水質工程學電子課件第14章工業(yè)廢水生物處理1

水質工程學（下）電子教案遼寧工程技術大學建工學院市政系第14章工業(yè)廢水的生物處理14.1工業(yè)廢水的可生化性14.2工業(yè)廢水好氧生物處理14.3工業(yè)廢水厭氧生物處理

重點：

厭氧生物處理機理、兩級厭氧生物處理與兩相厭氧生物處理、升流式厭氧污泥床（UASB法)、厭氧顆粒污泥的形成及其性質。難點：生物接觸氧化法，厭氧生物處理機理、

UASB法、厭氧顆粒污泥的形成及其性質。14.1工業(yè)廢水的可生化性BOD5:COD:工業(yè)廢水的生物處理，通常以COD為設計和運行的水質指標，可生化性指標：BOD5/COD比值，大于0.45，適于生化，0.2左右，需馴化。14.2工業(yè)廢水好氧生物處理

活性污泥法和生物膜法14.3.1概述

厭氧生物處理：在無氧的條件下，利用厭氧微生物的生命活動，將各種有機物轉化為甲烷、二氧化碳等的過程。

厭氧生物處理后面常常要連接好氧生物處理14.3工業(yè)廢水厭氧生物處理

最早的厭氧生物處理一、厭氧生物處理的發(fā)展

進入上世紀50、60年代，特別是70年代的中后期，隨著世界范圍的能源危機的加劇，人們對利用厭氧消化過程處理有機廢水的研究得以強化，相繼出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的處理工藝，從此厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應用于廢水處理，真正成為一種可以與好氧生物處理工藝相提并論的廢水生物處理工藝。這些被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應器的厭氧生物處理工藝又被統(tǒng)一稱為“第二代厭氧生物反應器”，它們的主要特點有：①HRT大大縮短，有機負荷大大提高，處理效率大大提高；②主要包括：厭氧接觸法、厭氧濾池（AF）、上流式厭氧污泥床（UASB）反應器、厭氧流化床（AFB）、厭氧附著膜膨脹床反應器（AAFEB）、厭氧生物轉盤（ARBC）和擋板式厭氧反應器等；③HRT與SRT分離，SRT相對很長，HRT則可以較短，反應器內生物量很高。

1881年由法國的LouisMouras所發(fā)明的“自動凈化器”開始的，最早用于處理城市污水處理廠的沉淀污泥，后來用于處理高濃度有機廢水。普通厭氧生物處理法的主要缺點是水力停留時間長，一般需要20～30d。

發(fā)展的厭氧生物處理

現(xiàn)代的厭氧生物處理進入20世紀90年代以后，隨著以顆粒污泥為主要特點的UASB反應器的廣泛應用，在其基礎上又發(fā)展起來了同樣以顆粒污泥為根本的顆粒污泥膨脹床（EGSB）反應器和厭氧內循環(huán)（IC）反應器。其中EGSB反應器利用外加的出水循環(huán)可以使反應器內部形成很高的上升流速，提高反應器內的基質與微生物之間的接觸和反應，可以在較低溫度下處理較低濃度的有機廢水，如城市廢水等；而IC反應器則主要應用于處理高濃度有機廢水，依靠厭氧生物過程本身所產生的大量沼氣形成內部混合液的充分循環(huán)與混合，可以達到更高的有機負荷。這些反應器又被統(tǒng)一稱為“第三代厭氧生物反應器”。二、厭氧生物處理的特點

與廢水的好氧生物處理工藝相比，廢水的厭氧生物處理工藝具有以下主要優(yōu)點：①適合于污泥及高濃度有機廢水的處理；②能耗降低，而且還可以回收生物能（沼氣）；因為厭氧生物處理工藝無需為微生物提供氧氣，所以不需要鼓風曝氣，減少了能耗，而且厭氧生物處理工藝在大量降低廢水中的有機物的同時，還會產生大量的沼氣。③污泥產量很低；產酸菌的產率Y為0.15~0.34kgVSS/kgCOD，產甲烷菌的產率Y為0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的產率約為0.25~0.6kgVSS/kgCOD。④可以使生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解；對于某些含有難降解有機物的廢水，利用厭氧工藝進行處理可以獲得更好的處理效果。⑤新工藝可達高負荷。

主要優(yōu)點

①生化反應過程較為復雜；

②

處理設備啟動時間長；20～30d③厭氧微生物特別是其中的產甲烷細菌對溫度、pH等環(huán)境因素非常敏感；④出水水質仍通常較差，一般需要利用好氧工藝進行進一步的處理；⑤氣味較大；

⑥對氨氮的去除效果不好；還可能由于原廢水中含有的有機氮在厭氧條件下的轉化導致氨氮濃度的上升。

主要缺點

我國高濃度有機工業(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、纖維素等有機物；我國當前的水體污染物還主要是有機污染物以及營養(yǎng)元素N、P的污染；目前的形勢是：能源昂貴、土地價格劇增、剩余污泥的處理費用也越來越高。

①能將有機污染物轉變成沼氣并加以利用；②運行能耗低；③有機負荷高，占地面積少；④污泥產量少，剩余污泥處理費用低；等等；厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個方面。

厭氧生物處理技術是我國水污染控制的重要手段

厭氧工藝的突出優(yōu)點是：

三、厭氧生物處理的發(fā)展趨勢

開發(fā)厭氧生物處理新工藝用來治理有機污水的污染，無疑是一種具有良好經濟效益的方法。近年來，污水厭氧處理工藝發(fā)展十分迅速，各種新工藝、新方法不斷出現(xiàn)，包括有厭氧接觸法、升流式厭氧污泥床、檔板式厭氧法、厭氧生物池、厭氧膨脹床和流化床、厭氧生物轉盤等。大家都在為提高生物處理能力和穩(wěn)定性的途徑努力著：

1.提高生物的持有量2.利用厭氧生物處理中微生物種群的特點，實現(xiàn)相分離。14.3.2厭氧生物處理的基本原理復雜有機物的厭氧降解

傳統(tǒng)觀念－－兩階段理論1.酸性發(fā)酵階段——脂肪酸；2.甲烷發(fā)酵階段——甲烷和CO2發(fā)酵：指氫供體和受氫體都是有機化合物的生物氧化作用。產生有還原性的有機物；

CH3COCOOH→2CO2+CH3CHO2CH3COOH→2CH4+2CO2發(fā)展中觀點－－三階段理論1.水解階段：碳水化合物（脂肪、蛋白質）在水解發(fā)酵菌作用下轉化為糖類、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；2.產氫產乙酸階段：脂肪酸在產氫產乙酸菌作用下轉化成H2、CO2、乙酸

CH3CH2COOH→CO2+CH3COOH+H23.產甲烷階段：最后兩組生理不同的產甲烷菌，有共同的產物4H2+CO2→CH4+2H2O（1/3）CO2還原2CH3COOH→2CH4+2CO2（2/3）乙酸脫羧

復雜有機物較高級有機酸H2乙酸CH44%76%24%52%28%72%生成甲烷生成乙酸與脫氫水解與發(fā)酵20%最新觀點－－四階段厭氧生物代謝過程

一、早期的厭氧生物反應器①1881年法國Mouras的自動凈化器：②1891英國Moncriff的裝有填料的升流式反應器：③1895年，英國設計的化糞池（SepticTank）；④1905，德Imhoff池（稱隱化池、雙層沉淀池）特點有：①處理廢水同時，也處理從廢水沉淀下來的污泥；②前幾種構筑物由于廢水與污泥不分隔而影響出水水質；③雙層沉淀池則有了很大改進，有上層沉淀池和下層消化池；④停留時間很長，出水水質也較差⑤后兩種反應器曾在英、美、德、法等國得到廣泛推廣，在我國目前仍有應用14.3.3厭氧生物處理設備化糞池例圖二、升流式厭氧污泥床工藝

在反應器的上部設置了氣、固、液三相分離器；

反應器底部設置了均勻布水系統(tǒng)

反應器內的污泥能形成顆粒污泥特點：直徑為0.1~0.5cm，濕比重為1.04~1.08；具有良好的沉降性和很高的產甲烷活性。（一）UASB工藝的工作原理升流式厭氧污泥床集生物反應與沉淀于一體的厭氧反應器，污水從下部流入，通過布水系統(tǒng)、厭氧顆粒污泥層、三相分離器，污水從上部溢流堰流出。（二）顆粒污泥形成的原理及主要工藝條件

顆粒污泥形成的原理1.三種類型的顆粒污泥：桿菌顆粒絲菌顆粒球菌顆粒2.顆粒污泥的形成原理：細菌很容易在惰性材料表面上附著并結團。污泥中存在大量的絲狀菌，具有較強的附著能力。

UASB反應器初次啟動的操作原則1、啟動階段的目的：污泥適應將要處理廢水中的有機物污泥具有很好的沉降性2、啟動時要遵守的原則：最初污泥負荷不要太高在揮發(fā)酸未能有效分解之前，不應增加反應器負荷控制厭氧細菌的生存環(huán)境種泥量要盡量多控制一定的上升流速3.形成顆粒污泥的過程：啟動與提高污泥活性階段形成顆粒污泥階段逐漸形成顆粒污泥層階段1.接種污泥2.廢水的性質3.反應器的工藝條件4.不同的出水乙酸濃度可以決定優(yōu)勢菌種

影響污泥顆?；囊蛩?/p>

影響顆粒污泥直徑大小的因素1.溫度2.底物在傳質過程中所能進入顆粒內部的深度3.有機負荷的高低4.如果低負荷忽然增加負荷將使顆粒污泥破碎5.用較大的上升氣流與產氣量可選擇性的洗出較小的顆粒污泥。（三）顆粒污泥的性質

顆粒污泥的物理性質

1.形狀不規(guī)則2.顏色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜3.相對密度在1.01---1.05左右4.污泥指數與顆粒大小有關5.顆粒污泥在反應器中的沉降速率為0.3---0.8m/h

顆粒污泥的成分

1.微生物及其分泌物微生物：各類產酸細菌和產甲烷細菌，產酸細菌在顆粒外部，產甲烷細菌在顆粒污泥內部2.惰性物質3.金屬離子

顆粒污泥的活性采用最大比底物利用速率表示，不同底物培養(yǎng)的顆粒污泥的活性不同（四）UASB反應器的結構設計原理

UASB反應器的構造

1.進水配水系統(tǒng)，將進入反應器的廢水均勻地分配到反應器整個橫斷面，起到水力攪拌并均勻上升。

2.反應區(qū)，反應區(qū)內存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部形成顆粒污泥層。廢水從厭氧污泥床底部流入，與顆粒污泥層中的污泥進行混合接觸，污泥中的微生物分解有機物，同時產生的微小沼氣氣泡不斷地放出。微小氣泡在上升過程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡。在顆粒污泥層上部，由于沼氣的攪動，形成一個污泥濃度較小的懸浮污泥層。

3.三相分離器，其功能是將氣體、固體和液體三相進行分離。

4.集氣室，其功能是收集產生的沼氣，并將其導出氣室送往沼氣柜。

5.處理水排出系統(tǒng)，均勻收集處理水并將其排出反應器。

UASB反應器的設計計算1.UASB反應器設計計算的主要內容有：①池型選擇、有效容積以及各主要部位尺寸的確定；②進水配水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、三相分離器等主要設備的設計計算；③其它設備和管道如排泥和排渣系統(tǒng)等的設計計算2.有效容積及主要構造尺寸的確定：

UASB反應器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應區(qū)的總容積作為反應器的有效容積進行考慮，多采用進水容積負荷法確定，即：

V=Q×Si/Lv

式中：Q——廢水流量，m3/d；Si——進水有機物濃度，mgCOD/l；Lv——COD容積負荷，kgCOD/m3.d。3.三相分離器的設計：三相分離器的基本原理與構造在UASB反應器中三相分離器可以有以下幾種布置形式①沉淀區(qū)的設計：要求表面負荷應小于1.0m3/m2.d；集氣罩斜面的坡度應為55~60°；沉淀區(qū)的總水深應不小于1.5m，廢水在沉淀區(qū)的停留時間應在1.5~2.0h之間；②回流縫的設計；③氣液分離效果的計算與校核；三相分離器的設計要點上升流速4.出水系統(tǒng)的設計：5.浮渣清除系統(tǒng)的設計：6.排泥系統(tǒng)設計：7.其他設計中應考慮的問題：加熱和保溫；沼氣的收集、貯存和利用；防腐；8.UASB的布水系統(tǒng)：為使底物與污泥能充分接觸，布水應盡量，避免溝流，進水方式分為間歇式，脈沖式，連續(xù)均勻流，連續(xù)與間歇回流結合9.進水水質的特性：應考慮是否影響污泥的顆?；?，形成泡沫的浮渣、降解速率等問題。10.UASB的有機容積負荷：確定有機負荷，以及進水流量和進水COD，可確定反應器的有效容積。11.UASB的水封高度：控制一定的氣囊高度可壓破泡沫，可避免泡沫和浮泥進入排氣系統(tǒng)。

UASB的特點①污泥的顆粒化使反應器內的平均濃度50gVSS/l以上，污泥齡一般為30天以上；②反應器的水力停留時間相應較短；③反應器具有很高的容積負荷；④不僅適合于處理高、中濃度的有機工業(yè)廢水，也適合于處理低濃度的城市污水；⑤UASB反應器集生物反應和沉淀分離于一體，結構緊湊；⑥無需設置填料，節(jié)省了費用，提高了容積利用率；⑦一般也無需設置攪拌設備，上升水流和沼氣產生的上升氣流起到攪拌的作用；⑧構造簡單，操作運行方便。（五）UASB反應器的若干發(fā)展形式

復合式厭氧反應器UBF

復合厭氧法是在一個設備內由幾種厭氧反應器復合而成一種厭氧處理法。目前開發(fā)的多為升流式厭氧污泥床和厭氧生物濾池復合而成的升流式厭氧污泥床過濾器。可分為無三相分離器的升流式厭氧污泥床過濾器(UBF)和有三相分離器的升流式厭氧污泥床過濾器(UASB+AF)。

厭氧折流板反應器1.基本原理：反應器中設置多個垂直擋板，將反應器分隔為數個上向流和下向流的小室，使序流過這些小室；有人認為，厭氧擋板式反應器相當于多個UASB反應器的串聯(lián)；當廢水濃度過高時，可將處理后的出水回流。2.主要特點：與厭氧生物轉盤相比，可省去轉動裝置；與UASB相比，可不設三相分離器而截流污泥；反應器啟動運行時間較短，遠行較穩(wěn)定；不需設置混合攪拌裝置；不存在污泥堵塞問題。

內循環(huán)厭氧工藝

IC反應器可以看作是由兩個UASB反應器串聯(lián)而成的,具有很大的高徑比,一般為4~8,其高度可達16~25m。IC反應器由5個基本部分組成:混合區(qū)、污泥膨脹床區(qū)、內循環(huán)系統(tǒng),精處理區(qū)和沉淀區(qū)。其中內循環(huán)系統(tǒng)是IC反應器工藝的核心構造,它由一級三相分離器、沼氣提升管、氣液分離器和泥水下降管組成三、兩相厭氧生物處理兩相厭氧法是一種新型的厭氧生物處理工藝，有機底物的厭氧降解，可以分為產酸和產甲烷兩個階段。把這兩個階段的反應分別在兩個獨立的反應器內進行。分別創(chuàng)造各自最佳的環(huán)境條件，培養(yǎng)兩類不同的微生物，并有旺盛的生理功能活動，將這兩個反應器串聯(lián)起來，形成能夠承受較高的負荷率的兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。特點：1.能夠向產酸菌、乙酸菌、產甲烷菌分別提供各自最佳的生長繁殖條件，使各個反應器達到最佳的運行效果；2.當進水負荷有大幅度變動時，酸化反應器存在著一定的緩沖作用，對后續(xù)的產甲烷反應器影響能夠緩解，具有一定的耐沖擊負荷的能力。3.酸化反應器反應進程快，水力停留時間短，負荷率高，能夠減輕產甲烷反應器的負荷。（一）兩相厭氧生物處理原理

（二）兩相厭氧生物處理技術在兩相厭氧工藝中，最本質的特征是實現(xiàn)相的分離，方法主要有：①化學法：投加抑制劑或調整氧化還原電位，抑制產甲烷菌在產酸相中的生長；②物理法：采用選擇性的半透明膜使進入兩個反應器的基質有顯著的差別，以實現(xiàn)相的分離；③動力學控制法：利用產酸菌和產甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個反應器的水力停留時間，使產甲烷菌無法在產酸相中生長。目前應用的最多的相分離的方法，是最后一種，即動力學控制法。但實際上，很難做到相的完全分離。四、懸浮生長厭氧生物處理法（一）完全混合懸浮生長厭氧消化池完全混合懸浮生長厭氧消化池屬完全混合攪拌槽式反應器，沒有污泥回流，水力停留時間和固體停留時間相等，HRT一般為15－20d由于此工藝中生物持有量少，代謝速率慢，制約了厭氧處理技術應用于廢水處理。（二）厭氧接觸法

厭氧接觸法是在厭氧反應器后設沉淀池，污泥進行回流，使厭氧反應器內污泥能維持較高的污泥濃度，降低水力停留時間。特點：1.在反應器與沉淀池之間設脫氣器，維持真空度，盡可能地將混合液中的沼氣脫除。2.在反應器與沉淀池之間設冷卻器，使混合液的溫度由下降，以抑制產甲烷菌在沉淀池內活動。3.投加混凝劑，提高沉淀效果。五、固著生長厭氧生物處理法（一）升流式厭氧填充床反應器

厭氧生物濾池是裝填濾料的厭氧反應器。厭氧微生物以生物膜的形態(tài)生長在濾料表面，廢水淹沒濾料，在生物膜的吸附作用和微生物的代謝作用以及濾料的截留作用下，廢水中有機污染物被去除。所處理的廢水的COD濃度范圍較寬，約在300~85000mg/l之間，處理效果良好，運行管理方便；與好氧生物濾池相似，厭氧生物濾池是裝填有濾料的厭氧生物反應器，在濾料的表面形成了以生物膜形態(tài)生長的微生物群體，在濾料的空隙中則截留了大量懸浮生長的厭氧微生物，廢水通過濾料層向上流動或向下流動時，廢水中的有機物被截留、吸附及分解轉化為甲烷和二氧化碳等。

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等三種形式升流式厭氧生物濾池，廢水由底部進入，向上流動通過濾料層，處理水從濾池頂部旁側升流式厭氧生物濾池中，生物量大部分以生物膜的形式附在濾料表面，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的間隙中，它的生物總量比降流式厭氧生物濾池高，降流式厭氧生物濾池，處理水由濾池底部排出，沼氣收集管仍設于池頂部上端，堵塞問題不如升流式厭氧生物濾池那樣嚴重。特點：①生物固體濃度高，有機負荷高；②SRT長，可縮短HRT，耐沖擊負荷能力強；③啟動時間較短，停止運行后的再啟動也較容易；④無需回流污泥，運行管理方便；⑤運行穩(wěn)定性較好。而主要缺點是易堵塞，會給運行造成困難。

（二）厭氧膨脹床與流化床反應器

厭氧膨脹床和厭氧流化床內充填細小的固體顆粒填料，如石英砂、無煙煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒徑一般為0.2～lmm。廢水從床底部流人，為使層膨脹，需將部分出水用循環(huán)泵進行回流，提高床內水流的上升流速。一般認為膨脹率為10％～20％稱膨脹床，顆粒略呈膨脹狀態(tài)，但仍保持互相接觸；膨脹率為20％～70％時，稱為流化床，顆粒在床中作無規(guī)則自由運動。特點：1.細顆粒的填料為微生物附著生長提供