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1、第15章：废水厌氧生物处理,15.1 厌氧生物处理的基本原理(Fundamental of anaerobic biological treatment)15.2 厌氧生物处理工艺的发展(Development of Anaerobic Treatment Process)15.3 现代高速厌氧生物反应器(High Rate Anaerobic Treatment Process)15.4 厌氧生物处理法的设计计算(Design of Anaerobic Wastewater Treatment Process),15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biologic
2、al treatment,主要内容(outline),(1)概述（overview）早期被称为厌氧消化（Anaerobic Digestion）、厌氧发酵(Anaerobic Fermentation)。实际上，是指在厌氧条件下由多种（厌氧及兼性厌氧anaerobic microbes&facultative anaerobe）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。,15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biological treatment,15.1 厌氧生物处理的基本原理(Fundamental of anaerobic biologica
3、l treatment),Definition:,Anaerobic treatment is a biological process carried out in the absence of O2 for the stabilization of organic materials by conversion to CH4 and inorganic end-products such as CO2 and NH3.,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,(1)概述（overvie
4、w）,Advantages:,Less energy required;Less biological sludge production;Fewer nutrients required;Methane production,a potential energy source;Higher Volumetric Loadings and Smaller reactor volume required;Can kill worm eggs and pathogen in isolation of air.,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Was
5、tewater Biological Treatment,(2)特点(Character of anaerobic treatment),15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,(2)特点(Character of anaerobic treatment),Disadvantages:,Longer start-up time;May require alkalinity addition;Lower quality effluent and Need further treatment;
6、More sensitive to temperature,pH or toxic compounds;Potential for odor production;Biological nutrient removal is not possible.,厌氧微生物的增殖速率低(lower biomass yield):产酸菌的产率系数Y为0.150.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，好氧微生物的产率系数y约为0.50.6kgVSS/kgCOD。,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewat
7、er Biological Treatment,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,In general,for municipal wastewater treatment with lower concentrations of biodegradable COD,lower temperature,higher effluent quality needs,and nutrient removal requirement,aerobic processes are favored
8、 at present.,For industrial wastewaters with much higher biodegradable COD concentrations and elevated temperatures,anaerobic processes may be more economical.,Summary assessment:,(3)厌氧消化的机理Biological principle of anaerobic digestion,两阶段理论(Two-stage theory)三阶段理论(Three-stage theory)四类群理论(Four Microbi
9、al group theory),15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,两阶段理论(two-stage theory),水解细菌,产酸菌,有机物,产甲烷菌,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,产甲烷阶段Methanogenesis,产酸阶段Acidogenesis,Fermentative bacteria,Acetogenic bacteria,Methanogens,产甲烷阶
10、段(Methanogenesis)，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细菌(Methanogens)；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。,发酵阶段（Fermentation），又称产酸阶段；主要功能：水解和酸化（hydrolytic acidification），主要产物：脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要的微生物：统称为发酵细菌或产酸细菌；主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewat
11、er Biological Treatment,两阶段理论(two-stage theory),三阶段理论(three-stage theory),两阶段理论的问题：l研究表明，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；l70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，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4；l因而，提出了“三阶段理论”,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wast
12、ewater Biological Treatment,Anaerobic Biodegradation,Hydrolysis,Acidogenesis,Methanogenesis,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,三阶段理论和四类群理论,说明：1）I、II、III为三阶段理论，2）I、II、III、IV为四类群理论；,有机物,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,Three
13、 stage&Four Microbial group theory,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,l 产氢产乙酸阶段（Acidogenesis）：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；,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,三阶段（Three stage theory）,四类群（Four Microbial group theory）,l 同
14、型产乙酸菌（Homoacetogenic bacteria）：将H2/CO2合成为乙酸（acetate）。实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。,厌氧反应动力学,底物降解和微生物增长动力学 Monod方程式 细菌增值速率与底物消耗速率关系式,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,(4)厌氧消化的影响因素Factors affecting anaerobic digestion,pH:产甲烷菌6.8-7.2。温度：中温（35-38）、高温（52-55）.污泥泥龄(sludge r
15、etention time)搅拌和混合(stirring and mixing)营养和碳氮比：（C/N=10-20：1）有毒物质（重金属、H2S、氨）,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,(4)厌氧消化的影响因素Factors affecting anaerobic digestion,15.1 厌氧生物处理的基本原理Fundamental of Anaerobic Wastewater Biological Treatment,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development
16、of Anaerobic Treatment Process,1)厌氧处理工艺的发展简史(History of anaerobic treatment process development),2)早期的厌氧生物反应器(Conventional anaerobic reactor),3)厌氧消化池及设计(Anaerobic digesters and design),15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biological treatment,厌氧过程广泛存在于自然界中；1881年，法国，Louis Mouras，“自动净化器”；处理城市污水的化粪池(septic
17、tank)、处理剩余污泥的各种厌氧消化池(anaerobic digesters)等；,1)厌氧生物处理工艺的发展简史History of anaerobic treatment process development,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,HRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等；,70年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理；厌氧接触法（Anaerobic Contact Process）厌氧滤池（Anaerobic Filter、AF）上流式厌氧污泥层（床）反
18、应器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket(Bed)、UASB)厌氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed、AFB)厌氧附着膜膨胀床(Anaerobic Attached Film Expanded Bed、AAFEB)厌氧生物转盘（Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD）,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,现代高速厌氧反应器(第2代)的主要特点：HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则较短，反应器内生物量很高（high bio
19、mass yield）。HRT大大缩短，有机负荷（organic loadins）大大提高，处理效率（treatment efficiency）也大大提高。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,90年代以后，在UASB反应器基础上又发展第3代厌氧反应器:膨胀颗粒污泥床（Expanded Granular Sludge Bed,EGSB）内循环厌氧反应器（Internal Circulation,IC）折流板厌氧反应器（Anaerobic Baffled Reactor，ABR）,15.2 厌氧生物处理工艺的发展D
20、evelopment of Anaerobic Treatment Process,EGSB反应器，适合处理低温低浓度的有机废水；IC反应器，处理高浓度有机废水，可达到更高的有机负荷。ABR反应器，无需三相分离器(three-phase separator)，结构较为简单，管理维护方便,按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厌氧生物膜法(anaerobic slime)；按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)；根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应
21、器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化(one stage digestion)与两步厌氧消化(two stage digestion)等。,厌氧工艺的分类Categories of anaerobic process,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,2)早期的厌氧生物反应器(Early application of anaerobic reactor),从1881年到上世纪20年代；1881年，法国Mouras的自动净化器automatic scavenger；1891年，英国Moncriff的装
22、有填料的升流式反应器；1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）；1905年，德国的Imhoff Tank池（又称隐化池、双层沉淀池）,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,(1)化粪池（Septic Tank）,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。尚可用于郊区的别墅式建筑。目前广泛应用于农村地区生活污水处理。,Commonly used for homes in rural areas。Wastewater flows into tank,where solids set
23、tle,oil&grease floats。Treated wastewater flows into a network of perforated pipes,then trickles into the soil。,Septic Tank System,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,Cross-section(横断面)of a Septic Tank,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,(1)化粪池（Septic Tan
24、k）,Leach Field,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,(1)化粪池（Septic Tank）,Septic Tank System,（1）Maintenance-intensive:sludge must be pumped out every 1-2 years；（2）Leach field is vulnerable to clogging（堵塞）with oil&grease；（3）BOD and nitrates are not treated effectively；（4）Can cause
25、 groundwater contamination。,Disadvantages of Septic Systems,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,(1)化粪池（Septic Tank）,(2)Imhoff Tank（又称双层沉淀池）,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,特点（characters）：对废水的处理主要是沉淀（sedimentation），有些还能对沉淀下来的污泥进行部分处理；停留时间较长（long SRT），
26、出水水质不好(low effluent quality)；目前仍有应用(rural areas).,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,2)早期的厌氧生物反应器(Early application of anaerobic reactor),厌氧消化发展的第二阶段，厌氧消化作为剩余污泥处理(treatment of bio-solid)的主要手段，1927年，加热装置；随后，机械搅拌器；50年代初，沼气循环搅拌装置；高速消化池(high rate digester)，至今仍是污泥处理的主要技术。,15.2 厌氧生
27、物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,3)厌氧消化池(Anaerobic digesters),主要应用范围（application）：处理剩余污泥，处理固体含量很高的有机废水；功能（function）：将部分有机物转变为沼气（marsh gas）；将部分有机物转化成稳定性较好的腐殖质；提高污泥的脱水性能（dewaterability）；可减少污泥体积1/2以上；灭活致病微生物。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,3)厌氧消化池(Anaerobic
28、 digesters),按形状：圆柱形(cylindrical)、椭圆形（oval）和龟甲形；按池顶结构：固定盖式(fixed cover)和浮动盖式(floating cover)；按运行方式：传统消化池(low rate digester)和高速消化池(high rate digester)。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,类型与构造 categories and structure,3)厌氧消化池(Anaerobic digesters),A、传统消化池：,又称低速消化池，无加热和搅拌装置；有分层现象
29、：只有部分容积有效；消化速率很低，HRT很长（3090天）。,浮渣层,上清液层,反应层,熟污泥层,沼气气室,B、高速消化池,设有加热和搅拌装置；缩短了HRT，提高了沼气产量，在中温（3035C）条件下，一般消化时间为15天左右，运行稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液不能分离。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,C、两级消化池,两级串联，第一级是高速消化池，第二级则不设搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能分离上清液；二者的HRT的比值可采用1:1 4:1，一般为2:1。,15.2 厌氧生物
30、处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,高碑店污泥消化池,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,高碑店污泥消化池,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,杭州四堡污水厂污泥消化池,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,沼气的收集与利用,污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气(marsh g
31、as,methane)；沼气的热值很高（一般为2100025000 kJ/m3，即50006000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,3)厌氧消化池(Anaerobic digesters),高碑店沼气发电机,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,厌氧消化池设计(design),体积计算 V=Qt V=QS0/LS热量估算 一般硝化气产量按0.4-0.5m3/kgCOD；热值约为21000
32、-25000KJ/m3。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,3)厌氧消化池(Anaerobic digesters),(1)流程和设备的选择,处理工艺的选择 消化温度 采用单级或两级(段)消化,(2)厌氧反应器的设计,计算确定反应器容积的常用参数是负荷率N和消化时间t，公式为：,产气量一般可按0.40.5m3/kg(COD)进行估算。,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,(3)消化池的热量计算,包括将废水提高到池温所需的热量和补偿
33、池壁、池盖所散失的热量。,提高废水温度所需的热量为Q1：,通过池壁、池盖等散失的热量Q2与池子构造和材料有关，可用下式估算：,15.2 厌氧生物处理工艺的发展Development of Anaerobic Treatment Process,小结：,厌氧生物处理机理（三阶段、四类群）厌氧污水处理工艺类型污泥消化池设计（了解）,15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biological treatment,15.3 现代高速厌氧反应器High Rate Anaerobic Treatment Process,1）厌氧接触(ACP)工艺2）厌氧生物滤池(AF)工艺3）升
34、流式厌氧污泥床（UASB）工艺4）膨胀颗粒污泥床(EGSB)；内循环厌氧反应器(IC)；折流板厌氧反应器(ABR),15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biological treatment,3）升流式厌氧污泥床(UASB)反应器,Upflow Anaerobic Sludge Bed Reactor,简称UASB 反应器；70年代，荷兰Wageningen农业大学，Lettinga教授,悬浮污泥区,颗粒污泥区,1、UASB反应器的工作原理与构造,EGSB：膨胀颗粒污泥床,厌氧膨胀颗粒床反应器(Expanded Granular Sludge Bed,简称EGSB
35、)是在上流式厌氧污泥床(UASB)反应器的研究成果的基础上,开发的第三代超高效厌氧反应器,该种类型反应器除具有UASB反应器的全部特性外,还具有以下特征,高的液体表面上升流速和COD 去除负荷;厌氧污泥颗粒粒径较大,反应器抗冲击负荷能力强;反应器为塔形结构设计,具有较高的高径比,占地面积小;可用于SS 含量高的和对微生物有毒性的废水处理。主要用于高浓度有机废水处理。,IC：内循环厌氧反应器,内循环厌氧反应器(internal circulation reaction，IC)，是荷兰PAQUES于20世纪80年代中期在UASB反应器的基础上开发成功的第3代超高效厌氧反应器。其特征是在反应器中装有
36、两级三相分离器，反应器下半部分可在极高的负荷条件下运行。整个反应器的有机负荷和水力负荷也较高，并可实现液体内部的无动力循环，从而克服了UASB反应器在较高的上升流速度下颗粒污泥易流失的不足。,IC反应器可以看作是由2个UASB反应器叠加串联构成，高径比一般为4-8，高度可达16-25m。由5部分组成:混合区、第1反应区、第2反应区、内循环系统和出水区。其中内循环系统是IC反应器的核心部分，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和污泥回流管组成。,ABR（厌氧折流板反应器）,厌氧折流板反应器是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一种新型高效厌氧反应器。废水可由左上部或者底部
37、进入，在经过几次上升下降之后，有机物与微生物充分接触而被去除，部分有机物转化为沼气。在最后一格表面水力负荷减小而实现泥水分离。,ABR的特点,在结构上类似于串联了几个UASB，污泥系统相对独立，抗冲击负荷能力强；污染物的去除及沼气的产生集中在前两格，污泥可以是颗粒化形式或以絮状形式存在，有机物浓度随水流逐步降低；ABR工艺无需三相分离器，结构较为简单，管理维护方便。,ABR的结构,ABR的设计要点,反应器格数：根据废水水质确定格数，一般为3-5格；容积负荷：负荷太大，出水效果差，负荷太小，形成不了颗粒污泥。上升、下降流速：要保持一定的下降流速，使有机物与微生物充分混合，又不至于破坏颗粒污泥；也要保持一定的上升流速，不至于使污泥淤积，又能尽量实现泥水分离。,小结：,厌氧三阶段、四类群理论高速厌氧反应器类型及机理。,15 废水厌氧生物处理Anaerobic wastewater biological treatment,
