当代给水与废水处理原理-高良敏-厌氧生物处理法

当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院高良敏博士、教授第十章厌氧生物处理法

20世纪70年代以来，由于城市的扩大和工业的迅速发展，有机废水量急剧增加，如仍用需氧法处理则需要消耗大量的能量。随着全球性能源问题的日益突出，在废水处理领域内，人们便逐渐对厌氧生物处理工艺产生了新的认识和估价。

本章主要内容：§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程§10-2厌氧过程动力学§10-3厌氧活性污泥法§10-4厌氧生物膜法§10-5厌氧处理法的运行与管理

第十章厌氧生物处理法缺点厌氧生物处理法主要优点第十章厌氧生物处理法主要优点：⑴能耗低；可回收生物能源(沼气)⑵每去除单位质量底物产生的微生物(污泥)量少；⑶而且由于处理过程不需要氧，所以不受传氧能力的限制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。厌氧生物处理法的缺点：处理后出水的COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程基本原理将有机物在厌氧条件下的降解过程分成三个反应阶段:

第一阶段是，废水中的溶性大分子有机物和不溶性有机物水解为溶性小分子有机物。

第二阶段为产酸和脱氢阶段。水解形成的溶性小分子有机物被产酸细菌作为碳源和能源，最终产生短链的挥发酸，如乙酸等。第三阶段，即产甲烷阶段。产甲烷的反应由严格的专一性厌氧细菌来完成，这类细菌将产酸阶段产生的短链挥发酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。

不溶性有机物和大分子溶性有机物水解阶段（胞外酶作用）简单溶性有机物产酸脱氢阶段（产酸细菌作用）细菌细胞其它产物挥发酸CO2+H2产甲烷阶段（产甲烷细菌作用）细菌细胞CH4+CO2§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程甲烷的产生与形成途径

产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段,可能反应如下：

主要参与微生物统称为产甲烷菌其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。

§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程基本流程⑴厌氧处理中的发生生物氧化反应的主体设备。⑵促使反应器中主体液体与进水充分混合的设备或手段。⑶保持反应器中主体液体达到所需温度的设备。

⑷pH值调节剂投加设备。⑸沼气的排放、贮存和利用设备。⑹废弃厌氧生物污泥的贮存和处理设备。§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程厌氧生物处理工艺的发展简史：人类第一次利用厌氧消化处理废弃物，是始于1881年——LouisMouras的“自动净化器”。随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）；

50、60年代，特别是70年代中后期，随着能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理；最近（90年代以后），随着UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了EGSB和IC反应器；

§10-1厌氧生物处理法的基本原理和流程为解决消化池水力停留时间长的问题，近年来国内外进行了广泛的研究，出现了不少新的厌氧工艺和新型的厌氧反应器，其中包括：

两相厌氧法(two-phaseanaerobictreatmentprocess)这种工艺也称两段(twostage)厌氧法，是根据产甲烷细菌与其它非产甲烷细菌在生长特性方面的差异建立起来的

厌氧接触法(anaerobiccontactprocess)这种工艺也称厌氧活性话泥法，像需氧活性污泥法那样，在消化池出水端设置污泥沉淀池，将沉淀的厌氧生物污泥回流入消化池中，以此来提高消化池中的污泥停留时间

生物膜反应器采用生物膜反应器提高污泥的停留时间及污泥浓度，这类反应器有厌氧填充床(anaerobicpackedbed)、厌氧膨胀床/流化床(anaerobicexpanded/fluidizedbed)、厌氧生物转盘(anaetobicrotating)等

上流式厌氧污泥床反应器(upflowanaerobicsludgeblanketreactor)这种反应器是在上流式厌氧填充休的基础上发展起来的

§10-2厌氧过程动力学厌氧过程动力学涉及：底物的降解微生物的生长甲烷的生成§10-2厌氧过程动力学底物降解和微生物生长动力学厌氧处理过程中底物降解和微生物生长动力学都建立在Monod方程的基础上，这两个方面的动力学模型形式及其导出公式形式，与第八、九章需氧处理过程中同类型反应器的完全一样，只是动力学常数有些变动底物温度℃μmaxl/dYGMgVSS/mgCODb

l/dKMgCOD/L生活废水污泥250.250.040.0152000250.170.040.0153720200.140.040.0154620硬脂酸(C-18)370.100.110.010417棕酸(C-16)370.120.110.010143十四烷酸(C-14)370.110.110.010105乙酸350.34~0.050.04~0.050.015165~250丙酸350.310.0420.01060丁酸350.370.0470.02713§10-2厌氧过程动力学甲烷生成动力学：

在厌氧处理中，COD减小的途径主要是生成甲烷和微生物的细胞，其它途径有生成氢气、通过硫酸盐的还原生成硫化氢气体等。上式表明：在标准条件(0℃和0.1MPa)下，1mol甲烷的体积为22.4L，这样，1gCOD在标准状态下可生成的甲烷体积为22.4/64=0.35L。§10-2厌氧过程动力学甲烷生成动力学：

如果令G0为甲烷的产率系数，则在理论上G0=0.35L/GCOD，在非标准状态下的产率系数(G0)Tp可按Boyle-Charles定律计算：

式中，T为厌氧反应器中的热力学温度；P为反应器室内的气压（单位Pa）。根据§7-4，每克干细菌完全氧化所需的单体氧为1.41g。利用一个类似于需氧处理中氧的摄入率计算公式（见式（8-40））形式来计算厌氧处理的甲烷生成率：式中，G为甲烷的产率，单位L/d；R0为COD的减少速率，单位为g/d；Y为产率系数，g干细菌/gCOD。

§10-3厌氧活性污泥法厌氧活性污泥法是厌氧微生物在反应器中处于悬浮生长状态的生物处理方法，厌氧活性污泥法通常包括传统的消化池和厌氧接触法。§10-3厌氧活性污泥法传统消化池主要作用：①一部分有机物转变为沼气；②一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质；③提高了污泥的脱水性能；④污泥体积可减少1/2以上；⑤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。常用于废水处理厂中有机污泥的处理，近年来也用于含有机固体较多和有机物浓度很高的废水。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）。§10-3厌氧活性污泥法传统消化池

式中以1/d为单位，K以mgCOD/L为单位。厌氧处理和需氧处理一样，存在一个极小的值：

§10-3厌氧活性污泥法厌氧接触法

厌氧接触法主要用于中、高有机物浓度废水的处理。由于厌氧处理受温度的影响很大，低温时急剧增大，故厌氧处理不宜在20℃以下运行。

厌氧接触法与CSTR型活性污泥法几乎完全一样，只是值较大，一般取为的2~10倍，在和可忽略时可得到与的下列关系：由于厌氧处理中产甲烷细菌的生长速率（即）较低，所以厌氧处理的要比需氧处理大

§10-3厌氧活性污泥法厌氧接触法

工艺过程对pH的控制能力，主要与在厌氧反应过程中产生有机酸和二氧化碳有关，在与大气隔绝的反应器中，二氧化碳在水中存在如下平衡关系：

此外，还存在水的离解关系:

根据化学质量作用定律，可得下列三个数量关系：式中，、分别为H2CO3的第一离解常数和第二离解常数；为水的离子积；[]表示物质的量浓度，单位为mol/L。

§10-3厌氧活性污泥法厌氧接触法

通常采用挥发性有机酸（VA，以mg/L乙酸计）和碳酸氢盐碱度（BA，以mg/LCaCO3计）之比，作为衡量厌氧反应器对pH值缓冲能力的一个指标。一般地说，当VA/BA<0.4时，反应器具有足够的缓冲能力，挥发性有机酸浓度的增加不致引起反应器中pH值很大的波动；当VA/BA=0.4~0.8时，反应器的缓冲能力有限；而当VA/BA>0.8时，反应器的缓冲能力极小，挥发性有机酸浓度的微小增加，都会造成反应器中pH值的急剧降低。

§10-3厌氧活性污泥法厌氧接触法

如果废水的总碱度以甲基橙滴定终点（pH=4.3时消耗的酸量）测定，而有机酸盐碱度采用酸滴定法测定，则碳酸氢盐碱度可按下式确定：可将VA/BA指标转换为BA/TA指标：当BA/TA>0.8时，反应器具有足够的缓冲能力；当BA/TA<0.6时，反应器没有备用缓冲能力，应采取措施控制pH。

§10-4厌氧生物膜法在无回流的厌氧活性污泥法中，就不得不加大水力停留时间来获得较长的污泥停留时间；在有回流的厌氧活性污泥法中，虽然可通过回流来减短水力停留时间并增大污泥停留时间。但由于受污泥的沉降和浓缩性能的限制，也不可能获得太长的污泥停留时间。

由于厌氧生物膜法的微生物在填料表面固定生长，故有可能在很短的水里停留时间条件下，获得很长的、甚至长达100d以上的污泥停留时间。§10-4厌氧生物膜法厌氧填充床又称厌氧滤池或厌氧固定床

在有机物负荷很高即k/L很小时，式（10-22）中的exp(-k/L)可按级数展开后略去高次项得下列简化式：

为了获得较高的去除率（即较大的k值），厌氧填充床的设计负荷宜采用1.5kgCOD/m3•d。设计厌氧填料床的适用公式，可采用§9-4所介绍的Eckenfelder公式的形式：式中，ρi和ρe为进、出水的有机物COD浓度，L为有机物负荷，单位为kgCOD/m3•d；k为去除有机物的系数，单位为kgCOD/m3•d。

§10-4厌氧生物膜法厌氧膨胀床/流化床

载体：固体颗粒，常用的有：石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒径一般为0.2~1mm；常采用出水回流的方法使载体颗粒膨胀或流化；一般将床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器称为膨胀床；将上升流速增大到使载体可在床体内自由运动而互不接触的反应器称为流化床。

厌氧膨胀床/流化床是使1mm左右粒径的填料处于流化状态来处理废水；上流式厌氧污泥床用自然培养的0.5~2.0mm左右的颗粒污泥处于流化状态来处理废水。这样，既避免了堵塞，又大大增加了微生物固定生长的表面积，提高了反应器中的微生物浓度，从而大幅度提高了有机物体积负荷。

§10-4厌氧生物膜法厌氧膨胀床/流化床主要缺点：载体的流化耗能较大；系统的设计运行要求高主要特点：细颗粒的载体为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，使床内的微生物浓度很高（一般可达30gVSS/l）；具有较高的有机容积负荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留时间较短；具有较好的耐冲击负荷的能力，运行较稳定；载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞；床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量较少；既可应用于高浓度有机废水的处理，也应用于低浓度城市废水的处理。

§10-4厌氧生物膜法厌氧膨胀床/流化床对厌氧流化床作如下假定：⑴厌氧反应器中的流态为完全混合型（CSTR）；⑵填料上生长的生物膜为均质增长，其密度ρa；⑶填料为均质球体，直径为d，自然堆积孔隙率为m；⑷进水微生物浓度为零。

如图10-12所示，流化床内底物的物料衡算方程为：式中，（-dρ/dt）为流化床底物浓度变化速率，单位为kgCOD/m3•d；