第七章厭氧生物處理

1、水污染控制工程水污染控制工程第第7章章 污水的厭氧生物處理污水的厭氧生物處理目錄目錄o概述概述o原理原理o主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝o厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)厭氧生物處理法的設(shè)計(jì)厭氧生物處理厭氧生物處理概述概述厭氧污水污泥處理技術(shù)的發(fā)展o1860年法國的Muras將簡易沉淀池改為污泥處理構(gòu)筑物；o1895年英國Cameron進(jìn)一步改進(jìn)為腐化池；o1903年英國的Travis首先建成了雙層沉淀池；o1906年德國的Imhoff發(fā)明Imhoff雙層沉淀池；o1912年英國的伯明翰市建了第一個消化池；o1920年英國Watson建成最早二級消化池，同時利用了沼氣；o19251926年在德國、美國相

2、繼建成較標(biāo)準(zhǔn)的消化池。 厭氧生物處理法或厭氧消化法：在斷絕與空氣接觸的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學(xué)作用，對有機(jī)物進(jìn)行生物降解的過程。厭氧生物處理法的處理對象是：高濃度有機(jī)工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動植物殘?bào)w及糞便等。 I 甲酸 類 甲醇 產(chǎn) 甲胺 通過不同 廢水或污泥 蛋白質(zhì) 氨基酸 物 乙酸等 途徑轉(zhuǎn)化 中不溶態(tài)大 多 糖 C6H12O6 為 CH4、 分子有機(jī)物 脂 類 甘油 II 丙酸 CO2等 脂肪酸 類 丁酸 CO2 、 H 產(chǎn) 乳酸 和乙酸 物 乙醇等 水解階段 酸化階段 氣化階段 酸化 I 酸化 II 不完全厭氧消化(酸發(fā)酵) 發(fā) 酵 菌 發(fā) 酵 菌 甲 烷 菌

3、產(chǎn)氫 產(chǎn)乙 酸菌 圖15-1 厭氧發(fā)酵的幾個階段厭氧生物處理厭氧生物處理概述概述o厭氧生物處理的方法和基本功能有二：厭氧生物處理的方法和基本功能有二：（1）酸發(fā)酵的目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物）酸發(fā)酵的目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物降解的基質(zhì)；降解的基質(zhì)；（2）甲烷發(fā)酵的目的是進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃）甲烷發(fā)酵的目的是進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料。料。 因兼有降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體因兼有降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料的雙重功能，因而得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。燃料的雙重功能，因而得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理一、厭氧消化的生化階段一、厭氧消化的生化階段 復(fù)雜有

4、機(jī)物復(fù)雜有機(jī)物的厭氧消化過程要經(jīng)歷數(shù)個階段，由不同的的厭氧消化過程要經(jīng)歷數(shù)個階段，由不同的細(xì)菌群接替完成。根據(jù)復(fù)雜有機(jī)物在此過程中的物態(tài)及細(xì)菌群接替完成。根據(jù)復(fù)雜有機(jī)物在此過程中的物態(tài)及物性變化，可分三個階段（表物性變化，可分三個階段（表15-1）。）。厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理表表15-1 有機(jī)物厭氧消化過程有機(jī)物厭氧消化過程生化階段生化階段 物態(tài)變化物態(tài)變化液化（水解）液化（水解）酸化（酸化（1）酸化（酸化（2）氣氣 化化生化過程生化過程大分子不溶態(tài)大分子不溶態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物轉(zhuǎn)化為小分子溶解態(tài)小分子溶解態(tài)有機(jī)物有機(jī)物小分子溶解態(tài)小分子溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物轉(zhuǎn)化為（H2+CO2）

5、及）及A、B兩類產(chǎn)物兩類產(chǎn)物B類產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為類產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為（H2+CO2）及乙）及乙酸等酸等CH4、CO2等等菌菌 群群發(fā)酵細(xì)菌發(fā)酵細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌甲烷細(xì)菌甲烷細(xì)菌發(fā)酵工藝發(fā)酵工藝甲烷發(fā)酵甲烷發(fā)酵酸酸 發(fā)發(fā) 酵酵厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理二、發(fā)酵的控制條件二、發(fā)酵的控制條件（以下重點(diǎn)討論甲烷發(fā)酵的控制條件。）（以下重點(diǎn)討論甲烷發(fā)酵的控制條件。）（一）營養(yǎng)與環(huán)境條件（一）營養(yǎng)與環(huán)境條件 廢水、污泥及廢料中的有機(jī)物種類繁多，只要未達(dá)廢水、污泥及廢料中的有機(jī)物種類繁多，只要未達(dá)到抑制濃度，都可連續(xù)進(jìn)行厭氧生物處理。對生物可降到抑制濃度，都可連續(xù)進(jìn)行厭氧生物處理。對生物可降解性有機(jī)物

6、的濃度并無嚴(yán)格限制，但若濃度太低，比耗解性有機(jī)物的濃度并無嚴(yán)格限制，但若濃度太低，比耗熱量高，經(jīng)濟(jì)上不合算；水力停留時間短，生物污泥易熱量高，經(jīng)濟(jì)上不合算；水力停留時間短，生物污泥易流失，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。一般要求流失，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。一般要求COD大于大于1000mg/L。 COD N P=200 5 1 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（1）氧化還原電位（）氧化還原電位（ORP或或Eh） 厭氧環(huán)境是厭氧消化過程賴以正常進(jìn)行的最重要的條件。厭氧環(huán)境是厭氧消化過程賴以正常進(jìn)行的最重要的條件。厭氧環(huán)境，主要以體系中的氧化還原電位來反映。厭氧環(huán)境，主要以體系中的氧化還原電位來反映。 一般情況

7、下，氧的溶入無疑是引起發(fā)酵系統(tǒng)的氧化還原電一般情況下，氧的溶入無疑是引起發(fā)酵系統(tǒng)的氧化還原電位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，其位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，其它一些氧化劑或氧化態(tài)物質(zhì)的存在（如某些工業(yè)廢水中它一些氧化劑或氧化態(tài)物質(zhì)的存在（如某些工業(yè)廢水中含有的含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性廢水以及酸性廢水中的中的H+等），同樣能使體系中的氧化還原電位升高。等），同樣能使體系中的氧化還原電位升高。當(dāng)其濃度達(dá)到一定程度時，同樣會危害厭氧消化過程的當(dāng)其濃度達(dá)到一定程度時，同樣會危害厭氧消化過程的進(jìn)行。進(jìn)行。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理

8、高溫厭氧消化系統(tǒng)高溫厭氧消化系統(tǒng)適宜的氧化還原電位為適宜的氧化還原電位為-500-600mV；中溫厭氧消化系統(tǒng)及浮動溫度厭氧消化系統(tǒng)中溫厭氧消化系統(tǒng)及浮動溫度厭氧消化系統(tǒng)要求的氧化還原要求的氧化還原電位應(yīng)低于電位應(yīng)低于-300-380mV。產(chǎn)酸細(xì)菌產(chǎn)酸細(xì)菌對氧化還原電位的要求不甚嚴(yán)格，甚至可在對氧化還原電位的要求不甚嚴(yán)格，甚至可在+100-100mV的兼性條件下生長繁殖；的兼性條件下生長繁殖；甲烷細(xì)菌甲烷細(xì)菌最適宜的氧化還原電位為最適宜的氧化還原電位為-350mV或更低?；蚋?。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（2）溫度）溫度 溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素之溫度是影響微生物生命活動

9、過程的重要因素之一。溫度主要影響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機(jī)一。溫度主要影響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機(jī)物的分解速率有關(guān)。物的分解速率有關(guān)。 工程上：工程上：中溫消化溫度為中溫消化溫度為3038（以（以3335為多）；為多）；高溫消化溫度為高溫消化溫度為5055。厭氧消化對溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于厭氧消化對溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于2。溫度突變幅度太大，會招致系統(tǒng)的停止產(chǎn)氣。溫度突變幅度太大，會招致系統(tǒng)的停止產(chǎn)氣。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（3）pH值及酸堿度值及酸堿度 由于發(fā)酵系統(tǒng)中的由于發(fā)酵系統(tǒng)中的CO2分壓很高分壓很高（20.340.5kPa），發(fā)酵

10、液的實(shí)際），發(fā)酵液的實(shí)際pH值比在大氣值比在大氣條件下的實(shí)測值為低。一般認(rèn)為，實(shí)測值應(yīng)在條件下的實(shí)測值為低。一般認(rèn)為，實(shí)測值應(yīng)在7.27.4之間為好。之間為好。（4）毒物）毒物 凡對厭氧處理過程起抑制或毒害作用的物質(zhì)，凡對厭氧處理過程起抑制或毒害作用的物質(zhì)，都可稱為毒物。都可稱為毒物。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（二）工藝條件控制（二）工藝條件控制（1）生物量）生物量 各種反應(yīng)器要求的污泥濃度不盡相同，一般介于各種反應(yīng)器要求的污泥濃度不盡相同，一般介于1030gVSS/L之間。之間。為了保持反應(yīng)器生物量不致因流失而減少，可采用多種措施，如為了保持反應(yīng)器生物量不致因流失而減少，可采用多種措

11、施，如安裝三相分離器、設(shè)置掛膜介質(zhì)、降低水流速度和回流污泥安裝三相分離器、設(shè)置掛膜介質(zhì)、降低水流速度和回流污泥量等。量等。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（2）負(fù)荷率）負(fù)荷率 負(fù)荷率是表示消化裝置處理能力的一個參數(shù)。負(fù)荷率是表示消化裝置處理能力的一個參數(shù)。負(fù)荷率有三種表示方法：容積負(fù)荷率、污泥負(fù)荷率、投負(fù)荷率有三種表示方法：容積負(fù)荷率、污泥負(fù)荷率、投配率。配率。o反應(yīng)器單位有效容積在單位時間內(nèi)接納的有機(jī)物量，稱反應(yīng)器單位有效容積在單位時間內(nèi)接納的有機(jī)物量，稱為容積負(fù)荷率，單位為為容積負(fù)荷率，單位為kg/m3d或或g/Ld。有機(jī)物量。有機(jī)物量可用可用COD、BOD、SS和和VSS表示。表示。o

12、反應(yīng)器內(nèi)單位重量的污泥在單位時間內(nèi)接納的有機(jī)物量，反應(yīng)器內(nèi)單位重量的污泥在單位時間內(nèi)接納的有機(jī)物量，稱為污泥負(fù)荷率，單位為稱為污泥負(fù)荷率，單位為kg/kgd或或g/gd。o每天向單位有效容積投加的新料的體積，稱為投配率，每天向單位有效容積投加的新料的體積，稱為投配率，單位為單位為m3/m3d。投配率的倒數(shù)為平均停留時間或消。投配率的倒數(shù)為平均停留時間或消化時間，單位為化時間，單位為d。投配率有時也用百分?jǐn)?shù)表示，例如，。投配率有時也用百分?jǐn)?shù)表示，例如，0.07m3/m3d的投配率也可表示為的投配率也可表示為7%。厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理o厭氧消化裝置的負(fù)荷率是怎樣確定的呢？厭氧消化裝置的

13、負(fù)荷率是怎樣確定的呢？ 一個重要的原則是：在兩個轉(zhuǎn)化（酸化和氣化）速一個重要的原則是：在兩個轉(zhuǎn)化（酸化和氣化）速率保持穩(wěn)定平衡的條件下，求得最大的處理目標(biāo)率保持穩(wěn)定平衡的條件下，求得最大的處理目標(biāo)（最大處理量或最大產(chǎn)氣量）。（最大處理量或最大產(chǎn)氣量）。 一般而言，厭氧消化微生物進(jìn)行酸化轉(zhuǎn)化的能力強(qiáng)，一般而言，厭氧消化微生物進(jìn)行酸化轉(zhuǎn)化的能力強(qiáng)，速率快，對環(huán)境條件的適應(yīng)能力也強(qiáng)；而進(jìn)行氣化速率快，對環(huán)境條件的適應(yīng)能力也強(qiáng)；而進(jìn)行氣化轉(zhuǎn)化的能力相對較弱，速率也較慢，對環(huán)境的適應(yīng)轉(zhuǎn)化的能力相對較弱，速率也較慢，對環(huán)境的適應(yīng)能力也較脆弱。這種前強(qiáng)后弱的特征使兩個轉(zhuǎn)化速能力也較脆弱。這種前強(qiáng)后弱的特征使

14、兩個轉(zhuǎn)化速率保持穩(wěn)定平衡頗為困難，因而形成了三種發(fā)酵狀率保持穩(wěn)定平衡頗為困難，因而形成了三種發(fā)酵狀態(tài)。態(tài)。 當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率很高時，當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率很高時，由于供給產(chǎn)酸菌的食物相當(dāng)充分，致使作為其代謝產(chǎn)物的有機(jī)物酸產(chǎn)量很大，超過了甲烷細(xì)菌的吸收利用能力，導(dǎo)致有機(jī)酸在消化液中的積累和pH值（以下均指大氣壓條件下的實(shí)測值）下降，其結(jié)果是使消化液顯酸性（pH7）。這種在酸性條件下進(jìn)行的厭氧消化過程稱為酸性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種低效而又不穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，應(yīng)盡量避免。 當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率適中時，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率適中時，產(chǎn)酸細(xì)菌代謝產(chǎn)物中的有機(jī)酸基本上能被甲烷細(xì)菌及時地吸收利用，并轉(zhuǎn)化為沼氣，溶液中殘存的有機(jī)酸量一般為每升

15、數(shù)百毫克。此時消化液中pH值維持在77.5之間，溶液呈弱堿性。這種在弱堿性條件下進(jìn)行的厭氧消化過程稱之為弱堿性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種高效而又穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，最佳負(fù)荷率應(yīng)達(dá)此狀態(tài)。 當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率偏小時，當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率偏小時，供給產(chǎn)酸細(xì)菌的食物不足，產(chǎn)酸量偏少，不能滿足甲烷細(xì)菌的需要。此時，消化液中的有機(jī)酸殘存量很少，pH值偏高，在pH值偏高（大于7.5）的條件下進(jìn)行的厭氧消化過程，稱為堿性發(fā)酵狀態(tài)。如前所述，由于負(fù)荷偏低，因而是一種雖穩(wěn)定但低效的厭氧消化狀態(tài)。 厭氧生物處理厭氧生物處理原理原理（3）加熱）加熱 為把料液控制到要求的發(fā)酵溫度，則必須加熱。為把料液控制到要求的發(fā)酵溫度，則必須加熱。據(jù)估

16、算，去除據(jù)估算，去除8000mg/L的的COD所產(chǎn)生的沼氣，能所產(chǎn)生的沼氣，能使一升水升溫使一升水升溫10。 （4）pH值的控制值的控制 如果料液會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)液體的如果料液會導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)液體的pH值值低于低于6.5或高于或高于8.0時，則應(yīng)對料液預(yù)先中和。當(dāng)有機(jī)時，則應(yīng)對料液預(yù)先中和。當(dāng)有機(jī)酸的積累而使反應(yīng)液的酸的積累而使反應(yīng)液的pH值低于值低于6.87時，應(yīng)適當(dāng)減時，應(yīng)適當(dāng)減小有機(jī)物負(fù)荷或毒物負(fù)荷，使小有機(jī)物負(fù)荷或毒物負(fù)荷，使pH值恢復(fù)到值恢復(fù)到7.0以上以上（最好為（最好為7.27.4）。若）。若pH低于低于6.5，應(yīng)停止加料，應(yīng)停止加料，并及時投加石灰中和。并及時投加石灰中和。厭氧生物

17、處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝一、早期用于處理廢水的厭氧消化構(gòu)筑物是化糞池和雙層一、早期用于處理廢水的厭氧消化構(gòu)筑物是化糞池和雙層沉淀池。沉淀池。 o 化糞池化糞池是一個矩形密閉的池子，用隔墻分為兩室或是一個矩形密閉的池子，用隔墻分為兩室或三室，各室之間用水下連接管接通。廢水由一端進(jìn)入，三室，各室之間用水下連接管接通。廢水由一端進(jìn)入，通過各室后由另一端排出。懸浮物沉于池底后進(jìn)行緩慢通過各室后由另一端排出。懸浮物沉于池底后進(jìn)行緩慢的厭氧發(fā)酵。各室的頂蓋上設(shè)有人孔，可定期（數(shù)月）的厭氧發(fā)酵。各室的頂蓋上設(shè)有人孔，可定期（數(shù)月）將消化后的污泥挖出，供作農(nóng)肥。這種處理構(gòu)筑物通常將消化

18、后的污泥挖出，供作農(nóng)肥。這種處理構(gòu)筑物通常設(shè)于獨(dú)立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步設(shè)于獨(dú)立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步處理糞便廢水。處理糞便廢水。厭氧生物處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝o雙層沉淀池雙層沉淀池上部有一個流槽，槽底呈上部有一個流槽，槽底呈V形。廢水沿槽緩形。廢水沿槽緩慢流過時，懸浮物便沉降下來，并從慢流過時，懸浮物便沉降下來，并從V形槽底縫滑落于形槽底縫滑落于大圓形池底，在那里進(jìn)行厭氧消化。這兩種處理構(gòu)筑物大圓形池底，在那里進(jìn)行厭氧消化。這兩種處理構(gòu)筑物僅起截留和降解有機(jī)懸浮物的功用，產(chǎn)生的沼氣難以收僅起截留和降解有機(jī)懸浮物的功用，產(chǎn)生的沼氣難

19、以收集利用。集利用?；S池厭氧生物處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝二、普通消化池，主要用于處理城市污水的沉淀污泥。普二、普通消化池，主要用于處理城市污水的沉淀污泥。普通消化池多建成加頂蓋的筒狀。通消化池多建成加頂蓋的筒狀。生污泥從池頂進(jìn)入，通過攪拌與池內(nèi)污泥混合，進(jìn)行厭氧生污泥從池頂進(jìn)入，通過攪拌與池內(nèi)污泥混合，進(jìn)行厭氧消化。分解后的污泥從池底排出。產(chǎn)生的生物氣從池頂消化。分解后的污泥從池底排出。產(chǎn)生的生物氣從池頂收集。普通消化池需要加熱，以維持高的生化速率。收集。普通消化池需要加熱，以維持高的生化速率。這種處理構(gòu)筑物通常是這種處理構(gòu)筑物通常是每天加排料各每天加排料各12次，次

20、，與此同時進(jìn)與此同時進(jìn)行數(shù)小時的攪拌混合。行數(shù)小時的攪拌混合。 h4h3h2h1Dd2d1圓筒形厭氧消化池圓筒形厭氧消化池 蛋形厭氧消化池蛋形厭氧消化池 厭氧生物處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝三、厭氧接觸系統(tǒng)三、厭氧接觸系統(tǒng) 普通消化池用于處理高濃度有機(jī)廢水時，為了強(qiáng)化有機(jī)物普通消化池用于處理高濃度有機(jī)廢水時，為了強(qiáng)化有機(jī)物與池內(nèi)厭氧污泥的充分接觸，必須連續(xù)攪拌；與池內(nèi)厭氧污泥的充分接觸，必須連續(xù)攪拌； 同時為了提高處理效率，必須改間斷進(jìn)水排水為連續(xù)進(jìn)水同時為了提高處理效率，必須改間斷進(jìn)水排水為連續(xù)進(jìn)水排水。但這樣一來，會造成厭氧污泥的大量流失。排水。但這樣一來，會造成厭氧污

21、泥的大量流失。 為了克服這一缺點(diǎn)，可在消化池后串聯(lián)一個沉淀池，將沉為了克服這一缺點(diǎn)，可在消化池后串聯(lián)一個沉淀池，將沉淀下的污泥又送回消化池，因此組成了厭氧接觸系統(tǒng)。淀下的污泥又送回消化池，因此組成了厭氧接觸系統(tǒng)。 污泥回流量約為進(jìn)水流量的污泥回流量約為進(jìn)水流量的23倍。消化池內(nèi)的倍。消化池內(nèi)的MLVSS為為610g/L。厭氧生物處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝四、厭氧生物濾池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤四、厭氧生物濾池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤 為了防止消化池的污泥流失，可為了防止消化池的污泥流失，可在池內(nèi)設(shè)置掛膜介質(zhì)，使厭氧微在池內(nèi)設(shè)置掛膜介質(zhì)，使厭氧微生物生長在上面，由此出現(xiàn)了厭生物生長在上面，由此出現(xiàn)了厭氧生物濾池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤。氧生物濾池和厭氧生物轉(zhuǎn)盤。厭氧生物處理厭氧生物處理主要構(gòu)筑物及工藝主要構(gòu)筑物及工藝五、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（五、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB） 這種反應(yīng)器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種厭氧生物處理裝這種反應(yīng)器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種厭氧生物處理裝置。置。 UAS