1、厭氧生物處理技術及研究進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展1.1 厭氧-生物-發現發展 沼氣（Marsh Gas）發現有機污染物降解第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展n早期歷史早期歷史( (摸索期摸索期) )1776：Volta發現湖泊、池塘底泥生成可燃氣體1856：Reist發現有機物分解并產生甲烷氣1860s：化糞池的雛型開始用于家庭生物污水處理1881：首次出現化糞池的記載1890：Moncrieff建造厭氧消化槽及厭氧濾床1895：Cameron建造處理量30m3/d化糞

2、池并取得專利1901：首座厭氧濾床成功投入運行1904：Travis發明具固液分離功能的二段式化糞池1905：Imhoff發明改良式化糞池1914：美國75城市使用Imhoff改良式化糞池第2講厭氧生物處理技術進展n中期發展(成熟期)1920s：Buswell開始用厭氧消化池處理工業廢水和農業廢棄物1927：Ruhrverband廠開始使用有加熱裝置的污泥厭氧消化槽，并回收沼氣用于發電1950s：工業廢水厭氧處理中污泥停留時間等控制參數受到重視1957年 Coulter開發新式厭氧固定濾床1972年 厭氧固定濾床應用于工業廢水處理1974年 Jeris開發厭氧流體化床1976：上流式厭氧污泥床

3、(UASB)應用于甜菜廢水處理第2講厭氧生物處理技術進展n近期發展(創新期)1979：Lettinga首次發表上流式厭氧污泥床1984：Dranco厭氧生物處理法用于有機性廢棄物處理1987：UASB法應用馬鈴薯淀粉及屠宰場廢水處理1988：Valorga厭氧生物處理法用于有機廢棄物處理1990s：UASB法應用造紙、脂肪酸及城市廢水處理1990s： Dranco 法得到應用(10家)2000s： Valorga法得到應用(12家）第2講厭氧生物處理技術進展Originally: 污泥消化？：剩余污泥處置90s: 化工及石油化工：對苯二甲酸, 酚等80 to 90s: 輕工及制藥業1.3 厭氧

4、處理技術推廣應用發展過程厭氧處理技術推廣應用發展過程 厭氧新技術（AMMONIX反硝化等）第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展1.4 厭氧與好氧COD平衡圖第2講厭氧生物處理技術進展1.4 厭氧與好氧COD平衡圖第2講厭氧生物處理技術進展，不得已時結合厭氧處理與好氧處理先后處理，現在厭氧反應器發展迅速逐漸成為水處理的新的主力設備。第2講厭氧生物處理技術進展產生的沼氣可用于發電或作為能源n沼氣中的主要成分是甲烷，沼氣中的主要成分是甲烷，含量含量5050-75%-75%之間，是一種生之間，是一種生物清潔燃料。以日排物清潔燃料。以日排COD10tCOD10t的工廠為例，若的工廠為例，

5、若CODCOD去除率去除率為為80%80%，甲烷產量為理論的，甲烷產量為理論的80%80%時，則可日產甲烷時，則可日產甲烷22402240m m3 3, ,其熱值相當于其熱值相當于3.853.85t t原煤，原煤，可發電可發電54005400度。度。第2講厭氧生物處理技術進展2 2對營養物的需求量少對營養物的需求量少n好氧方法好氧方法BODBOD：N N：P=100P=100：5 5：1 1，而厭氧方法而厭氧方法為為（350350-500-500）：）：5 5：1 1，相比而言對，相比而言對N N、P P的需的需求要小的多，因此厭氧處理時可以不添加或求要小的多，因此厭氧處理時可以不添加或少添加

6、營養鹽。少添加營養鹽。4 4產生的污泥量少，運行費用低產生的污泥量少，運行費用低 繁殖慢；不需要曝氣繁殖慢；不需要曝氣 n基于這些優點，厭氧處理在食品、釀造、制基于這些優點，厭氧處理在食品、釀造、制糖等工業中得到了廣泛的應用。但厭氧處理糖等工業中得到了廣泛的應用。但厭氧處理也存在缺點也存在缺點第2講厭氧生物處理技術進展出水的有機物濃度高于好氧處理； 發酵分解有機物不完全；對溫度變化較為敏感； 工業中需要設置進水的控溫裝置，37。厭氧微生物對有毒物質較為敏感； 但經過毒物馴化處理的厭氧菌對毒物的耐受力常常會極大地提高。第2講厭氧生物處理技術進展n4. 初次啟動過程緩慢,處理時間長n好氧處理體系的

7、活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厭氧處理體系的活性污泥或生物膜一般需要8-12周才可以培育成功。 n5處理過程中產生臭氣和有色物質 是什么？n臭氣主要是SRB形成的具有臭味的硫化氫氣體以及硫醇、氨氣、有機酸等的臭氣。同時硫化氫還會與水中的鐵離子等金屬離子反應形成黑色的硫化物沉淀，使處理后的廢水顏色較深，需要添加后處理設施，進一步脫色脫臭。第2講厭氧生物處理技術進展n復雜污染物的厭氧降解過程可以分為四個階段水解階段、發酵階段（又稱酸化階段）、 產乙酸階段、產甲烷階段n框圖表示見下圖 n1水解階段n在細菌胞外酶的作用下大分子的有機物水解為小分子的有機物n2發酵階段 n梭狀芽孢桿菌、

8、擬桿菌等酸化細菌吸收并轉化為更為簡單的化合物分泌到細胞外，產物有揮發性脂肪酸、醇類、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨等第2講厭氧生物處理技術進展復雜有機物復雜有機物1 1水解水解 2 2發酵發酵3 3產乙酸產乙酸硫酸鹽還原硫酸鹽還原4 4產甲烷產甲烷4 4產甲烷產甲烷硫酸鹽還原第2講厭氧生物處理技術進展n上一階段的產物被進一步轉化為乙酸、氫氣、碳酸以及新的細胞物質，這一階段的主導細菌是乙酸菌。同時水中有硫酸鹽時，還會有硫酸鹽還原菌參與產乙酸過程。n乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被轉化為甲烷和以及甲烷菌細胞物質。n經過這些階段大分子的有機物就被轉化為甲烷、二氧化碳、氫氣、硫化氫等小分子物質和

9、少量的厭氧污泥。第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展 其中：厭氧微生物活性及反應器是工藝的核心廢水調節池熱交換器37厭氧反應器氣柜沉淀池出水回流污泥剩余污泥第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展2.1 厭氧反應器的性能評價基準 反應器中維持高濃度生物量(污泥） 生物膜填料 顆粒污泥 反應器中生物與廢水充分接觸 合理的布水系統 適宜的液體表面上升流速 大量沼氣(高濃度有機物)1 12 2微生物的固定及活性維持反應器傳質第2講厭氧生物處理技術進展n工作原理工作原理n2 2級級( (平流沉淀平流沉淀+ +厭氧污泥消厭氧污泥消化化) )全國各地使

10、用廣泛，為生活污水的預處理液固分離及厭氧殺寄生蟲及病菌第一代厭氧反應器第一代厭氧反應器化糞池化糞池n缺點：污泥量少、缺點：污泥量少、易被帶出，靜態易被帶出，靜態消化消化 第2講厭氧生物處理技術進展The 2nd generation anaerobic bioreactors (since 1970s)biogasAAFEB or AFBbiogasAF biofilm carrier supportInf.Inf.eff.eff.第2講厭氧生物處理技術進展biogasDSFFeff.Inf.biogasUASBeff.granular sludge biofilm fabricInf.第2講

11、厭氧生物處理技術進展厭氧折流板反應器（ABR）第2講厭氧生物處理技術進展influentSludge bed污污泥泥沉沉降降沼氣沼氣阻擋阻擋收集收集effluent第2講厭氧生物處理技術進展UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 反應器反應器第2講厭氧生物處理技術進展n(3)Anaerobic fluidized bed biofilm reactor第2講厭氧生物處理技術進展 具有相當高的有機負荷和水力負荷，反應器容積比傳統裝置減少90%以上； 在不利的條件下(低溫、沖擊負荷、存在 抑制物)仍具有很高的穩定性； 反應器投資小，適合各種規模和可被結合在整體

12、的處理技術中； 是能源凈生產過程。第二代厭氧生物反應器特點第2講厭氧生物處理技術進展Number Full Scale High-Rate Anaerobic Bioreactors高效厭氧反應器處理工業廢水應用情況第2講厭氧生物處理技術進展Most Important Markets for High Rate Anaerobic Treatment啤酒及飲料工業廢水酒精及發酵工業廢水處理食品生產及加工業廢水處理造紙工業廢水These four wastewater types account for 87% market第2講厭氧生物處理技術進展New and Emerging Marke

13、ts for High Rate Anaerobic Treatment化工及制藥工業廢水紡織印染工業廢水垃圾滲液硫酸鹽還原(去除及回收硫）硫酸鹽還原(沉淀重金屬)第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展2.3 第二代廢水厭氧生物反應器應用第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展2.3 第二代廢水厭氧生物反應器應用第2講厭氧生物處理技術進展2.3 第二代廢水厭氧生物反應器應用第2講厭氧生物處理技術進展2.4 UASB 反應器的缺點反應器的缺點 高徑比小，占地面積大；高徑比小，占地面積大； 增加截面積的放大方式難實現均勻布水；增加截面積的放大方式

14、難實現均勻布水； 三相分離器難以實現穩定操作。三相分離器難以實現穩定操作。 啟動時間較長；啟動時間較長； 液體上升流速較小，液固混合較差（特別在低溫、低濃液體上升流速較小，液固混合較差（特別在低溫、低濃度條件下）；度條件下）； 負荷較高時，污泥易流失；負荷較高時，污泥易流失； 易造成有毒難降解化合物、非活性物質的吸附和積累。易造成有毒難降解化合物、非活性物質的吸附和積累。1231234結構設計方面結構設計方面操作控制方面操作控制方面第2講厭氧生物處理技術進展3rd generation anaerobic reactors (1990s)2nd generation anaerobic rea

15、ctors (1970s) biogasUASBInf.eff.ICbiogaseff.Inf.強化廢水與污泥接觸2.5 第三代厭氧生物反應器第三代厭氧生物反應器第2講厭氧生物處理技術進展第三代反應器均是在第二代厭氧反應器，特別是在UASB的基礎上發展起來的，共同特點包括： 微生物均以顆粒污泥固定化方式存在于反應器之中，反應器單位容積的生物量更高； 能承受更高的水力負荷，并具有較高有機污染物凈化效能； 具有較大的高徑比，一般在510以上； 占地面積小，動力消耗少。 2.6 第三代厭氧生物反應器第三代厭氧生物反應器第2講厭氧生物處理技術進展 厭氧膨脹顆粒污泥床厭氧膨脹顆粒污泥床 內循環反應器內循

16、環反應器 升流式污泥床過濾器升流式污泥床過濾器EGSB IC UBF第2講厭氧生物處理技術進展 液體表面上升流速大液體表面上升流速大(2.5(2.56 m/h)6 m/h)， 有機負荷高有機負荷高(UASB(UASB的的2-52-5倍）。倍）。 高徑比大，污泥床處于膨脹狀態；高徑比大，污泥床處于膨脹狀態； 適合于處理含有懸浮性固體和有毒物質廢水；適合于處理含有懸浮性固體和有毒物質廢水； 顆粒污泥活性高，沉降性能好，粒徑較大，強顆粒污泥活性高，沉降性能好，粒徑較大，強 度較好；度較好； 1234 在低溫、處理低濃度有機廢水時有明顯優勢。在低溫、處理低濃度有機廢水時有明顯優勢。5第2講厭氧生物處理

17、技術進展2.8 第三代厭氧生物反應器-EGSB的應用第2講厭氧生物處理技術進展2.8 第三代厭氧生物反應器-EGSB的應用第2講厭氧生物處理技術進展2.8 第三代厭氧生物反應器-EGSB的應用第2講厭氧生物處理技術進展EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactor參數參數EGSBEGSBUASBUASB高度(m)上升流速(m/h)循環比生物量(gSS/l)出水SS12-162.5-1220-30050-10010-602-60.05-1.5-5-4520-1002.8 2.8 第三代厭氧生物反應器的應用第三代厭氧生物反應器的應用第2講厭氧生物處理技術進展

18、Design Loads Full Scale UASB & EGSBreactornaverage design loadUASBEGSB68219810 kg COD/m3.d20 kg COD/m3.dRemoval Efficiency of Biodegradable COD 85 to 90%第2講厭氧生物處理技術進展Internal Circulation (IC) Anaerobic ReactorOne of 3rd generation anaerobic reactors Developed by PAQUES Co., the NetherlandsThe first

19、report in 19942.8 第三代厭氧生物反應器-EGSB的應用第2講厭氧生物處理技術進展2.8 第三代厭氧生物反應器-IC的應用第2講厭氧生物處理技術進展2.8 第三代厭氧生物反應器-IC的應用第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展3.1 厭氧顆粒污泥的形成機制及性質第2講厭氧生物處理技術進展3.2 厭氧顆粒污泥的基本結構第2講厭氧生物處理技術進展 1 1 厭氧活性污泥的性質和組成厭氧活性污泥的性質和組成n由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質形成由兼性厭氧菌和專性厭氧菌與廢水中的有機雜質形成的污泥顆粒。呈灰色至黑色，的污泥顆粒。呈灰色至黑色，n有生物吸附作用、生物

20、降解作用和絮凝作用，有一定有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能；的沉降性能；n顆粒厭氧活性污泥的直徑在顆粒厭氧活性污泥的直徑在0 05 5mmmm以上。以上。n微生物的組成主要有六種：微生物的組成主要有六種： 由外到內水解細菌由外到內水解細菌、發酵細菌發酵細菌、產氫細菌和乙酸菌產氫細菌和乙酸菌、產甲烷菌產甲烷菌 、硫酸鹽還原菌硫酸鹽還原菌、厭氧原生動物厭氧原生動物其中其中產甲烷產甲烷絲菌絲菌是厭氧活性污泥的中心骨架。是厭氧活性污泥的中心骨架。3.2 厭氧顆粒污泥的基本結構第2講厭氧生物處理技術進展物理物理特性特性微生物學特性致密的生物膜卓越的沉降性能較好的機構強度及穩定性優

21、化的微生態系統完好的共生體系高的比產甲烷活性(0.5 to 2.0gCOD/gVSS.d)較好的抗有機毒物質能力(30-80 m/h)3.2 厭氧顆粒污泥的形成機制及性質第2講厭氧生物處理技術進展什么是顆粒污泥什么是顆粒污泥3.2 厭氧顆粒污泥的形成機制及性質第2講厭氧生物處理技術進展 3.3 第二代反應器顆粒污泥形成過程第二代反應器顆粒污泥形成過程厭氧微生物無載體固定化過程示意圖第2講厭氧生物處理技術進展 厭氧顆粒污泥厭氧顆粒污泥的形成機制及性質第2講厭氧生物處理技術進展顆粒污泥截面電鏡照片顆粒污泥截面電鏡照片第2講厭氧生物處理技術進展顆粒污泥外部電鏡照片顆粒污泥外部電鏡照片第2講厭氧生物處

22、理技術進展顆粒污泥表面絲狀菌分布情況第2講厭氧生物處理技術進展培養基：乙酸鹽顆粒污泥表面桿狀細菌分布情況第2講厭氧生物處理技術進展混合培養的顆粒污泥表層（糖類化合物）第2講厭氧生物處理技術進展Anaerobic Sludge Granules (settling)granular flocculentdispersed第2講厭氧生物處理技術進展第2講厭氧生物處理技術進展4.1 用于金屬回收及去除第2講厭氧生物處理技術進展NH4+ + NO2- N2 + 2H2OANAMMOX 細菌10年前鮮為人知XCODXO2直接轉化 NH4+ 到 N2 無需耗O2并使用COD4.1 厭氧氨氧化新技術(ANA

23、MMOX)發展第2講厭氧生物處理技術進展厭氧氨氧化反應過程厭氧氨氧化反應過程 5NH4+3NO3-4N2+9H2O+2H+NH4+NO2-N2+2H2ONO3-NO2-NH4-e-N2e+e+厭氧厭氧微生物微生物歷史歷史1995年荷蘭學者在生物脫年荷蘭學者在生物脫氮流化床反應器中發現，氮流化床反應器中發現，除了反硝化作用所致的各除了反硝化作用所致的各反應物的正常消失以外，反應物的正常消失以外，氨也可在此條件下消失。氨也可在此條件下消失。氨的消失與硝酸（鹽）的氨的消失與硝酸（鹽）的消失同時發生且成正相關，消失同時發生且成正相關，氨消失是細菌將氨用作電氨消失是細菌將氨用作電子供體所致，這個反硝化子

24、供體所致，這個反硝化反應稱為厭氧氨氧化。反應稱為厭氧氨氧化。 4.2 厭氧氨氧化新技術(ANAMMOX)發展第2講厭氧生物處理技術進展厭氧氨氧化與硝化反應結合產生革命性的生物脫氮技術厭氧氨氧化與硝化反應結合產生革命性的生物脫氮技術由于氨直接作反硝化反應的電子供體，可免去外源有機物由于氨直接作反硝化反應的電子供體，可免去外源有機物（甲醇），既可節約運行費用，也可防止二次污染；（甲醇），既可節約運行費用，也可防止二次污染；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于氧得到有效利用，供氧能耗下降；由于部分氨沒有經過硝化作用而直接參與厭氧氨氧化反應，由于部分氨沒有經過硝化作用而直接參與厭氧氨氧化反應，產酸量下降，產堿量為零，這樣可以減少中和所需的化學產酸量下降，產堿量為零，這樣可以減少中和所需的化學試劑，降低運行費用，也可以減輕二次污染。試劑，降低運行費用，也可以減輕二次污染。 厭氧氨氧化特點1234.2 厭氧氨氧化新技術(ANAMMOX)發展第2講厭氧生物處理技術進展厭氧氨氧化工程應用工藝流程4.2 厭氧氨氧化新技術(ANAMMOX)發展第2講厭氧生物處理技術進展厭氧氨氧化反應器首次工業應用(2002年)The first full scale The first full scale anammox reactor anammox reactor at the Do