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1、第15章 污水的厌氧生物处理,15-1 概述,一、厌氧生物处理的对象,1、有机污泥,有机污泥包括废水好氧生物处理过程生成的大量活性污泥和生物膜，初沉池可沉淀的有机固体，以及人畜的粪便等。,2、有机废水,食品工业，如酒精、味精、制糖、淀粉、屠宰和啤酒等工业排出的废水，不仅数量多，而且浓度也很高。,3、生物质,以专门利用生物质转化为新能源为主要目的的厌氧发酵法，是利用某些植物茎杆和叶子等生物质通过厌氧发酵获得生物能沼气。,二、厌氧生物处理的目的,1、杀菌灭卵、防蝇除臭，防止传染病的发生和蔓延。2、去除废水中大量有机物，防止对水体的污染。3、利用污水厂污泥和高浓度有机废水产生沼气可获得可观的生物能源
2、。,三、厌氧法的基本原理,四阶段发酵,Zeikus20世纪70年代年提出,(1)第一阶段：水解和发酵性细菌将复杂有机物水解为小分子有机物,如：纤维素、淀粉水解为单糖，再发酵为丙酮酸；蛋白质水解为氨基酸，再脱氨基成有机酸和氨；脂类水解为低级脂肪酸和醇,如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇、CO2、H2、NH3和H2S等。,微生物群落：水解、发酵性细菌：梭菌属、拟杆菌属、双歧杆菌；链球菌和肠道菌等。,(2)第二阶段：产氢和产乙酸菌把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和氢气。,微生物群落：产氢和产乙酸菌，如奥氏甲烷杆菌；将三碳以上有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和H2的细菌和硫酸还原菌。,(3)第三阶段
3、：有2组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群。,一是将CO2或CO和H2合成CH4；,另一组是将乙酸脱羧生成CH4和CO2，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解为CH4。,(4)第四阶段：同型产乙酸阶段,是同型产乙酸细菌将CO2和H2转化为乙酸的过程。其作用目前尚在研究。,四、厌氧法的影响因素,厌氧法对环境条件的要求比好氧法更严格。,一般认为，控制厌氧处理效率的基本因素有2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。,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。,常温厌氧消化，指
4、在自然气温或水温下进行废水厌氧处理的工艺，适宜温度范围1030。中温消化，适宜温度3538，若低于32或者高于40，厌氧消化的效率即趋向明显地降低。高温厌氧消化，适宜温度5055。,1、温度,一定范围内，温度提高，有机物去除率提高，产气量提高。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。,2、pH值,每种微生物可在一定的pH值范围内活
5、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，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。)在生产运转中常把挥发酸浓度及碱度作为管理指标。,3、氧化还原电位,无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌
6、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。,4、有机负荷,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2-3 kgCOD/(m3d)，在高温下为4-6 kgCOD/(m3d)。上流式厌氧污泥床反应器、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5-15 kgCOD/(m3d)，可高达30 kgCOD/(m3d)。在处理
7、具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。,5、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降性能。故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。,6、搅拌和混合,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：,(1)机械搅拌器搅拌法；(2)消化液循环搅拌法-水射器搅拌；(3)沼气循环搅
8、拌法-消化气循环搅拌等。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。,厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以上流的方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到一定程度的搅拌作用。,7、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(200300):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。,8、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、
9、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。,五、厌氧生物处理的主要特征,1、优点,(1)应用范围广,(2)能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；(3)处理负荷高、占地少，反应器体积小；,(4)污泥产量很低，且其浓缩性、脱水性能良好；(5)对营养物需求量小，其BOD5NP80051；(6)厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等；,(7)厌氧方法的菌种沉降性能好，生物活性保存期长，中止营养条件下可保留至少1年以上。(8)密闭系统，臭味对环境影响小。,2、主要缺点,厌氧生
10、物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂;,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，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；,出水水质通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；,厌氧生物处理的气味较大；对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且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。厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要812周时间。,15-2 厌氧生物处理装置,按微生物生长状态分为：,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
11、盘等。,厌氧活性污泥法(anaerobic activated sludge),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。,一、早期的厌氧生物反应器,这是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；主要代表有：1
12、881年法国Mouras的自动净化器：1891年英国Moncriff的装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池（又称隐化池、双层沉淀池）；等等。,这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是：处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥；前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；停留时间很长，出水水质也较差；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。,二、普通厌氧消化池,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
13、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。,随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征。,1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，
14、至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。,普通消化池的特点是:,(1)可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。(2)厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。(3)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。(4)对无搅拌的消化器，还存在料液分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。(5)温度不均匀，消化效率低。,为使进料与厌氧污泥尽快接触、使所产沼气气泡及时逸出而设置搅拌装置。常用搅拌方式有三种：,图15-2 循环消化液搅拌式消化池,(a)池内机械搅拌；,(b)沼气搅拌；,(c)循环消化液搅拌。,图15-1螺旋桨搅拌的消化池,进行中温和高温
15、厌氧消化需要加温，常用加热方式有三种：,(a)废水在消化池外先经热交换器预热到规定温度再进入消化池；(b)热蒸汽直接在消化器内加热；(c)在消化池内部安装热交换管。,上述，在消化池中设有加热和/或搅拌装置，可缩短有机物稳定所需的时间，也提高沼气产量，这种消化池叫高速消化池。,三、现代高速厌氧生物反应器,厌氧消化技术发展上的第三个时期：1955年，Schroepter提出了厌氧接触法，主要是在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速消化池之后增设二沉池和污泥回流系统，并将其应用于有机废水的处理；处理能力提高，应用于食品包装废水的处理；标志着厌氧技术应用于有机废水处理的开端。随后又相继出现了厌氧生物滤池
16、AF(Anaerobic Filter)、上流式厌氧污泥床反应器UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)、厌氧附着膜膨胀床反应器AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、厌氧流化床AFB(Anaerobic Fluidized Bed)等高效厌氧反应器，在这些厌氧反应器中，主要具有如下特点：微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长；有机容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；首先应用于高浓度有机工业废水的处理，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药工业废水、屠宰废水等；也有应用于城市废水的处理；如
17、果与好氧生物处理工艺进行串联或组合，还可以同时实现脱氮和除磷；并对含有难降解有机物的工业废水具有较好的处理效果。,1、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，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobic contact process）。,但从消化池排出的混合液在沉淀池中进行固液分离有一定困难。原因：,(1)混合液中污泥上附着大量的微小沼气泡，易于引起污泥上浮；(2)混合液中的污泥仍具有产甲烷活性，在沉淀过程中仍能继续产气，从而妨碍污泥颗粒的沉降和压缩。,为了提高沉淀池中固液分离效果，目前采用以下几种方法脱气：,(1)真空脱气，由消化
18、池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能；(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。(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，以改善固液分离效果。,厌氧接触法的优点:,(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2l0 kgCOD/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
19、料液，不存在堵塞问题；(4)混合液经沉降后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；,(5)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。,厌氧接触法的缺点:,2、上流式厌氧污泥床反应器（USAB）,上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge bed reactor），简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettnga等人在20世纪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(reaction region)、沉淀区(settling region)和气室(gas collection dome)三部分组成。,反
20、应区,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38m，其中污泥床12m，污泥悬浮层24m，多用钢结构或钢筋混凝土结构。,UASB 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。,UASB反应器初次启动的操作原则,1、启动阶段的目的：污泥适应将要处理废水中的有机物 污泥具有很好的沉降性2、启动时要遵守的原则：最初污泥负荷不要太高
21、在挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器负荷 控制厌氧细菌的生存环境 种泥量要尽量多 控制一定的上升流速3.形成颗粒污泥的过程：启动与提高污泥活性阶段 形成颗粒污泥阶段 逐渐形成颗粒污泥层阶段,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.用较大的上升气流与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污泥。,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
22、密度在左右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,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，产酸细菌在颗粒外部，产甲烷 细菌在颗粒污泥内部2.惰性物质3.金属离子,颗粒污泥的活性,采用最大比底物利用速率表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同,UASB反应器的结构设计原理,UASB反应器的构造,1.进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断 面，起到水力搅拌并均匀上升。2.反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部 形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥 进行混合接触，污泥中的微生物分
23、解有机物，同时产生的微小沼气气泡 不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气 泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的 搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮 污泥层。3.三相分离器，其功能是将气体、固体和 液体三相进行分离。4.集气室，其功能是收集产生的沼气，并 将其导出气室送往沼气柜。5.处理水排出系统，均匀收集处理水并将 其排出反应器。,UASB反应器的设计计算,1.UASB 反应器设计计算的主要内容有：池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算,2.有效容积及主要构造尺寸的确定：UA
24、SB 反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为 反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：V=Q Si/Lv 式中：Q废水流量，m3/d；Si进水有机物浓度，mgCOD/l；Lv COD 容积负荷，kgCOD/m3.d。,3.三相分离器的设计：,三相分离器的基本原理与构造,在UASB 反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式,沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡 度应为5560；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的 停留时间应在1.52.0h 之间；回流缝的设计；气液分离效果的计算与校核；,三相分离器的设计要点,上升流速,4.出
25、水系统的设计：5.浮渣清除系统的设计：6.排泥系统设计：7.其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用；防腐；,8.UASB 的布水系统：为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量均匀，避免沟流，进水方式分为间歇式，脉冲式，连续均匀流，连续与间歇回流结合,9.进水水质的特性：应考虑是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等问题。,10.UASB 的有机容积负荷：确定有机负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。,11.UASB 的水封高度：控制一定的气囊高度可压破泡沫，可避免泡沫和浮泥进入排气系统。,UASB优点,(1)反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为304
26、0g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥浓度6080g/L，污泥悬浮层(sludge blanket)污泥浓度57g/L；(2)污泥床中的污泥由活性生物量占7080的高度发展的颗粒污泥(sludge granules)组成，颗粒的直径一般在0.55.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。(3)有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为1020kg COD/（m3d）；(4)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；(5)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；污泥床内不填载体，节省造价及避免
27、堵塞问题。,缺点,(1)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，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞；(2)运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。,3、厌氧滤池(AF),厌氧滤池（anaerobic filter）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。,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，以降流的形式流过填料层，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。,分类,图15-6 升流式厌氧生物滤池,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
28、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。,在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。,运行情况,厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高，相应的有机物去除速度快。,当废水中有机物浓度高，特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。,为此，对厌氧生物滤池采取如下改进：（1）出水回流，使进水有机物浓度得以稀释，同时提高池内水流的流速，冲刷滤料空隙中的悬浮物，有利于消除滤池的堵塞；（2）部分充填载体：为了避免堵塞，仅在滤池底部和中
29、部各设置一填料薄层，空隙率大大提高，处理能力增大；（3）采用平流式厌氧生物滤池：滤池前段下部进水，后段上部溢流出水，顶部设气室，底部设污泥排放口，使沉淀悬浮物得到连续排除；（4）采用软性填料：软性填料空隙率大，可克服堵塞现象。,优点,（1）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216 kgCOD/(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
30、停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短；,（5）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。,缺点,4、厌氧流化床,厌氧流化床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。,图15-7厌氧流化床工艺流程,（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
31、，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。,优点,缺点,（6）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：,（1）间歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，呈流化床运行；（2）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径2030 m、相对密度1
32、.051.2g/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。,5、厌氧生物转盘和挡板反应器,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,(1)构造 由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成。,图15-8 厌氧生物转盘构造图,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，产生的沼气从反应槽顶排出。,(2)运行,由于盘片的转动，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。,(3)特点,（a）厌氧生物转盘内微生物浓
33、度高，因此有机物容积负荷高，水力停留时间短；（b）无堵塞问题，可处理较高浓度的有机废水；（c）一般不需回流，所以动力消耗低；（d）耐冲击能力强，运行稳定，运转管理方便。但盘片造价高。,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。,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。,6、两步厌氧法和复合厌氧法,(1)两步厌氧消化法,两步厌氧消化法是一种由上述厌氧反应器组合的工艺系统。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。,按照所处理的废水水质情
34、况，两步可以采用同类型或不同类型的消化反应器。,如对悬浮固体含量多的高浓度有机废水，第一步反应器可选不易堵塞、效率稍低的反应装置，经水解产酸阶段后的上清液中悬浮固体浓度降低，第二步反应器可采用新型高效消化器。,根据不产甲烷菌与产甲烷菌代谢特性及适应环境条件不同，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。,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
35、化降解的高浓度有机废水。,缺点：,(d)但两步法设备较多，流程和操作复杂。,(2)复合厌氧法,图15-11 纤维填料厌氧滤池和UASB复合法工艺,两步厌氧法是由2个独立的反应器串联组合而成，而复合厌氧法是在一个反应器内由2种厌氧法组合而成。,设备的上部为厌氧滤池，下部为UASB，可以集两者优点于一体，反应器下部即进水部位，由于不装填料，可以减少堵塞，上部装设固定填料，充分发挥滤层填料的有效截留污泥的能力，提高反应器内的生物量，对水质和负荷的突然变化和短流现象起缓冲和调节作用，使反应器具有良好的工作特性。,2023/6/22,84,15-3 厌氧生物处理法的设计,1.流程和设备的选择2.厌氧反应
36、器的设计3.消化池的热量计算4.工艺流程的设计5.沼气的收集、贮存,85,厌氧生物处理法的设计,1.流程和设备的选择2.厌氧反应器的设计3.消化池的热量计算4.工艺流程的设计,86,1.流程和设备的选择处理工艺和设备的选择消化温度选择单级或两级(段)消化,87,88,2.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：（P281表152）：,产气量一般可按0.40.5m3/kg(COD)进行估算。,89,3.产气量计算,一、理论产气量的计算1.根据废水有机物化学组成计算产气量 当废水中有机组分一定时，对不含氮的有机物也可用以下巴斯维尔（Buswell和Muelle
37、r）通式计算:,2根据COD与产气量关系计算 在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1gCOD相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。,二、实际产气率分析,在厌氧消化工艺中，实际产气率受物料的性质、工艺条件以及管理技术水平等多种因素的影响，在不同的场合，实际产气率与理论值会有不同程度的差异。1.物料的性质 就厌氧分解等当量COD的不同有机物而言，脂类（类脂物）的产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高；碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；从脂肪酸厌氧消化产气情况表明，随着碳键的增加，去除单位重量有机物的产气量增加，而
38、去除单位重量COD的产气量则下降。,2废水COD浓度 废水的COD浓度越低，单位有机物的甲烷产率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在实际工程中，高浓度有机废水的产气率接近理论值，而低浓度有机废水的产气率则低于理论值。3沼气中的甲烷含量 沼气中的甲烷含量越高，其在水中的溶解度越大。故甲烷的实际产气率越低。4生物相的影响 产气率还与系统中硫酸盐还原菌及反硝化细菌等的活动有关。若系统中上述菌较多，则由于这些菌会与产甲烷菌争夺碳源，从而使产气率下降。,5工艺条件影响 对同种废水，在不同的工艺条件下，其去除单位重量COD的产气量不同。详细讨论参阅本章第二节。6去除的COD中用于合成细菌细
39、胞所占的比例 对于等当量COD的不同有机物，厌氧消化时用于细菌细胞合成的系数有一定的差异，故产气率不是常量。去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例越大，则分解用以产生甲烷的比例将越小，从而去除1kgCOD的甲烷产量越低。一般情况下，变幅小于10。,93,4.消化池的热量计算,消化池所需的热量包括：将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、池盖所散失的热量。提高废水温度所需的热量为Q1：Q1=qvC（t2-t1）qv废水投加量，m3h；C废水的比热，约为4 200kJm3(实验值)；t2 消化池温度，；t1废水温度，。,2023/6/22,94,消化池温度高于周围环境，一般采用中温。通过池壁、池盖
40、等散失的热量,Q2与池子构造和材料有关，可用下式估算：Q2=KA（t2-t1）式中：A散热面积，m2；K传热系数，kJ(hm2)；t2消化池内壁温度，t1消化池外壁温度，,2023/6/22,95,5.工艺流程设计,15-4 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。厌氧处理工艺的缺点之一是微生物增殖缓慢，设备启动时间长，若能取得大量的厌氧活性污泥就可缩短投产期。厌氧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。如果采用一般的未经消化的有机污泥自行培养，所需时间更长。
41、一般来说，接种污泥量为反应器有效容积的10-90，依消化污泥的来源方便情况酌定，原则上接种量比例增大，启动时间缩短。其次是要尽量使其中含有丰富的产甲烷细菌。,二、厌氧反应器运行中的欠平衡现象及其原因,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。,欠平衡时可以显示出如下的症状：（a）消化液挥发性有机酸浓度增高；（b）沼气中甲烷含量降低；（c）消化液pH值下降；（d）沼气产量下降；（e）有机物去除率下降。,厌氧消化作用欠平衡的原因：(1)有机负荷过高；(2)进水pH值过低或过高；(3)碱度过低，缓冲能力差；(4)有毒物质抑制；(5)反应温度急剧波动；(6)池内有溶解氧及氧
42、化剂存在。,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515时，遇明火即发生爆炸。沼气中含有微量有毒的H2S，但低浓度的硫化氢就能被人们所察觉。(H2S比空气重，必须预防它在地凹处积聚)。沼气中的二氧化碳也比空气重，同样应防止在地凹处积聚，因为它虽然无毒，却能使人窒息。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。,15-5 厌氧和好氧技术的联合运用简介,有些废水含有很多复杂的有机物，对于好氧生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的，但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解为较小分子的有机物，
43、而那些较小分子的有机物可以通过好氧菌进一步分解。,采用缺氧与好氧工艺相结合的流程，可以达到生物脱氮的目的(A/O法)。厌氧-缺氧-好氧法(A/A/O法)和缺氧-厌氧-好氧法(倒置A/A/O法)，可以在去除BOD和COD的同时，达到脱氮、除磷的效果。,2023/6/22,104,河北科技大学环境科学与工程学院,实际工业废水中有机物的浓度较高，COD 可以达到几万甚至几十万。高浓度有机废水用一种方法很难处理到要求的水平。所以需要用厌氧和好氧处理方法联合应用才能达到好的效果。此处仅举一例：某制药厂废水的处理：,容积负荷为13kgCOD/(m3.d)，停留时间为24小时，出水COD降低到3000mg/L。,初沉池沉降后COD降低到 10000mg/L左右，沉渣可作饲料,车间排水，COD 1000015000mg/L,冬季需对废水加温到35度,经好氧生物接触氧化，出水COD降低到300mg/L,采用厌氧与好氧工艺相结合的工艺，还可以达到生物脱氮、脱磷的目的。目前厌氧与好氧联合的工艺较多，有些仍处在研究阶段。活性污泥法生物脱氮是其中的一种，生物脱氮包括硝化和反硝化两个反应过程。,
