1、主要反应:（醇和高级脂肪酸反应生成乙酸）CH3CH2OH+H2O=CH3COO-+H+2H2 CH3CH2COO-+H2O=CH3COO-+H+HCO3-+3H2 丁酸,丙酸等转化为乙酸的过程由于标准吉布斯自由能为正值,只有反应产物H+和H2的浓度低反应可以进行.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,（D）产甲烷.主要在两类不同的甲烷细菌下产生CH4,是严格厌氧过程.乙酸脱羧:2CH3COOH 2CH4+2CO2 氢还原CO2:4H2+CO2 CH4+2H2O3H2+CO CH4+H2O2H2O+4CO CH4+3CO2 此外还有利用醇还原CO
2、2 得到甲烷和有机酸等途径.,厌氧生物处理,厌氧生物处理的原理和过程示意:,Water Pollution Control Engineering,复杂有机物,挥发酸醇,CO2+H2,乙酸,CH4,水解 酸化 产氢产乙酸 产甲烷,5%,20%,28%,72%,简单有机物,10%,13%,35%,17%,30%,厌氧生物处理,（2）.其他厌氧生物处理A.硫酸盐还原:化能异氧型的硫酸盐还原细菌（SRB,Sulfate Reducing Bacteria）利用废水的有机物作为电子供体,将氧化态硫化合物（SO42-,SO32-等）还原为低价态硫化合物（HS-,H2S,S2-等）的过程。低浓度硫化合物由
3、于存在对H2的利用,对厌氧处理有机物一定程度是促进的;但较高浓度的硫酸盐会严重抑制有机物的厌氧生物降解过程（竞争底物对产甲烷菌不利;产生的H2S对微生物不利）。,厌氧生物处理,B.反硝化:硝酸盐氮（NO3-）和亚硝酸盐氮（NO2-）在厌氧或缺氧条件下被还原为氮气（N2）的过程.C.光合细菌:光能异养的光合细菌在无氧条件下利用简单有机物进行光合作用,然后在微氧或有氧条件下进行氧化代谢.光合细菌只能利用低分子量的有机物,所以需要水解作为前处理过程.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,D.厌氧氨氧化（ANAMMOX,Anaerobic Ammoni
4、um Oxidation）：是指在厌氧条件下,微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为受体,将NO3-,NO2-,NH4+转变成N2的生物转化氧化过程.N的转化过程并未清楚.,厌氧生物处理,1.2 厌氧生物处理的微生物（A）.水解酸化菌：细菌、真菌和原生动物,多为专性厌氧菌或兼性,根据分解有机物的不同,分为纤维素、碳水化合物、蛋白质、脂肪分解菌等.（B）.产乙酸菌：分2类-产氢产乙酸菌和同型乙酸菌,厌氧或兼性菌.产氢产乙酸菌将有机酸转化为氢和乙酸,同型乙酸菌将H2+CO2转化为乙酸,或将醇等转化为乙酸.,厌氧生物处理,产氢产乙酸菌：将有机酸转化为氢和乙酸.如丙酸转化为乙酸过程:C
5、H3CH2COOH+2H2O CH3COOH+3H2+CO2同型乙酸菌:将H2+CO2转化为乙酸,或将醇等转化为乙酸.如乙醇转化为乙酸:CH3CH2OH+H2O CH3COOH+2H2,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,（C）.产甲烷菌：严格厌氧菌。对环境的条件要求比较苛刻,对pH,温度,氧,有毒物质浓度等较敏感.,厌氧生物处理,厌氧微生物与好氧微生物参数的比较,厌氧生物处理,1.3 厌氧生物处理影响因素甲烷菌增殖速率慢,世代周期长,受环境影响大,对pH敏感,产甲烷菌是废水处理系统控制因素,对废水厌氧生物处理的主要因素是甲烷菌的影响因素.（1
6、）.pH：最适宜在6.87.2,由于酸化和产乙酸,系统pH容易降低,此外蛋白质降解的氨能够缓冲,系统中酸、碱度、CO2、氨降解速率达到平衡.,厌氧生物处理,（2）.温度：常温,1030；中温,35左右有适宜温度；高温,53左右.高温对微生物杀灭作用强,温度要求波动小.,消化温度与消化时间的关系:,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,（3）.污泥龄：要求大,2030d,厌氧微生物世代时间长.（4）.营养物质：COD:N:P=800:5:1,BOD:P=100:2.5:1左右.与好氧工艺相比对N,P等营养物质需求少.（5）.氧化还原电
7、位：绝对厌氧条件,-0.2V以下.（6）.有机负荷：过高,产酸速率大于产甲烷,酸积累,pH下降;水力负荷大,微生物流失;过低,反应器体积大,运行投资费用大.,厌氧生物处理,（7）.搅拌与混合：需要搅拌措施，不能过度搅拌影响微生物的生活环境。因为产乙酸和产甲烷菌的严格共生关系。（8）.有毒物质：H2S和NH3等，对微生物有毒害作用，NH3 的毒害作用以NH4+形式，与pH有关。,厌氧生物处理,1.4 厌氧生物处理工艺特点负荷高:容积负荷高,运行费用低,可回收CH4,好氧法如普通活性污泥0.5,普通生物滤池0.3,生物转盘1.0,生物接触氧化2-5,生物流化床10.0,厌氧法中温,以COD计算UA
8、SB,10-20,高温最高达40-50.剩余污泥量少:而且比较容易压缩和脱水,性质稳定,如好氧0.30.6kgVSS/kgCOD,厌氧0.050.1,相当于好氧1/5或更少.,厌氧生物处理,对高浓度废水能耗低：低浓度时厌氧生物处理能耗比好氧高,很高浓度废水厌氧处理有剩余能量.营养物质需要少，COD:P=500:1左右.,好氧法,厌氧法,废水浓度,能量,厌氧生物处理,应用范围广:可以处理低浓度或高浓度废水,由于厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解,可以处理难降解废水,城市污水工业废水,可以处理高温废水.目前基本上在污泥处理,高浓度工业废水,难降解废水应用多.对生物质
9、进行处理.脱氮除磷也涉及。卫生：高温法可以基本杀灭病原微生物.,厌氧生物处理,出水水质差:通常需要进一步好氧处理才能达标.微生物增殖速度慢,处理水量宜小,厌氧生物处理的气味较大,对氨氮的去除效果不好.操作控制条件要求较严格,设备结构复杂.厌氧过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制；厌氧微生物特别是产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感.,Water Pollution Control Engineering,1.5 废水厌氧生物处理动力学简介好氧的动力学方程仍适用,厌氧生化反应动力学方程:,厌氧生物处理,S底物浓度,X污泥浓度,Y厌氧产率系数,kd厌氧的
10、内源代谢系数.,第二节,废水厌氧生物处理工艺流程,厌氧生物处理,2.厌氧工艺流程2.1 两级厌氧根据厌氧过程CH4产生的规律设计,以节省加温与搅拌消耗的能量.在厌氧消化过程中,初始阶段产生CH4多,第一级消化池有加温、搅拌、集气装置,第二级消化池无,节省了能量.2.2 两相厌氧根据厌氧机理设计,使各消化池具有最佳微生物生长环境.水解酸化,产氢产乙酸阶段需要环境条件接近,作为第一池（相）；把产甲烷阶段作为第二池（相）,有加温、搅拌、集气装置,第二池容积小,所以加温搅拌能耗也少,运行管理较方便等.,第三节,废水厌氧生物处理反应器,厌氧生物处理,3 厌氧生物处理反应器第一代厌氧反应器：第一代厌氧反应
11、器由于无法对水力停留时间和污泥停留时间分离,造成处理废水的停留时间至少需要2030d,因此处理污水效率低.第二代厌氧反应器：50 年代-厌氧接触工艺，60 年代-厌氧滤池（AF）,70年代-UASB 反应器,标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代.以这些反应器为代表的第二代厌氧反应器的共同特点,就是实现了污泥停留时间与水力停留时间相分离,从而提高了反应器内污泥的浓度.,厌氧生物处理,第三代厌氧反应器：高效厌氧反应器中不仅要分离污泥停留时间和水力停留时间,保持高的污泥浓度,还应使进水与污泥之间保持充分的接触.但是单纯地改善混合状况有时会出现污泥的流失,因此为了解决这一问题,20 世纪90 年代以来
12、国际上相继开发出了以厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）,内循环式厌氧反应器（IC）,厌氧上流污泥床/过滤器（UBF）和厌氧序批式间歇反应器（ASBR）等为典型代表的第三代厌氧反应器.,厌氧生物反应器也可以根据微生物的生长状态分为三类：厌氧活性污泥：悬浮生长污泥厌氧生物膜：附着生长污泥厌氧污泥层：污泥形成颗粒污泥层。,厌氧生物处理,厌氧生物处理,3.1 化粪池池内分3层,上层浮渣（泥）;下层为污泥,中间是水.用来处理含粪便的污水,远离城市的宾馆等污水.流量很小的场合.生活污水一般需经过化粪池处理.,Water Pollution Control Engineering,化粪池示意图,厌氧生物处理,3
13、.2 厌氧消化池 主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水；圆柱形或蛋形池,有盖子,保持温度、收集甲烷,维持厌氧环境,需要搅拌和加温。特点：水力停留时间长,容积负荷低,可处理SS大的废水甚至有大块物料的废水,结构较简单,固液分离在同池进行,生物量小效率低下,对无搅拌的反应器存在分层微生物与有机物接触不足,温度不均匀等.,厌氧生物处理,（1）传统消化池：传统消化池又称为低速消化池，在池内没有加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统消化池的最大特
14、点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为3090天.,厌氧生物处理,传统消化池示意图：,厌氧生物处理,（2）高速消化池:与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有加热和/或搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温（3035C）条件下，其HRT可以为15天左右，运行效果稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。,厌氧生物处理,高速消化池示意图:,厌氧生物处理,（3）两级串联消化池:两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1:11:4，一
15、般为1:2。,厌氧生物处理,两级串联消化池示意图:,厌氧生物处理,3.3 厌氧生物滤池60年代末，美国的Young和McCarty首先开发出厌氧生物滤池；1972年以后，厌氧生物滤池投入运行，处理的废水的COD浓度范围较宽，约在30085000mg/l之间，处理效果良好，运行管理方便.与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或向下流动时，废水中的有机物被截留、吸附及分解转化为甲烷和二氧化碳等。,厌氧生物处理,特点：由于填料,微生物附着生长,生物量大,生物停
16、留时间长,耐冲击负荷;与消化池比,强化传质,处理能力高;污泥附着生长,不容易流失,出水SS低，无污泥回流和搅拌；设备简单操作容易方便等.下部容易堵塞,对SS高废水不宜,容易形成短路,考虑废水回流和预处理.,厌氧生物处理,根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式，即分别如下图所示：,厌氧生物处理,3.4 厌氧流化床 水底部进,小固体颗粒填料为载体,0.5mm左右,需要回流使载体膨胀.特点：比表面大,微生物浓度大,几十克/L,容积负荷大,中温达到2040kgCOD/m3d;耐冲击负荷运行稳定;流化能耗大,需要载体.,填料
17、层,进水,出水,CH4,厌氧生物处理,3.5 厌氧生物转盘与好氧生物转盘同,但需要密闭,盘片全部浸没在废水中,组成：盘片,反应槽（密封）、转轴,驱动装置.,特点：微生物浓度大、负荷高;不需水回流、污泥回流;耐冲击负荷;盘片造价高.,转动盘片,固定盘片,进水,出水,转轴,CH4,反应槽,厌氧生物处理,3.6 厌氧挡板反应器由厌氧生物转盘发展的,若干挡板将水隔成升流,降流交替,相当于很多UASB组成,进水浓度大需要回流.,特点：类似UASB和厌氧生物转盘；污泥浓度大,容积负荷高;既存在颗粒污泥,又存在生物膜,耐冲击负荷;不容易堵塞;不需载体,不需搅拌.缺点同厌氧生物转盘,盘片.,CH4,进水,出水
18、,回流,挡板,厌氧生物处理,3.7 厌氧接触法（1）原理:通过在反应器后设置沉淀池,将污泥回流到反应器以增加污泥浓度.,厌氧接触法工艺流程,消化池,废水,脱气,沉淀池,剩余污泥,沼气,回流污泥,厌氧接触法工艺的特点是污泥回流，就使得消化池的HRT与SRT得以分离，即系统的污泥龄（SRT,即）下式计算：厌氧细菌生长缓慢，基本可不排放污泥，则Qw=0，则：,厌氧生物处理,普通高速厌氧消化池，由于其Xe=X，所以其c=HRT，因此在中温条件下，为了满足产甲烷菌的生长繁殖，SRT要求2030d，因此高速厌氧消化池的HRT为2030d。厌氧接触工艺，由于X Xe，所以HRT SRT；而且X越大，则HRT
19、可以越短,HRT可以缩短到几小时 十几小时.,厌氧生物处理,厌氧生物处理,（2）厌氧接触工艺本质：属于厌氧活性污泥工艺,污泥悬浮生长.沉淀池泥水分离困难（?）解决方法：真空脱气,使气泡破裂;热交换急冷却，以抑制产气过程;絮凝沉淀;采用膜滤；浮选.,厌氧生物处理,（3）厌氧接触工艺特点：污泥浓度高，过高易造成污泥膨胀（类似好氧活性污泥）;容积负荷较高；处理能力强,适合处理高SS废水,无堵塞问题;增加了回流、沉淀、脱气等设备,且脱气困难,抗冲击负荷能力不强.,厌氧生物处理,3.8 升流式厌氧污泥床（UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket）（1）UASB工艺原理：生
20、物反应与沉淀一体,反应器同时具有沉淀功能,进水从下向上通过反应器,底部存在污泥浓度很高活性很高的污泥层,颗粒污泥层；上为悬浮污泥层,两污泥层为反应区。三相分离器：气液固分离.形成颗粒污泥是UASB工艺的关键,关于颗粒污泥的形成机理.,厌氧生物处理,（2）UASB反应器结构：进水分配系统：配水均匀反应区：颗粒和悬浮污泥三相分离：作用等于沉淀池,收集气体,1）进水配水系统：功能：废水均匀地分配到反应器底部；水力搅拌；2）反应区：分为污泥床区和污泥悬浮区,污泥床区集中了高活性的颗粒污泥，污泥悬浮区是絮状污泥集中的区域.3）三相分离器：功能:将气,固,液分开;保证出水水质;维持反应器内污泥量;有利于污
21、泥颗粒化.,厌氧生物处理,UASB反应器外观,厌氧生物处理,UASB反应器收集沼气警示牌,厌氧生物处理,UASB反应器沼气收集管,厌氧生物处理,沼气,UASB反应器中间沉淀池表面有大量的沼气释放！,厌氧生物处理,厌氧生物处理,（3）.UASB工艺特点：底部污泥浓度大,水力停留时间短（接近好氧）,容积负荷高；底部污泥以颗粒存在,最大比重达1.041.08,污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强,所以耐冲击负荷；颗粒污泥的相对密度比人工载体小,在一定的水力负荷下,可以靠反应器内产生的气体来混合,可省去搅拌和回流污泥所需的设备和能耗；,厌氧生物处理,沉降良好的颗粒污泥避免了附设沉淀分离装置,辅助脱
22、气装置和回流污泥设备,简化了工艺,节约了投资和运行费用；容积利用率高,无堵塞问题；处理效果好;需要分离器,如果污泥膨胀则污泥流失；启动时间长,对水质要求,（SS不能太高,排泥少,形成污泥密度低）,对N,P去除效果差;操作管理要求高.,厌氧生物处理,（4）UASB反应器中的（颗粒）污泥:颗粒污泥和悬浮污泥.反应器底部是颗粒污泥,污泥浓度大;反应器中部是悬浮污泥,污泥浓度较大.,UASB反应器内污泥浓度特征 A:水力负荷低 B:水力负荷高,厌氧生物处理,A,B,颗粒污泥的性质:能在反应器内形成沉降性能良好、活性高的颗粒污泥是UASB反应器的重要特征，颗粒污泥的形成与成熟，也是保证UASB反应器高效
23、稳定运行的前提.（1）颗粒污泥的外观（2）颗粒污泥的组成（3）颗粒污泥的培养驯化,厌氧生物处理,颗粒污泥,厌氧生物处理,颗粒污泥层的形成与培养（反应器启动）:（1）最初的污泥负荷应低于0.10.2kgCOD/（kgSSd）；（2）废水中原来存在和产生出来的各种挥发酸未能有效地分解之前，不应增加反应器负荷；（3）反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧细菌繁殖的范围内；（4）种泥量应尽可能多，一般应为1015kgVSS/m3；（5）控制一定的上升流速，允许多余的污泥冲洗出来，截留住重质污泥。,厌氧生物处理,形成颗粒污泥层的过程：第一阶段：启动与提高污泥活性阶段；有机负荷1kgCOD/（m3d），时间
24、约11.5个月。第二阶段：形成颗粒污泥阶段；有机负荷选择13kgCOD/（m3d），颗粒逐渐成长为直径13mm左右的颗粒污泥，此阶段11.5月。第三阶段：逐渐形成颗粒污泥层阶段。反应器的有机负荷大于35kgCOD/（m3d），随着负荷的提高，反应器的污泥总量逐渐增加，污泥层逐渐提高，颗粒污泥层需要34个月。,厌氧生物处理,颗粒污泥性质1.颗粒污泥的物理性质（1）形状不规则，一般呈球形或椭球形，直径0.12mm左右，最大可达35mm；（2）颜色呈灰黑色或褐黑色；（3）相对密度一般为1.011.05左右；（4）污泥指数（SVI）与颗粒大小有关，颗粒污泥一般为10mL/gSS；（5）颗粒污泥在反应器
25、中的沉降速率一般为0.30.8m/h；2.颗粒污泥的成分含有微生物及分泌物外。一般都含有惰性物质，还含有金属离子。成熟的颗粒污泥，VSS/SS一般为7080，根据废水性质可在3090。,厌氧生物处理,（5）UASB反应器中的结构设计UASB反应器在一定程度上还属于较新的废水处理工艺技术，在实际应用过程中还存在着许多不确定因素，因此还没有形成完善的工程设计的计算方法。UASB反应器设计需要考虑的主要因素为：（1）废水组成成分和固体含量；（2）有机容积负荷；（3）上升流速；（4）三相分离系统；（5）布水系统和水封高度等物理特性。,厌氧生物处理,废水性质:废水溶解性COD越高,负荷可以越大;进水SS
26、不宜高于6g/L.上升流速:上升流速相当于表面水力负荷（m3/m2 d）,考虑污泥的沉降性能.,有效容积及主要构造尺寸的确定：UASB反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：式中：Q-废水流量，m3/d；Si-进水有机物浓度，mgCOD/l；Lv-COD容积负荷，kgCOD/m3 d。,厌氧生物处理,UASB反应器的容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否能够在反应器内形成颗粒污泥等多种因素有关，在不同的反应温度下的进水容积负荷的选择可参考如下数据：,厌氧生物处理,厌氧生物处理,三相分离器的结构气、固、液分离器又称三相分离器，
27、由沉淀区、集气室（或称集气罩）和气封组成，其功能是把气体（沼气）、固体（微生物）和液体分离。气体被分离后进入集气室（罩），然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体藉重力由回流缝返回反应区。,厌氧生物处理,三相分离器的结构设计示意图,厌氧生物处理,三相分离器的设计应考虑以下几方面的因素：（1）沉淀器底部倾角应较大，可选择4560（2）沉淀器内最大截面的表面水力负荷应保持在us=0.7m3/m2d 以下，水流通过液固分离孔隙的平均流速应保持在u0=2m3/m2d 以下；（3）气体收集器间缝隙的截面面积不小于总面积的1520;（4）对于高为57m的反应器，气体收集器的高度应为1.52m;（5
28、）b100200mm；（6）控制气室 的水面高度及压力。,厌氧生物处理,EGSB结构示意图：比UASB多出水循环系统,膨胀的颗粒污泥,三相分离器,CH4,进水,出水,3.9 厌氧膨胀颗粒污泥床（Expanded Granular Sludge Bed,EGSB）:与UASB 比,具有更高的液体升速,使颗粒污泥床处于膨胀状态.,厌氧生物处理,EGSB特点：工作区为流态化的初期,即膨胀阶段,进水流速较低,在充分保证进水基质与污泥颗粒接触的条件下,加速生化反应,增加容积负荷；反应器高度大-占地面积小;有利于减轻或消除静态床（如UASB）中常见的底部负荷过重的状况,增加对毒物的承受能力,更耐冲击负荷;
29、避免反应器内死角和短流,均匀了负荷,运行稳定;为使污泥膨胀,采用出水循环,需要更高的动力;,厌氧生物处理,3.10 内循环式厌氧反应器（Internal Circulation,简称IC）:IC反应器实际上是由底部和上部两个UASB反应器串联叠加而成。反应器具有两个三相分离器,使生物量得到有效滞留：进水和循环回流的泥水在膨胀床部分充分混合，使进水得到稀释和调节，并在此形成致密的厌氧污泥膨胀床.,IC反应器的结构示意图:利用的CH4气提作用实现内循环;在无外能量的条件下,实现一级反应器的污泥膨胀-流化态.核心是在UASB基础上实现了内循环.,厌氧生物处理,CH4,气水分离室,进水,出水,H2O,1.一级三相分离器;2.沼气提升管;3.气水分离
