研究生入学考试水污染控制工程中国地质大学污水厌氧生物处理

2023/2/111881年由法国的LouisMouras所发明“自动净化器”1896年，英国出现第一座用于处理生活污水的厌氧消化池；20世纪40年代，澳大利亚出现连续搅拌的厌氧消化池；50、60特别是70年代的中后期，随着能源危机的加剧，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

60年代发明了厌氧滤池；70年代荷兰Lettinga发明了上流式厌氧污泥床反应器UASB，厌氧生物处理开始有效地进入废水处理领域。20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的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

主要发展过程第1页/共44页第一页，共45页。2023/2/11厌氧处理的优点：①能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；②污泥产量很低；——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；④反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；第2页/共44页第二页，共45页。2023/2/11厌氧生物处理的不足1）出水的COD浓度高，原则上需要后续处理才能达到较高的排水标准；2）厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要8－12周时间；3）对有毒物质、温度、pH等环境因素较敏感；4）气味较大；5）对氨氮的去除效果不好；

第3页/共44页第三页，共45页。2023/2/11第一节厌氧生物处理的基本原理污泥（固态有机物）的消化废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。第4页/共44页第四页，共45页。2023/2/11一、厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性理论

1、两阶段理论2、三阶段理论3、四阶段理论（四菌群学说）4、多阶段理论第5页/共44页第五页，共45页。2023/2/111、两阶段理论图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、H2、CO2其它产物细菌细胞CO2、CH420世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论”第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对环境条件的适应性（温度、pH等）强。第二阶段：产甲烷阶段，又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；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methaneproducingbacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。第6页/共44页第六页，共45页。2023/2/112、三阶段理论对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），特点是：只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类上世纪70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一种产氢产乙酸细菌），另一种细菌则利用H2和CO2产生CH4（一种真正意义上的产甲烷细菌——嗜氢产甲烷细菌）第7页/共44页第七页，共45页。2023/2/11Bryant的“三阶段理论”说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；

2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌图2厌氧反应的三阶段理论和四类群理论I水解、发酵阶段：II产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；III产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2

第8页/共44页第八页，共45页。2023/2/113、四阶段理论（四菌群学说）在上述三阶段理论的基础上，增加一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。第9页/共44页第九页，共45页。2023/2/114、多阶段理论当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复杂第10页/共44页第十页，共45页。2023/2/11二、厌氧消化过程中的主要微生物1、发酵细菌（产酸细菌）：主要功能①水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等）；产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。

发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌第11页/共44页第十一页，共45页。2023/2/112、产氢产乙酸菌产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要的产氢产乙酸反应有：主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。第12页/共44页第十二页，共45页。2023/2/113、产甲烷菌产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：①产甲烷杆菌；②产甲烷球菌；③产甲烷八叠球菌；④产甲烷丝菌；等等。甲烷细菌生长的影响因素

pH值：6.8－7.2

温度：最适温度35－38oC（中温）

52－55oC（高温）第13页/共44页第十三页，共45页。2023/2/11三、厌氧消化过程中的影响因素1、pH2、温度

中温35－38、高温52－553、污泥龄4、混合和搅拌5、营养与C/N比

与好氧相比6、有毒物质

重金属、H2S、氨等第14页/共44页第十四页，共45页。2023/2/11第二节污水的厌氧生物处理方法一、化粪池处理厕所的粪便污水。进入下水道。第15页/共44页第十五页，共45页。2023/2/11二、厌氧生物滤池（固着生长厌氧生物处理）AnaerobicFilter优点：负荷率高；可保持高微生物浓度；出水SS小；设备简单，操作方便缺点：滤料费用高；滤料易堵塞，不适合SS高的废水。第16页/共44页第十六页，共45页。2023/2/112固着生长厌氧生物处理法（厌氧生物滤池）2.1升流式厌氧填充床反应器

厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。所处理的废水的COD浓度范围较宽，约在300~85000mg/l之间，处理效果良好，运行管理方便；与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或向下流动时，废水中的有机物被截留、吸附及分解转化为甲烷和二氧化碳等。

分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式

第17页/共44页第十七页，共45页。2023/2/11

升流式厌氧生物滤池，废水由底部进入，向上流动通过滤料层，处理水从滤池顶部旁侧升流式厌氧生物滤池中，生物量大部分以生物膜的形式附在滤料表面，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的间隙中，它的生物总量比降流式厌氧生物滤池高，降流式厌氧生物滤池，处理水由滤池底部排出，沼气收集管仍设于池顶部上端，堵塞问题不如升流式厌氧生物滤池那样严重。特点：①生物固体浓度高，有机负荷高；②SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；③启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易；④无需回流污泥，运行管理方便；⑤运行稳定性较好。而主要缺点是易堵塞，会给运行造成困难。

第18页/共44页第十八页，共45页。2023/2/112.2厌氧膨胀床与流化床反应器

厌氧膨胀床和厌氧流化床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒径一般为0.2～lmm。废水从床底部流人，为使层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升流速。一般认为膨胀率为10％～

20％称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，但仍保持互相接触；膨胀率为20％～70％时，称为流化床，颗粒在床中作无规则自由运动。特点：

1.细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定。

2.载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞。

3.生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少。第19页/共44页第十九页，共45页。2023/2/112.3厌氧生物转盘

厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置组成，上部加盖密封，防止液面上的空间有氧存在。盘片转动时的剪力将老化的生物膜剥下，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。特点：

1.微生物浓度高，可承受高额的有机物负荷

2.废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水

3.可处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题

4.可采用多级串联，各级微生物处于最佳的生存条件下

5.由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性返回第20页/共44页第二十页，共45页。2023/2/11三、厌氧接触法AnaerobicContactProcess适用于高SS废水。“厌氧活性污泥法”第21页/共44页第二十一页，共45页。2023/2/11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。第22页/共44页第二十二页，共45页。2023/2/11四、上流式厌氧污泥床反应器

Up-flowAnaerobicSludgeBlanket三相分离区反应区第23页/共44页第二十三页，共45页。2023/2/11升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0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；具有良好的沉降性和很高的产甲烷活性。4.1USAB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。第24页/共44页第二十四页，共45页。2023/2/114.2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：杆菌颗粒丝菌颗粒球菌颗粒2.颗粒污泥的形成原理：细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团。污泥中存在大量的丝状菌，具有较强的附着能力。第25页/共44页第二十五页，共45页。2023/2/11UASB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第26页/共44页第二十六页，共45页。2023/2/111.接种污泥2.废水的性质3.反应器的工艺条件4.不同的出水乙酸浓度可以决定优势菌种

影响污泥颗粒化的因素

影响颗粒污泥直径大小的因素1.温度2.底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度3.有机负荷的高低4.如果低负荷忽然增加负荷将使颗粒污泥破碎5.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。第27页/共44页第二十七页，共45页。2023/2/114.3颗粒污泥的性质

颗粒污泥的物理性质

1.形状不规则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0.3---0.8m/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第28页/共44页第二十八页，共45页。2023/2/114.4UASB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。第29页/共44页第二十九页，共45页。2023/2/11UASB反应器的设计计算1.UASB反应器设计计算的主要内容有：①池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；②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；③其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算2.有效容积及主要构造尺寸的确定：

UASB反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积进行考虑，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。第30页/共44页第三十页，共45页。2023/2/113.三相分离器的设计：

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第31页/共44页第三十一页，共45页。2023/2/11①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55~60°；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1.5~2.0h之间；②回流缝的设计；③气液分离效果的计算与校核；

三相分离器的设计要点

上升流速4.出水系统的设计：5.浮渣清除系统的设计：6.排泥系统设计：7.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；第32页/共44页第三十二页，共45页。2023/2/118.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9.进水水质的特性：应考虑是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等问题。10.UASB的有机容积负荷：确定有机负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。11.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。第33页/共44页第三十三页，共45页。2023/2/11

UASB的特点①污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；②反应器的水力停留时间相应较短；③反应器具有很高的容积负荷；④不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水；⑤UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑；⑥无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率；⑦一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用；⑧构造简单，操作运行方便。第34页/共44页第三十四页，共45页。2023/2/114.5UASB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)。第35页/共44页第三十五页，共45页。2023/2/11

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。第36页/共44页第三十六页，共45页。2023/2/11

厌氧往复层反应器

在ABR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,一般为4~8,其高度可达16~25m。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第37页/共44页第三十七页，共45页。2023/2/115两相厌氧生物处理()

两相厌氧法是一种新型的厌氧生物处理工艺，有机底物的厌氧降解，可以分为产酸和产甲烷两个阶段。把这两个阶段的反应分别在两个独立的反应器内进行。分别创造各自最佳的环境条件，培养两类不同的微生物，并有旺盛的生理功能活动，将这两个反应器串联起来，形成能够承受较高的负荷率的两相厌氧发酵系统。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。5.1两相厌氧生物处理原理第38页/共44页第三十八页，共45页。2023/2/11

两相厌氧生物处理技术在两相厌氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有：①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；②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