物不彻底,厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；,主要缺点,厌氧生物处理工艺的应用现状,厌氧生物处理工业在污泥和垃圾处理中的应用,秸秆等生物质的资源化和能源化,厌氧处理工艺在废水处理中的应用,应用于高浓度有机废水，如酿酒、制糖、淀粉生产、造纸、医药、食品加工以及化工行业等高浓度及难降解有机工业废水的处理，常跟好氧处理工艺联用。,常用在垃圾渗滤液及污水厂剩余污泥的消化，污泥中

9、1kg挥发性有机物可产沼气1-1.5m3，甲烷含量60%-75%。,各种有机物废弃物通过发酵生产沼气可以提高发热效率，使得热效率提高90%。,15.1.3 厌氧生物处理的发展趋势,开发厌氧生物处理新工艺用来治理有机污水的污染，无疑是一种具有良好经济效益的方法。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物池、厌氧膨胀床和流化床、厌氧生物转盘等。 大家都在为提高生物处理能力和稳定性的途径努力着： 1.提高生物的持有量 2.利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离。 3.开发新反应器，创造厌氧微生物最适宜的生态条件

10、。,返回,15.2 厌氧生物处理的基本原理,15.2.1 复杂有机物的厌氧降解,传统观念两阶段理论, 两阶段理论（30-60年代）,又称产酸阶段或酸性发酵阶段；进行水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和H2等； A、主要参与微生物为：发酵细菌或产酸细菌； B、特点：1）生长快； 2）适应性（温度、pH等）强。,第一阶段：发酵阶段,第二阶段：产甲烷阶段,称碱性发酵阶段；产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2； A、主要参与微生物为：产甲烷菌； B、特点： 1）生长慢； 2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感,三阶段理论,三阶段理论,1.水解发酵阶段：碳水化合物（脂肪

11、、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化 为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳； 2.产酸产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸 CH3CH2COOHCO2+CH3COOH+H2 3.产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物 4H2+CO2CH4+2H2O （1/3）CO2还原 2CH3COOH2CH4+2CO2 （2/3）乙酸脱羧,水解与发酵,20%,最新观点四阶段厌氧生物代谢过程,产氢产乙酸,产甲烷,15.2.2 水解阶段,定义 复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下转 化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。 影响因素 温度，水力停留时间，有机物质的

12、组成成分，有机物质 颗粒的大小；pH值；氨的浓度；水解产物浓度。 水解动力方程：,式中： p可降解的非溶解性有机物浓度 Kh 水解常数,间歇反应器：,连续流反应器：,15.2.3 产酸发酵阶段,微生物 细菌、原生生物和真菌微絮凝、发酵细菌 重要的微生物 纤维素分解菌最重要的一步；产物CO2，H2，已醇； 碳水化合物分解菌丙酮乙醇，乙酸（杆状菌生化絮凝）； 蛋白质水解-生成氨基酸、（棱菌生化絮凝） 脂肪分解菌脂肪酸（弧菌生化絮凝） 产物 甲酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等挥发性有机酸（VFA),乙醇等醇 类，及二氧化碳、氢气、氮气、硫化氢等 两类发酵类型 丁酸型发酵、丙酸型发酵,15.2.4 产氢产

13、乙酸阶段,主要微生物： 产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌 产物：乙酸、CO2、H2,25和55时一些相关反应的自由能（G）变化,15.2.4 产氢产乙酸阶段,自由能变化与H2分压的关系,15.2.5 产甲烷阶段,在厌氧消化产甲烷菌时： C2H3O2Na+H2O NaHCO3+CH4+29.3kj/mol,主要微生物：产甲烷菌 产物：甲烷 特征：细胞的增殖很少，（甲烷细菌不繁殖，数量少，消化时间 长）；食物不足；产生能量仅为好氧1/20-1/30。,反应方程式：,15.2.5 产甲烷阶段,S,甲烷丝菌 (Methanosaeta ） Ks=20mg/L, max=2 to 4 gCOD/VSS.d 甲

14、烷八叠球菌 (Methanosarcina ）Ks=400mg/L, max=6 to 10 gCOD/VSS.d,S0,甲烷丝菌,甲烷八叠球菌,理论产生甲烷量：,1、糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等 气体，这样的混合气体统称为沼气；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算： 2、理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25 gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，

15、同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。,15.2.6 其他厌氧生物处理过程,硫酸盐还原过程： 又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用 1.定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中的有机 物作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物的过程 2.硫酸盐在处理中的危害： （1）与产甲烷菌竞争底物，抑制产甲烷菌的生成。 （2） H2S对产甲烷菌和其他厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。 3.解决办法：用两相厌氧生物处理工艺中的产酸相先期还原硫酸菌。,反硝化与厌氧氨氧化：,1.无氧条件下存在：NH4+和NO2- 2.定义：在厌氧条件下，过程为厌氧氨氧化 3.有氧

16、条件： NH4+ NH2OH NO2- NO3 4.缺氧条件： NO3- NO2- NO N2O N2,返回,15.3 厌氧微生物生态学,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,pH值： 影响代谢速度及生长速度，并且影响发酵类型。生长范围pH3.5-8， 最适范围67，pH4-4.5，乙醇型发酵； pH4.5-5，丁酸型发酵； pH5，混合型发酵； pH5.5，丙酸型发酵；pH6， 丁酸型发酵；,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制阶段，以甲烷菌的影响因素为主,15.3 厌氧微生物生态学,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,2.氧化还原电位(ORP): 影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比

17、例，最适 范围200mV至300mV,Eh-相对标准氢电极的还原电位； E0h-平衡条件下的电位； F-法拉利常数； n-反应过程的电子转移数目。,15.3 厌氧微生物生态学,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,3.碱度:碱度是表征水吸收质子的能力的参数，单位体积水中能与强酸发生中和反应的物质总量，是水对酸的缓冲能力的一种度量 保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH过低而导致某些厌氧 细菌受到抑制，包括碳酸氢盐碱度（缓冲能力pH为6时最大) 跟乙酸盐碱度(缓冲能力为pH为4.7时最大），硫酸盐跟亚硫 酸盐还原及NH3都是碱度。,k-CO2与H2CO3间的平衡常数；3.910-3； Ka -

18、 综合平衡常数；6.47 10-7；pKa=6.19,15.3 厌氧微生物生态学,15.3.1 影响产酸细菌的主要生态因子,4.温度： 厌氧微生物的生长及代谢速率，最佳35摄氏度。但温度低于 25度，产酸速率迅速降低，20度以下产酸速率降到50%以下。 5.水力停留时间和有机负荷： 影响不是很大，有机负荷5-60kgCOD/(m3.d)时，产酸菌可 发挥良好的作用。,15.3 厌氧微生物生态学,15.3.2 影响产甲烷细菌的主要生态因子,pH值： 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值 为7.0-7.2，pH6.5-7.5较为适宜； 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在

19、同一 构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保 持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。,在厌氧消化过程中，pH值的升降变化除了外界因素的影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。,产酸作用产物使有机酸的含量增加，会使pH值下降。含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH值升高。,在厌氧处理中，pH值除受进水的pH影响外，主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡，取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间的平衡。,15.3.2 影响甲烷细菌的主要生态因子,温度因素 各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为， 产甲烷菌的温度范围为5-60。 在35和53

20、上下可以分别获得较高的消化效率， 温度为40-45时，厌氧消化效率较低。 据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、 中温消化和高温消化三种类型。,温度对厌氧消化过程的影响,温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。,温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。,温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复。,15.3.2 影响甲烷细菌的主要生态因子,氧化还原电位（ORP） 一般认为，产甲烷菌繁殖的ORP不低于

21、-330mv。 无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷 菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧 化氢酶。 氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素，但不是 唯一因素。 挥发性有机酸的增减、pH值的升降以及铵离子浓度的高低等因素 均影响系统的还原强度。如pH值低，氧化还原电位高；pH高， 氧化还原电 位低。,在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3d)。,对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(kg污泥d)。,在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投

22、加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。,由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kgMLVSS/m3d。,有机负荷,有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水中污染物的种类及其浓度而异。 在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2-3 kgCOD/(m3d)，在高温下为4-6 kgCOD /(m3d)。 上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15 kgCOD/(m3d)，可高达30 kgCOD/(m3d)。在处理具体废水时，最好通

23、过试验来确定其最适宜的有机负荷。,污泥浓度 厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良 好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。 厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉降性能。 故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈 高。一般UASB的污泥浓度可以达到30-50g/L.,碱度 保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH过低而导致某些厌氧 细菌受到抑制，包括碳酸氢盐碱度（缓冲能力pH为6时最大) 跟乙酸盐碱度(缓冲能力为pH为4.7时最大），硫酸盐跟亚硫 酸盐还原及NH3都是碱度。 应保持2000mg/l的碱度，防止pH下降，缓冲能力弱， 脂肪酸是甲烷发酵的产物，其浓度也

24、应该在 2000mgl左 右；,通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。,在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。在传统厌氧消化工艺中，也将有搅拌的消化器称为高效消化器。,搅拌程度与强度要适当。,搅拌与混合,搅拌的方法：,（a）机械搅拌器搅拌法；,b）消化液循环搅拌法；,c）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中 的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量,厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。,厌氧法中碳:氮:磷控制为

25、300-500:5:1为宜。,启动初期，可多加点N，使得微生物的繁殖加快，同时有助于维持系 统的碱度,营养,抑制剂 包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。氨氮在低浓度下对微生物有刺激生长作用，高浓度有抑制作用。 1.重金属对甲烷消化的抑制 与酶结合，使酶的作用消失 RSH+Me+RSMe+H+ Me及氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀 2.阴离子的毒害作用 如S2-的毒害作用 3.有机物对甲烷消化的抑制 非极性有机物可能损害细胞膜系统 通过氢键与菌体蛋白质结合，使酶失活,硫酸盐、硝酸盐及亚硝酸盐的存在对产甲烷阶段构成了一定的竞争关

26、系。 厌氧生物处理有机废水时生物氧化的顺序：反硝化、反硫化、产酸发酵、产甲烷。 同时，反硫化的产物H2S对产甲烷菌会造成抑制作用，Lettinga认为应该控制COD/SO42-10,反应液中的H2S才能维持在100mg/L下。,硫酸盐、硝酸盐及亚硝酸盐的竞争,15.3.3 影响硫酸盐还原菌的主要生态子,15.3.4 厌氧生化反应动力学,反应方程式,其中： -dS/dt底物去除速率，质量/体积.时间； k单位质量底物的最大利用速率，质量/细菌质量； S可降解的底物，质量/体积； Ks半速度常数，质量/底物体积，即在生长速率等于最 大生长速率1/2时的底物浓度； X细菌浓度，质量/体积； dx/d

27、t细菌增长速率，质量/体积时间； Y细菌产率，细菌质量/底物质量； b细菌衰亡速率系数，d-1,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化动力学是以该阶段作为基础建立的,厌氧反应方程式的进一步推导,1/=（细菌净化增殖速率）1/d 代入dx/dt的公式得到可降解的底物量(mg/l),15.3.5 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替 及相互关系,推流式反应器：,1.产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物 2.产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 3.产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 4.产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制 5.产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜

28、pH值,微生物的相互关系：,返回,15.4 上流式厌氧污泥床反应器,上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的Lettinga等人在70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。,由反应区(reaction region) 、沉淀区(settling region)和气室(gas collection dome)三部分组成。,UASB反应器示意图,上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。,大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般

29、为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构，,上流式厌氧污泥床反应器的特点:,（a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层(sludge blanket)污泥浓度5-7g/L；,污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度发展的颗粒污泥(sludge granules)组成，颗粒的直径一般在0.5-5.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。,（b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10-20kg COD/（m3d）

30、；,（c）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；,（d）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；,（e）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。,（f）反应器内有短流现象，影响处理能力。进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞；,（g）运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。,15.4 上流式厌氧污泥层工艺,在反应器的上部设置了气、固、 液三相分离器； 反应器底部设置了均匀布水系统 反应器内的污泥能形成颗粒污泥 特点：直径为0.10.5

31、cm，湿比重 为1.041.08；具有良好的沉降性 和很高的产甲烷活性。,15.4.1 USAB工艺的工作原理,升流式厌氧污泥床集生物反应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，污水从上部溢流堰流出。,15.4.2 颗粒污泥的性质,颗粒污泥的物理性质,1.形状不规则,中间有孔隙 2.颜色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜 3.相对密度在1.01-1.05左右 4.污泥指数与颗粒大小有关 5.颗粒污泥在反应器中的沉降速率为18100m/h,颗粒污泥的成分,1.微生物及其分泌物 微生物：各类产酸细菌和产甲烷细菌， 产酸细菌在颗粒外部，产甲烷 细菌在颗粒污

32、泥内部 2.惰性物质 3.金属离子,颗粒污泥的活性,采用最大比底物利用速率表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同,丝状颗粒污泥,丝状颗粒污泥,丝状颗粒污泥,球菌颗粒污泥,球菌颗粒污泥,15.4.2 颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件,颗粒污泥形成的原理,1.三种类型的颗粒污泥： 杆菌颗粒:紧密球形颗粒，主要由杆状菌、丝状菌组成，粒径1-3mm 丝菌颗粒：丝状菌附在惰性粒子上，粒径1-5mm 球菌颗粒：紧密球形颗粒，由甲烷八叠球菌组成，粒径0.1-0.5mm,2.颗粒污泥的形成原理： 1）Hulshoff提出的选择压理论。该理论认为颗粒污泥的形成主要是由选择压造成，选择压包含水力负荷和产气负荷（与

33、污泥负荷有关系）。在水力剪切和气力剪切的作用下，沉降性能差的污泥被淘洗出反应器，而沉降性能好的则留在反应器中，最后形成颗粒污泥。 2）Lettinga等提出晶核假说。该假说认为颗粒污泥的形成类似于结晶过程，在晶核基础上，颗粒不断发育，直到最后形成成熟的颗粒污泥。晶核来源于接种污泥或在运行过程中产生的无机盐，如CaCO3或其它颗粒物质。 3）胞外多聚物架桥作用。这一假说认为，颗粒污泥是由于微生物（细菌）分泌的胞外多糖所细胞粘结在一起而形成的。 4）电中和作用。Mahoney等人认为，在厌氧污泥颗粒化过程中，Ca2+能中和细菌细胞表面的负电荷，能减弱细胞间的电荷斥力作用，并通过盐桥作用而促进细胞的

34、凝聚反应。,15.4.3 颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件,1.接种污泥 用处理同样性质废水的厌氧反应器污泥作种泥是最有利的 ,但在没 有同类型污泥时 ,寻找合适的种泥便成了能否启动成功的关键之一。 厌氧消化污泥或粪便可优先考虑； 根据Lettinga的经验 ,中温型UASB反应器的污泥接种量需稠密型污 泥1215kgVSS/m3或稀薄型污泥6 kgVSS/m3。高温型UASB反应器最佳接 种量在615 kgVSS/m3。 2.废水的性质 包括有机组分、浓度、悬浮物含量及可生物降解性能； 含碳水化合物和易降解有机物多的容易形成颗粒污泥； 进水COD浓度低的容易形成颗粒污泥，宜在4000mg/L

35、左右。 若COD浓度较高 ,可采用出水回流进行稀释的方法,影响污泥颗粒化的因素,废水中的悬浮物会造成污泥产甲烷活性的降低,阻碍有机物的降解, 引起污泥流失,降低污泥颗粒化的速度 ,甚至根本不能形成颗粒污泥 ,TS 2000mg/L 3.反应器的工艺条件 温度：低温 (1625) 、中温 (3040)UASB反应器、及高温 (5060)； pH值 ：6.57.8 ； 营养物和微量元素 ：300：5：1； VFA：高浓度下形成以球状菌为主的可以污泥；低浓度下以丝状 菌为主,影响污泥颗粒化的因素,影响颗粒污泥直径大小的因素,1.底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度 2.有机负荷的高低 3.如果低负

36、荷忽然增加负荷将使颗粒污泥破碎 4.用较大的上升气流与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污 泥。,UASB反应器初次启动的操作原则,1、启动阶段的目的： 污泥适应将要处理废水中的有机物 污泥具有很好的沉降性 2、启动时要遵守的原则： 最初污泥负荷不要太高 在挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器负荷 控制厌氧细菌的生存环境 种泥量要尽量多 控制一定的上升流速 3.形成颗粒污泥的过程： 启动与提高污泥活性阶段 形成颗粒污泥阶段 逐渐形成颗粒污泥层阶段,15.4.4 UASB反应器的结构设计原理,UASB反应器的构造,1. 进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断 面，起到水力搅拌并

37、均匀上升。 2. 反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部 形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥 进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡 不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气 泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的 搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮 污泥层。 3. 三相分离器，其功能是将气体、固体和 液体三相进行分离。 4. 集气室，其功能是收集产生的沼气，并 将其导出气室送往沼气柜。 5. 处理水排出系统，均匀收集处理水并将 其排出反应器。,UASB反应器的设计计算,1.UASB 反应器设计计算的主要内

38、容有： 池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定； 进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算； 其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算,2.反应区及主要构造尺寸的确定： UASB 反应器的反应区指配水上沿到三相分离器的下沿的空间，多采用进水容积负荷法确定，即： V = Q Si / Lv 式中： Q废水流量，m3/d； Si进水有机物浓度，mgCOD/l； Lv COD 容积负荷，kgCOD/m3.d。,UASB反应器的设计计算,反应区的高度及断水面积的确定： UASB 反应器的反应区的高度一般在3-6m之间，断水面积主要受表面负荷制约； A = Q/ qi 式中： Q废水

39、流量，m3/h； qi表面负荷，m3/( m2 .h)； A 反应区断水面积，m2。,UASB反应器的设计计算,3. 布水区的设计计算：,UASB 的布水系统： 为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量，避免沟流，进水方式分为间歇式，脉冲式，连续均匀流，连续与间歇回流结合,4. 三相分离器的设计：,三相分离器的基本原理与构造,在UASB 反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式,UASB反应器的设计计算, 沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡 度应为5560；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的 停留时间应在1.52.0h 之间； 回流缝的设计；cd不小于

40、0.2m;,三相分离器的设计要点,上升流速,6. 出水系统的设计： 7. 浮渣清除系统的设计： 8. 排泥系统设计： 9. 其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用； 防腐；,5.UASB 的水封高度： 控制一定的气囊高度可压破泡沫，可避免泡沫和浮泥进入排气系统。 H=h1+h2-H2 式中： H水封有效高度； H2水封后阻力，包括计量设备、管道系统的水头损失和沼气用户所要求的储气柜压力， h1 气室顶部到出水水面高度 h2 气室高度,15.4.5 UASB反应器的若干发展形式,复合式厌氧反应器UBF,复合厌氧法是在一个设备内由几种厌氧反应器复合而成一种厌氧处理法。目前开发的

41、多为升流式厌氧污泥床和厌氧生物滤池复合而成的升流式厌氧污泥床过滤器。可分为无三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)和有三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器(UASB+AF)。,厌氧折流板反应器,1.基本原理： 反应器中设置多个垂直挡板，将反应器分隔为数个上向流和下向流的小室，使序流过这些小室；有人认为，厌氧挡板式反应器相当于多个UASB 反应器的串联；当废水浓度过高时，可将处理后的出水回流。 2.主要特点： 与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置；与UASB 相比，可不设三相分离器而截流污泥；反应器启动运行时间较短，远行较稳定；不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。,厌氧往复层反应器,在A

42、BR反应器的基础上加入机械搅拌，保证系统中的污泥不沉降，同时进出水位置交替转换，保证反应器中污泥层的生物相基本相同。,内循环厌氧工艺,IC反应器可以看作是由两个UASB反应器串联而成的,具有很大的高径比,直径为48,其高度可达1625m。IC反应器由5个基本部分组成:混合区、污泥膨胀床区、内循环系统,精处理区和沉淀区。其中内循环系统是IC反应器工艺的核心构造,它由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管组成,返回,两相厌氧消化工艺 1、工艺流程：,厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应，比如一为产酸阶段，另一为产甲烷阶段，故又称两段式厌氧消化法。,按照

43、所处理的废水水质情况，两步可以采用同类型或不同类型的消化反应器。 第一步反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行；第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。,15.5 两相厌氧生物处理,特点： 1.能够向产酸菌、乙酸菌、产甲烷菌分别提供各自最佳的生长繁殖条件，使各个反应器达到最佳的运行效果； 2.当进水负荷有大幅度变动时，酸化反应器存在着一定的缓冲作用，对后续的产甲烷反应器影响能够缓解，具有一定的耐冲击负荷的能力。 3.酸化反应器反应进程快，水力停留时间短，负荷率高，能够减轻产甲烷反应器的负荷。,15.5.1 两相厌氧生物处理原理,两相厌氧生物处理技术,在两相厌

44、氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有： 化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产 酸相中的生长； 物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显 著的差别，以实现相的分离； 动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异， 控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌 无法在产酸相中生长。 目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。,最适液相末端发酵产物的选择,返回,15.6 悬浮生长厌氧生物处理法,15.6.1 完全混合 悬浮生长厌氧消化池,完全混合悬浮生长厌氧 消化池属完全混合搅拌槽式 反应器，没有污泥回流

45、，水 力停留时间和固体停留时间 相等，HRT一般为1520d 由于此工艺中生物持有量少，代谢速率慢，很长一段时间制约了厌氧处理技术应用于废水处理。,厌氧消化池 （Digester ）,消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。,池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。,常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。,螺旋桨搅拌的消化池,厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也 可应用于处理固体含量很高的有机废水； 主要作用： 部分有机物转变为沼气；

46、 部分有机物形成稳定性良好的腐殖质； 提高了污泥的脱水性能； 污泥体积可减少1/2以上； 致病微生物也得到了一定程度的灭活，有利 于污泥的进一步处理和利用。,一、厌氧消化池主要作用,1、消化池的类型 按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形； 按池顶结构：固定盖式和浮动盖式; 按运行方式：传统消化池和高速消化池。,二、消化池的类型与构造：, 又称低速消化池，无加热和搅拌装置； 有分层现象：只有部分容积有效； 消化速率很低，HRT很长（30-90天）。,A、 传统消化池, 又称低速消化池，无加热和搅拌装置； 有分层现象：只有部分容积有效； 消化速率很低，HRT很长（30-90天）。,B、高速消化池

47、, 设有加热和搅拌装置； 缩短了有机物稳定所需的时间，提高了沼气产量, 一般消化15天左右，运行稳定； 但搅拌使污泥得不到浓缩，上清液不能分离。,C、两级消化池, 两级串联，第一极是高速消化池，第二级则不设 搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并 能分离上清液； 二者的HRT的比值一般为1:2。,2、消化池的构造 由池顶、池底和池体三部分组成；,二、消化池的类型与构造：,螺旋桨搅拌的消化池, 池顶：固定盖和浮动盖，集气罩； 池底：倒圆锥形，有利于排泥； 搅拌：机械搅拌和沼气搅拌,15.6.2 厌氧接触法,厌氧接触法是在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，使厌氧反应器内污泥能维持较高的污泥浓

48、度，降低水力停留时间。 特点： 1.在反应器与沉淀池之间设脱气器，维持真空度，尽可能地将混 合液中的沼气脱除。 2.在反应器与沉淀池之间设冷却器，使混合液的温度由下降，以 抑制产甲烷菌 在沉淀池内活动。 3.投加混凝剂，提 高沉淀效果。,（a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强； （b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天； （c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题； （d）混合液经沉降后，出水水质

49、好， （e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。,厌氧接触法的特点,厌氧滤池（anaerobic filter又称厌氧固定膜反应 器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。 1.工艺特征： 滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。 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。,15.7 固着生长厌氧生物处理法,15.7.1 厌氧生物滤池,2.构造特征 废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌 氧滤池； 废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层， 从池底部排出，称降流式厌氧滤池。,组成：滤料、布水系统、沼气收集系统；,3、运行特征 厌氧生物滤池中生物膜的厚度约为1-4mm； 生物固体浓度沿滤料层高度而有变化； 降流式较升流式的生物固体浓度的分布更均匀； 厌氧生物滤池适合于处理多种类型、浓度的有机 废水， 在相同的水质条件及水力停留时间下，升流式的 COD去除率较降流式的高； 当进水COD浓度过高时，应采用出水回流的措施,4. 厌氧生物滤池的特点及改进：,在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。 厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高，相应的有机物去除速度快。 当废水中有机物浓度高时，特别是进水悬