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1、水污染控制工程,第十五章 污水的厌氧生物处理,厌氧生物处理概述,厌氧污水污泥处理技术的发展1860年法国的Muras将简易沉淀池改为污泥处理构筑物；1895年英国Cameron进一步改进为腐化池；1903年英国的Travis首先建成了双层沉淀池；1906年德国的Imhoff发明Imhoff双层沉淀池；1912年英国的伯明翰市建了第一个消化池；1920年英国Watson建成最早二级消化池，同时利用了沼气；19251926年在德国、美国相继建成较标准的消化池。,厌氧生物处理法或厌氧消化法：在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程。,厌氧生物处理
2、法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。,第一节 厌氧法的基本原理,若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。,图
3、15-1 厌氧发酵的几个阶段,厌氧法的基本原理,1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）,厌氧法的基本原理,2、产气阶段（甲烷细菌）乙酸化阶段,甲烷化阶段,厌氧法的影响因素,甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，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。一、温度条件 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。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560，在35(中温消化，20d)和53（高温消化，10天）上下可以分别获得较高的消化效率，温度为4045时，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
4、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，此其高温消化对温度变化更为敏感。,二、pH值,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，对产甲烷菌毒性较大，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7.07.2，pH6.67.4较为适宜。,三、氧化还原电位,无
5、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。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。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-0.560.6V（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。,四、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。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
6、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。,五、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
7、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。,六、搅拌和混合,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，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。,七、废水的营养比(C/N),一般认为，厌氧法中碳:氮:磷控制为300200:5:1为宜。
8、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。,八、有毒物质,九、生物固体停留时间（污泥龄）,定义：与好氧同但消化池污泥龄等于水力停留时间。由于产甲烷菌生长慢，厌氧消化需要较长的污泥龄。,第二节 厌氧生物处理工艺,一、早期用于处理废水的厌氧消化构筑物是化粪池和双层沉淀池。
9、化粪池是一个矩形密闭的池子，用隔墙分为两室或三室，各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入，通过各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行缓慢的厌氧发酵。各室的顶盖上设有人孔，可定期（数月）将消化后的污泥挖出，供作农肥。这种处理构筑物通常设于独立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步处理粪便废水。,厌氧生物处理主要构筑物及工艺,化粪池,厌氧法的工艺和设备,一、普通厌氧消化池,在一个消化池内进行酸化，甲烷化和固液分离。设备简单。反应时间长，池容积大。污泥易随水流带走，消化器内难以保持大量的微生物细胞。搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。容积负荷为26kgCOD/m3d,常用加
10、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23kgCOD/m3d,高温为56kgCOD/m3d。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,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
11、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，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1525，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；上图是设真空脱气器和热交换器的厌氧接触法工艺流程；（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）用超滤膜代替沉淀他，以
12、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1015g/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210kgCOD/m3d，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1530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）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、厌氧生物滤池,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
13、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216kgCOD/m3d，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
14、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。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。,四、上流式厌氧污泥床反应器,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。,
15、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3040g/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1020kgCOD/m2d；（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，对水质和负荷变化比较敏感。,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
16、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1.21.5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20003000m2/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1040kgCOD/m3d，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
17、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、厌氧转盘和挡板反应器,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、转轴瓦驱动装置等组成，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，产生的沼气从反应橹顶排出。由于盘片的
18、转动，作用在生物膜上的剪力可将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。,厌氧挡板反应器是从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。挡板反应器与生物转盘相比，可减少盘的片数和省去转动装置。其工艺流程如图15-24所示。在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持较高的污泥浓度。挡板把反应器分为若干上向流和下向流室，上向流室比下向流室宽，便于污泥的聚集。通往上向流的挡板下部边缘处加50的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合。因而无需混合搅拌装置，避免了厌氧滤池和厌氧流化床的堵塞问题和能耗较大的缺点，启动期比上流式厌氧污泥床短。,七、分段厌氧法(两相厌氧法
19、),第三节 厌氧反应器的设计与管理,厌氧反应器的设计包括工艺设备的选型、反应器容积的计算和设备构造的确定等。本节主要介绍容积的计算。厌氧处理装置的选择，在很大程度上取决于废水中的悬浮物含量、粒度和厌氧可降解性。如上流式厌氧污泥床反应器和厌氧生物滤池等新型厌氧反应器虽消化效能高，但在处理含悬浮固体物较多的污水时，却不宜采用。随着污水中悬浮物的增加，厌氧滤池的处理能力下降，逐渐接近其他工艺的处理能力，不仅如此，它还易于引起填料的堵塞；,厌氧反应器的容积是一个很重要的设计参数，计算厌氧反应器容积的方法很多，普遍采用的方法有有机物容积负荷法、水力停留时间法和动力学计算方法。1按有机物容积负荷和水力（固
20、体）停留时间计算 2根据动力学模式计算,热量平衡,厌氧消化需要较高温度，通常水温达不到要求能源：消化气，如不够则需其它能源补充热量计算：P285,厌氧设备的运行管理,一、厌氧设备的启动 厌氧设备在进入正常运行之前应进行污泥的培养和驯化。厌氧活性污泥可以取自正在工作的厌氧处理构筑物或江河湖泊沼泽底，下水道及污水集积腐臭处等厌氧生境中的污泥，最好选择同类物料厌氧消化污泥。在启动过程中，控制升温速度为1/h，达到要求温度即保持恒温；注意保持pH值在6.87.8之间；此外，有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。启动的初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度等的工艺条件以及接种污泥的性质而异。,二、厌
21、氧反应器运行中的欠平衡现象及其原因,保持厌氧消化作用的平衡性是厌氧消化系统运行管理的关键。厌氧消化过程易于出现酸化，即产酸量与用酸量不协调，这种现象称为欠平衡。厌氧消化作用欠平衡时可以显示出如下的症状；（1）消化液挥发性有机酸浓度增高；（2）沼气中甲烷含量降低；（3）消化液pH值下降；（4）沼气产量下降；（5）有机物去除率下降。诸症状中最先显示的是挥发性有机酸浓度的增高，故它是一项最有用的监视参数，有助于尽早地察觉欠平衡状态的出现。其他症状则因其显示的滞缓性,或者因其并非专一的欠平衡症状，故不如前者那样灵敏有用。,厌氧消化作用欠平衡的原因是多方面的，如：有机负荷过高；进水pH值过低或过高；碱度
22、过低缓冲能力差；有毒物质抑制；反应温应急剧波动；池内有溶解氧及氧化剂存在等。一经检测到系统处于欠平衡状态时，就必须立即控制并加以纠正，以避免欠平衡状态进一步发展到消化作用停顿的程度。可暂时投加石灰乳以中和积累的酸，但过量石灰乳能起杀菌作用。解决欠平衡的根本办法是查明失却平衡的原因，有针对性地采取纠正措施。,三、运行管理中的安全要求,厌氧设备的运行管理很重要的问题是安全问题。沼气中的甲烷比空气轻、非常易燃，空气中甲烷含量为5%15时，遇明火即发生爆炸。因此消化池、贮气罐、沼气管道及其附属设备等沼气系统，都应绝对密封，无沼气漏出。并且不能使空气有进入沼气系统的可能，周围严禁明火和电气火花。所有电气设备应满足防爆要求。沼气中含有微量有毒的硫化氢，但低浓度的硫化氢就能被人们所察觉。硫化氢比空气重，必须预防它在低凹处积聚。沼气中的二氧化碳也比空气重，同样应防止在低凹处积聚，因为它虽然无毒，却能使人窒息。因此，凡需因出料或检修进入消化池之前，务必以新鲜空气彻底置换池内的消化气体，以策安全。,
