1、第三章 厭氧生物處理3.1 根本概念厭氧生物處理的根本原理 一、厭氧生物處理的根本生物過(guò)程及其特征又稱厭氧消化、厭氧發(fā)酵；實(shí)際上，是指在厭氧條件下由多種厭氧或兼性微生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和C02的過(guò)程。1、厭氧生物處理工藝的開(kāi)展簡(jiǎn)史： 上述的厭氧過(guò)程廣泛地存在于自然界中； 人類第一次利用厭氧消化處理廢棄物，是始于1881年Louis Mouras的“自動(dòng)凈化器； 隨后人類開(kāi)始較大規(guī)模地應(yīng)用厭氧消化過(guò)程來(lái)處理城市污水如化糞池、雙層沉淀池等和剩余污泥如各種厭氧消化池等；長(zhǎng)的HRT、低的處理效率、濃臭的氣味等； 50、60年代，特別是70年代中后期，隨著能源危機(jī)的加劇，人們對(duì)利用

2、厭氧消化過(guò)程處理有機(jī)廢水的研究得以強(qiáng)化，出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反響器的處理工藝，厭氧消化工藝開(kāi) 始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理； HRT大大縮短，有機(jī)負(fù)荷大大提高，處理效率也大大提高；厭氧接觸法、厭氧濾池AF、上流式厭氧污泥床UASB丨反響器、厭氧流化床AFB、AAFEB、 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)ARBC、和擋板式厭氧反響器等；HRT與SRT別離，SRT相對(duì)很長(zhǎng)，HRT那么可以較短，反響器內(nèi)生物量很高。 最近90年代以后，隨著UASB反響器的廣泛應(yīng)用，在其根底上又開(kāi)展起來(lái)了EGSB和IC反響器；EGSB反響器可以在較低溫度下處理低濃度的有機(jī)廢水；IC反響器那么主要應(yīng)用于處理高濃度有機(jī)廢水，可以到達(dá)更

3、高的有機(jī)負(fù)荷。2、厭氧消化過(guò)程的根本生物過(guò)程 兩階段理論：不溶性有機(jī)物水解胞外酶可溶性有機(jī)物胞內(nèi)酶產(chǎn)酸菌細(xì)菌細(xì)胞脂肪酸、醇類、H2、CO2其它產(chǎn)物內(nèi)源呼吸產(chǎn)物胞內(nèi)酶產(chǎn)甲烷菌ri纟細(xì)菌細(xì)胞C02、CH4圖1厭氧反響的兩階段理論圖示3060年代，被普遍接受的是“兩階段理論第一階段：發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；水解和酸化，產(chǎn)物主要是脂肪酸、醇類、CO2和H2等;主要參與微生物統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌；其特點(diǎn)有：1生長(zhǎng)快，2、適應(yīng)性溫度、pH等強(qiáng)。 第二階段：產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2；主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌；其特點(diǎn)有：1生長(zhǎng)慢

4、；2對(duì)環(huán)境條件溫度、pH、抑制物等非常敏感。 三階段理論：深入研究后，發(fā)現(xiàn)上述過(guò)程不能真實(shí)反映厭氧反響過(guò)程的本質(zhì)；微生物學(xué)的研究說(shuō)明，產(chǎn)甲烷菌只能利用一些簡(jiǎn)單有機(jī)物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，而不能利用含兩個(gè)碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類；70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來(lái)認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌的細(xì)菌，實(shí)際上是由兩種細(xì)菌共同組成 的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2，另一種細(xì)菌利用 H2和CO2產(chǎn)生CH4；有機(jī)物I1發(fā)酵性細(xì)菌乙酸脂肪酸、醇類CH4說(shuō)明：11、II、山為三階段理論，1、II、山、IV為四類群理論；2所產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)未表示在圖中圖2厭氧反響的三階段理論和

5、四類群理論因而，提出了“三階段理論水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2;產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過(guò)程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的那么產(chǎn)自H2和CO2。 四階段理論四菌群學(xué)說(shuō)：同型產(chǎn)乙酸菌：將 H2/CO2合成為乙酸。但實(shí)際上這一局部乙酸的量較少，只占全部乙酸的5%。三階段、四階段理論是目前認(rèn)為的對(duì)一樣生物處理過(guò)程較全面和較準(zhǔn)確的描述。3、厭氧生物處理的主要特征能耗大大降低，而且還可以回收生物能沼氣；污泥產(chǎn)量很低；厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率Y

6、為，產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率 Y為左右，而好氧微生物的產(chǎn)率約為。厭氧微生物有可能對(duì)好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或局部降解；反響過(guò)程較為復(fù)雜一一厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物過(guò)程；對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素較敏感；但一般來(lái)說(shuō)，處理岀水水質(zhì)較差，需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理；氣味較大；對(duì)氨氮的去除效 果不好；等等4、厭氧生物處理技術(shù)是我國(guó)水污染控制的重要手段我國(guó)高濃度有機(jī)工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、 纖維素等有機(jī)物；我國(guó)當(dāng)前的水體污染物還主要是有機(jī)污染物以及營(yíng)養(yǎng)元素N、P的污染；目前的形勢(shì)是：能源昂貴、土地價(jià)格劇增、剩余

7、污泥的處理費(fèi)用也越來(lái)越高；厭氧工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是：能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用；運(yùn)行能耗低；有機(jī)負(fù)荷高，占地面積少；污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費(fèi)用低；等等厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個(gè)方面。二、厭氧消化過(guò)程中的主要微生物發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)酸細(xì)菌 、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌等。1、發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)酸細(xì)菌 ：主要功能：水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物； 酸化將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等； 主要細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過(guò)程較緩慢，并受多種因素影響pH、SRT、有機(jī)物種類等，有時(shí)回成為厭氧反響的限速步驟; 產(chǎn)酸反響的速率較快； 大多數(shù)是厭

8、氧菌，也有大量是兼性厭氧菌； 可以按功能來(lái)分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌主要功能：將各種高級(jí)脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；主要反響：乙醇： CH 3CH2OH H2O CH 3COOH 2H2 丙酸： CH 3CH 2COOH 2H 2O CH 3COOH 3H 2 CO 2 丁酸： CH3CH2CH2COOH 2H 2O 2CH3COOH 2H2 注意：上述反響只有在乙酸濃度很低，系統(tǒng)中氫分壓很低時(shí)才能順利進(jìn)行。 主要細(xì)菌：互營(yíng)單胞菌屬、互營(yíng)桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等； 多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。3、產(chǎn)甲烷菌60年代Hung

9、ate開(kāi)創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)；主要功能：將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物一一乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和C02，使厭氧消化過(guò)程得以順利進(jìn)行；Methanosarcina 和 Methanothrix ，但在厭氧反響器一般可分為兩大類：乙酸營(yíng)養(yǎng)型和 H2營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌；典型的產(chǎn)甲烷反響CH 3 COOHCH 4 CO 24 H 2 CO 2CH 42H2O4HCOO2HCH 4CO22HC34 CO2 H 2OCH43CO 24CH 3OH3CH4 HCO3HH 2O4(CH 3) 3NH 49H 2O9CH4 3HCO33H2(CH 3) 3S 3H 2O3CH4 HCO 3H4CH 3OHH2

10、CH 4H 2O一般來(lái)說(shuō)，乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有中，有 70%左右的甲烷是來(lái)自乙酸的氧化分解；根據(jù)產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)和生理生態(tài)特征，可將其分類如下：4 NH 4 2H 2 S最新的分類Bergy'細(xì)菌手冊(cè)第九版，共分為：三目七科、十九屬、65種；產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見(jiàn)的有： 產(chǎn)甲烷桿菌：呈短桿、長(zhǎng)桿、竹節(jié)狀或絲狀 產(chǎn)甲烷球菌：為正圓形或橢圓形，排成對(duì)或鏈狀 產(chǎn)甲烷八疊球菌：球形細(xì)胞形成規(guī)那么的或不規(guī)那么的堆積狀 產(chǎn)甲烷螺菌：呈規(guī)那么的彎曲桿狀，最后開(kāi)展為不能運(yùn)動(dòng)的螺旋絲狀在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷菌 Methanogens屬于古細(xì)菌Archaebacteria，大小、外觀上

11、與普通細(xì)菌 Eubacteria相似，但實(shí)際上，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊。在自然界的分布，一般可以認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中如地?zé)崛⑸詈；鹕娇凇⒊练e物等 但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲(chóng)腸道、濕樹(shù)木、厭氧反響器等。產(chǎn)甲烷菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化復(fù)原電位在-150 -400mv,氧和氧化劑對(duì)其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá) 4 6天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反響是厭氧消化 的限速步驟三、厭氧消化動(dòng)力學(xué)在厭氧消化條件下，BOD5去除也遵循一級(jí)反響動(dòng)力學(xué)規(guī)律，故好氧生物降解的動(dòng)力學(xué)方程也適用于厭氧反響，由于甲烷發(fā)酵階段是厭氧消化速率的控

12、制因素，因此，厭氧消化反響動(dòng)力學(xué)是以該階段為根底建 立的。dS kSX(31)dtKs SdX xz dSbX(32)dtdt厭氧消化反響動(dòng)力學(xué)方程式：式中:dS/dt 底物去除率，質(zhì)量/體積?時(shí)間；k單位質(zhì)量底物的最大利用速率，質(zhì)量/細(xì)菌質(zhì)量；S可降解的底物量，質(zhì)量/體積；Ks半速度常數(shù)，質(zhì)量/底物體積；X細(xì)菌濃度，質(zhì)量/體積；dX/dt細(xì)菌增殖速率，質(zhì)量/體積？時(shí)間；Y 細(xì)菌產(chǎn)率，細(xì)菌質(zhì)量/底物質(zhì)量；b 細(xì)菌衰亡速率系數(shù)，d-1 ；式3-1丨代入式3-2，并除以X 得:dXXKYkSS b(3 3)即：1cKYkSS b(3 4)Ks(1 b c)c(Yk b) 1底物降解效率：ESaSe

13、SaSa原污泥可生物降解底物濃度；Se 剩余的可生物降解底物濃度;0 c 污泥齡； 四、厭氧生物處理的影響因素產(chǎn)甲烷反響是厭氧消化過(guò)程的控制階段，因此，一般來(lái)說(shuō)，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)主要討 論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；主要因素有：溫度、pH值、氧化復(fù)原電位、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、F/M比、有毒物質(zhì)等。1、溫度:溫度對(duì)厭氧微生物的影響尤為顯著：厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌或高溫菌、嗜溫菌中溫菌；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化55 C左右和中溫消化35 C左右；高溫消化的反響速率約為中溫消化的倍，產(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低； 當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲(chóng)卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化

14、后污泥的脫水 性能也較好；隨著新型厭氧反響器的開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對(duì)厭氧消化的影響不再非常重要新型反響器內(nèi)的生物 量很大，因此可以在常溫條件下2025 C進(jìn)行，以節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。2、pH值和堿度：pH值是厭氧消化過(guò)程中的最重要的影響因素；重要原因：產(chǎn)甲烷菌對(duì) pH值的變化非常敏感，一般認(rèn)為，其最適 pH值范圍為，在或時(shí)，產(chǎn)甲烷菌 會(huì)受到嚴(yán)重抑制，而進(jìn)一步導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過(guò)程的惡化；厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水 pH值、進(jìn)水水質(zhì)有機(jī)物濃度、有機(jī)物種類等、生化 反響、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等；厭氧體系是一個(gè)pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制；一般來(lái)說(shuō)：系統(tǒng)中脂肪酸含量

15、的增加累積，將消耗HCO 3，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且還會(huì)產(chǎn)生HCO 3，使系統(tǒng)的pH值上升。堿度曾一度在厭氧消化中被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的影響因素，但實(shí)際上其作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持適宜的pH值；厭氧體系一旦發(fā)生酸化，那么需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。3、氧化復(fù)原電位：嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的根本條件； 非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化復(fù)原電位為 +100 -100mv的環(huán)境正常生長(zhǎng)和活動(dòng)； 產(chǎn)甲烷菌的最適氧化復(fù)原電位為-150-400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化復(fù)原電位不能高于-330mv ；4、營(yíng)養(yǎng)要求：厭氧微生物對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的要

16、求略低于好氧微生物，其要求 COD : N : P = 200 : 5： 1 ；多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時(shí)需要投加：K、Na、Ca等金屬鹽類；微量元素 Ni、Co、Mo、Fe等；有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。5、F/M 比：厭氧生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)510kgCOD/m3.d，甚至可達(dá) 5080kgCOD/m3.d；無(wú)傳氧的限制； 可以積聚更高的生物量。產(chǎn)酸階段的反響速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷； 高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷； 高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短 HRT,減少反

17、響器容積。6、有毒物質(zhì)：常見(jiàn)的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機(jī)物； 硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過(guò)程中被復(fù)原成硫化物；可溶的硫化物到達(dá)一定濃度時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧消化過(guò)程主要是產(chǎn)甲烷過(guò)程產(chǎn)生抑制作用；投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用 氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑；但濃度過(guò)高，那么會(huì)對(duì)厭氧消化過(guò)程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力回得到加強(qiáng)。 重金屬：使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。 氰化物： 有毒有機(jī)物：四、厭氧消化過(guò)程中沼氣產(chǎn)量的估算1概述a糖類、脂類和蛋白質(zhì)等有機(jī)物經(jīng)過(guò)厭氧消化能轉(zhuǎn)化

18、為甲烷和Biogas 丨；b產(chǎn)氣量的計(jì)算有助于評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果、工藝運(yùn)轉(zhuǎn)效率及穩(wěn)定性；c當(dāng)廢水中的有機(jī)物組分已經(jīng)明確時(shí)，可根據(jù)有機(jī)物的厭氧消化過(guò)程的化學(xué)反響通式，算出各底物的產(chǎn) 氣量；defCO等氣體，這樣的混合氣體統(tǒng)稱為沼氣當(dāng)廢水中的有機(jī)物組分復(fù)雜，不便精確地定性定量時(shí)，可按COD直來(lái)計(jì)算產(chǎn)氣量；沼氣中CO和CH的百分含量不僅與有機(jī)物的化學(xué)組成有關(guān)，還與其各自的溶解度有關(guān)； 由于一局部沼氣特別是其中的CO會(huì)溶于出水中，同時(shí)， 一局部有機(jī)物還會(huì)被用于微生物的合成, 所以實(shí)際產(chǎn)氣量要比理論產(chǎn)氣量小。2理論產(chǎn)氣量的計(jì)算例如cCHoCh2coO水并不參加反響包25C°C|424228442水參

19、加反響42 284A、 根據(jù)廢水中有機(jī)物化學(xué)組成計(jì)算產(chǎn)量：那么1g丙酸厭氧分解：CO 2 產(chǎn)量=1/74X 1.25 X 22.4=CH 4 產(chǎn)量=1/74X 1.75 X 22.4=總產(chǎn)量=；B、根據(jù)COD與產(chǎn)氣量關(guān)系計(jì)算：McCarty指出，可以根據(jù)甲烷氣體的氧當(dāng)量變來(lái)計(jì)算廢水厭氧消化的產(chǎn)氣量。CH4 + 2O2 =CO2 + 2H 2O在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol甲烷，相當(dāng)于2mol或64gCOID那么甲烷YYobs Q(So Se)Q(So Se)1 kd cVch 40.35Q (S0 Se) 1.42 X 10 3VgVchP為沼氣中甲烷含量例題3-1某工業(yè)廢水量的溶解度為0.0286(

20、L(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))/L)經(jīng)Q=500md，廢水COD含量36g/L，厭氧生物處理溫度為 28 C，該溫度下產(chǎn)生甲烷，水力停留時(shí)間5d，泥齡為15d，產(chǎn)率系數(shù)丫=0.021，微生物內(nèi)源自身衰減系數(shù)Y1 kd cQ (S0 Se)213(kg/d)厭氧生物處理后出水中 COD為/L，消化氣中甲烷含量為 65%,試求標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷及消化氣產(chǎn)量。M10.35Q(Sd Se) 1.42 X 4934(m3/d)解：1厭氧生物處理過(guò)程中合成新細(xì)胞量2CH產(chǎn)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)14.3(m3 /d)M2 QC 500 0.02863出水中溶解CH量4每日實(shí)際CH產(chǎn)量M M, M2 4919.7(m3/d)M0.65756

21、8.7(m3/d)5每日消化氣產(chǎn)量3實(shí)際產(chǎn)率分析：實(shí)際產(chǎn)氣率的值主要取決于以下諸因素:1物料的性質(zhì)：脂類的產(chǎn)氣量最多，而且其中的甲烷含量也高，蛋白質(zhì)所產(chǎn)生的沼氣數(shù)量雖少，但甲烷含 量高；碳水化合物所產(chǎn)生的沼氣數(shù)量少，且甲烷含量也較低；2廢水COD濃度：廢水的CO濃度越低，單位有機(jī)物的甲烷產(chǎn)率越低，一般高濃度有機(jī)廢水的產(chǎn)氣率能接 近理論值，而低濃度的有機(jī)廢水的產(chǎn)氣率那么低于理論值。3生物相的影響：產(chǎn)氣率還與系統(tǒng)中硫酸鹽復(fù)原菌及反硝化細(xì)菌等的活動(dòng)有關(guān)。假設(shè)系統(tǒng)中上述菌較多， 那么由于這些菌會(huì)與產(chǎn)甲烷菌爭(zhēng)奪碳源，從而使產(chǎn)氣率下降。廢水中硫酸鹽含量越高，使產(chǎn)氣率下降越多。4沼氣中的甲烷含量：沼氣中的甲

22、烷含量越高，其在水中的溶解度越大，故甲烷的實(shí)際產(chǎn)率越低。5工藝條件的影響：對(duì)同種廢水，在不同的工藝條件下，其去除單位重量COD勺產(chǎn)氣量不同。6去除的COD中用于合成細(xì)菌細(xì)胞所占的比例：去除的COD中用于合成細(xì)菌細(xì)胞所占的比例越大，貝U分解用以產(chǎn)生甲烷的比例將越小，從而去除1KgCOD勺甲烷產(chǎn)量越低。3. 2厭氧生物處理工藝3. 2. 1早期的 厭氧生物反響器厭氧消化應(yīng)用于廢水處理的初級(jí)階段，是從1881年法國(guó)Mouras設(shè)計(jì)的自動(dòng)凈化器開(kāi)始到本世紀(jì)的20 年代；1881年法國(guó) Mouras的自動(dòng)凈化器：1891年英國(guó)Moncriff的裝有填料的升流式反響器：1895年，英國(guó)設(shè)計(jì)的化糞池Sept

23、ic Tank 圖3h JmhJf ；也1905年，德國(guó)的Imhoff池又稱隱化池、雙層沉淀池圖4其特點(diǎn)： 處理廢水的同時(shí)，也處理有廢水沉淀下來(lái)的污泥； 前幾種構(gòu)筑物由于廢水和污泥不分隔而影響出水水質(zhì)； 雙層沉淀池那么有了很大改進(jìn)，有上層沉淀池和下層消化池； 停留時(shí)間很長(zhǎng)，出水水質(zhì)也較差； 后兩種反響器曾在英、美、德、法等國(guó)得到廣泛推廣，在我國(guó)目前仍有應(yīng)用 厭氧消化池隨著活性污泥法、生物濾池等好氧生物處理工藝的開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，厭氧生物處理被認(rèn)為是效率低、HRT長(zhǎng)、受溫度等環(huán)境條件的影響大，因此處于一種被遺棄的狀態(tài)；但好氧生物處理工藝的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生的剩余污泥也越來(lái)越多， 其穩(wěn)定化處理的主要手段

24、是厭氧消化,這是第二階段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加熱裝置，使產(chǎn)氣速率顯著提高；隨后，又增加了機(jī)械攪拌器，反響速率進(jìn)一步提高；50年代初又開(kāi)發(fā)了利用沼氣循環(huán)的攪拌裝置；帶加熱和攪拌裝置的消化池被稱為高速消化池，至今仍是城市污水處理廠中污泥處理的主要技術(shù)。一、消化池的類型與構(gòu)造厭氧消化池主要應(yīng)用于處理城市污水廠的污泥，也可應(yīng)用于處理固體含量很高的有機(jī)廢水; 主要作用：一局部有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託猓?一局部有機(jī)物形成穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)； 提高了污泥的脫水性能； 污泥體積可減少1/2以上； 致病微生物也得到了一定程度的滅活，有利于污泥的進(jìn)一步處理和利用。 消化池的分類：按形狀：圓柱形、橢

25、圓形卵形和龜甲形；按池頂結(jié)構(gòu)：固定蓋式和浮動(dòng)蓋式；按運(yùn)行方式：傳統(tǒng)消化池和高速消化池。A、傳統(tǒng)消化池:又稱低速消化池，有分層現(xiàn)象：只有局部容積有消化速率很低，B、高速消化池圖61設(shè)有加熱和攪拌裝置；縮短了有機(jī)物穩(wěn)定所需的時(shí)間，也提高了沼氣產(chǎn)量，在中溫3035 C條件下，一般消化時(shí)間為 15天左右，運(yùn)行穩(wěn)定；但攪拌使高速消化池內(nèi)的污泥得不到濃縮，上清液不能別離。C、兩級(jí)消化池兩級(jí)串聯(lián)，第一極是高速消化池，第二級(jí)那么不設(shè)攪拌和加熱，主要起沉淀濃縮和貯存的作用，并能別 離上清液；二者的HRT的比值可采用1： 14: 1, 一般為1 : 2 圖7(ccmpretv rtmeclj5«#

26、76;吋利岬HJE-2、消化池的構(gòu)造由池頂、池底和池體三局部組成； 池頂：固定蓋和浮動(dòng)蓋，集氣罩； 池底：倒圓錐形，有利于排泥。 攪拌：機(jī)械攪拌和沼氣攪拌機(jī)械攪拌 泵攪拌：從池底抽出消化污泥，用泵 加壓后送至浮渣層外表或其它部位，進(jìn) 行循環(huán)攪拌，一般與進(jìn)料和池外加熱合 并一起進(jìn)行； 螺旋漿攪拌：在一個(gè)豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳; 水射器攪拌：沼氣攪拌氣提式攪拌：豎管式攪拌:氣體擴(kuò)散式攪拌: 池內(nèi)蒸汽直接加熱：設(shè)備簡(jiǎn)單，局部污泥易過(guò)熱，會(huì)影響厭氧微生物的正常活動(dòng)，并會(huì)增加污泥含水率; 池外加熱：把污泥預(yù)熱后投配到消化池中，所需預(yù)熱的污泥量較少，易于控制；預(yù)熱溫度較高，有利于 殺滅蟲(chóng)卵；不會(huì)對(duì)一樣微生

27、物不利；但設(shè)備較復(fù)雜。二、消化池的設(shè)計(jì)：主要內(nèi)容：消化池池體設(shè)計(jì)； 攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)； 加熱保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。消化池的池體設(shè)計(jì)：目前國(guó)內(nèi)一般按污泥投配率確定消化池容積,V'p式中：V消化池的有效容積，m3；3035 C 時(shí)，p 可取 618% ；V 每天需要處理的新鮮污泥的統(tǒng)計(jì)，m3/d ；p污泥投配率，如高速消化池處理生活污水的污泥，在消化溫度為一般要求消化池的個(gè)數(shù)不少于 2。國(guó)外那么多按固體負(fù)荷率來(lái)計(jì)算消化池的有效容積:GsLV式中：Gs每日需要處理的污泥干固體量，kgVSS/d;Lv 單位容積消化池固體負(fù)荷率，kgVSS/m3.dLv值與污泥的含固率、溫度有關(guān)，如下表：污泥含固率固體負(fù)荷

28、率kgVSS/m3.d24 C29 C33 C35 C4567確定消化池有效容積后，既可計(jì)算消化池的構(gòu)造尺寸，其一般要求: 圓柱形池體的直徑一般為 635m； 柱體高徑之比為1 : 2； 池總高與直徑之比為； 池底坡度一般為； 池頂部的集氣罩，高度和直徑相同，一般為m； 池頂至少設(shè)兩個(gè)直徑為 m的人孔。消化池的工藝管道： 污泥管：進(jìn)泥管、岀泥管、循環(huán)攪拌管；上清液排放管；溢流管；沼氣管；取樣管三、沼氣的收集與利用 污泥和高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行厭氧消化時(shí)均會(huì)產(chǎn)生大量沼氣；沼氣的熱值很高一般為2100025000 kJ/m3,即50006000 kCal/m3，是一種可利用的生物能源。1、污泥消化過(guò)程

29、中沼氣產(chǎn)量的估算：沼氣成分：一般認(rèn)為 CH4 5070%，CO2 2030%，H225%，N210%，微量 H2S等； 沼氣產(chǎn)率是指每處理單位體積的生污泥所產(chǎn)生的沼氣量，即m3沼氣/m3生污泥；產(chǎn)氣率與污泥的性質(zhì)、污泥投配率、污泥含水率、發(fā)酵溫度等有關(guān)； 當(dāng)污泥來(lái)自城市污水處理廠，生污泥含水率為96%時(shí)：中溫消化，投配率為 68%，產(chǎn)氣率可達(dá)1012 m3沼氣/m3生污泥； 高溫消化，投配率為 68%，產(chǎn)氣率可達(dá)2226 m3沼氣/m3生污泥投配率為1315%，產(chǎn)氣率可達(dá)1315 m3沼氣/m3生污泥1、沼氣的收集：設(shè)置凝結(jié)水罐；注意平安；阻火器；沼氣管可加保溫；2、沼氣的貯存：調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量與用

30、氣量之間的平衡； 調(diào)節(jié)容積一般為日平均產(chǎn)氣量的 2540%，即 610h 的產(chǎn)氣量； 注意防腐、防火。現(xiàn)代高速厭氧反響器厭氧消化技術(shù)開(kāi)展上的第三個(gè)時(shí)期； 1955 年， Schroepter 提出了厭氧接觸法 參考活性污泥法，增設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng)； 處理能力提高，應(yīng)用于食品包裝廢水的處理； 標(biāo)志著厭氧技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的開(kāi)端。隨后出現(xiàn)了 AF(Anaerobic Filter) 、UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 、AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、AFB(Anaerobic Fluidiz

31、ed Bed) 等微生物不呈懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，而是呈附著生長(zhǎng)； 有機(jī)容積負(fù)荷大大提高，水力停留時(shí)間顯著縮短；首先應(yīng)用于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理， 如食品工業(yè)廢水、 酒精工業(yè)廢水、 發(fā)酵工業(yè)廢水、 造紙廢水、 制藥工業(yè)廢水、屠宰廢水等；城市廢水的處理； 與好氧工藝的串聯(lián)和組合，可以脫氮和除磷； 含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水的處理。一、厭氧接觸法 Anaerobic Contact Process1 、工藝流程與特點(diǎn)污泥回流是其最大的特點(diǎn)；污泥回流使得HRT與SRT別離:VX(Q Qw)Xe QwXw由于厭氧細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，可以作到不從系統(tǒng)中排放剩余污泥，那么Q = 0 ,那么有:HRTVXcQX對(duì)于普通高

32、速厭氧消化池，其Xe = X，所以其c= HRT，因此在中溫條件下，為了滿足產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)繁殖, SRT要求2030d，因此高速厭氧消化池的 HRT為2030d。對(duì)于厭氧接觸法，由于 X >>Xe，所以HRT«SRT;X越大，Xe越小，那么HRT可以越短。與普通厭氧消化池相比，厭氧接觸法的特點(diǎn)有： 污泥濃度高，一般為 510 gVSS/l，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)； 有機(jī)容積負(fù)荷高，中溫時(shí)，COD負(fù)荷16 kgCOD/m3.d，去除率為7080%；BOD 負(fù)荷 0.52.5 kgBOD/m 3.d，去除率 8090% ； 出水水質(zhì)較好； 增加了沉淀池、污泥回流系統(tǒng)、真空脫氣設(shè)備，

33、流程較復(fù)雜； 適合于處理懸浮物和有機(jī)物濃度均很高的廢水。 最大的問(wèn)題是污泥的沉淀：污泥上附著有小氣泡；污泥在二沉池中還有活性，還會(huì)產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致已下沉的污泥上浮。 改進(jìn)措施：真空脫氣設(shè)備真空度為 500mmH2O； 增加熱交換器，使污泥驟冷，暫時(shí)抑制厭氧污泥的活性。幣«權(quán)雀岀水2、厭氧接觸法的工藝設(shè)計(jì) 消化池容積的計(jì)算：Q SV 有機(jī)容積負(fù)荷法：LvCODLvcod 有機(jī)容積負(fù)荷，kgCOD / m d。3、厭氧接觸法的應(yīng)用實(shí)例 美國(guó)：HRT=1213 h，X=712 g/l，SRT=3.66 d，LvkgBOD5 /m d 日本：T=52 C，CODi=1112g/l，CODe=2

34、1002700mg/l，V=3000m 3； 我國(guó)：南陽(yáng)酒精廠Lv=912 kgCOD /m d , Ecod =83%, EBOD =87% , HRT=44.5 d , CODi=5054 g/l , BODi=2634 g/i二、厭氧生物濾池1、厭氧生物濾池的工藝特征60年代末，美國(guó)的Young和McCarty首先研制出厭氧生物濾池；1972年以來(lái)，一批生產(chǎn)性的厭氧生物濾池投入運(yùn)行，處理廢水的COD濃度在30085000mg/l的范圍內(nèi)，處理效果良好，運(yùn)行管理方便；與好氧生物濾池相似，厭氧生物濾池式裝填有濾料的厭氧生物反響器，在濾料的外表形成了以生物膜形態(tài)生長(zhǎng)的微生物群體，在濾料的空隙中

35、那么截留了大量的懸浮生長(zhǎng)的微生物，廢水通過(guò)濾料層(上向流或下向流)時(shí)，有機(jī)物被截留、吸附及分解。2、厭氧生物濾池的構(gòu)造特征圖濾料是厭氧生物潺池的主體，其主要作用是提供微生物附著生長(zhǎng)的外表及懸浮 具備以下條件：可分為升流式厭氧生物濾池、降流式厭氧生物濾池和升流式混合型厭氧生物濾池：生物固體濃度高，有機(jī)負(fù)荷高；SRT長(zhǎng)，可縮短HRT，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；啟動(dòng)時(shí)間較短，停止運(yùn)行后的再啟動(dòng)也較容易；無(wú)需回流污泥，運(yùn)行管理方便；運(yùn)行穩(wěn)定性較好。主要缺點(diǎn)是易堵塞。3、厭氧生物濾池的運(yùn)行特征a厭氧生物濾池中生物膜的厚度約為1-4 mmb生物固體濃度沿濾料層高度而有變化；c降流式較升流式的生物固體濃度的分布更均

36、勻；kgCOD/rhd ；e在相同的水質(zhì)條件及水力停留時(shí)間下，升流式的CODfe除率較降流式的高；f 當(dāng)進(jìn)水COD度過(guò)高(>8000或12000mg/l)時(shí)，應(yīng)采用出水回流的措施；g二級(jí)交替式運(yùn)行的厭氧生物濾池；4、厭氧生物濾池的設(shè)計(jì)計(jì)算厭氧生物濾池的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括：濾料的選擇；濾料體積的計(jì)算；布水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；沼氣 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。目前尚無(wú)定型的設(shè)計(jì)計(jì)算程序；主要介紹濾料體積的計(jì)算方法和一些常用參數(shù)： 有機(jī)負(fù)荷法：V = Q S -Se /LvCODLvcod有機(jī)容積負(fù)荷，一般為 0.512kgCOD/m3.d; 常用設(shè)計(jì)參數(shù)：有機(jī)容積去除負(fù)荷一一0.512 kgCOD/m3.d;有機(jī)物

37、去除率一一6095% ;濾料層高度 25m;相鄰 進(jìn)水孔口距離12 m不大于2m；污泥排放口距離不大于3m。 關(guān)于Se：Se取決于對(duì)處理后出水的水質(zhì)要求；Se還取決于厭氧生物濾池一般能到達(dá)的有機(jī)物去除率；Se還取決于所采用的有機(jī)負(fù)荷的上下。 關(guān)于有機(jī)容積負(fù)荷，其影響因素主要有：廢水水質(zhì)，包括有機(jī)物的種類和濃度；濾料性質(zhì)；溫度；其它，如：pH值、營(yíng)養(yǎng)物、有毒物質(zhì)濃度等。一般，當(dāng)廢水性質(zhì)較特殊，無(wú)可靠資料可借鑒時(shí)，應(yīng)通過(guò)小試或中試試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定。5、厭氧生物濾池的應(yīng)用實(shí)例AF在美、加已被廣泛應(yīng)用；不同類型的廢水，包括生活污水及COD為300024000mg/l的各種工業(yè)廢水；處理規(guī)模也大小不等，最

38、大的AF為12500m3; COD的去除率在6194%之間；有機(jī)負(fù)荷為0.115 kgCOD/m3.d。三、升流式厭氧污泥層(床)(UASB)反響器Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed) Reactor ,簡(jiǎn)稱 UASB 反響器；是荷蘭 Wageningen農(nóng)業(yè)大學(xué)的 Gatze Lettinga教授于70年代初開(kāi)發(fā)出來(lái)的；UASB反響器的工作原理示意圖如下: 圖UASB 反響器的工藝特征：在反響器的上部設(shè)置了氣、固、液三相別離器；在反響器底部設(shè)置了均勻布水系統(tǒng)；反響器內(nèi)的污 泥能形成顆粒污泥：一一直徑為 0.1cm,濕比重為；一一具有良好的沉降性能和很高的產(chǎn)甲烷活性。上述工藝特征使得 UASB 反響器：污泥的顆粒化使反響器內(nèi)的平均濃度50gVSS/l以上，污泥齡一般為 30天以上