第15章 厌氧生物处理

第十五章污水的厌氧生物处理第一节污水厌氧生物处理的基本原理第二节污水的厌氧生物处理工艺第三节厌氧生物处理法的设计计算第一节污水厌氧生物处理的基本原理一、概述

厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过程。

厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理(1)第一代厌氧生物反应器：剩余污泥消化池、化粪池1896年在英国出现第一座用于处理生活污水厌氧消化池，产生的沼气用于街道照明。1914年美国有14座城市建立了厌氧消化池。20世纪40年代，澳大利亚出现连续搅拌的厌氧消化池，改善了混合条件。特点是：①结构简单，有些工艺沿用至今。

②水力停留时间（HRT）很长，处理效率仍十分低，处理效果不好；具有浓臭的气味。

1厌氧生物处理的发展

早期的厌氧生物反应器①1881年法国Mouras的自动净化器：②1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；④1905，德Imhoff池（称隐化池、双层沉淀池）特点有：①处理废水同时，也处理从废水沉淀下来的污泥；②前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；④停留时间很长，出水水质也较好;⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。(2)第二代厌氧生物反应器——厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等。20世纪中期厌氧接触法，搅拌、回流出现，提高了负荷率与处理效率，首次突破SRT＞HRT。60年代末，Yong&McCarty发明了AF（突破性的）。70年代中后期，能源危机的加剧，研究强化，最大的突破荷兰农业大学Lettinga发明的UASB。相继出现厌氧流化床（AFB）等。从此厌氧消化工艺开始大规模地用于废水处理，成为与好氧生物处理工艺相提并论的废水处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”。它们的主要特点有：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、升流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。

UASB发明者赢得泰勒环境奖

德国科学家GatzeLettinga荣获2007泰勒环境成就奖，GatzeLettinga发明了UASB厌氧处理法并致力于其在全球的推广。GatzeLettinga获得20万美元现金及一块金质奖章。GatzeLettinga发明的UASB处理法，应用在全世界3/4的厌氧污水处理厂中，并且GatzeLettinga没有申请专利而将这种技术免费普及。“UASB反应器概念对所有人都是公开的，特别是对发展中国家的人民，这是我一直期望的”Lettinga声明。与传统能量密集型的处理工艺相比，UASB法产生的沼气可以被回用，并且传统工艺还会产生与UASB法相比10倍到20倍的残余物。Lettinga说，事实上，厌氧处理法已经成为所有工业污水处理厂的选择，我们可以预见同样的事情会发生在生活废水处理厂。

目前全世界有几千座厌氧污水处理厂正在运行，McCarty的工作为UASB提供了理论依据。McCarty赞扬Lettinga为厌氧工艺本地化所做出的努力。

泰勒奖评委会认为Lettinga的工作“为世界特别是发展中国家提供了一种污水处理的极优秀的工艺。”

泰勒奖是奖励在环境科学，能源和医疗方面做出杰出成绩的科学家。由AliceTyler1973年设立，每年颁发一次。(3)第三代厌氧生物反应器——颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器、厌氧内循环（IC）反应器等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，在其基础上发展起来的新型反应器。EGSB反应器20世纪80年代，荷兰Wageningen农业大学研究的。IC反应器，荷兰的Paques公司研制，1985年第一座建成。用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。2、厌氧生物处理的特点

与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：

①能耗降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。②污泥产量很低；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厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果。

主要优点①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感。③厌氧生物处理出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。

主要缺点

我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前高浓度有机工业废水的处理特点是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高。

①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低，等等；厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。

我国的厌氧工艺技术发展：3、厌氧生物处理的基本原理3.1复杂有机物的厌氧降解传统观念－－两阶段理论消化过程液化(酸化)液态污泥的pH迅速下降，转化产物中有机酸是主体气化(甲烷化)产生消化气，主体是CH4厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentativebacteria)产氢产乙酸细菌(acetogenicbacteria)产甲烷细菌(methanogenicbacteria)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、产甲烷阶段发展中观点－－三阶段理论(1)水解阶段：碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；(2)产氢产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸CH3CH2COOH→CO2+CH3COOH+H2(3)产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物4H2+CO2→CH4+2H2O（1/3）CO2还原2CH3COOH→2CH4+2CO2（2/3）乙酸脱羧

复杂有机物较高级有机酸H2乙酸CH4+CO24%76%24%52%28%72%生成甲烷生成乙酸与脱氢水解与发酵20%

最新观点－－四阶段厌氧生物代谢过程水解阶段；产酸发酵阶段产氢产乙酸阶段。产甲烷阶段(1)水解阶段

定义复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。

影响因素

温度，水力停留时间，有机物质的组成成分，有机物质颗粒的大小；pH值；氨的浓度；水解产物浓度。(2)产酸发酵阶段

微生物细菌、原生生物和真菌重要的微生物

纤维素分解菌——最重要的一步，产物CO2、H2、已醇；

碳水化合物分解菌——丙酮，乙醇，乙酸；

蛋白质水解菌——生成氨基酸；

脂肪分解菌——脂肪酸(3)产氢产乙酸阶段主要微生物：产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌产物：乙酸、甲烷、CO2、H2(4)产甲烷阶段主要微生物：产甲烷菌产物：甲烷特征：细胞的增殖很少，（甲烷细菌不繁殖，数量少，消化时间长）；食物不足；产生能量仅为好氧1/20-1/30。理论产生甲烷量：

(1)糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：

(2)理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。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；

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。二、厌氧微生物生态学(一)温度条件各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为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。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。温度对厌氧消化过程的影响消化温度与消化时间的关系消化时间：指产气量达到总产气量的90%以上的时间中温消化高温消化温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复。(二)pH值每种微生物可在一定的pH值范围内活动，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。在厌氧消化过程中，pH值的升降变化除了外界因素的影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。产酸作用产物使有机酸的含量增加，会使pH值下降。含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH值升高。在厌氧处理中，pH值除受进水的pH影响外，主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡，取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间的平衡。(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。挥发性有机酸的增减、pH值的升降以及铵离子浓度的高低等因素均影响系统的还原强度。如pH值低，氧化还原电位高；pH值高，氧化还原电位低。(四)有机负荷在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgBOD/m3·d)。一般为5-10，是好氧处理（0.5-0.1）的5-10倍。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kgBOD5/(kgVLSS·d)。在典型的工业废水中，厌氧处理的污泥负荷率在0.5~1.0，是好氧处理的2倍。有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水中污染物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2-3kgBOD/(m3·d)，在高温下为4-6kgBOD/(m3·d)。UASB、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15kgBOD/(m3·d)，可高达30kgBOD/(m3·d)。在处理具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率n表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。投配率n高，池内脂肪酸积累，pH下降，消化不完全，产气率下降；投配率n低则消化完全，产气率高，消化池容积大，基建费用高。(五)废水的营养比厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。厌氧法中碳:氮:磷控制为500:5:1为宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的C/N为10-18:1。C/N=（10-201）为宜。太高，N量不足，pH值易降低；太小，pH值易升高，铵盐积累。各种废物的碳氮比（C/N）

原料碳氮比原料碳氮比大便(6~10):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪29:1鲜猪粪13:1厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。(六)搅拌和混合搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法包括沼气搅拌、泵加水射器搅拌、联合搅拌法。可以连续搅拌、间歇搅拌(2-5小时内将全池的污泥搅拌一次)。(七)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。

挥发性脂肪酸（VFA)是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500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(八)酸碱度和消化液的缓冲作用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。缓冲剂是在有机物分解过程产生的CO2和NH3，生成的NH4HCO3。在消化系统中，应保持碱度在2000mg/L以上，使其有足够的缓冲能力，可有效地防pH值的下降。在消化系统管理时，应经常测定碱度。第二节污水的厌氧生物处理工艺一、化粪池化粪池例图用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。二、厌氧生物滤池

优点：处理能力高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备，出水SS较低；设备简单、操作方便。缺点：滤料费用较高；滤料易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚；堵塞后，没有简单有效的清洗方法。因此，悬浮物高的废水不适用。三、厌氧接触法对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。

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，使混合液的温度下降，以制产甲烷菌在沉淀池内活动。3.投加混凝剂，提高沉淀效果。四、升流式厌氧污泥床反应器

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。4.1UASB工艺的工作原理

升流式厌氧污泥床集生物反应和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。4.2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。1.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.用较大的上升流速与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污泥。4.3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