1、第三章廢水的厭氧處理The Anaerobic Processes第三章 廢水厭氧生物處理技術第一節 厭氧生物處理的基本原理第二節 厭氧消化池第三節 厭氧接觸法第四節 升流式厭氧污泥層反應器第一節 厭氧生物處理的基本原理一、厭氧生物處理過程及其特征 厭氧生物處理過程又稱厭氧消化，是在厭氧條件下由多種微生物的共同作用，使有機物分解并生成CH4和CO2的過程。厭氧分解過程圖3-1 有機物的厭氧分解過程圖3-2 厭氧生物處理的四階段理論（1967年，Bryant) 有機物質 發酵細菌長鏈脂肪酸、醇類 產氫產乙酸細菌乙酸 H2/CO2 產甲烷細菌 CH4圖3-3 厭氧生物處理的三階段理論（1979年）

2、第一階段：水解發酵階段 水解 糖酵解 多糖 單糖 乙醇和脂肪酸 水解 脫氨基 蛋白質 氨基酸 脂肪酸和氨 第二階段：產氫、產乙酸階段，由產氫產乙酸 細菌將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉化為 乙酸、H2和CO2。第三階段：產甲烷階段，由產甲烷細菌利用乙 酸、H2和CO2，產生甲烷。厭氧生物處理的主要特征：1. 能量需求大大降低，還可產生能量。 不需供氧，相反卻能生產出沼氣。污泥產量極低。 厭氧微生物的增殖 速率比好氧微生物低得多。對溫度、pH等環境因素更為敏感。高 溫厭氧菌和中溫厭氧菌的適宜溫度范 圍分別為55 和35 左右。4.處理后廢水有機物濃度高于好氧處理。厭氧微生物可對好氧微生物所不能降

3、解的一些有機物進行降解（或部分降解）。6. 處理過程的反應較復雜。 二、厭氧消化微生物（一） 發酵細菌（產酸細菌) 1.屬別包括梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、真細菌屬和雙歧桿菌屬。大多數為專性厭氧菌，也有大量兼性厭氧菌。2.功能 通過胞外酶將不溶性有機物水解成可溶性有機物，再將可溶性的大分子有機物轉化成脂肪酸、醇類等。 （二）產氫產乙酸細菌1.屬別 包括互營單胞菌屬、互營桿菌屬、 梭菌屬和暗桿菌屬。 為絕對厭氧菌或是兼性厭氧菌。2.功能 把各種揮發性脂肪酸降解為乙酸 H2，反應如下：乙醇：CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 2H2丙酸：CH3CH2COOH + 2H2O CH3C

4、OOH + 3H2 +CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2 (三）產甲烷細菌最常見的是：產甲烷桿菌、產甲烷球菌、產 甲烷八疊球菌、產甲烷螺菌和產甲烷絲 菌等。產甲烷菌都是絕對厭氧菌,在分類學上屬于古細菌。可分為兩類：（1）利用乙酸產生甲烷 CH3COOH CH4 + CO2 (2) 利用H2和CO2合成CH4 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O三、厭氧微生物的培養上世紀60年代末Hungate 開創了絕對厭氧微生物的培養技術。 (一）Hungate 滾管法（二）充氮厭氧培養袋法 原理利用NaBH4或 KBH4與水反應生成氫氣，在催化劑鈀的作用

5、下，H2與袋內的O2生成水。（三）焦性沒食子酸去氧法 在堿性溶液中。（四）厭氧罐培養法 (五） 倒扣平板法四、產甲烷菌古細菌與 三原界系統在對各大類生物的16SrRNA核苷酸順序的同源性測定的基礎上，R. H. Whittaker 和 L. Marhulis提出了三原界學說（圖34） 產甲烷菌在分類學上屬于古細菌 （Archaebacteria)與真細菌相比，古細菌有特點：（1）細胞膜的類脂結構 古細菌所含的類 是不可皂化的。（2）細胞壁成分獨特而多樣 不含胞壁酸、 D型氨基酸和二氨基庚二酸（3）核糖體的16SrRNA 其核苷酸順序獨特，不同于真細菌和真核生物。（4) tRNA成分 順序獨特，

6、不存在T(5)蛋白質合成的起始密碼 始于甲硫氨酸 與真核生物相同。（6）對抗生素等的敏感性 對青霉素、 頭孢霉素、D-環絲氨酸和氯霉素不敏 感，而對白喉毒素十分敏感。（7）生態條件獨特 嚴格厭氧菌：產甲烷菌 極端嗜鹽菌 嗜熱嗜酸菌五、厭氧生物處理微生物群體 間的關系（一） 不產甲烷細菌（包括發酵細菌和產 氫產乙酸細菌）為產甲烷細菌提供 生長和產甲烷所需要的基質。（二）不產甲烷細菌為產甲烷細菌創造適宜 的氧化還原條件。（三）不產甲烷細菌為產甲烷細菌清除有毒 物質。（四）產甲烷細菌為不產甲烷細菌的生 化反應解除反饋抑制。（五）不產甲烷細菌和產甲烷細菌共同 維持環境中適宜的pH值。 總之，在厭氧生物

7、處理反應器中，不產甲烷菌和產甲烷菌相互依賴，互為對方創造與維持生命活動所需要的良好環境和條件，但又互相制約。六、厭氧生物處理的影響因素（一）溫度 （二）pH值 產甲烷菌的最適pH值范圍為6.87.2 高溫消化（55 左右）的反應速率為中溫消化（35 左右）的1.51.9倍，產氣率較高，但甲烷含量較低。 新型反應器處理廢水的厭氧消化反應在常溫（2025 ）下進行。 厭氧發酵體系中的pH值除受進水pH的影響外，還取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡。（三）氧化還原電位 嚴格的厭氧環境是產甲烷菌進行正常活動的 基本條件，用氧化還原電位來表示反應器的含氧濃度。 不產甲烷菌: +100 -100mV 產甲

8、烷菌: -150 -400mV(四）營養 對C、N等營養物質的要求略低于好氧微生物。但由于不能合成某些必要的維生素或氨基酸，故需補充鉀、鈉、鈣等金屬鹽類，以及鎳、鋁、鈷和鉬等微量金屬。（五）有機物負荷 以向每立方米消化池中，在1日內可投加的有機物量或BOD量來表示（kg（m3.d)（六）有毒物質 有毒物質會對厭氧微生物產生不同程度的抑制，使厭氧消化過程受到影響甚至遭到破壞。 抑制性物質：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物以及某些人工合成的有機物。 厭氧微生物可降解蒽醌類燃料、偶氮燃料、含氯的有機殺蟲劑等在好氧條件下難以降解的合成有機物。 2氯丙醇、1氯丙烷、2氯丙烷、丙烯醛和甲醛等對厭氧微生物有毒害

9、作用。七、厭氧生物處理與好氧生物處理的區別（一）起分解作用的微生物類群不同。（二）好氧處理有機物所需時間比用厭氧法處理短的多，沒有臭氣產生。（三）厭氧生物處理對環境要求與好氧生物處理不同。（四）厭氧法的降解較不徹底，放熱少，反應速度低，處理的有機物負荷低。（五）處理對象不同 厭氧生物處理多用于處理沉降的有機污泥和高濃度的有機廢水；而好氧生物處理則多用于處理有機污染濃度較低或適中的廢水。 近年來，開發了好氧技術和厭氧技術聯合運用的方法，大大推進了生物處理技術的研究和應用。八、厭氧生物處理工藝的發展化糞池、雙層沉淀池厭氧接觸法第二代廢水厭氧處理反應器 （厭氧濾池、上流式厭氧污泥床反應器、厭氧附著膜

10、膨脹床、下行式固定膜反應器和厭氧流化床等。第二節 污水的厭氧生物處理方法化糞池厭氧生物濾池厭氧接觸法上流式厭氧污泥床反應器分段厭氧處理法厭氧消化池一、消化池類型與構造 厭氧消化池主要用于處理城市廢水廠的污泥，也用于處理固體含量很高的有機廢水。（一）消化池的分類根據消化池頂結構不同分為： 固定蓋消化池 浮動蓋消化池根據消化池運行方式的不同分為： 傳統消化池 高速消化池1.傳統消化池 又稱低速消化池，池內不設加熱和攪拌裝置。 消化速率很低，消化時間長，只有在規模小的廢水處理廠才采用。2.高速消化池 設有加熱和攪拌裝置，厭氧微生物與有機物得到充分的接觸，消化速率高，消化期一般為15天，被廢水處理廠廣

11、泛采用。（二）消化池的構造由池頂、池底和池體三部分組成。攪拌設備： 機械攪拌：泵攪拌 螺旋槳式攪拌 噴射泵攪拌 沼氣攪拌：氣提式攪拌 豎管式攪拌 氣體擴散式攪拌加熱設備：1.池內蒸汽直接加熱 設備簡單，局部污泥易 過熱，影響微生物的正常活動，增加污泥的含水率，從而增加消化池容積。 2.池外加熱 污泥預熱后投配到消化池中，易于控制，有利于殺死寄生蟲卵，不會對厭氧微生物產生不利影響。但加熱設備較復雜。化糞池是最早的厭氧生物處理構筑物厭氧濾池（anaerobic filter又稱厭氧固定膜反應器，是60年代末開發的新型高效厭氧處理裝置。濾池呈圓柱形，池內裝放填料，池底和池頂密封。厭氧微生物附著于填料

12、的表面生長，當廢水通過填料層時，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，并產生沼氣，沼氣從池頂部排出。厭氧生物濾池進水可采用升流式，也可以采用降流式厭氧生物濾池厭氧生物濾池的特點：缺點：厭氧微生物總量沿池高度分布是很不均勻的，在池進水部位高。當廢水中有機物濃度高時，特別是進水懸浮固體濃度和顆粒較大時，進水部位容易發生堵塞現象。改進：出水回流；部分充填載體；采用軟性填料。優點：濾池中的微生物量較高，可承受的有機容積負荷高，COD容積負荷為2-16 kgCOD/(m3d)，且耐沖擊負荷能力強；廢水與生物膜兩相接觸面大，強化了傳質過程，因而有機物去除速度快；微生物固著生長為主，不易流失，

13、因此不需污泥回流和攪拌設備；啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短。厭氧生物濾池優點厭氧接觸法在混合接觸池（消化池）后設沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobic contact process)。厭氧接觸法工藝特點特點通過污泥回流，保持消化池內污泥濃度較高，一般為10-15g/L，耐沖擊能力強；消化池的容積負荷較普通消化池高，水力停留時間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15-30天，而接觸法小于10天；可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題；混合液經沉降后，出水水質好，需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設備厭氧接觸法存在混合液難于

14、在沉淀池中進行固液分離的缺點。厭氧接觸法上流式厭氧污泥床反應器由反應區、沉淀區和氣室三部分組成。上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設置氣、液、固三相分離器，則一般為矩形，高度一般為3-8m，其中污泥床1-2m，污泥懸浮層2-4m，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構，（UASB upflow anaerobic sludge blanket reactor) UASB布置結果示意圖布水區反應區三相分離區超高需要全圖cad圖紙特點反應器內污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30-40g/L，污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度發展的顆粒污泥。

15、有機負荷高，水力停留時間短。中溫消化，COD容積負荷一般為10-20kg COD/（m3d）；反應器內設三相分離器，被沉淀區分離的污泥能自動回流到反應區，一般無污泥回流設備；無混合攪拌設備。投產運行正常后，利用本身產生的沼氣和進水來攪動污泥床內不填載體，節省造價及避免堵塞問題。反應器內有短流現象，影響處理能力。運行啟動時間長，對水質和負荷突然變化比較敏感。上流式厭氧污泥床反應器將水解酸化過程和甲烷化過程分開在兩個反應器內進行。第一段：完成水解和液化固態有機物為有機酸；緩沖和稀釋負荷沖擊與有害物質，并截留難降解的固態物質。 反應器可采用簡易非密閉裝置、在常溫、較寬pH值范圍條件下運行。第二段：保

16、持嚴格的厭氧條件和pH值，以利于甲烷菌的生長；降解、穩定有機物，產生含甲烷較多的消化氣。 第二步反應器則要求嚴格密封、嚴格控制溫度和pH值范圍。分段厭氧處理法接觸消化池-上流式污泥床兩步消化工藝熱交換器被廢水加熱到需要的溫度水解產酸反應，控制條件之產生脂肪酸，盡量不產生沼氣沉降分離，去除不溶性有機物產甲烷階段，使第一步反應產生的有機酸生成甲烷和二氧化碳等最終產物纖維填料厭氧濾池和上流式厭氧污泥床復合法工藝兩步厭氧法具有如下特點:（a）耐沖擊負荷能力強，運行穩定，避免了一步法不耐高有機酸濃度的缺陷；（b）兩階段反應不在同一反應器中進行，互相影響小，可更好地控制工藝條件；（c）消化效率高，尤其適于

17、處理含懸浮固體多、難消化降解的高濃度有機廢水。（d）但兩步法設備較多，流程和操作復雜。其它厭氧處理法厭氧生物轉盤： 構造與好氧生物轉盤相似，不同之處在于盤片大部分 (70以上)或全 部浸沒在廢水中，整個生物轉盤設在一個密閉的容器內。厭氧擋板反應器： 從研究厭氧生物轉盤發展而來的，生物轉盤不轉動即變成厭氧擋板反應器。 同時，厭氧擋板反應器實質上是一系列升流式厭氧污泥床，但不設三相分離器。厭氧生物轉盤示意圖特點：微生物濃度高勿需處理水回流生物膜經常保持較高的活性耐沖擊負荷，處理過程穩定性強可采用多級串連，各級微生物處于最佳生存條件運行管理方便盤片成本較高厭氧擋板反應器示意圖特點：反應器啟動期短。實

18、驗表明接種一個月，就有顆粒污泥形成，兩個月可穩定運行。避免厭氧濾池等堵塞問題避免UASB因污泥膨脹而發生污泥流失問題不需要攪拌不需要載體UTC工藝流程工藝特點：UCT工藝是目前比較流行的厭氧與好氧相結合的生物除磷工藝流程。它是在A/A/0工藝的基礎上對回流方式作了調整以后提出的。其與A/A/0工藝的不同之處在于它的污泥回流是缺氧池回流到厭氧池，這樣就阻止了處理系統中硝酸鹽（NO3-）進入到厭氧池而影響在厭氧過程中磷的充分釋放。但在運行過程中，須注意當進水中的總氮與COD的比值較高時，應減少混合液的回流比，以防止NO3-進入到厭氧池中。7/17/202255本講內容： 第三節 厭氧接觸法 第四節

19、 升流式厭氧污泥層反應器 第五節 其他厭氧生物處理法第三節 厭氧接觸法一、厭氧接觸法的工藝流程和特點 厭氧接觸法是契羅撥特（Schroepter）在50年代開創的，是對普通厭氧生物處理法的改進，其工藝流程見下圖。 （一）工藝流程1.回流污泥的目的 提高消化池中污泥的濃度，使消化池內混合液的污泥濃度遠大于沉淀池出水的污泥濃度，大大縮短了水力停留時間。2.沉淀池的目的 進行固液分離，減少出水懸浮物濃度，改善出水水質，提高回流污泥的濃度。（二）特點與普通厭氧消化法相比，厭氧接觸法的特點：（1）消化池污泥濃度高 510g VSS/L (2) 消化池有機容積負荷高 中溫消化時，COD容積負荷為16kg

20、COD/(m3.d),去除率為7080; BOD5容積負荷為0.52.5kg BOD5 /(m3.d),去除率為8090（3）出水水質較好 COD 、BOD5和懸 浮物濃度都較低（4）增設沉淀池、污泥回流系統和 真空 脫氣設備，流程復雜（5）適合于處理懸浮物濃度和有機物濃度 都較高的廢水（三）主要問題及原因1.主要問題 固液分離比較困難，出水BOD、 COD和懸浮物濃度較高。2.原因（1） 混合液中污泥上附著有大量氣泡，在沉淀 過程中易上浮到水面并隨出水帶到池外。（2）從消化池排出的污泥仍具有產甲烷活性， 在沉淀過程中繼續產氣，使污泥隨氣體上浮。（四）解決方法1.在消化池和沉淀池之間設真空脫氣

21、器充分脫 除混合液中的沼氣。2.在沉淀池之前設熱交換器，對混合液進行急 劇冷卻，35 15，抑制污泥在沉淀 過程中繼續產氣。3.向混合液投加混凝劑 NaOH FeCl34.用過濾器代替沉淀池二、厭氧接觸法的幾種形式（一）充填載體的厭氧接觸法 向消化池投加惰性載體 如石英砂、無 煙煤等。 投加量 3 目的 ：增加消化池的污泥濃度，提高污泥的相對密度，從而提高固液分離效果。該法適于處理易水解的有機廢水，也適于處理含有不可降解的懸浮物的廢水。（二）投磁粉的厭氧接觸法向消化池投加直徑為110m的磁粉（Fe4O3)，也是一種有載體的厭氧接觸法，即利用載體提高消化池內微生物濃度和改善沉淀池的固液分離效果。

22、 從消化池排出的混合液在進入沉淀池之前經過磁體，在磁場的作用下，使混合液中污泥集聚形成為較大顆粒，以提高沉淀效果。 沉淀后的污泥可直接回流至消化池。 工藝流程第四節 升流式厭氧污泥層 反應器一、升流式厭氧污泥層反應器的特征及構造（一）特征 升流式厭氧污泥層（Upflow Anaerobic Sludge Blanket,簡稱UASB)反應器是荷蘭Wageningen農業大學的Lettinga等人于19731977年間研制成功的。 Lettinga博士和他的同事首先在實驗室進行了容積為60L的上流式厭氧污泥床反應器的試驗研究。結果表明,該處理裝置的處理效能很高。其后,荷蘭、德國、瑞典、比利時和美

23、國的研究者用UASB反應器進行了土豆加工廢水、蠶豆加工廢水、屠宰廢水、罐頭制品加工廢水、甲醇廢水、乙酸廢水及纖維板廢水的小試或生產性試驗,都取得了較好的結果。 我國于1981年開始了UASB反應器的研究工作,在處理高濃度有機廢水方面,已得到了實際的推廣應用。圖341 UASB反應器工作原理示意圖圖3-4-2 UASB反應器的 工作狀態模型 污泥床區 反應區 UASB反應器 污泥懸浮層區 沉降區（1）有機負荷居第二代反應器之首，水力 負荷能滿足要求。（2）由于污泥顆粒化增強了反應器對不利 條件的抗性。（3）UASB省去了攪拌和回流污泥的設備和 能耗。（4）氣固液三相分離器的設置，簡化了工 藝，節

24、約了費用。（5）反應器內不需投加填料和載體，提高 了容積利用率，避免了堵塞問題。（二）構造1.進水配水系統 將廢水均勻地分配到整個反應器，同時具有水力攪拌的功能，是保證反應器高效運行的關鍵之一。2.反應區 包括污泥床區和污泥懸浮層區，是反應器的主要部位。3.三相分離器 由沉淀區、回流縫和氣封組成。 功能：分開沼氣、污泥和液體 4.出水系統 均勻收集沉淀區處理過的水，并排出反 應器。5.氣室 也稱集氣罩，收集沼氣。6.浮渣清除系統 清除沉淀區和氣室液面的浮渣。7.排泥系統 均勻地排出反應區的剩余污泥。處理對象不同的兩種UASB反應器開敞式UASB反應器的特點 反應器的頂部不加密封，出水水面是開放

25、的，或加一層不密封的蓋板。 主要適于處理中低濃度的廢水。 由于出水中的有機物濃度較低，所以在沉淀區產生的沼氣數量很少，一般不再收集。封閉式UASB反應器的特點 反應器的頂部加蓋密封，有固定蓋和浮動蓋兩種。 在液面和池頂之間形成氣室，可同時收集反應區和沉淀區產生的沼氣。 適于處理高濃度有機廢水和硫酸鹽含量較高的廢水。二、新的問題(1)污泥顆粒化是UASB運行是否正常的關鍵。培養出沉降性能良好的厭氧顆粒污泥，要適當調節堿度和適時調整水力負荷,以及控制COD、N、P的比例,這較難做到。 (2)處理各種廢水都需要一定的溫度,要保持在20以上。溫度低,則效果較差,且單用UASB一種工藝,廢水一般不能完全

26、達標,只能與其他工藝聯合使用。(3)因UASB反應器上流速度難于控制,造成污泥從厭氧反應器流失的現象。這就是影響處理系統工作穩定性的潛在因素。厭氧微生物對于運轉條件的強敏感性,可能會影響其自身生長并導致流失。因此,一個理想的UASB工藝就應當能夠保持良好的生物停留狀態而不受廢水流量的影響,在反應器內有效地維持較高的微生物濃度。三、應用從UASB反應器的工程實踐看,國內北京、無錫、蘭州等地率先于20世紀80年代末期采用UASB工藝處理啤酒及酒糟污水。以蘭州某釀酒廠采用的UASB反應器為例,在COD負荷高達48.25kg/(m3d),污泥負荷高達5.42kg/(kgd), 水力停留時間11h的情況

27、下,反應器運行功能穩定,并可保證有80%的COD去除率,同時可獲得12.53L/(Ld)的甲烷產氣率,出水pH大于7.15。可見,采用高負荷UASB反應器處理酒糟污水,較之采用通常負荷時的情況,COD去除率下降不大,甲烷回收總量減少不多,但可大大縮小反應器的容積,節省基建投資,這在經濟上是很有意義的。 UASB工藝從20世紀80年代末期一直發展至今,應用越來越廣泛,從80年代末期的處理啤酒廠,酒廠廢水(用單一UASB工藝),90年代末期的與其他工藝聯合使用,四、應用前景UASB反應器具有容積負荷率高、處理容量大、投資少、占地面積小、啟動快、運行穩定等優點,是對現代厭氧反應的一個突破。 近年來的生化處理不再偏重于厭氧處理法,其發展趨勢是將厭氧與好氧處理有機地結合起來,充分發揮他們各自的優勢。目前將傳統的UASB反應器與好氧生物流化床結合起來,研制一種處理效率高、操作簡單、占地面積小、成本較低的三相流化床處理設備,以適應于餐飲業廢水的處理,解決目前餐飲廢水難于集中處理的問題。 由此看來,研制出厭氧和好氧處理結合于一體的工藝設備將會有較好的應用前景。第五節 其它厭氧生物處理反應器 近年來，廢水的厭氧生物處理工藝以其獨特的技術優勢受到