第6篇-污水的厌氧生物处理

水污染控制工程第六篇污水的厌氧生物处理

厌氧生物处理法

在隔绝与空气接触的条件下，借助兼性菌、厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生化处理法或厌氧消化法。

一、厌氧生物处理的沿革、特征和发展趋势1、厌氧生物处理的发展概述厌氧生物处理已有100多年的历史，它的发展和应用大致经历了3个时期：A、20世纪10年代以前的初级阶段，主要应用于污水和粪便处理；B、20世纪50年代以前第二个时期，普通消化池是唯一的实用装置；C、20世纪50年代特别是70年代以后的第三个时期，出现一大批更为先进实用的厌氧生物处理技术。2、厌氧生物处理工艺的应用现状A、厌氧生物处理工艺在污水处理中的应用；B、厌氧生物处理工艺在垃圾处理中的应用；C、秸杆等生物质的资源化和能源化。3、厌氧生物处理的特征4、厌氧生物处理的发展趋势从目前厌氧生物处理工艺技术和设备发展规律前景来看，进一步提高生物处理能力和稳定性的途径主要有：A、提高反应器中生物持有量；B、利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离；C、研制反应器使之形成特殊的水力流态而创造厌氧微生物的最适生态条件。二、厌氧消化原理1、厌氧消化的生化阶段第Ⅰ阶段——水解产酸阶段污水中不溶性大分子有机物，如多糖、淀粉、纤维素、烃类（烷、烯、炔等）水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸；紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的书又把水解产酸分为二个阶段）。第Ⅱ阶段——厌氧发酵产气阶段第（1）阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大，仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H4的形式逸出，才使废水中COD、BOD明显下降。在酸化阶段，发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第一类小分子有机物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第二类为不能被甲烷菌直接利用的有机物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厌氧消化或发酵到此结束。如果继续全厌氧过程，则产氢、产乙酸菌将第二类有机物进一步转化为氢气和乙酸。第（2）阶段生化过程是产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。2、发酵条件控制

（1）营养与环境条件

厌氧要求有机物浓度较高，一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥处理。和好氧生物处理一样，厌氧处理也要求供给全面的营养，但好氧细菌增殖快，有机物有50～60%用于细菌增殖，故对N、P要求高；而厌氧增殖慢，BOD仅有5～10%用于合成菌体，对N、P要求低。

COD∶N∶P＝200∶5∶1或C∶N＝12～16

（好氧COD∶N∶P＝100∶5∶1）

厌氧过程对环境条件要求比较严格：

Ⅰ、氧化还原电位（φE）与温度氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高，对厌氧消化不利。高温消化——500～600mv，50～55℃中温消化——300～380mv，30～38℃产酸菌对氧还—还电位要求不甚严格＋100～－100mv产甲烷菌对氧还—还电位要求严格＜－350mvⅡ、pH及碱度pH主要取决于三个生化阶段的平衡状态，原液本身的pH和发酵系统中产生的分压（20.3～40.5kpa），正常发酵pH＝7.2～7.4，有机负荷太大，水解和酸化过程的生化速率大大超过产气速率。将导致水解产物有机酸的积累使pH下降，抑制甲烷菌的生理机能，使气化速率锐减，所以原液pH＝6～8，发酵过程有机酸浓度不超过3000mg/L为佳（以乙酸计）。HCO3-及NH3是形成厌氧处理系统碱度的主要原因，高的碱度具有较强的缓冲能力，一般要求碱度2000mg/L以上，NH3浓度50～200mg/L为佳。Ⅲ、毒物——凡对厌氧处理过程起抑制和毒害作用的物质都可称为毒物，无机酸浓度不应使消化液pH＜6.8；NH3不应高于1500mg/L，其它阴离子浓度见书。（2）工艺操作条件Ⅰ、生物量——大小以污泥浓度表示，一般介于10～30gvss/L之间，为防止反应器中污泥流失，可采用装入填料介质使细菌附着挂膜，调节水流速度或污泥回流量。Ⅱ、负荷率——表示消化装置处理能力的一个参数，负荷率有三种表示方法：①容积负荷率—反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物Kg/m3·d②污泥负荷率—反应器内单位重的污泥在单位时间内接纳的有机物量Kg/Kg·d③投配率—每天向单位有效容积投加的材料的体积m3/m3·d投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d（天），投配率池可用百分率表示。负荷率的影响：①当有机物负荷率很高时，营养充分，代谢产物有机酸产量很大，超过甲烷菌的吸收利用能力，有机酸积累pH下降，是低效不稳定状态。②负荷率适中，产酸细菌代谢产物中的有机物（有机酸）基本上能被甲烷菌及时利用，并转化为沼气，残存有机酸量仅为几百毫克/升。pH＝7～7.5，呈弱碱性，是高效稳定发酵状态。③当有机负荷率小，供给养料不足，产酸量偏少，pH＞7.5是碱性发酵状态，是低效发酵状态。Ⅲ、温度控制——发酵要求较高的温度，每去除8000mg/L的COD所产沼气，能使水温升高10℃，一般工艺设计中温消化30～35℃。Ⅳ、pH的控制——当液料pH＜6.5或高于8.0，则要调整液料pH。pH＜6.8～7，应减少有机负荷率，pH＜6.5，应停止加料，必要时加入石灰中和。三、悬浮生长厌氧生物处理法1、完全混合悬浮生长厌氧消化池2、厌氧接触法3、厌氧序批式反应器四、附着生长厌氧生物处理法（即厌氧生物膜法）1、升流式厌氧填充床反应器即厌氧生物滤池2、厌氧膨胀床、流化床反应器3、厌氧生物转盘五、两相厌氧生物处理1、原理根据相分离的概念，建造两个独立控制的反应器，分别培养产酸细菌和产甲烷细菌，通过分别调控产酸相和产甲烷相的运行参数，供给它们各自的最佳生态条件，提高了污水处理能力和反应器的运行稳定性。2、两相厌氧生物处理技术A、两相均采用UASB反应器B、采用Anodek工艺其特点是产酸相为接触式反应器，产甲烷相采用UASB反应器。3、最适液相末端发酵产物的选择与好氧生物处理相比，厌氧生物处理具有以下特征：A、应用范围广。好氧适用低浓度废水，厌氧可直接处理高浓度废水处理。B、能量需求低，还可以产生能量。C、污泥产量极低。D、对水温的适应范围较为宽广。E、能够被降解的有机物多。但F、厌氧处理启动时间较长。G、处理出水水质较差。H、对pH值较为敏感。I、处理过程机理较为复杂。它是多种不同性质的微生物协同工作的过程，远比好氧复杂。6.1.1厌氧生物处理原理一、定义：

废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。二、厌氧消化过程厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。

二、厌氧消化的三个阶段和COD转化率此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。

6.1.2厌氧法的影响因素控制厌氧处理效率的基本因素有两类:一类是基础因素，包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等；另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。

产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。一、温度条件

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。（1）常温消化（10～30℃）（2）中温消化（35～38℃）（3）高温厌氧消化（50～55℃）二、pH值

产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5～8.0之间。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，pH6.6～7.4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。pH值对产甲烷菌活性的影响三、氧化还原电位

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。

四、有毒物质包括有毒有机物、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。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。6.1.3厌氧反应器一、厌氧工艺的有关术语（1）上流速度（表面速度或表面负荷）（2）水力停留时间（HRT）（3）反应器中的污泥量（4）反应器的有机负荷（OLR）：分为容积负荷（VLR）和污泥负荷（SLR）。(5)污泥体积指数（SVI）（6）污泥的比产甲烷活性（7）反应器内的污泥停留时间（SRT）:亦称泥龄。二、厌氧反应器厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。1、普通厌氧消化池普通消化池又称传统或常规消化池。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。为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。螺旋浆搅拌的消化池循环消化液搅拌式消化池普通消化池的特点是: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3、厌氧接触法

为了克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池侯设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。厌氧接触氧化法的工艺流程为：厌氧接触法的特点:（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；（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，出水水质好；（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；（f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。3、上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettnga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(reactionregion)、沉淀区(settlingregion)和气室(gascollectiondome)三部分组成。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：

UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高4、厌氧滤池厌氧滤池，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。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。

厌氧生物滤池的组成厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。

根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可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，即分别如下图所示：

厌氧生物滤池的特点及改进：厌氧生物滤池采取如下改进：（a）出水回流；（b）部分充填载体；（c）采用软性填料。厌氧生物滤池的特点是：（a）由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2～16

kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强；（b）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；（c）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。（e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。5、厌氧流化床

厌氧流化床的基本原理：

厌氧流化床的特点：（a）载体颗粒细，比表面积大，可高达2000～3000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为10～40kgCOD/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；（b）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（c）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；

（d）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（e）结构紧凑、占地少以及基建投资省等。

（f）但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。

为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取如下措施：（a）间歇性流化床工艺（b）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径20～30

m、相对密度1.05～1.2g/cm3的载体。保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态化。6、两步厌氧法和复合厌氧法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。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。接触消化池－上流式污泥床两步消化工艺流程两步厌氧法具有如下特点:（a）耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺陷；（b）两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件（c）消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水（d）但两步法设备较多，流程和操作复杂。6.2污泥消化污泥消化目的：是改善污泥的卫生条件和使污泥易于脱水（因污泥气的上升可使污泥具有较大的空隙，因而易于脱水）。

一、消化设备

消化污泥的主要构筑物称为消化池或沼气池。二、影响消化的因素

影响消化的主要因素有：温度碳氮比生、熟污泥配比有毒物质酸碱度搅拌（1）温度

细菌的活动与温度有关，一般可根据不听的温度将发酵过程分为三个类型：温度为5～15℃，称为低温发酵；温度为30～35℃，称为中温发酵；温度为50～55℃，称为高温发酵。

（2）碳氮比碳氮比太高，细菌的氮量不足，消化液缓冲能力低，pH值容易降低。碳氮比太低，含氮量过多，pH值可能上升到8.0以上，脂肪酸的铵盐要积累，使有机物分解受到抑制。对于污泥处理来说，碳氮比以（10～20）:1较合适。（3）生熟污泥配比正常运行的消化池是处于碱性发酵阶段，如加入的生污泥多，产酸率则大于用酸率，挥发酸将累积起来而破坏酸性发酵；加入的生污泥少，分解速度虽可加入，但池子容积将增大，所以消化池的投配率须恰当。（4）有毒物质含量

主要的有毒物质是重金属和某些阴离子。因此必须严格控制排入城市排水系统的工业废水中的重金属离子含量。（5）酸碱度甲烷细菌生长最适宜的pH值范围约为6.8～7.2之间，如果pH值低于6或者高于8，生长繁殖将大受影响。（6）搅拌搅拌可使新鲜有机物与腐熟有机物均匀接触，加速热传导；均匀地供给细菌以养料；打碎发酵池液面上的浮渣层，使整个池子处于消化发酵活跃状态，以提高发酵池的负荷。6.3生物硝化与反硝化目前应用最广泛的常规生物处理系统（一级加二级生物处理）主要是去除城市污水及某些工业废水中的悬浮固体及可生物降解的有机物。为保护水环境不受营养物质氮、磷的污染及满足多种用途回用水水质的要求，从二级出水及其他工业废水中去除氮、磷显得十分重要。由于氮、磷的去除技术一般是在常规的二级处理之后实施的，故称作三级处理或深度处理。废水中的氮常以含氮有机物、氨、硝酸盐等形式存在。生物处理把大多数有机物氮转化为氨，然后可进一步转化为硝酸盐。目前采用的除氮工艺有生物硝化与反硝化、沸石选择性交换吸附、空气吹脱及折点氯化等四种。生物硝化与反硝化（生物除氮法）（一）生物硝化在好氧条件下，通过亚硝酸盐菌和硝酸盐菌的作用，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的过程，称为生物硝化作用。生物硝化的反应过程为：由上式可知：（1）在硝化过程中，1g氨氮转化为硝酸盐氮时需氧4.57g；（2）硝化过程中释放出，将消耗废水中的碱度，每氧化1g氨氮，将消耗碱度（以CaCO3计）7.1g。影响硝化过程的主要因素有：(1)pH值。当pH为8.0～8.4时(20℃)，硝化作用速度最快。由于硝化过程中pH将下降,当废水碱度不足时，即需投加石灰，维持pH在7.5以上；(2)温度。温度高时硝化速度快，亚硝化细菌的最适宜水温为35℃，在15℃以下其活性急剧降低，故水温以不低于15℃为宜；(3)污泥停留时间。硝化菌的增殖速度很小，其最大比生长速率为umax=0.3~0.5/d(温度20℃，pH8.0～8.4)。为了维持池内一定量的硝化菌群，污泥停留时间θc必须大于硝化菌的最小时代时间θcmin。在实际运行中，一般应取θc≥2θcmin，或θc≥2/umax；(4)溶解氧。氧是生物硝化作用中的电子受体，其浓度太低将不利于硝化反应的进行。一般在活性污泥法曝气池中进行硝化，溶解氧应保持在2～3mg/L以上；（5）BOD负荷硝化菌是一类自养型菌，而BOD氧化菌是异养型菌。若BOD5负荷过高，会使生长速率较高的异养型菌迅速繁殖，从而使自养型的硝化菌得不到优势，结果降低了硝化速率。所以为要充分进行硝化，BOD5负荷应维持在0.3kg(BOD5)/kg(SS)od以下。（二）生物反硝化在缺氧条件下，由于兼性脱氮菌（反硝化菌）的作用，将NO2

--N和NO3

--N还原成N2的过程，称为反硝化。反硝化过程中的电子供体（氢受体）是各种各样的有机底物（碳源）。以甲醛作碳源为例，其反应式为：6NO3

-+2CH3OH→6NO2

-+2CO2+4H2O6NO3

-+3CH3OH→6N2+3CO2+3H2O+6OH-由上可见，在生物反硝化过程中，不仅可使NO2

--N和NO3

--N被还原，而且还可使有机物氧化分解。影响反硝化的主要因素：（1）温度。温度对反硝化的影响比其它废水生物处理过程要大些。一般，以维持20～40℃为宜。若在气温过低的冬季，可采取增加污泥停留时间、降低负荷等措施，以保持良好的反硝化效果；（2）pH值。反硝化过程的pH值控制在7.0～8.0；（3）溶解氧。氧对反硝化脱氮有抑制作用。一般在反硝化反应器内溶解氧应控制在0.5mg/L以下（活性污泥法）或1mg/L以下（生物膜法）；（4）有机碳源。当废水中含足够的有机碳源，BOD5/TN>3~5时，可无需外加碳源。当废水所含的碳、氮比低于这个比值，就需另外投加有机碳。外加有机碳多采用甲醇。考虑到甲醇对溶解氧的额外消耗，甲醇投量一般为的3倍。6.4污泥的处理处置6.4.1污泥的分类及其指标一、污泥的分类污泥根据其来源可分为：（1）初次沉淀污泥污水一级处理过程中产生的污泥（2）剩余活性污泥和腐殖污泥污水二级处理过程中产生的污泥（3）熟污泥（或称消化污泥）初次沉淀、二次沉淀和剩余污泥经消化处理（4）化学污泥化学法处理污水所产生的污泥二、测定指标（1）污泥含水率与含固率当含水率变化时，可近似地用下式计算污泥体积：式中V1，V2——分别是含水率pw1（含固率为ps1）、pw2（含固率为ps2）时的湿污泥的体积。（2）挥发性固体和灰分挥发性固体（或称灼烧减重，用VSS表示）是指污泥中在600℃的燃烧炉中能被燃烧，并以气体逸出的那部分固体。它通常表示污泥中有机物的量，单位mg/L。

灰分（或称灼烧残渣）表示污泥中无机物的含量。（3）可消化程度可消化程度表示污泥中可被消化降解的有机物数量。（4）湿污泥相对密度湿污泥相对密度等于湿污泥质量与同体积水的质量之比，其中湿污泥质量等于污泥所含水分质量与干固体质量之和。（5）污泥中有毒有害物质