第七章 污水的厌氧生物处理

1. 河北科技大学环境科学与工程学院 第七章 污水的厌氧生物处理 第一节 概述 第二节 厌氧生物处理的基本原理 第三节 污水的厌氧生物处理方法 第四节 厌氧生物处理法的设计 第五节 厌氧和好氧技术的联合运用

2. 河北科技大学环境科学与工程学院 第一节 概述

3. 河北科技大学环境科学与工程学院 第一节 概述 1. 定义 厌氧生物法也称厌氧消化法或厌氧发酵发。是在无氧条件下，通过兼性菌和厌氧菌的代谢作用降解污泥和废水中的有机污染物，分解的终产物主要是沼气(CH4 和CO2)。

4. 河北科技大学环境科学与工程学院 第一节 概述 2. 发展历程 （1）早期发展 1881~1950年 厌氧生物处理法始于19世纪末。 1881年法国人Louis Mouras 将简易的沉淀池改进为污水处理构筑物，降解生活污水中的 悬浮物 1895年出现的化粪池处理粪便污泥 1904年出现的双层沉淀池 1950年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化 反应池，加快了厌氧技术的发展。 以上，属于传统的厌氧反应器。 。

5. 河北科技大学环境科学与工程学院 第一节 概述 2. 发展历程： （2）现代厌氧反应器的形成和发展 第二代厌氧反应器 1955年开发了厌氧接触法新工艺，标志着现代厌氧反应器的开端。进一步推动了厌氧技术的应用和发展。 上世纪60年代末，McCarty等开发了厌氧生物滤池(AF) 1974年荷兰的Lettinga开发了上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 厌氧生物转盘、 UASB+ AF 。

6. 河北科技大学环境科学与工程学院 第一节 概述 2. 发展历程 （3）第三代厌氧反应器 1980年Switzenbaum等推出了厌氧附着膜膨胀 床反应器（AAFEB）,还有厌氧流化床（AFB） 上世纪90年代后，出现了厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）、内循环反应器（IC）、升流式厌氧污泥床过滤器（UBF）

7. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理

8. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理 1.两阶段理论： 自上世纪30年代，厌氧消化过程被认为由不产甲烷的发 酵性细菌和产甲烷的细菌共同进行的两阶段过程。 酸性发酵阶段：发酵性细菌把复杂有机物进行水解发酵，形成脂肪酸、醇类、CO2和H2； 甲烷发酵阶段：由产甲烷菌将第一阶段的发酵产物转化为CH4和CO2。

9. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理

10. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理 与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic bacteria)的联合作用完成。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌。

11. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理 2.三阶段理论 三阶段理论1979年由Bryant提出 • 水解阶段：碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳； • 产酸产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸 CH3CH2COOH→CO2+CH3COOH+H2 • 产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物4H2+CO2→CH4+2H2O （1/3）CO2还原 • 2CH3COOH→2CH4+2CO2（2/3）乙酸脱羧

12. 4% H2 24% 28% 76% 复杂有机物 较高级有机酸 CH4 52% 72% 生成甲烷 乙酸 生成乙酸与脱氢 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理 2.三阶段理论

13. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理 3. 四类群理论 Zeikus等因发现同型产乙酸菌将H2/CO2转化为乙酸提出了四菌群理论。 （1）水解阶段 在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物 （2）发酵阶段 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等

14. 河北科技大学环境科学与工程学院 第二节 厌氧生物处理的基本原理

15. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 （3）产乙酸阶段 上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。 （4）产甲烷阶段 乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。 经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。

16. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 注意点 • 此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。 • 上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤； • 简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。

17. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 4.厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系 由外到内水解细菌、发酵细菌、氢细菌和乙酸菌、甲烷菌 、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物，其中产甲烷丝菌是厌氧活性污泥的中心骨架 • 产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物 • 产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位 • 产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质 • 产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制 • 产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值

18. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 5.厌氧生化法的优点 （1）应用范围广 因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。 有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。

19. 沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%之间，是一种很好的燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度电。 第二节 厌氧生物处理的基本原理 4.厌氧生化法的优点 （2）产生的沼气可用于发电或作为能源

20. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 5.厌氧生化法的优点 （3）对营养物的需求量少 好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350~500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。 （4）产生的污泥量少，运行费用低? 繁殖慢；不需要曝气 （5）有杀菌作用 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。

21. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 6.厌氧生化法的缺点 （1）出水的有机物浓度高于好氧处理； 发酵分解有机物不完全； （2）对温度变化较为敏感 工业中需要设置进水的控温装置，37℃。 （3）厌氧微生物对有毒物质较为敏感 但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。

22. 第二节 厌氧生物处理的基本原理 6.厌氧生化法的缺点 （4）初次启动过程缓慢,处理时间长 好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8~12周才可以培育成功 （5）处理过程中产生臭气和有色物质（为什么？） 臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。

23. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法

24. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 1. 化粪池 用于处理来自厕所的粪便废水，或为生活污水的预处理——液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。 工作原理 2级(平流沉淀+厌氧污泥消化) 缺点：污泥量少、易被带出，静态消化

26. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 2.厌氧滤池 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。 滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。 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，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。

27. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 2.厌氧滤池 • 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。

28. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 • 厌氧生物滤池的特点 • 在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。 • 废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，有机物去除速度快； • 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。

29. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 • 厌氧生物滤池的特点 • 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； • 当废水中有机物浓度高时，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。 • 对厌氧生物滤池采取如下改进： • 出水回流； • 部分充填载体； • 采用软性填料。

30. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 3.厌氧接触法 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)。

31. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 3.厌氧接触法 • 厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。 • 厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。 • 在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。

32. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 3.厌氧接触法 厌氧接触法的特点: • 通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强； • 消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3·d，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15-30天，而接触法小于10天；

33. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 3.厌氧接触法 厌氧接触法的特点: • 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； • 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 • 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

34. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 3.厌氧接触法 • 几种脱气方法: • 真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005 MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能； • 热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却。 • 絮凝沉降，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； • 用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。

35. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 • （1）概述 • 上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G. Lettnga等人在70年代初研制开发的。 • 污泥床反应器内没有人工载体，反应器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能达到高生物量和高效高负荷。

38. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 （2)工作原理 由图可见，UASB工作时，废水从反应器底部进入，与污泥床层的高浓度颗粒污泥接触，污染物被分解产生沼气。污水、污泥和沼气一起向上流动，进入反应器的上部的三相分离器，完成气、液、固三相的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层。出水则从澄清区流出。

39. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 （2）工作原理

40. 第三节 污水的厌氧生物处理方法 （3) UASB反应器的构造和组成

41. 第三节 污水的厌氧生物处理方法

42. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 （3) UASB反应器的构造和组成 • 进水配水系统 将废水尽可能均匀地分配到整个反应器，并有水力搅拌功能。 • 反应区 其中包括污泥床区和污泥悬浮层区，有机物主要在这里被厌氧菌所分解。 • 三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是把沼气、污泥和液体分开。

43. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 UASB反应器的构造和组成 • 出水系统 其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地 加以收集，排出反应器。 • 气室 也称集气罩，其作用是收集沼气。 • 浮渣清除系统 其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣，根据需要设置。 • 排泥系统 其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥。

44. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 （4）特点 优点：有机负荷居第二代反应器之首,水力负荷满足要求;污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强;在一定的水力负荷下，可以靠反应器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触。 （a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层(sludge blanket)污泥浓度5-7g/L；

45. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度发展的颗粒污泥(sludge granules)组成，颗粒的直径一般在0.5-5.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。 （b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达20-40kg COD/（m3·d）在大型生产装置中可达到 6-8kg COD/（m3·d）。 （c）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；简化了工艺，节约了投资和运行费用。

46. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 （c）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；简化了工艺，节约了投资和运行费用。 （d）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； （e）污泥床内不填载体，提高了容积利用率，节省造价及避免堵塞问题。

47. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 缺点： （a）大型装置内会有短流现象（要求配水装置性能要好） （b）进水SS要求≤200mg/L，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 （c）在没有颗粒污泥接种的情况下，启动时间长 （d）对水质和负荷突然变化比较敏感 （e）要求水温高些，最好35℃左右。

48. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 • （5）颗粒污泥 • A）定义：颗粒污泥（Granular Sludge)是由菌体多样的自身固定化机制形成的高生物活性的一种生物聚体。 • 厌氧污泥的主要聚集形式包括颗粒(granules)、 团体(pellets)、絮体（flocs)、絮状污泥(nocculent sludge)等。 • 团体和颗粒是结构紧密的聚集体，这些聚集体沉降后呈现固定的形态。 • 絮体和絮状污泥则是具有蓬松结构的聚集体，这些聚集体沉降后无固定形态。

49. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 • （5）颗粒污泥 B）三种类型的颗粒污泥： • 杆菌颗粒 • 丝菌颗粒 • 球菌颗粒 • C)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

50. 河北科技大学环境科学与工程学院 第三节 污水的厌氧生物处理方法 4.上流式厌氧污泥床反应器 • （5）颗粒污泥 D）颗粒污泥的特点： • 形状不规则 • 颜色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜 • 相对密度在1.01---1.05左右 • 污泥指数与颗粒大小有关 • 颗粒污泥在反应器中的沉降速率为0.3---0.8m/h