注册环保工程师水基础-2 -4厌氧处理

第2章污水生物处理工程基础2.1活性污泥法2.2生物膜法2.3生物除磷脱氮2.4厌氧生物处理法2.5污泥的处理与处置2.6流域水污染防治2.4厌氧生物处理废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水2.4.1厌氧生物处理原理废水的厌氧生物处理：指在无氧条件下，借助厌氧微生物的新陈代谢作用分解废水中的有机物质，并使之转变为小分子的无机物质的处理过程。1979年出现了厌氧消化的三阶段理论，主要包括：第一阶段水解发酵阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物；这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸和丁酸等脂肪酸和醇类等。第二阶段产氢产乙酸阶段，在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类转化为乙酸等物质。第三阶段产甲烷阶段，产甲烷细菌利用第一阶段和第二阶段产生的乙酸、二氧化碳和氢转化为甲烷。厌氧生物处理主要优点与好氧生物处理法相比，厌氧生物处理主要具有以下优点：⑴应用范围广；⑵能耗低；⑶负荷高；⑷剩余污泥量少，且其浓缩性和脱水性能良好。⑸氮、磷营养需要量较少；⑹厌氧处理过程有一定的杀菌作用；⑺厌氧活性污泥可以长期贮存。厌氧生物处理的缺点厌氧生物处理也存在以下不足：⑴厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长⑵出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，因此一般在厌氧处理后串联好氧处理⑶厌氧处理系统操作控制因素比较复杂，易产生臭味和腐蚀性的气体2.4.2厌氧生物处理的主要影响因素温度：产甲烷菌的温度范围是5～60℃，在35℃和53℃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。各种产甲烷菌的适宜范围不一致，且最适的温度范围较小pH值：产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，产酸细菌适宜的pH值4.5～8.0；产甲烷菌最适的pH值7.0～7.2，适宜的pH值6.6～7.4有机负荷：在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率趋向下降，而消化器的容积产气量则增多。有机负荷过高，会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率；有机负荷过低，物料产气率虽然可以提高，但容积产生率降低，反应器容积将增大，使消化设备的利用效率降低，而增加投资和运行费用。厌氧活性污泥：厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。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，但到了一定程度后，效率的提高不再明显。2.4.2厌氧生物处理的主要影响因素2.4.2厌氧生物处理的主要影响因素有毒物质：厌氧系统中的有毒物质会不同程度地对过程产生抑制作用，通常包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等氧化还原电位：产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-0.3V。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为＋0.1～-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3～-0.35V（中温消化）与-0.56～-0.6V（高温消化）搅拌和混合：搅拌可消除池内的梯度，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，显著地提高消化的效率厌氧生物处理技术的优点与好氧生物处理法相比，废水处理成本低。适于处理高浓度废水，能耗低，且能够产生大量能源。厌氧废水处理设备负荷高（5～10kgBOD/m3.d），占地少剩余污泥量少，污泥稳定，脱水性能好。对营养物的需求量少（BOD:N:P=300:5:1）厌氧污泥生物活性可保留一年以上，可间断或季节性运行厌氧生物处理技术的缺点与好氧生物处理法相比，处理后出水水质较差，难以直接达标，一般需要进行后处理。厌氧微生物对有毒物质和环境条件较为敏感，操作不当可能导致反应器运行条件的恶化。由于厌氧细菌增殖缓慢，厌氧反应器初次启动过程需时较长，一般需要8～12周时间才能完成。2.4.3厌氧生物反应器第一代厌氧反应工艺：20世纪50年代前开发。典型代表：普通厌氧消化池。第二代厌氧反应工艺：1960’s开始，以提高厌氧微生物浓度和停留时间、缩短液体停留时间为目标。典型代表：厌氧接触池、厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧流化床（AFB）、厌氧附着膜膨胀床（AAFEB）等。与第一代厌氧工艺相比，第二代工艺更加注重对系统环境条件的控制，反应器中通常增加了温控设施和搅拌装置，通过不同的运行方式在反应器内保持很高浓度的生物量。2.4.3厌氧生物反应器第三代厌氧反应工艺：1990’s后，微生物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，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，具有较大的高径比，占地面积小等。典型工艺有：厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）、厌氧内循环反应器(IC)、升流式厌氧污泥床过滤器等。目前，厌氧生物处理工艺已大规模的应用于城市污水、工业废水、有机污泥的处理。厌氧生物处理技术厌氧接触法两相厌氧硝化工艺厌氧滤池(AnaerobicFilter,AF)升流式厌氧污泥床(Up-flowAnaerobicSludgeBed,UASB)厌氧膨胀颗粒污泥床(ExpandedGranularSludgeBed,EGSB)厌氧内循环反应器（InternalCirculation,IC）厌氧膨胀床（AnaerobicExpandedBed,AEB）和厌氧流化床（AnaerobicFluidizedBed,AFB)2.4.3厌氧生物反应器1.厌氧接触法

机械、水力或压缩沼气的搅拌：完全混合状态真空脱气装置：脱气，提高沉淀池中混合液的固液分离效果沉淀污泥回流至消化池：SRT与HRT的分离，保持污泥浓度1.厌氧接触法

厌氧接触法具有如下特点：⑴耐冲击能力强（污泥浓度5～10gMLVSS/L）⑵消化池的容积负荷较普通消化池大大提高⑶可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液；⑷出水的水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气设备；⑸混合液难于在沉淀池中进行固液分离，污泥中脱气不彻底，沉淀池中存在厌氧生化反应

2.两相厌氧消化工艺

实现了生物相的分离，使产酸相和产甲烷相分别在最优条件下运行，确保发挥两大类微生物各自优势所需的条件，大幅度提高了废水处理能力和反应器的运行稳定性，又进一步提高了厌氧法处理废水的能力和范围。

2.两相厌氧消化工艺

主要特征：⑴产酸相反应器可以在高的负荷下运行，产甲烷相反应器也在最佳的工作状态下运行，总体负荷比单相工艺有明显提高。⑵两相厌氧消化工艺运行相对稳定，承受冲击负荷的能力强。⑶当污水中含有大量硫酸盐等抑制物时，通过在两相反应器中间增设H2S等有害物质脱除装置，降低产甲烷菌受抑制的程度。⑷工艺系统相对复杂。3.厌氧滤池

厌氧生物滤池的构造类似于一般的生物滤池，但池顶密封，产生的沼气聚焦在池顶部罩内，并从顶部引出。处理水所挟带的生物膜，在滤后沉淀池分离。按水流方向，厌氧生物滤池可分为：升流式、降流式和升流式混合型。3.厌氧滤池

厌氧生物滤池的主要优点是：微生物浓度较高，能承受较高的有机负荷及冲击负荷；泥龄长，HRT较短，反应器的体积小；启动时间短，短时间停运后再启动容易；不需搅拌和回流污泥，设备简单，操作方便，能耗低。4.升流式厌氧污泥反应器（UASB）UpflowAnaerobicSludgeBlanket，简称UASB:是荷兰农业大学1974－1978年间研制出来的一种高效厌氧生物反应器。据1993年的报道，国外至少已有300多座生产规模处理装置在运行，其中设备最大容积达15600m3。4.升流式厌氧污泥反应器（UASB）工作原理示意图由反应区、沉淀区和三相分离器三部分组成UASB反应器运行的三个重要前提反应器内培养、形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥层（床）通过产气和进水的均匀分布，能够形成良好的自然搅拌作用设计合理的三相分离器，使颗粒污泥能够保留在反应器内4.升流式厌氧污泥反应器（UASB）4.升流式厌氧污泥反应器（UASB）UASB产生的剩余颗粒污泥在常温下可保存很长时间而不损失活性，因此UASB采用剩余污泥接种，可使反应器启动时间缩短到几天之内。产气的搅拌作用使污泥床不断运动而与废水良好混合，因此UASB一般不易形成沟流。由于没有填料，UASB有更大的空间容纳污泥，容积负荷比其它厌氧处理工艺更高。由于没有填料，UASB在投资和运行成本上更节省，能耗低，操作维护相对简易。升流式厌氧污泥反应器的特点4.升流式厌氧污泥反应器（UASB）优点：⑴反应器内污泥浓度高；⑵有机负荷高，水力停留时间短，中温消化；⑶反应器内设三相分离器，一般无污泥回流设备；⑷无混合搅拌设备；⑸污泥床内不填载体，节省造价。缺点：⑴反应器内有短流的现象，影响处理能力⑵运行启动时间长，对水质和负荷突变比较敏感升流式厌氧污泥反应器的特点5.厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）ExpandedGranularSludgeBed，简称EGSB：是对UASB反应器的改进，运行中维持高的上升流速（5～10m/h），大于UASB所采用的0.5～2.0m/h的上升流速，反应器中的颗粒污泥处于膨胀悬浮状态，从而保证了进水与颗粒污泥的充分接触。EGSB类似于厌氧流化床，但内部无填料，上升流速小于厌氧流化床。5.厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）进水分配系统和三相分流器类似于UASBEGSB通常采用较大的高径比和回流比，高径比可达20以上。5.厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）⑴具有出水回流系统，可以稀释进水有机物的浓度，降低难降解有机物或有毒有机物对微生物的抑制；⑵在高负荷条件下能取得较好的处理效果；⑶反应器内颗粒污泥粒径大，抗冲击负荷能力强；⑷混合程度高，可有效解决短流和反应死角的问题⑸占地面积小。

厌氧膨胀颗粒污泥床的特征6.厌氧内循环反应器（IC）InternalCirculation，简称IC：一种新型塔式厌氧反应器，高度通常为16～25m，高径比为4～8;IC由第一反应室和第二反应室叠加而成，每个反应室各设由集气罩和水封组成的三相分离器，如同两个UASB上下重叠串联.厌氧内循环反应器（IC）第一反应室的集气罩顶设提升管直通气－液分离器，气－液分离器的底部设回流管直通至反应器的底部，在密度差作用下实现混合液的内部循环，使得第一反应室具有很高的生物量和很大的上升流速厌氧内循环反应器厌氧内循环反应器（IC）的主要特征：⑴反应器具有很高的容积负荷率；⑵处理的稳定性好，出水的水质较好⑶耐冲击负荷；⑷占地面积省，可降低基建投资；7.厌氧膨胀床和厌氧流化床AnaerobicExpanded/FluidizedBedReactor，简称AEBR/AFBR：借鉴流态化技术的一种生物反应装置。以小粒径载体（石英砂、活性炭、沸石、塑料颗粒等，粒径多在0.2－0.7mm）为流化粒料，污水作为流化介质，当污水以升流式通过粒料床体时，污水上升流速使颗粒载体呈膨胀/流化状态，污水与表面生长厌氧生物膜的颗粒载体不断接触反应，达到厌氧生物反应处理污水的目的。

厌氧生物流化床膨胀率＝110～120％称膨胀床；膨胀率＝120～170％称流化床。7.厌氧膨胀/流化床流态化能够最大程度使厌氧污泥与污水接触颗粒与流体相对运动速度高，液膜扩散阻力小。此外，颗粒表面生物膜厚度小，传质作用强。因此，生物化学过程进行较快，污水在反应器内的水力停留时间短，处理效率高。克服了厌氧生物滤池存在的堵塞和沟流问题。高容积负荷使反应器体积减小，同时，由于其高度与直径比例大于其它厌氧反应器，因此，厌氧生物流化床占地面积小。厌氧膨胀/流化床的主要特点厌氧流化床存在的主要问题为了实现良好的流态化并使污泥与填料不致从反应器流失，必须使生物膜颗粒保持均匀的形状、大小和密度，但这在工程上是难以实现的，因此，稳定的流态化液难以保证。为了获得高的水流速度以保证流态化，流化床需要大量的回流水，导致能耗增大，成本提高。流化床设计中的一个重要问题是底部进水的均匀分布，尽管出现了多种布水方式，但在生产规模的设备中，均匀布水是非常困难的。

7.厌氧膨胀/流化床2.4.4水解酸化－好氧生物处理工艺水解（酸化）工艺与厌氧发酵的区别：1）水解（酸化）工艺将厌氧反应控制在水解、酸化阶段，此阶段的微生物主要是水解、产酸菌。在水解阶段，固体物质降解为溶解性物质，大分子物质降解为小分子物质。在产酸阶段，碳水化合物降解为脂肪酸。由于反应交叉进行，速度快，两个阶段难以分开，工程上用作好氧生物处理的预处理。2.4.4水解酸化－好氧生物处理工艺2）不需要密闭，不需要三相分离器，不需要加热，便于维护运行。3）由于反应控制在酸化阶段，无不良气味产生。4）水解（酸化）工艺反应速度快，池体容积小，造价低。5）由于固体物质的降解，污泥的VSS降低，剩余污泥量少。水解（酸化）工艺与厌氧发酵的区别城市污水水解酸化－好氧生物处理典型流程：水解酸化池前要有预处理措施，包括