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第六章废水厌氧生物处理工艺,第一节厌氧生物处理工艺的发展概况及特征第二节早期的厌氧生物反应器第三节厌氧消化池第四节现代高速厌氧生物反应器第五节厌氧生物处理工艺的新进展第六节厌氧生物处理工艺的运行管理,厌氧生物处理基本原理,厌氧消化过程的影响因素,①温度中温，高温；②pH值6.8～7.2；③氧化还原电位-150～-400mv，100100mv；④营养物质20051；⑤F/M比510kgCOD/m3.d；⑥有毒物质,一、厌氧生物处理工艺的发展简史,①厌氧过程广泛存在于自然界中；②1881年，法国，LouisMouras，“自动净化器”；③处理城市污水的化粪池、双层沉淀池等处理剩余污泥的各种厌氧消化池等；HRT很长、处理效率很低、浓臭的气味等；,第一节厌氧生物处理工艺的发展概况及特征,一、厌氧生物处理工艺的发展简史,④70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（AnaerobicContactProcess）厌氧滤池（AnaerobicFilter、AF）上流式厌氧污泥层（床）反应器UpflowAnaerobicSludgeBlanketBed、UASB厌氧流化床AnaerobicFluidizedBed、AFB厌氧生物转盘（AnaerobicRotatedBiologicalDisc、ARBD）挡板式厌氧反应器（AnaerobicBaffledReactor、ABR）,一、厌氧生物处理工艺的发展简史,现代高速厌氧反应器的主要特点HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则较短，反应器内生物量很高。HRT大为缩短，有机负荷大为提高，处理效率也大大提高；,一、厌氧生物处理工艺的发展简史,⑤90年代以后，在UASB反应器基础上又发展起来了EGSB和IC反应器；EGSB反应器，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。,二、厌氧生物处理的主要特征,主要优点能耗低，且还可回收生物能（沼气）；污泥产量低；厌氧微生物的增殖速率低产酸菌的产率系数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约为0.50.6kgVSS/kgCOD。厌氧微生物可能对好氧微生物不能降解的某些有机物进行降解或部分降解；,厌氧工艺与好氧工艺的比较,二、厌氧生物处理的主要特征,主要缺点反应过程较为复杂厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；对温度、pH等环境因素较敏感；出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；对氨氮的去除效果不好；等,三、厌氧技术是我国水污染控制的重要手段,我国高浓度有机工业废水排放量巨大，多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质等有机物；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；目前的形势是能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是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。,第二节早期的厌氧生物反应器,从1881年到上世纪20年代；1881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（SepticTank）；1905年，德国的ImhoffTank（又称隐化池、双层沉淀池）,SepticTank,Travis池的横截面结构示意图,Imhofftank双层沉淀池结构示意图,早期厌氧生物反应器的特点,①对废水的处理主要是沉淀，有些还能对沉淀下来的污泥进行部分处理；②停留时间较长，出水水质不好；③目前仍有应用,第三节厌氧消化池,厌氧消化发展的第二阶段，厌氧消化作为剩余污泥处理的主要手段，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，至今仍是污泥处理的主要技术。,一、消化池的类型与构造,主要应用范围处理剩余污泥，处理固体含量很高的有机废水；主要作用①将部分有机物转变为沼气；②将部分有机物转化成稳定性较好的腐殖质；③提高污泥的脱水性能，减少污泥体积；④灭活致病微生物。,1、消化池的分类,按形状圆柱形、椭圆形和龟甲形；按池顶结构固定盖式和浮动盖式；按运行方式传统消化池和高速消化池。,A、传统消化池,又称低速消化池，无加热和搅拌装置；有分层现象只有部分容积有效；消化速率很低，HRT很长（3090天）。,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。,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1141，一般为21。,厌氧消化池中的加热,①池内蒸汽直接加热设备简单，局部污泥易过热，会影响厌氧微生物的正常活动，并会增加污泥含水率；②池外加热把污泥预热后投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。,池外加热设备示意图,污泥热交换器杭州四堡污水厂,厌氧消化池的搅拌方式,①泵加水射器泵压0.2Mpa，污泥面0.2-0.3m以下，吸泥量（生）13～5，池径大于10m，可设2个以上的水射器。②沼气搅拌5～7m/min.1000m池容，气流速度7-15m/s。③联合搅拌（推荐使用）生污泥加温与沼气搅拌。,二、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；沼气的热值很高（一般为2100025000kJ/m3，即50006000kCal/m3），是一种可利用的生物能源。,1、污泥消化过程中沼气产量的估算,沼气组成成分CH45070，CO22030，H225，N210，H2S微量；沼气产率处理单位体积生污泥所产生的沼气量，m3沼气/m3生污泥。产气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关城市污水处理厂污泥，生污泥含水率为96，中温消化，投配率为6～8，产气率可达10～12m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为6～8，产气率可达22～26m3沼气/m3生污泥；投配率为13～15，产气率可达13～15m3沼气/m3生污泥。,2、沼气的收集在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。3、沼气的贮存与利用一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的25～40，即6～10h的产气量；注意防腐、防火。,三、消化池的设计,①消化池池体设计a、污泥投配率,,b、固体负荷率,V消化池的有效容积，m3；V’每天需要处理的新鲜污泥体积，m3/d；p污泥投配率。当采用高速消化池处理城市生活污水的剩余污泥时，消化温度为3035C时，投配率p可取618。在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。,Gs每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d；Lv单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m3.d。,固体负荷率Lv值与污泥的含固率、消化池内的反应温度等有关，下表中的数据可供参考,②消化池结构尺寸,在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下①圆柱形池体的直径一般为6～35m；②柱体高径之比为12；③池总高与直径之比为0.8～1.0；④池底坡度一般为0.08；⑤池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2m；⑥池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。,③、消化池的工艺管道在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括①污泥管进泥管、出泥管、循环搅拌管；②上清液排放管；③溢流管；④沼气管；⑤取样管；等。,第四节现代高速厌氧反应器,一、厌氧接触法工艺二、厌氧滤池工艺三、上流式厌氧污泥床（UASB）工艺四、其它厌氧工艺,现代高速厌氧反应器的产生与发展,厌氧消化技术发展上的第三个时期；1955年，Schroepter首先提出了厌氧接触法参考活性污泥法，增设二沉池和污泥回流系统；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AFAnaerobicFilter、UASBUpflowAnaerobicSludgeBlanket、AAFEBAnaerobicAttachedFilmExpandedBed、AFBAnaerobicFluidizedBed等,现代高速厌氧反应器的主要特点,容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；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；也能应用于城市废水等低浓度废水的处理；与好氧工艺的串联和组合，可以脱氮和除磷；含难降解有机物的工业废水的处理。,一、厌氧接触法（AnaerobicContactProcess）,1、厌氧接触法的工艺流程,2、厌氧接触法的特点,污泥回流是其最大的特点；污泥回流使得HRT与SRT分离,厌氧反应器产泥量很少，几乎不排剩余污泥，则Qw0，则有,,,2、厌氧接触法的特点,如厌氧消化池中，XeX，所以cSRT＝HRT，因此在中温条件下，为了满足产甲烷菌的生长，SRT要求2030d，因此高速厌氧消化池的HRT为2030d。,对于厌氧接触法，由于XXe，所以HRTSRT；X越大，Xe越小，则HRT就可越短。,与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有,①污泥浓度高，一般为510gVSS/L；②有机容积负荷高，中温，COD负荷16kgCOD/m3.d，去除率为7080；BOD5负荷0.52.5kgBOD/m3.d，去除率8090；③出水水质较好；④流程较复杂；⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度很高的废水。,厌氧接触法存在的问题,最大的问题是污泥的沉淀污泥上附着有小气泡；二沉池中污泥易上浮。改进措施真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。,二、厌氧生物滤池,1、厌氧生物滤池的工艺特征60年代末，美国，Young和McCarty1972年，第一座生产性AF投入运行与好氧生物滤池相似，是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量的悬浮生长的微生物，废水通过滤料层上向流或下向流时，有机物被截留、吸附及分解。,2、厌氧生物滤池的构造特征,升流式厌氧生物滤池,其它形式的厌氧生物滤池,降流式厌氧生物滤池,其它形式的厌氧生物滤池,升流式混合型厌氧生物滤池,,,进水,,填料,布水系统,悬浮污泥,4、厌氧生物滤池的运行特征,生物膜厚度约为14mm；生物固体浓度沿滤料层高度而有变化；适合于处理多种类型、浓度的有机废水，有机负荷为0.216kgCOD/m3.d；当进水浓度过高时，应采用出水回流的措施①减少碱度的要求；②降低进水COD浓度；③增大进水流量，改善进水分布条件。,厌氧生物滤池的优缺点,优点生物固体浓度高，有机负荷高；SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；启动时间较短，停止运行后的再启动较容易；无需回流污泥，运行管理方便；运行稳定性较好。,缺点体积利用率较低，滤料易堵塞,三、上流式厌氧污泥床UASB反应器,UpflowAnaerobicSludgeBedReactor,简称UASB反应器；70年代，荷兰Wageningen农业大学，Lettinga教授,,世界范围内厌氧工艺的应用情况（截止1999年3月共1303个项目）,国内厌氧反应器的应用（共219个项目）,1、UASB反应器的工作原理与构造,1进水配水系统①将废水均匀分配到反应器的底部；②水力搅拌。2反应区分为污泥床区和污泥悬浮区，其中污泥床区集中了大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所。3三相分离器①将气体沼气、固体污泥、和液体出水分开；②保证出水水质；③保证反应器内污泥量；④有利于污泥颗粒化。4气室气室也称集气罩，主要作用是收集沼气。5出水系统；6浮渣收集系统；7排泥系统。,2、UASB反应器的工艺特征,在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；在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具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。污泥浓度可达50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；生物反应与沉淀分离集中在一个反应器内，结构紧凑；水力停留时间大大缩短，具有很高的容积负荷。,3、UASB反应器的型式,断面形状多为圆形或矩形，矩形断面便于三相分离器的设计和施工；常为钢结构或钢筋混凝土结构；一般不加热；多采用保温措施；必须采取防腐措施。主要有两种型式1）开敞式UASB反应器2）封闭式UASB反应器,1）开敞式UASB反应器,顶部不加密封，或仅加一层不密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；构造较简单，易于施工安装和维修。,2）封闭式UASB反应器,顶部加盖密封;在液面与池顶之间形成了气室；适用于处理高浓度的有机废水；,4、UASB反应器中的颗粒污泥,能形成沉降性能良好、活性高的颗粒污泥是UASB反应器的重要特征；颗粒污泥的形成与成熟，是保证UASB反应器高效稳定运行的前提。,颗粒污泥的形成与培养；颗粒污泥的理化性质与微生物组成；颗粒污泥的微观结构；颗粒污泥的微生物分布,（1）颗粒污泥的形成与培养,以消化污泥接种的UASB反应器内污泥浓度的变化,颗粒污泥的培养条件,一般需要13个月；可分为启动期、颗粒污泥形成期、颗粒污泥成熟期；接种污泥的选择；维持稳定的环境条件，如温度、pH值等；污泥负荷0.050.1kgCOD/kgSS.d，容积负荷应小于0.5kgCOD/m3.d；表面水力负荷应大于0.3m3/m2.d，淘汰絮状污泥；进水中可适当提供无机微粒，如钙和铁，同时应补充微量元素如Ni、Co、Mo,（2）颗粒污泥的理化性质,外观及颜色粒径沉速影响因素基质类型或进水水质；运行工况负荷、温度、pH值；,1）颗粒污泥的外观,形状多种多样，呈卵形、球形、丝状等；平均直径为1mm,一般为0.12mm，最大可达35mm；颜色多为黑色、灰色、灰白色，其它还有淡黄色、暗绿色、红色等；,2）颗粒污泥粒径分布及其变化,3）颗粒污泥的沉速及其变化,（3）颗粒污泥的组成,各类微生物、无机物、胞外多聚物等，VSS/SS一般为7090；主体是微生物，包括水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌，或硫酸盐还原菌等，细菌总数为141012个/gVSS；优势产甲烷菌有索氏甲烷丝菌、马氏和巴氏甲烷八叠球菌等；灰分含量受接种污泥、进水水质等的影响，为855；其中的FeS、Ca2等对于颗粒的稳定性有着重要的作用。,（4）颗粒污泥的类型,A型颗粒污泥,以巴氏甲烷八叠球菌为主体，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；比较密实，粒径很小，约为0.10.1mm。,B型颗粒污泥,C型颗粒污泥,,,以丝状甲烷杆菌为主体，也称杆菌颗粒；表面规则，外层缠绕甲烷杆菌的丝状体；出现频率较高；密度为1.0331.054g/cm3，粒径约为13mm。,丝状细菌缠绕惰性微粒而成，也称丝菌颗粒；大而重，粒径为15mm，比重为1.011.05，沉降速度为510mm/s。,,影响颗粒污泥类型的因素,废水中化学物质营养基质和无机物；反应器的工艺条件水力表面负荷和产气强度；当反应器中乙酸浓度高时，易形成A型颗粒污泥；当反应器中的乙酸浓度降低后，A型颗粒污泥将逐步转变为B型颗粒污泥；当存在适量的悬浮固体时，易形成C型颗粒污泥。,（5）颗粒污泥的微观结构,颗粒污泥实际上是一种生物与环境条件相互依存和优化的生态系统，各种细菌形成了一条完整的食物链，有利于种间氢和种间乙酸的传递，因此其活性很高。成层分布，即外层中占优势的细菌是水解发酵菌，而内层则是产甲烷菌；层状结构孔穴与通道结构,5、UASB反应器的设计计算,尚无完整的工程设计计算方法；主要内容有①池型选择，有效容积的确定以及主要部位的尺寸；②设计进水配水系统、出水系统和三相分离器等；③其它排泥和排渣系统等。,1）UASB反应器容积的确定,UASB反应器的有效容积包括沉淀区和反应区多采用进水容积负荷法确定，即,Q废水流量，m3/d；Si进水有机物浓度，mgCOD/l；LvCOD容积负荷，kgCOD/m3.d,,容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否形成颗粒污泥有关；对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般可形成颗粒污泥，在不同的反应温度下的进水容积负荷如下,UASB容积负荷的确定,2）进水配水系统的设计,脉冲式布水与连续流布水底部穿孔管与分枝管上部一管一孔式配水,3）三相分离器的设计,三相分离器的基本构造,三相分离器的布置形式,三相分离器的设计方法,①沉淀区的设计表面负荷应小于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，沉淀区的停留时间为1.52.0h。②回流缝的设计③气液分离的设计,UASB反应器中的三相分离器,UASB反应器的三相分离器PAQUES,4）UASB反应器中的沼气系统,进水,闸门井,格栅,,一泵房,,转鼓过滤机,调节池,,,二泵房,,UASB,,,,排入下水道,,,污泥脱水机,,污泥浓缩池,,污泥泵,,北京啤酒厂废水处理工艺流程图,污泥利用,,气水分离,,,计量表,,水封,,气柜,,阻火器,,沼气利用,UASB反应器中的沼气系统沼气柜,其它,5）出水系统的设计6）浮渣清除系统的设计7）排泥系统设计8）加热和保温；9）防腐；等,四、其它厌氧生物处理工艺,厌氧膨胀床和厌氧流化床厌氧挡板反应器两相厌氧消化工艺厌氧生物转盘,（一）厌氧膨胀床和厌氧流化床,AnaerobicAttachedFilmExpandedBedAnaerobicFluidizedBedReactorsAAFEBAFB1、反应器的基本结构,载体与流化,载体固体颗粒，如石英砂、陶粒、活性炭、无烟煤和沸石等，粒径一般为0.21mm；出水回流使载体颗粒膨胀或流化；膨胀床床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触；流化床上升流速大，使载体可在床体内自由运动而互不接触。,2、主要特点,主要优点细载体的比表面积大，生物浓度很高（30gVSS/l）；有机负荷高（1040kgCOD/m3.d），HRT较短；较好的耐冲击负荷的能力，运行稳定；载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞；生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；可应用于高浓度有机废水或低浓度的城市废水。,主要缺点载体的流化耗能较大；系统的设计运行要求高。,二厌氧挡板反应器,1、工艺流程垂直挡板将反应器分隔为数个上向流和下向流室。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,出水,升流区,沼气,进水,降流区,污泥层,,,,气室,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,垂直折流挡板厌氧反应器的结构示意图,沼气,二厌氧挡板反应器,2、主要特点与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置；与UASB相比，可不设三相分离器而截流污泥；启动运行时间较短，运行较稳定；不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。,二厌氧挡板反应器,3、应用情况多处于小试阶段；McCarty的研究结果,（三）两相厌氧消化工艺,1、工艺流程与特点,（三）两相厌氧消化工艺,70年代后，随着厌氧微生物学研究不断深入应运而生的；着重于工艺流程的变革，而非反应器构造的变革；在单相反应器中，存在着脂肪酸的产生与被利用之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的；两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足各自的最适生长条件；反应器可采用前述任一种反应器，二者可相同也可不同。,（三）两相厌氧消化工艺,两相工艺最本质的特征是实现相的分离，方法主要有①化学法投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；②物理法采用选择性的半透膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；③动力学控制法利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间不同，使产甲烷菌无法在产酸相中生长；,（三）两相厌氧消化工艺,有机负荷比单相工艺明显提高；产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；对于复杂有机物（如纤维素等），可提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。,（三）两相厌氧消化工艺,2、应用情况（1）比利时肯特大学Anodex工艺,（三）两相厌氧消化工艺,（2）荷兰淀粉废水,（三）两相厌氧消化工艺,（3）我国首都师范大学豆制品废水,（三）两相厌氧消化工艺,（4）其它,四厌氧生物转盘,1、构造及工艺流程,沼气,四厌氧生物转盘,2、主要特点微生物浓度高，有机负荷高，水力停留时间短；废水沿水平方向流动，反应槽高度小，节省了提升高度；一般不需回流；不会发生堵塞，可处理含较高悬浮固体的有机废水；多采用多级串联，厌氧微生物在各级中分级，处理效果更好；运行管理方便；盘片的造价较高。,四厌氧生物转盘,3、应用情况多处于小试阶段；国外牛奶废水、奶牛粪、生活污水等，进水TOC为1106000mg/l，TOC去除率可达6080，有机负荷为20gTOC/m3.d；国内玉米淀粉废水和酵母废水，COD去除率为7090，负荷为3070gCOD/m3.d,
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