第六章厌氧生物处理2010

第六章厌氧生物处理第一节厌氧生物处理的净化机理第二节厌氧微生物处理的影响因素第三节厌氧生物处理的特点第四节厌氧生物处理的分类第五节厌氧微生物的培养和驯化第六节厌氧生物处理的运行管理2010年污废水处理设施运行管理培训厌氧生物处理技术的发展

最早的厌氧生物处理技术的应用始于19世纪下半叶，至今已有一百多年的历史，刚开始主要用于处理粪便。化粪池Imhoff池（双层沉淀池）第一节厌氧生物处理的基本原理

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）的生物化学作用，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。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氢等为受氢体。

厌氧生物处理是一个依靠三大主要类群的细菌完成的复杂的微生物学过程。将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：

第一阶段为水解酸化阶段；

第二阶段为产氢产乙酸阶段；

第三阶段为产甲烷阶段。4％76％20％24％52％28％72％水解产酸细菌产氢产乙酸细菌产甲烷细菌第一阶段水解酸化阶段

复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。

水解产酸细菌是一个相当复杂而又庞大的细菌群，主要包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌等。碳水化合物、脂肪和蛋白质的水解酸化过程

水解过程：不溶解大分子有机物经胞外水解酶的作用，在溶液中分解为水溶性的小分子有机物，如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、和甘油等。水解过程是在细菌细胞表面或周围介质中完成的。酸化（发酵）过程：利用水解后的简单有机物在产酸细菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类。这一过程是在细胞内进行的。第二阶段产氢产乙酸阶段在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳数有机酸时还形成CO2。产氢产乙酸阶段就是进一步把有机物分解为可以被甲烷菌直接利用的物质。第三阶段产甲烷阶段

产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。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1/3，后者约占2/3。

上式可以看出有机物中的碳最终以甲烷、二氧化碳等产物形式逸出。二阶段理论四菌群说甲烷细菌群甲烷细菌对氧和其他氧化剂十分敏感，属于严格的专性厌氧菌，研究表明，在氧浓度低于2～5ug/L的环境下才能良好生长。根据甲烷细菌的形态可分为四类：球状、杆状、螺旋状和八叠球状，其中八叠球状甲烷细菌甲烷化效率高。甲烷细菌除了能利用氢气/二氧化碳、乙酸、乙酸盐作为基质，还有“三甲”——甲酸、甲醇和甲胺。限制步骤限制步骤是指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他阶段更慢，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。

厌氧消化三个阶段的反应速度由废水的性质而异，也就是说对于不同的废水厌氧消化的限制步骤是不一样的。a.对于含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水，水解易成为反应速度的限制步骤；b.对于含简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般蛋白质等污染物为主的废水，产甲烷易成为反应速度的限制步骤。第二节厌氧微生物处理的影响因素

一般情况下，甲烷化阶段是厌氧消化反应的控制阶段（限制步骤），因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。温度pH有毒物质营养物质的配比搅拌氧化还原电位有机负荷厌氧活性污泥掌握了解温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。温度适宜。细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般可分为低温、中温、高温三个区。低温消化温度：10℃～30℃中温消化温度：30℃～35℃高温消化温度：50℃～56℃一、温度一般认为，产甲烷菌的温度范围为5～60℃，在35℃和51℃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。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降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，还影响沼气中的甲烷含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。因此，在消化过程中要保持一个相对稳定的消化温度。温度对消化的影响二、pH值甲烷细菌生长适宜的pH范围在6.8～7.2之间，而产酸细菌生长适宜的pH范围在4.5～8之间，范围较甲烷菌广。pH值条件失常首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能被正常地代谢降解，从而使整个消化过程的各阶段间的协调平衡丧失。若pH值降到5以下，对产甲烷菌生长抑制较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞。即使pH值恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力仍不易恢复；而在稍高pH值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快地恢复活性。所以厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。最适pH值为7.0～7.2，pH6.8～7.2较为适宜。

三、有毒物质凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用的物质，都可称为有毒物质。主要是一些存在工业废水中的重金属、有机物和某些阳离子。（见书上258页，表6-1污泥消化有害物质最大容许浓度）四、营养物质的配比一般认为，厌氧法中碳:氮:磷控制为20O～300:5:1为宜。此比值大于好氧法中100:5:1，这与厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。在厌氧处理时提供氮源，除满足合成菌体所需之外，还有利于提高反应器的缓冲能力。若氮源不足，不仅厌氧菌增殖缓慢，而且消化液缓冲能力降低。相反，若氮源过剩，氮不能被充分利用，将导致系统中氨的过分积累，抑制产甲烷菌的生长繁殖，使消化效率降低。

五、搅拌混合

混合搅拌是提高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。通过搅拌可消除池内梯度（温度、底物、甲烷细菌），增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。搅拌的方法有:（1）机械搅拌器搅拌法；（2）消化液循环搅拌法；（3）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量。

六、氧化还原电位

ORP或Eh

（低电位可以被高电位氧化）无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一，甲烷菌细胞内具有许多低氧化还原电位的酶系，产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感。产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV,相当于2.36×1056L水中有1mol氧。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1～-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3～-0.35V（中温消化）与-0.56～-0.6V（高温消化），常温消化与中温相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。

七、有机负荷

在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使pH值下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停顿，系统失败，并难以调整复苏。此外，有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率。若有机负荷过低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器容积将增大，使消化设备利用效率降低，投资和运行费用提高。八、厌氧活性污泥

厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能，前者主要取决于活微生物的比例及其对废物的适应性和活微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能与污泥的凝聚性有关、与好氧处理一样，厌氧活性污泥的沉淀性能也以SVI衡量。（如颗粒化污泥和絮状污泥）第三节厌氧生物处理的特点厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点：（1）应用范围广：既适用于高浓度废水，又适用于中低浓度废水。（2）能耗低：无需曝气或微曝气，厌氧法产生的沼气可作为能源。（3）负荷高：厌氧法为2～10kgBOD/(m3·d)。（4）剩余污泥量少，约为好氧法的1/10，且其浓缩性、脱水性良好。（5）氮、磷营养需要量少：厌氧法的C:N:P为200～300:5:1（6）厌氧处理过程有一定的杀菌作用。（7）厌氧活性污泥可以长期贮存。厌氧生物处理法也存在下列缺点：（1）厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长。（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理。（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂（沼气安全问题）。

第四节厌氧生物处理的分类一、普通厌氧消化池废水定期或连续进入池中，经消化的剩余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。为了使进料和厌氧污泥充分接触、使所产的沼气气泡及时逸出而设有搅拌装置，常用搅拌方式有三种：（1）池内机械搅拌；（2）沼气搅拌；（3）循环消化液搅拌。排泥

常用加热方式有三种：（1）废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；（2）热蒸汽直接在消化器内加热；（3）在消化池内部安装热交换管。普通消化池一般的负荷，中温为2～3kgCOD/(m3·d),高温为5～6kgCOD/(m3·d)。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。但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，温度也不均匀，消化效率低等缺点。二、厌氧接触法(掌握)

为克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法，其工艺流程如右图所示。该系统既使污泥不流失、出水水质稳定，又可提高消化池内污泥浓度，从而提高设备的有机负荷和处理效率。

为了提高沉淀池中混合液的固液分离效果，改善污泥的沉降性能，目前采用以下几种方法脱气：（1）真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉淀性能；（2）热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却，如中温消化液35℃冷到15～25℃，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；（3）絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降；（4）用超滤器代替沉淀池，以改善固液分高效果。

厌氧接触法的特点：（1）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；（2）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2～5kgCOD/(m3·d)，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15～30天，而接触法小于10天；（3）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；（4）操作简单运行稳定，混合液经沉淀后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。厌氧接触法还存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。三、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）（掌握）

1.布水系统2.污泥床4.沉淀区UASB反应器主要结构如下：5.气液固三相分离器3.污泥悬浮层

1.布水系统（进水配水系统）布水系统兼有均匀配水和水力搅拌作用，使进水与污泥充分接触，最大限度地利用反应器内的厌氧污泥，防止进水在通过污泥层时出现沟流和死角。布水系统设计包括了进水方式的选择和布水点的布置，其合理设计对于反应器的良好运行至关重要。树枝管式配水系统穿孔管式配水系统多点多管配水系统

污泥床和污泥悬浮层组成UASB的反应区，是UASB反应器的核心组成部分，是培养和富集厌氧微生物的区域，因而是有机污染物被降解去除的主要场所。2.污泥床

污泥床位于整个UASB反应器的底部，污泥床内具有很高的污泥浓度，一般为40～80g/L，最高可达150g/L，主要由高度发展的颗粒污泥组成，具有优良的沉降性能，其沉降速度一般为1.2-1.4cm/s。污泥层对有机物降解量可达70％～90％。3.污泥悬浮层污泥悬浮层位于污泥床上部，污泥浓度相对较小，通常为15～30g/L，主要由高度絮凝的污泥组成，而非颗粒污泥，沉速明显小于颗粒污泥。悬浮污泥层承担10％～30％的有机物降解量。

5.气液固三相分离器

是完成气、液、固体三相的分离，即将附着于颗粒污泥上的气体分离，并收集反应区产生的沼气，通过集气室排出反应器；使分离区的悬浮物沉淀下来，回落到反应区，有效防止厌氧污泥流失，保证反应器中足够的生物量，降低出水中悬浮物的含量。三相分离器同时具有传统废水生物处理工艺中的二沉池、污泥回流及气体收集的功能。因此，三相分离器分离效果好坏直接影响到整个反应器的处理效果。4.沉淀区沉淀区位于UASB反应器的顶部，其作用是使由于水流的夹带作用而随之上升至出水区的固体颗粒（主要是污泥悬浮层中的絮凝性污泥）在沉淀区沉淀分离，并沿沉淀区底部的斜壁滑下而重新回到反应区内，保持反应区稳定的生物量，同时实现均匀集水。

废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生物分解废水中的有机物产生沼气，微小沼气泡在上升过程中，不断合并逐渐形成较大的气泡。由于气泡上升产生较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜壁返回到反应区内。

上流式厌氧污泥床反应器的特点是：（1）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30～40g/L，高的可达60～80g/L；（2）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10～20kgCOD/(m3·d)；（3）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；（4）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；（5）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高；运行启动时间长，对水质变化比较敏感。

UASB应用于高浓度有机废水处理时的允许容积负荷全世界有几千座UASB反应器，占所有厌氧反应器总数的64%，应用最为广泛。工业上应用的UASB装置四、厌氧生物滤池（掌握）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。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水流出池外。废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；废水从池上部进入，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。

厌氧生物滤池的特点是：（1）由于填料为微生物附着生长提供广较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又生物膜停留时间长，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2～16kgCOD/m3·d，且耐冲击负荷能力强；（2）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；（3）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；（4）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：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。其次滤料较贵。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。主要用于处理含悬浮物较低的溶解性有机污染物废水。五、厌氧流化床

厌氧流化床工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。

流化床操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大流态化速度。上升流速应控制在1.2～1.5倍临界流化速度。

厌氧流化床特点：（1）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；（2）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；（3）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；（4）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（5）结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。

六、厌氧生物转盘和折流板反应器

厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似。不同之处在于盘片大部分(70％以上)或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴与驱动装置等组成，其构造如图所示。对废水的净化靠盘片表面的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧菌完成，产生的沼气从反应器顶部排出。由于盘片的转动，作用在生物膜上的剪力可将老化的生物