水质工程学排水工程

水质工程学排水工程第1页/共237页4.1概述4.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）--国外；国内4.1.2厌氧生物处理工艺发展—国外；国内4.1.3厌氧生物处理工艺分类4.1.4厌氧生物处理技术在污（废）水处理领域的地位第2页/共237页4.1概述厌氧生物处理：无氧条件，厌氧微生物，转化有机物或无机物为甲烷（CH4）、二氧化碳、硫化氢等物质的过程。用途：1）剩余污泥稳定处理，称厌氧消化、污泥消化；2）有机废水处理；第3页/共237页厌氧处理工艺和好氧处理工艺对比第4页/共237页4.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）

1、国外概况1630年，VamHelmeut第一次发现由生物质厌氧消化产生可燃的甲烷气体。1776年，意大利物理学家Volta认为甲烷气体产生与湖泊沉积物中植物体的腐烂有关。1868年，Becbamp首次指出甲烷形成过程是一种微生物学过程。1875年，俄国学者Popoff也发现沼气发酵是由微生物所引起的。1901年，荷兰的N.L.Soehngen(DELFT)对产甲烷菌的形态特性及其转化作用提出了一个比较清楚的概念，观察到低级脂肪酸可转化为甲烷和二氧化碳，氢和二氧化碳发酵可形成甲烷。第5页/共237页1902年，Maze获得了一种产甲烷的微球菌，后命名为马氏甲烷球菌。1916年，V.L.Omeliansky分离到1株不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌，后被命名为奥氏甲烷杆菌，现证实其并非一个纯菌种。1//1934年，VanNiel提出二氧化碳还原为甲烷的理论。1936年，Barker采用化学合成培养基培养阴沟污泥，获得了能很好的发酵乙醇、丙醇和丁醇的有机体。HeukeVeleian和Heinemann提出了一个计算甲烷菌近似数目的技术。2//1950年，R.E.Hungate发明厌氧培养技术，提供了分离培养转化厌氧微生物的有效方法，创造了甲烷菌研究的条件。

第6页/共237页1967年，M.P.Bryant采用改良的Hungate技术将共生的Omeliansky甲烷杆菌分纯。证明了它是甲烷杆菌MOH菌株和“S”有机体的共生体，使长达51年来一直认为是纯种的经典甲烷菌得以弄清楚其本来的面目。使产甲烷菌和产氢菌之间的相互关系得到了证实。揭示了种间分子氢转移的理论，为正确认识厌氧消化过程中氢的产生、消耗和调节规律奠定了基础。1977年，Thaner等全面阐述了关于厌氧化能营养型细菌中的能量转化的生物力能学。70～80年代中Widdel等分离得到了多种性能各异的硫酸盐还原菌，命名了多个新属，开阔了人们对硫酸盐还原菌的认识。至1989年，已分离获得的产甲烷菌有3目16科13属43种。至1991年已收集了产甲烷菌65种。并阐明了产甲烷菌的基质、辅酶、培养条件、能量代谢以及与不产甲烷厌氧菌之间的关系。//第7页/共237页4.1.1厌氧微生物学发展概况（自学）

2、国内概况由于厌氧消化细菌的生长繁殖要求极其严格的厌氧条件，研究厌氧消化细菌工作较为困难。直至1978年我国才开始这方面的研究工作。1980年美国著名微生物学家，厌氧操作技术的发明者Hungate教授被应邀来华讲学，对我国厌氧消化微生物的研究工作起到了指导和推动作用。随后我国学者结合我国蓬勃开展的大办沼气事业和废水厌氧处理，对厌氧发酵微生物学进行了大量的研究工作，取得很大进展。1）产甲烷菌研究1980年以来我国学者对厌氧消化产甲烷菌进行了深入的研究，产甲烷菌纯培养的获得和研究，开发了我国产甲烷菌的资源宝库，也使我们对产甲烷菌的生活习性有了深入的了解。

第8页/共237页产甲烷菌菌名分离者时间产甲烷菌菌名分离者时间巴氏八叠球菌BTC菌株周孟津,杨秀山1980亨氏甲烷螺菌JZl钱泽澍、竺建荣1987嗜树木甲烷短杆菌TC713钱泽澍1984活动甲烷微菌CC81陈革、钱泽澍1987甲酸甲烷杆菌TC708钱泽澍1984布氏甲烷杆菌CS刘光烨、赵一章等1987PC03，PC25凌代文1987嗜热甲烷八叠球菌CB张辉、赵一章1987马氏甲烷八叠球菌C-44赵一章,尤爱达,1984甲烷杆菌G-86.1马光廷1987LYC刘聿太1985嗜热自养甲烷杆菌TH-6陈美慈、钱泽澍1988史氏甲烷短杆菌H13、HX赵一章,张辉,许宝孝1985

1985球状产甲烷菌SN倪水松、钱泽澍1987拉布雷微粒甲烷菌Z赵一章等1989嗜热甲酸甲烷杆菌HB12赵一章,张辉1986第9页/共237页2）厌氧消化中非产甲烷菌研究刘克鑫，徐洁泉等(1980)分离出肠杆菌科和芽孢杆菌科中6株产氢细菌；廖连华(1986)从污水处理厂污泥中分离出1株中温性纤维素分解菌，纤维二糖棱菌。谭蓓英(1987)从猪粪玉米秸作原料的甲烷发酵液中分离出了1株C菌株的纤维分解细菌。凌代文等(1987)从豆制品废水发酵液中分离出水解发酵性细菌。第10页/共237页刘聿太(1987)分离到了氧化丁酸盐的沃氏互营单胞菌和产甲烷菌的互营培养物；钱泽澍、马晓航(1989)详细研究了丁酸盐降解菌沃氏互营单胞菌和氢营养菌共培养物的组成和互营联合条件。赵宇华、钱泽澍(1990)研究了能降解20个碳的硬脂酸的产氢产乙酸菌和产甲烷的互营培养物。闵航(1990)获得了1株嗜热性苯甲酸厌氧降解菌和产甲烷菌共培养物，并分离到1株能从H2／CO2形成乙酸又能利用乙酸的硫酸盐还原菌新种嗜热氧化乙酸脱硫肠状菌。3）对专性互营的产氢产乙酸菌和产甲烷菌共培养物的研究也取得了进展。第11页/共237页4.1.2厌氧生物处理工艺发展

1、国外发展概述120多年历史，3个时期（1）、初级阶段：20世纪20年代以前，处理废水、粪便，代表构筑物：四类。1）1881，法，自动净化器；2）1895，英，化粪池；3）1904，英，Travis池；4）1905，德，Imhoff池；HRT长，处理效率低，出水水质差，浓臭的气味，结构简单。第12页/共237页1）1881，法，自动净化器；1860年法国人LouisMouras把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。1881年法国Cosmos杂志上登载了介绍Mouras创造的处理污水污泥的自动净化器(AutomaticScasenger)。美国学者McCarty建议把1881年作为人工厌氧处理废水的开始，称Mouras是第一个应用厌氧消化处理的创始人。专利人：LouisMouras；名称：Mouras’AutomaticScavenger；第13页/共237页1890年，Scott-Moncrieff建造了第一个初步的厌氧滤池（AnaerobicFilter）：池的底部空、上边铺一层石子。石子拦截废液中的固体。这种装置长期未受重视，没有发展，直至现在处理工业废水时，才又被人们所认识。1894年，A.N.Talbot设计了一个与Mouras自动净化器相似的罐，主要是中间多了一些垂直挡板，阻挡流过的废水。第14页/共237页2）1895，英，化粪池；(SepticTank)，世界上第一个厌氧化粪池,1895年，Donald设计，见下图。厌氧化粪池的创建，厌氧处理工艺发展史上一个重要里程碑。从此，用化粪池使家庭生活污水得到较好处理，减轻了粪便对河流的污染。Cameron并重视对沼气的利用，两年后沼气被利用于加热和照明。进水浮渣污泥出水第15页/共237页3）1904,英,Travis池；(隐化池、双层沉淀池)Travis池，1904年，Travi。如图所示。废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间上部分排出，不会影响两侧的沉淀区。沉淀沉淀消化污泥第16页/共237页4）1905,德,Imhoff池；(隐化池、双层沉淀池)Imhoff池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池，1906年，德国人Imhoff对Travis池作改进，其构造如图所示。这种池型构造把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。这种装置在本世纪20年代被广泛应用与欧美各国。化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。消化污泥沉淀沉淀第17页/共237页（2）第二阶段,1920s-1950s,普通消化池

(Conventionaldigestor)

1912,英国伯明翰市,用土堤围起来的露天敞开式的厌氧消化池。不加热，消化时间长约l00d；池子不加盖，消化效果不好，散发恶臭。德国Kremer，提出加盖的密闭式消化池，如图所示。称为传统消化池(Conventionaldigester)，又称普通消化池，是最早采用的二级消化池。活性污泥、生物滤池污泥稳定。出料浮渣上清液污泥沼气进料第18页/共237页高速消化池(HighRateDigestor)为提高传统消化池的产气率和缩小装置体积，对传统消化池作两种改进：1加热，使消化池内温度适应细菌快速繁殖，有中温35℃左右和高温50-55℃两种；2增设搅拌设备，使有机物与微生物良好接触。高速消化池(HighRateDigestor)诞生。进料出料沼气、CO2加热装置第19页/共237页（3）第三阶段，1950s－今，两个方向方向1增加反应器生物量，开发新型反应器工艺，提高负荷与处理能力；10种反应器工艺方向2相分离技术途径；两相厌氧工艺系统。第20页/共237页厌氧澄清器(AnaerobicClaridigestor)1950，南人Stander发现在厌氧反应器中保持大量细菌的重要性，开发厌氧澄清器(AnaerobicClaridigestor)，如图所示，处理酒厂和药厂废液。装置把厌氧消化和沉淀合建。废水从池底流进以后通过污泥区与里面的细菌接触。污泥中产生甲烷和CO2气体上升时起搅拌作用，气体从一侧管道被分离出，液体则向上流经中间小洞进入沉淀区，沉淀下来的污泥通过小洞返回消化部分，使消化区保持较多微生物。由于液体要通过小洞上流，沉淀的污泥要通过小洞下掉，这就可能会产生堵塞问题。消化污泥出水沼气进水沉淀第21页/共237页1）厌氧接触法,1956,Schroefer研发

(AnaerobicContactProcess)。标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。厌氧接触法的工艺流程如下图所示。采用回流，在消化池中保持足够数量的厌氧菌，SRT提高与HRT分离，使反应器容积负荷率提高，从而提高反应器处理效能。消化进水出水回流剩余厌氧污泥沉淀沼气动画第22页/共237页2）厌氧滤池,1967,J.C.Young,L.McCarty(AF:AnaerobicFilter)填料为厌氧微生物的附着提供支撑，可保留足够的厌氧微生物，使厌氧滤池具有较高的处理效能，开始时填料为块石，用在处理可溶性工业废水，悬浮固体多时会堵塞；空间大部分被块石所占据，有效容积较小，从而需要较大的池子体积。后来改进填料，替代块石后，厌氧滤池获得广泛应用。卵石填料沼气出水进水第23页/共237页3）升流式厌氧污泥床反应,1979,C.Lettinga等研发

(UASB:UpflowAnaerobicSludgeBlanket)Wageningen农业大学(WAU),升流式厌氧污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)反应器，简称UASB反应器。高的处理效能，获得广泛应用，对废水厌氧生物处理具有划时代意义。

influenteffluent动画第24页/共237页4-5）厌氧膨胀床(AnaerobicExpandedBed)和

厌氧流化床(AnaerobicFiudizedBed)1978,W.J.Jewell等厌氧膨胀床(AnaerobicExpandedBed)1979,R.P.Bowker,厌氧流化床(AnaerobicFiudizedBed)。反应器内均充填着惰性载体细颗粒载体，如细砂子。为了使充填物膨胀或流化，均需要使一部分出水回流。这当然会增加一部分动力消耗，但是由于载体的颗粒很细，具有巨大的表面积，为微生物的附着提供了良好的条件，使反应器具有很高的生物量，所以反应器的处理能力很大，受到了各国学者很大关注。出水进水回流沼气第25页/共237页6）厌氧生物转盘,1980年，S.J.Tait等研发

(AnaerobicRotatingBiologicalReactor)在好氧生物转盘基础上开发的。第26页/共237页7)厌氧折流板反应器,1982年,McCarty等研发

ABR(AnaerobicBaffledReactor)认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大而开发，见图。ABR在工程中应用广泛。第27页/共237页8）新型高效厌氧反应器，20世纪80年代

UBF，USR，EGSB，IC1982把UASB反应器与厌氧滤池结合开发出了UBF(UpoowAnaerobicBed-Filter)反应器，又称厌氧复合反应器。1982年在UASB反应器的基础上开发出了以处理含高固体的废水反应器USR(UpflowSolidReator)，并在UASB可形成颗粒污泥的基础上1981年开发成功了EGSB(ExpandedGranularSludgeBed)反应器和1985年开发出内循环厌氧反应器，即IC(InternalCimulation)反应器等。第28页/共237页1）早期我国农民在古代早已开始应用厌氧发酵技术沤制粪肥，进行粪便无害化处理，而且至今仍在应用。我国是世界上利用厌氧消化技术制取和利用沼气最早的国家之一。4.1.2厌氧生物处理工艺发展

2、国内的发展第29页/共237页2)中华国瑞天然瓦斯库罗国瑞，台湾省新竹县，1920年前后，完善沼气池的结构建造和应用，形成了我国比较完整的有实用价值的“中华国瑞天然瓦斯库”。。是我国水压式沼气池的创始人。1931年在上海创办了中华国瑞瓦斯总行.第30页/共237页3)我国农村大办沼气20世纪50年代我国农村大办沼气，目的是为了解决农村的炊事用能。70年代，由于农村生活燃料的严重短缺，在四川、江苏和河南等省农村又一次掀起发展办沼气的热潮。这种以传统厌氧消化原理为基础的沼气池发展很快，总数达到了700万个。第31页/共237页4)厌氧消化池50年代末，西安、上海和太原等城市污水厂相继采用厌氧消化池进行污泥处理。工业废水厌氧处理以酒精废醪为先导，南阳酒精厂第一个建成了两座2000m3半地下隧道式厌氧消化池，日处理300~400m3酒精废醪。80年代初，南通柠檬酸厂建成了1000m3发酵罐两个，轻工部环保所在南阳酒精厂设计了单池容积5000m3，总池容10000m3的厌氧发酵罐。第32页/共237页5)厌氧滤池80年代中期，中科院广州能源所，上海工业微生物研究所等，分别在广州和上海建立l00m3和60m3的厌氧滤池生产性装置，用以处理糖蜜酒精废液和豆制品废水。第33页/共237页6)UASB国内研究UASB反应器大约始于1981年。1982年7月报道了北京环境保护科学研究所和化学工业部设计公司共同协作在石家庄华北制药厂进行了容积为140L的UASB反应器装置处理丙丁废醪的试验，并把试验结果很快地应用于生产中。清华大学环境工程系1983年起比较系统地进行了在UASB反应器内培养颗粒污泥规律的研究，不仅在中温而且在常温下均成功地培养出了厌氧颗粒污泥。并迅速地把成果应用于处理啤酒废水，建成了总容积为2000m3的UASB反应器。第34页/共237页7)管道厌氧消化器浙江农大1982年开始了管道厌氧消化器的研究。这在国内外是一个创新，他们把研究成果应用于柠檬酸废水处理，获得很大成功。第35页/共237页“七五”（1986～1990）

高浓度有机废水厌氧生物处理技术掀起了废水厌氧生物处理研究的高潮。清华大学环境工程系、哈尔滨建工学院、天津大学、河北轻化工学院、重庆建工学院、北京工业大学、首都师范大学、西安冶金建筑学院、浙江省环保所、吉林省环保所、化工部第三设计研究院、中科院生态中心、西南市政工程设计院、北京市太阳能研究所等14个单位共同参加了攻关研究。第36页/共237页对现代厌氧反应器，如UASB反应器、UBF(厌氧复合反应器)、AF反应器、AFB（厌氧流化床）两相厌氧工艺以及垂直折流厌氧反应器等等进行了全面深入的研究，同时开展了无机和有机有毒物质对厌氧消化影响的研究。上述研究成果，1991年获教委科技进步一等奖，1993年获国家级科技进步三等奖。这批研究成果的取得，大大缩小了在废水厌氧生物处理技术领域与国外的差距。有不少成果达到了国际先进水平。推动了我国废水厌氧生物处理技术的向前发展。第37页/共237页世界范围内厌氧工艺统计（1999.3；1303个项目）第38页/共237页国内厌氧装置按类型分（219家）第39页/共237页4.1.3厌氧生物处理工艺分类1、按发展年代分类2、按厌氧反应器的流态分类3、按厌氧微生物在反应器内的生长情况不同分类4、衍生的厌氧反应器5、按厌氧消化阶段分类第40页/共237页(1)第一代厌氧消化工艺,20世纪50年代以前开发

1）化粪池和隐化池(双层沉淀池)，主要用于处理生活废水下沉的污泥，2）传统消化池与高速消化池用于处理城市污水厂初沉池和二沉池排出的污泥。特点：污泥龄(SRT)等于水力停留时间(HRT)；为使污泥中有机物达到厌氧消化稳定，必须维持较长污泥龄，即较长水力停留时间。反应器容积大，处理效能低。

(2)第二代厌氧消化工艺,称现代厌氧反应器60年代以后开发3)厌氧接触工艺；4）UASB；5）厌氧滤床AF；6）厌氧流化床反应器；7）ABR厌氧折流反应器。用于处理各种工业排出的有机废水。特点：污泥龄(SRT)与水力停留时间(HRT)分离，SRT>HRT;生物量大，负荷高，占地小，处理效能高。(3)第三代厌氧消化工艺，改进工艺，新型高效厌氧反应器8）厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器

9）厌氧复合床反应器(AF＋UASB)

10）两相或多级厌氧工艺(如：水解+EGSB工艺)11）IC1按发展年代分类第41页/共237页第42页/共237页2按厌氧反应器的流态分类可分为活塞流型厌氧反应器和完全混合型厌氧反应器，或介于活塞流和完全混合两者之间的厌氧反应器。如化粪池，升流式厌氧滤池和活塞流式消化池接近于活塞流型。而带搅拌的普通消化池，和高速消化池是典型的完全混合反应器；而升流式厌氧污泥层反应器、厌氧折流板反应器和厌氧生物转盘等是介于完全混合与活塞流之间的厌氧反应器。第43页/共237页3按厌氧微生物在反应器内的生长情况不同分类厌氧反应器又可分成悬浮生长厌氧反应器和附着生长厌氧反应器。如传统消化池、厌氧接触法和UASB等，厌氧活性污泥以絮体或颗粒状悬浮于反应器液体中生长，称为悬浮生长厌氧反应器。而厌氧滤池，厌氧膨胀床，厌氧流化床和厌氧生物转盘等，微生物附着于固定载体或流动载体上生长。称为附着膜生长厌氧反应器。第44页/共237页把悬浮生长与附着生长结合在一起的厌氧反应器称为复合厌氧反应器.如UBF，其下面是升流式污泥床，而上面是充填填料厌氧滤池，两者结合在一起，故称为升流式污泥床-过滤反应器，英文缩写称UBF。第45页/共237页4衍生的厌氧反应器衍生的厌氧反应器有EGSB，IC反应器和USR等，这几种厌氧反应器均是在UASB反应器基础上衍生出的。EGSB相当于把UASB反应器的厌氧颗粒污泥处于流化状态。IC反应器则是把2个UASB反应器上下叠加，利用污泥床产生的沼气作为动力来实现反应器内混合液的循环。UASB反应器去掉三相分离器后就成了用于处理高固体的废液的USR。第46页/共237页5按厌氧消化阶段分类可分为单相厌氧反应器和两相厌氧反应器。单相反应器是把产酸阶段与产甲烷阶段结合在一个反应器中；而两相厌氧反应器则是把产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个互相串联反应器进行。由于产酸阶段的产酸菌反应速率快，而产甲烷阶段的反应速率慢，因此两者分离，可充分发挥产酸阶段微生物的作用。从而提高了系统整体反应速率.第47页/共237页PhotoGalleryMunicipalSludgeDigesters第48页/共237页MunicipalSludgeDigestersSwitzerland第49页/共237页CentralizedBiogasPlantLintrupBiogasplant(Denmark)animalmanures第50页/共237页AnaerobicLagoonFood/BeverageProcessing-Washington第51页/共237页ContactProcessFood-Processing,Virginia第52页/共237页UASBTheNetherlands第53页/共237页UASB-InternalCirculationKraftPaperMillFoulCondensates,Alabama第54页/共237页EGSBGistBrocades(yeast,pharmaceuticals)TheNetherlands第55页/共237页ModularDesignUASBReactors第56页/共237页4.1.4厌氧生物处理技术

在污（废）水处理领域的地位1、有机废水处理的技术路线2、厌氧生物处理的技术评估第57页/共237页有机废水，尤其是高浓度有机废水处理的途径，主要取决于废水的性质有机废水的性质大致可分为以下三大类：易于生物降解的;难生物降解的;有害的.1有机废水处理的技术路线第58页/共237页易生物降解有机废水处理技术路线来自以农牧产品为原料的工业废水和禽畜粪便废水等。如轻工食品发酵废水和禽畜饲养场排放的废水等。特点：主要有机组份是糖类、蛋白质和脂类，易于生物降解，且水量大，有机物浓度很高。技术路线：1、先考虑回收有用物质，如玉米酒精废液采用蒸发浓缩技术回收干酒精糟，2、优先考虑采用厌氧处理技术，不仅效能高，能耗低，并能回收大量生物能，这是一种最佳的选择。3、厌氧出水再以好氧工艺处理保证达标。第59页/共237页难生物降解有机废水处理技术路线难生物降解的或对生物有害的，这种废水主要来自化学工业、石油化工和炼焦工业等。如制药厂、染料厂、人造纤维厂、焦化厂等排出的生产废水。特点：废水中的有机物主要是难生物降解的高分子有机物。技术路线：1、单独采用好氧生物法往往达不到满意的处理效果，而采用厌氧生物法则可降解或提高其可生化性,采用厌氧-好氧串联工艺是最佳的选择。2、如果废水中有机物是不可生化且有毒的，则不宜采用生物法，而应考虑采用化学法或物化法进行处理。第60页/共237页有害有机废水处理技术路线首先预处理，去除废水中有毒有害物质，再采用厌氧生物法。第61页/共237页结论对于高浓度有机废水，直接采用好氧生物法是不可取的，因为这不仅要耗用大量稀释水，而且要消耗大量电能。应优先考虑采用厌氧生物法，作为去除有机物的主要手段，或提高有机物的可生化性。高浓度有机废水，仅通过厌氧生物处理，往往达不到出水的排放标准。尚需采用好氧生物处理作为后处理，才能满足排放要求。因此，对于高浓度有机废水采用以厌氧生物处理为主，好氧生物处理为辅的技术路线，是最佳的选择。第62页/共237页2厌氧生物处理的技术评估（1）厌氧生物处理技术的优点（2）厌氧生物处理技术的缺点第63页/共237页（1）、厌氧生物处理技术的优点1)节省动力消耗;2)可产生生物能;3)剩余污泥产量少;4)对氮和磷需要量较低;5)对某些难降解有机物有较好降解能力。第64页/共237页1)可节省动力消耗;厌氧菌营无氧呼吸，不必提供氧气；好氧菌营有氧呼吸，必须提供氧气。理论上完全氧化1kgBOD5，必须提供1.06kg分子氧。一般的曝气设备，充lkg氧到水中约需消耗0.5-1.0度电。要完全氧化废水中lkgBOD5，约需消耗0.5-lkWh电力。第65页/共237页例我国城市废水354亿m3／a，如BOD5=200mg／L，去除率90％，用活性污泥法去除，每年电耗将达31.86-63.72亿kWh;如在南方地区采用厌氧法作为预处理，去除70％BOD5，则可节省大量电能。在巴西和哥伦比亚等国，已采用UASB反应器处理城市废水，并取得了很大成功。第66页/共237页对于高浓度有机废水，采用厌氧生物法其节省的电耗更是大得惊人，如我国造纸、纺织、食品发酵、皮革、制糖等轻工行业每年排出BOD5达200万t，如采用厌氧法去除BOD580％计，则年节电达8.0~16亿kwh。环境效益与经济效益十分显著。第67页/共237页2)可产生生物能;①有机物转化为沼气的理论计算②COD转化为沼气的理论计算第68页/共237页①有机物转化为沼气的理论计算糖类厌氧发酵时，沼气产量较低，沼气中甲烷含量也较低，脂类产气量较高，沼气中甲烷含量也较高。由于温度、压力等不同，沼气产量会有所不同。第69页/共237页②COD转化为沼气的理论计算

Buswell和Mualler的计算方法

该式可代表各种有机物厌氧发酵转化为沼气更为普遍的一般式。当然该反应式也未考虑细菌细胞合成所消耗的有机物量，只反映有机物厌氧消化全部转化为甲烷和二氧化碳的理论值。因此，只要知道有机物CnHaOb的分子式，就可求出该有机物厌氧发酵CH4和CO2的理论产量。第70页/共237页求出有机物厌氧转化为甲烷和二氧化碳的理论值，对科学研究和生产实践有理论指导意义。不仅可作为厌氧消化工程估算产气量的理论依据，并可以判别厌氧反应器的运行是否正常。便于及时发现问题，采取正确的对策。第71页/共237页沼气的能源价值沼气是一种生物能，lmol甲烷燃烧可产882.58kJ热量。在标准状态下(0℃，101.33kPa)，每m3甲烷可产生热量39400.8kJ,理论上相当电量10.94kWh(1.0kWh=3.6MJ)。据有关资料提供的数据，效率较高的沼气发电机，只能把沼气总含能量的30％左右转化成电能，并可把总含能量的40％左右以余热的形式回收，其余的能量以各种形式被损失掉。第72页/共237页城市污水厂的污泥厌氧消化，含水率96％的污泥，每m3污泥可产沼气约8-12m3。视污泥中有机物含量不同有所差别，其热值一般为20～24MJ／m3(沼气)，每m3沼气约可发电1.5-1.8kWh，并可回收余热约8-9MJ。利用沼气发的电可给本厂使用，其所产生的余热可作为消化池加热用，也可用于热水供应及采暖。第73页/共237页3)剩余污泥产量少;厌氧菌世代期长，如产甲烷菌的倍增时间约4～6d，所以产率Y比好氧小。有机物在好氧降解时，如碳水化合物，其中约有2／3被合成为细胞，约有1／3被氧化分解提供能量。厌氧降解时，只有少量有机物被同化为细胞，而大部分被转化为CH4和CO2。所以好氧处理产泥量高，而厌氧处理产泥量低，且污泥已稳定，可降低污泥处理费用。第74页/共237页4)对氮和磷的需要量较低氮和磷等营养物质是组成细胞的重要的元素，采用生物法处理废水，如废水中缺少氮磷元素，必须投加氮和磷，以满足细菌合成细胞的需要。前已述及，厌氧生物处理要去除lkgBOD5所合成细胞量远低于好氧生物处理，因此可减少N和P的需要量，只要满足BOD5：N：P＝(200～300)：5：1。对于缺乏N和P的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省N和P的投加量，使运行费用降低。第75页/共237页5)对某些难降解有机物有较好降解能力

实践证明，一些难降解的有机工业废水采用常规的好氧生物处理工艺不能获得满意的处理效果，如炼焦废水、煤气洗涤废水、农药废水、印染废水等。而采用厌氧生物法则可取得较好的处理效果。近年来，经研究发现厌氧微生物具有某些脱毒和降解有害有机物的功效，而且还具有某些好氧微生物不具有的功能，如多氯链烃和芳烃的还原脱氯，芳香环还原成烷烃环结构或环的断裂等。第76页/共237页应用厌氧处理工艺作为前处理可以使一些好氧处理难以处理的难降解有机物得到部分降解，并使大分子降解成小分子，提高了废水的可生化性，使后续的好氧处理变得比较容易。所以，常常使用厌氧一好氧串联工艺来处理难降解有机废水。此外，设备负荷大，占地少。第77页/共237页（2）厌氧生物处理技术的缺点1)、厌氧工艺不能去除废水中的氮和磷；

2)、厌氧系统启动过程较长；

3)、对温度变化敏感；pH控制要求高；厌氧微生物对有毒物质较为敏感；运行管理较为复杂；

4)、处理过程中产生臭气和有害物质，卫生条件较差；

5)、厌氧处理去除有机物不彻底，出水的有机物浓度高于好氧处理。第78页/共237页1)厌氧工艺不能去除废水中的氮磷含氮和磷的有机物通过厌氧消化，其所含的氮和磷被转化为氨氮和磷酸盐，由于只有很少的氮和磷被细胞合成利用，所以绝大部分的氮和磷以氨氮和磷酸盐的形式在出水排出。应采用厌氧与好氧工艺相结合的处理工艺。

第79页/共237页2)厌氧系统启动过程较长因为厌氧微生物的世代期长，增长速率低，污泥增长缓慢，所以厌氧反应器的启动过程很长。一般启动期长达3-6个月，甚至更长。如要达到快速启动，必须增加接种污泥量，这就会增加启动费用。在经济上是不合理的。第80页/共237页3)运行管理较为复杂由于厌氧菌的种群较多，如产酸菌与产甲烷菌性质各不相同，而互相又密切相关，要保持这两大类种群的平衡，对运行管理较为严格。稍有不慎，可能使两种群失去平衡，使反应器不能正常工作。如进水负荷突然提高，反应器的pH会下降，如不及时发现控制，反应器就会出现“酸化”现象，使产甲烷菌受到严重抑制，甚至使反应器不能再恢复正常运行，必须重新启动。第81页/共237页4)卫生条件较差一般废水中均含有硫酸盐，厌氧条件下会产生硫酸盐还原作用而放出硫化氢等气体。如硫化氢是一种有毒和具有恶臭的气体，如果反应器不能做到完全密闭，就会散发出臭气，引起二次污染。因此，厌氧处理系统的各处理构筑物应尽可能做成密封，以防臭气散发。第82页/共237页5)厌氧处理去除有机物不彻底厌氧处理废水中有机物时往往不够彻底，一般单独采用厌氧生物处理不能达到排放标准，所以厌氧处理必须要好氧后处理相配合。第83页/共237页项目厌氧法好氧法中和39.639.5营养物添加7.881.3污泥脱水剂－－49.6操作人员7.715.5维修26.329.4总费用(不含产气价值)100.0319.2总费用(含产气价值)28.7319.2

某工业废水处理厂厌氧处理与好氧处理相对成本比较(以厌氧法处理费用为100％）

每处理10tCOD的废水，好氧法需耗电10000kwh，而厌氧法只需耗电750kwh。厌氧法可产生3500m3的甲烷气体，相当于6吨优质煤产生的热量，可发电8400kwh。第84页/共237页4.2厌氧生物处理的基本原理4.2.1复杂有机物的厌氧降解4.2.2厌氧微生物学4.2.32个关键问题第85页/共237页4.2.1复杂有机物的厌氧降解二阶段理论三阶段理论四种群说四阶段第86页/共237页二阶段理论Thumm，Reichie(1914)与Imhoff(1916)提出Buswell和Neave1930年肯定有机物厌氧降解过程分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段.第87页/共237页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；水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；其特点有：1）生长快，2）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。第88页/共237页三阶段理论:提出二阶段理论这一观点，几十年来一直占统治地位（近50年），在国内外有关厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。深入研究：1）产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；2）70年代，Bryant发现“奥氏产甲烷菌”实际是由两种细菌组成的，一种细菌先把乙醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4；M.P.Bryant(1979)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，认为两阶段理论不够完善，提出了三阶段理论。

第89页/共237页三阶段理论第90页/共237页三阶段理论创新点：1、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，2、长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等后，才能被产甲烷菌利用。第91页/共237页四种群说J.C.Zeikuus(1979)在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论。第92页/共237页四种群说第93页/共237页#三阶段\四种群说第94页/共237页说明：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第95页/共237页复杂有机物（多糖、脂、蛋白质）A类有机物B类有机物CO2+H2NH3,H2S乙酸氢产甲烷作用甲基合成，氢还原CH4+CO2NH3,H2S第二阶段产氢产乙酸细菌第三阶段产甲烷细菌横向转化同型产乙酸细菌第一阶段水解发酵细菌水解发酵作用产氢产乙酸作用同型产乙酸作用液化酸化气化B类有机物：A外的简单有机物有机酸、醇、酮等A类有机物:三甲一乙：甲酸、甲醇、甲胺、乙酸第96页/共237页厌氧消化过程第97页/共237页四阶段理论P504

复杂有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）简单有机物（单糖、氨基酸、甘油）挥发性脂肪酸（丙酸、丁酸、戊酸等）、醇、醛等H2/CO2乙酸1水解(胞外酶)2酸化（产酸细菌）同型产乙酸4甲烷化（甲烷细菌）4甲烷化（甲烷细菌）3产氢产乙酸CH4第98页/共237页4.2.2厌氧微生物1、水解发酵细菌群2、产氢产乙酸细菌群3、同型产乙酸细菌群4、甲烷细菌群第99页/共237页发酵细菌群1水解2产酸（1）多糖分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。（2）功能：概括为两个方面：

1）将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物。胞外水解酶催化，在细菌细胞的表面或周围介质中完成。发酵细菌群中仅有一部分细菌种属具有分泌水解酶的功能，而水解产物却一般可被其它的发酵细菌群所吸收利用。2）吸收和转化水解产物。吸收，细胞内复杂酶系统催化转化为A（三甲一乙）、B有机酸、醇、酮，H2/CO2等，排出为水溶液（下一阶段产氢产乙酸细菌群的基质）。（3）特性：优势种属随水质及环境条件而异。兼性和专性厌氧菌，异养，对温度、pH、ORP等变化适应较强，G短（几分钟至数十分钟）。（4）基质：纤维素（动植物残体和食草动物的粪便）；淀粉（淀粉废液、酒精发酵残渣）；蛋白质（奶酪厂废水）；富含肉类罐头的残渣；硫酸盐含量高的消化液（硫酸盐制浆黑液）；生活垃圾和鸡场废弃物；第100页/共237页产氢、产乙酸细菌群（1）种类：多样，研究热点。（2）功能：为甲烷菌提供基质。基质为发酵产物（有机酸、醇、酮等，尤其是丙酸），代谢产物是氢和乙酸。（3）特性：异养，专性厌氧，有中温菌，也有奢热菌。受代谢产物（如氢）等影响大。注意：1、S菌株与M.O.H菌株共生关系；

2、同型产乙酸菌：既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸；

3、发酵菌群也有能利用有机物产生乙酸的细菌。第101页/共237页三阶段理论认为1、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，2、长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等后，才能被产甲烷菌利用。第102页/共237页1916年，V.L.Omeliansky分离到1株不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌，后被命名为奥氏甲烷杆菌，现证实其并非一个纯菌种。1967年，M.P.Bryant采用改良的Hungate技术（1950年）证明Omeliansky甲烷杆菌是甲烷杆菌MOH菌株和“S”菌株的共生体，使长达51年来一直认为是纯种的经典甲烷菌得以弄清楚其本来的面目。使产甲烷菌和产氢菌之间的相互关系得到了证实。揭示了种间分子氢转移的理论，为正确认识厌氧消化过程中氢的产生、消耗和调节规律奠定了基础。1、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，2、长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等后，才能被产甲烷菌利用。(4)发现S菌株的意义第103页/共237页S菌株和MOH菌株营共生S菌株可以能发酵乙醇产生乙酸和分子氢；MOH菌株是一种能利用分子氢产生甲烷、不能运动、革兰氏染色不定的厌氧杆菌。资科表明，当氢分压大于4.9×104Pa时，S菌株的代谢即受到抑制。第104页/共237页发现S菌株的意义1(1)以证实奥氏甲烷芽胞杆菌非纯菌种作为突破口，随之又从热力学上进一步断定，以前命名的几种甲烷细菌均非纯种，使得甲烷细菌的种属进一步得到纯化和确认。

如能将丁酸和己酸等偶碳脂肪酸氧化成乙酸和甲烷，以及能将戊酸等奇碳脂肪酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷杆菌，能将丙酸氧化成乙酸、丙酸和甲烷的弱氧化甲烷杆菌等第105页/共237页发现S菌株的意义2(2)否定了原以为可作为甲烷细菌基质的许多有机物（如：乙醇、丙醇、异丙酵、正戊醇、丙酸、丁酸、异丁酸、戊酸和己酸等)，而将甲烷细菌可直接吸收利用的基质范围缩小到仅包括“三甲一乙”[甲酸、甲醇、甲胺类(一甲胺、二甲胺、三甲胺)、乙酸]的简单有机物和以H2／CO2组合的简单无机物等为数不多的几种化学物质。第106页/共237页发现S菌株的意义3(3)厌氧消化中，第一酸化阶段的发酵产物除可供甲烷细菌吸收利用的“三甲一乙”外，还有许多其它重要的有机代谢产物。如三碳及三碳以上直链脂肪酸、二碳及二碳以上的醇，以及酮和芳香族有机酸等。据实际测定和理论分析，这些有机物至少占发酵基质的50％以上(以COD计)。它们最终转化成甲烷，表明还存在着一大批功能和S菌株类似的能为甲烷细菌提供基质的产氢产乙酸细菌群。也就是说，在有机物的厌氧转化链条上，出现了一个新的环节或阶段，从而为厌氧消化三阶段奠定了基础。第107页/共237页（5）产氢产乙酸反应的调控产氢产乙酸细菌的代谢产物中有分子态氢，所以体系中氢分压的高低对代谢反应的进行起着重要的调控作用：或加速反应，或减慢反应，或中止反应。厌氧消化系统一旦发生故障时，为什么经常出现丙酸积累？第108页/共237页不同底物,其反应的难易程度也就不一样。大气压为单位时，当氢分压小于0.15时，乙醇即能自动进行产氢产乙酸反应，而丁酸则必须在氢分压小于2×10－3下进行，而丙酸则要求更低的氢分压(9×10－5)。在厌氧消化系统中，降低氢分压的工作必须依靠甲烷细菌来完成。第109页/共237页由此可见，通过甲烷细菌利用分子态氢以降低氢分压．对产氢产乙酸细菌的生化反应起着何等重要的调控作用。在以上互营系统中，一旦甲烷细菌因受环境条件的影响而放慢对分子态氢的利用速率，其结果必须是放慢产氢产乙酸细菌对丙酸的利用，接着依次是丁酸和乙醇。这也说明了厌氧消化系统一旦发生故障时，为什么经常出现丙酸积累的原因所在。第110页/共237页在下水污泥中，有人分离出4.2×108个/L的产氢产乙酸细菌。其数量与发酵细菌比较接近。第111页/共237页3、同型产乙酸细菌群在厌氧条件下，能产生乙酸的细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有机基质(糖类)产生乙酸；(归类于发酵细菌)一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。称之为同型产乙酸细菌(耗氢产乙酸菌)。（不是一种细菌）第112页/共237页复杂有机物（多糖、脂、蛋白质）A类有机物B类有机物CO2+H2NH3,H2S乙酸氢产甲烷作用甲基合成，氢还原CH4+CO2NH3,H2S第二阶段产氢产乙酸细菌第三阶段产甲烷细菌横向转化同型产乙酸细菌第一阶段水解发酵细菌水解发酵作用产氢产乙酸作用同型产乙酸作用液化酸化气化B类有机物：A外的简单有机物有机酸、醇、酮等A类有机物:三甲一乙：甲酸、甲醇、甲胺、乙酸第113页/共237页目前．对这类细菌的研究还处于初级阶段，其在厌氧消化中的重要性尚难作出恰当结论。但有一点是比较肯定的:因能利用氢以降低氢分压，对产氢的发酵细菌有利；同时对利用乙酸的甲烷细菌也有利。第114页/共237页4产甲烷菌群种类：多而复杂。3目、7科、17属、55种；（Bergy’s细菌手册第九版）

功能：产甲烷。一组是将氢气和二氧化碳合成甲烷或一氧化碳和氢气合成甲烷；另一组是将乙酸脱羧生成甲烷和二氧化碳。或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为甲烷。特性：1）球状（单球菌、八叠球菌），杆状（短杆、长杆、竹节、丝状），螺旋状，丝状；2）基质；3）古菌，细胞壁结构特殊且没有或缺少肽聚糖；4）异养或自养，甲烷细菌的能源和碳源物质主要有5种，即H2／CO2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸。严格专性厌氧，ORP<-380mv，对氧和氧化剂敏感，pH范围在（6.5-8.5）6.8-7.2，温度要求高（20-25,33-38℃,50-55℃）；5）繁殖：二分裂法，慢G几小时－100小时OxidationReductionPotential第115页/共237页一个重要的成果是：某些对普通细菌抑制能力很强的抗生素却对甲烷细菌不起抑制作用。这一事实的重要性在于可利用某些抗生素选择性地抑制杂菌的能力来富集甲烷细菌，供科研之用。第116页/共237页原因甲烷细菌属于与普通细菌不同谱系的古细菌类。其细胞结构和生理功能颇有与普通细菌不尽相同之处。因而，就甲烷细菌而言，或因细胞结构物质中缺乏某些抗生素的目的物，或因细胞组织中缺乏吸收和输入某些抗生素的机制，致使某些抗生素对这种细菌失去抑制作用。第117页/共237页4.2.32个关键问题限速步骤;pH值控制第118页/共237页当一个过程由一系列相互联系的生化反应组成时，某一阶段的生化反应速率常常比其它阶段更慢，这一系列反应最慢的阶段即为控制反应速率、决定反应速率或限制反应速率的步骤一般称为限速步骤。1、限速步骤第119页/共237页厌氧消化器的物料不同，其限速步骤是不同的，即被厌氧消化有机物的种类将支配所需的消化步骤，即涉及不同的废水时可能得到不同的动力学模型。溶解性底物厌氧消化的限速步骤为产甲烷阶段。第120页/共237页纤维素、溶解性淀粉、葡萄糖在产酸相内的降解特性？比基质去除速率依次为：葡萄糖、溶解性淀粉、纤维素。因为纤维素的水解是限速步骤。第121页/共237页生物质（麦秸和玉米秸秆）的甲烷发酵的研究中，也发现水解是厌氧消化的限速步骤活性污泥的消化中，水解速度也很慢，为限速步骤。第122页/共237页pH值是影响厌氧消化过程的重要因素厌氧消化需要一个相对稳定的pH值范围；产甲烷为主的厌氧过程要求pH＝6.5-7.5，最佳6.8－7.2；环境pH值过高(大于8.0)或过低(低于6.0)，产甲烷菌受抑制，进而严重影响整个厌氧消化过程。必要时投加酸碱调节。2、pH值控制第123页/共237页原因：非产甲烷菌如发酵细菌等对pH值的变化不如产甲烷菌敏感pH值变化较大时，这些细菌受到的影响较小，它们能继续将进水中的有机物转化为脂肪酸等，而产甲烷菌受抑制导致反应器内有机酸积累、酸碱平衡失调，使产甲烷菌的活性受到更大抑制，进入恶性循环，最终导致反应器运行失败。第124页/共237页有机负荷过高,会发生什么现象?由于产酸菌的生长较快且对环境条件的变化不太敏感,会造成挥发性脂肪酸的累积,体系的pH会下降。造成”酸化”,甚至使系统崩溃。第125页/共237页其他厌氧生物处理过程硫酸盐还原：细菌SRB，SulphateReducingBacteria，P511与甲烷菌竞争氢和乙酸盐；硫化氢对甲烷菌的抑制；反硝化与厌氧氨氧化；第126页/共237页4.3厌氧微生物生态学4.3.1影响产酸菌的主要生态因子4.3.2影响产甲烷菌的主要生态因子4.3.3影响硫酸盐还原菌的主要生态因子4.3.4厌氧生化反应动力学4.3.5厌氧过程中微生物优势种群的演变及相互关系第127页/共237页4.3.1影响产酸菌的主要生态因子P5131、PH值2、氧化还原电位（ORP)3、碱度4、温度5、水力停留时间和有机负荷第128页/共237页4.3.2影响产甲烷菌的主要生态因子1、PH值2、氧化还原电位（ORP)3、有机负荷率4、温度5、污泥温度6、碱度7、接触与搅拌8、营养9、抑制物和激活剂第129页/共237页4.3.3影响硫酸盐还原菌的主要生态因子1、温度2、PH值3、氧化还原电位4、碳硫比5、盐度第130页/共237页4.3.4厌氧生化反应动力学在前面的学习中已经涉及到好氧生化反应动力学，请同学们课下自己学习（解释P523表）第131页/共237页4.3.5厌氧过程微生物优势种群演变及相互关系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、产酸细菌为产甲烷细菌的生化反应解除了反馈控制5、产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜PH值第132页/共237页4.4升流式厌氧污泥床（UASB法)反应器*4.4.1

升流式厌氧污泥床反应器的构造特点4.4.2UASB反应器厌氧颗粒污泥的形成及其性质4.4.3UASB工艺处理系统的选择4.4.4UASB反应器的启动与运行第133页/共237页UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)Reactor,上（升）流式厌氧污泥床（层）反应器，荷兰Wageningen农业大学的GatzeLettinga教授,上世纪70年代开发UASB反应器及其工作原理主要工艺特征：①在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；②在反应器底部设置了均匀布水系统；③反应器内的污泥能形成颗粒污泥。所谓的颗粒污泥的特点是：直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。动画第134页/共237页UASB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135页/共237页4.4.1升流式厌氧污泥床反应器（UASB法)*4.4.1UASB的构造特点4.4.2UASB厌氧颗粒污泥的形成及其性质4.4.3UASB工艺处理系统的选择4.4.4UASB反应器的启动与运行第136页/共237页1、进水分配系统2、反应区(污泥床和污泥悬浮层区)3、气、液、固分离器4、出水系统；5、气室；6、浮渣收集系统；5、排泥系统；4.4.1UASB的构造特点第137页/共237页第138页/共237页1、进水分配系统一个有效的进水配水系统是保证UASB反应器高效运行的关键之一。位置：反应器底部功能：均匀配水、搅拌需要满足如下原则：

(1)进水装置的设计使分配到各点的流量相同，确保单位面积的进水量基本相同防止发生短路等现象。

(2)很容易观察进水管的堵塞，当堵塞发现后，必须很容易被清除。

(3)应尽可能的(虽然不是必须的)满足污泥床水力搅拌的需要，保证进水有机物与污泥迅速混合，防止局部产生酸化现象。第139页/共237页为了在反应器底部获得进水均匀的分布，有必要采用将进水分配到多个进水点的分配装置。一个进水点服务的最大面积问题?第140页/共237页对于UASB反应器Lettinga建议在完成了启动之后，每个进水点负担2.0-4.0m2。但是在温度低于20℃或低负荷的情况，产气率较低并且污泥和进水的混合不充分时，需要较高密度的布水点。对于城市污水DeMan和vandelast建议1-2m2/孔。第141页/共237页UASB处理溶解性废水时的进水管口负荷污泥类型每个进水口的负荷(m2)负荷（kgCOD/m3/d)颗粒污泥0.5~12.01~22~4>2>4凝絮状污泥0.5~1<11~21~22~3>2中等浓度絮状污泥1～2<1~22～5>2第142页/共237页进水分配系统形式(1)树枝管状(2)穿孔管式(3)多管多点式用高于反应器的水箱式(或渠道式)进水分配系统。第143页/共237页

树技管式：为了配水均匀一般采用对称布置，各支管出水口向着池底，出水口距池底约20cm，位于所服务面积的中心点。管口对准的池底设反射锥，使射流向四周均匀散布于池底，出水口支管直径约20mm。这种配水系统只要施工安装正确，配水可基本达到均匀分布。第144页/共237页

穿孔管式为了配水均匀，配水管之间的中心距可采用1-2m，进水孔距也可采用1-2m，孔口朝向池底，或与铅垂线成45度方向开孔。孔径大小及配水管尺寸应由水力计算确定。以确保布水均匀。为了防止配水系统的堵塞，在设计中应考虑清通的可能。第145页/共237页

多管多点式一根配水管服务一个配水点，即配水管数与配水点数相同。图中所示为德国设计专利，配水管设置在污泥床不用位置和不同高度上，废水通过一个专门设计的脉冲配水器，废水定时地分配给不同位置和高度的配水管，对整个反应器进水是连续的，这种配水系统效果是很好的。第146页/共237页配水管道1、设三通进行清通2、防止带入空气（厌氧菌的抑制、爆炸）；大一些的管径可以避免气阻。3、在反应器底部采用较小直径管道是有利的，因为它产生高的流速从而产生了较强的扰动和进水与污泥之间更密切的接触。第147页/共237页2、反应区反应区包括污泥床和污泥悬浮层区，是UASB反应器的核心，是培养和富集厌氧微生物的区域，废水与厌氧污泥在这里充分接触，产生强烈的生化反应，有机物主要在这里被厌氧菌分解。厌氧颗粒污泥的形成及其性质（在4.3.2专门介绍）第148页/共237页3、气、液、固三相分离器第149页/共237页气、固、液分离器又称三相分离器，由沉淀区、集气室(或称集气罩)和气封组成，其功能：①将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开；②保证出水水质；③保证反应器内污泥量；④有利于污泥颗粒化。气体被分离后进入集气室(罩)，然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体藉重力由回流缝返回反应区。三相分离器分离效果好坏将直接影响反应器的处理效果。第150页/共237页三相分离器要求(1)气、固、液混合液中的气体不得进入沉淀区，即流体(污泥与水混合物)在进入沉淀区之前，气体必须有效地进行分离去除，避免由于气体泄漏到沉淀区而干扰固、液分离效果。(2)保持沉淀区液流稳定，水流流态接近塞流状，使具有良好的固液分离效果。(3)被沉淀分离的部分固体(污泥)能迅速返回到反应器内，以维持反应器内有很高的污泥浓度和较长的污泥龄。第151页/共237页第152页/共237页第153页/共237页第154页/共237页第155页/共237页三相分离器的基本构造不论三相分离器的形式多么不同，但其一定有3个主要功能和组成部分：气液分离、固液分离和污泥回流3个功能以及气封，沉淀区和回流缝3个组成部分。单个三相分离器的基本构造如图所示：第156页/共237页a的构造较为简单，但泥水分离的情况不够理想，因为回流缝内同时存在上升和下降两种流体，互相有干扰。c也有类似情况。b的构造虽较为复杂，但污泥回流和水流上升互相不干扰，污泥回流通畅，泥水分离效果较好，气体分离效果也较好。第157页/共237页2．三相分离器的布置形式

对一个容积较大的UASB反应器，其三相分离器由多个三相分离器单元组成，布置形式如下动画第158页/共237页4、出水系统出水设施经常的问题是一部分的出水槽，即使存在浮渣挡板时也被漂浮的固体堵塞，从而引起出水不均匀；或发生堰不是完全水平的问题，较小的水头会引起相对大的误差。第159页/共237页设计原则(1)厌氧反应器出水堰与沉淀池出水装置相同，即汇水槽上加设三角堰；

(2)出水设施应设在厌氧反应器顶部，尽可能均匀地收集处理过的废水；

(3)采用矩形反应器时出水采用几组平行出水堰的多槽出水方式；

(4)采用圆形反应器时可采用放射状的多槽出水；

(5)要避免出水堰过多堰上水头低和安装不平．形成三角堰被漂浮的固体堵塞，堰上水头应>25mm，水位于齿1/2处；

(6)出水负荷参考二沉池负荷。第160页/共237页5、排泥系统由于厌氧消化过程微生物的不断增长，或进水不可降解悬浮固体的积累，必须在污泥床区定期排除剩余污泥。所以UASB反应器的设计应包括剩余污泥的排除设施。一般认为排去剩余污泥的位置是反应器的1/2高度处。但是大部设计者推荐把排泥设备安装在靠近反应器的低部。也有人在三相分离器下0.5m处设排泥管，以排除污泥床上面部分的剩余絮体污泥，而不会把颗粒污泥排走。第161页/共237页UASB反应器排污泥系统必须同时考虑上，中，下不同位置设排泥设备，应根据生产运行中的具体情况考虑实际排泥的要求，而确定在什么位置排泥。第162页/共237页设置在污泥床区池底的排泥设备，由于污泥的流动性差，必须考虑排泥均匀。因为大型UASB反应器一般不设污泥斗，而池底面积较大，所以必须进行均布多点排泥。每个点服务面积多大合适，尚缺乏具体资料，根据经验，建议每10m2设一个排泥点。第163页/共237页当采用穿孔管配水系统时，如能同时把穿孔管兼作穿孔排泥管是较为理想的。专设排泥管管径不应小于200mm，以防发生堵塞。第164页/共237页此外，在池壁全高上设置若干(5－6)个取样管，可以取反应器内的污泥样，以随时掌握污泥在高度方向的浓度分布情况。并可计算反应器的存泥总量，以确定是否需要排泥。剩余污泥量的确定与每天去除的有机物量有关。一般情况下，每去除lkgCOD，可产生0.05-0.1kgVSS计算。第165页/共237页4、UASB反应器的设计计算P532到目前为止，还没有形成完整的工程设计的计算方法。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。第166页/共237页1)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：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反应器的容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否能够在反应器内形成颗粒污泥等多种因素有关，如果对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般认为是可以在反应器内形成颗粒污泥的，在不同的反应温度下的进水容积负荷的选择可参考如下数据：