第3章 水的生物化学处理方法（12学时） 本章教学内容： 废水处理的微生物学基础，活性污泥法，生物膜法，厌氧生物技术，污泥处理技术 本章教学要求： 理解微生物处理废水的基本原理，掌握活性污泥法的原理与常用的几种工艺流程，掌握生物膜法的原理与几种典型处理工艺；掌握厌氧生物处理技术的机理与影响因素以及处理工艺； 熟悉污泥的性质和常见的处理技术。 本章教学重点： 活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理技术、污泥的处理 本章习题: P290 1, 2, 3, 5，7，13，14 3.1废水处理微生物学基础（2学时） 一、废水处理中的微生物 净化污水的微生物主要有细菌、真菌、藻类、原生动物和小型的后生动物等。 从利用碳源的角度来说，可分为自养型微生物和异养型微生物。 从利用氧气的角度来分，有好氧、厌氧和兼性三类。 针对单细胞的细菌，从形体来分，有球菌、杆菌和螺旋菌三类。净化污水中，微生物增长与递变的模式，祥教材205页。 二、微生物的生理学特性 生物酶与代谢过程祥教材206页。 三、细菌生长曲线及莫诺公式 活性污泥中微生物的增殖是活性污泥在曝气池内发生反应、有机物被降解的必然结果，而微生物增殖的结果则是活性污泥的增长。 1、活性污泥的增殖曲线 注意：1)间歇静态培养；2)底物是一次投加；3)图中同时还表示了有机底物降解和氧的消耗曲线。 ① 适应期： 是活性污泥微生物对于新的环境条件、污水中有机物污染物的种类等的一个短暂的适应过程；经过适应期后，微生物从数量上可能没有增殖，但发生了一些质的变化：a.菌体体积有所增大；b.酶系统也已做了相应调整；c.产生了一些适应新环境的变异；等等。BOD5、COD等各项污染指标可能并无较大变化。 ② 对数增长期： F/M值高((2.2)，所以有机底物非常丰富，营养物质不是微生物增殖的控制因素；微生物的增长速率与基质浓度无关，呈零级反应，它仅由微生物本身所特有的最小世代时间所控制，即只受微生物自身的生理机能的限制；微生物以最高速率对有机物进行摄取，也以最高速率增殖，而合成新细胞；此时的活性污泥具有很高的能量水平，其中的微生物活动能力很强，导致污泥质地松散，不能形成较好的絮凝体，污泥的沉淀性能不佳；活性污泥的代谢速率极高，需氧量大；一般不采用此阶段作为运行工况，但也有采用的，如高负荷活性污泥法。 ③ 减速增长期： F/M值下降到一定水平后，有机底物的浓度成为微生物增殖的控制因素；微生物的增殖速率与残存的有机底物呈正比，为一级反应；有机底物的降解速率也开始下降；微生物的增殖速率在逐渐下降，直至在本期的最后阶段下降为零，但微生物的量还在增长；活性污泥的能量水平已下降，絮凝体开始形成，活性污泥的凝聚、吸附以及沉淀性能均较好；由于残存的有机物浓度较低，出水水质有较大改善，并且整个系统运行稳定；一般来说，大多数活性污泥处理厂是将曝气池的运行工况控制在这一范围内的。 ④ 内源呼吸期： 内源呼吸的速率在本期之初首次超过了合成速率，因此从整体上来说，活性污泥的量在减少，最终所有的活细胞将消亡，而仅残留下内源呼吸的残留物，而这些物质多是难于降解的细胞壁等；污泥的无机化程度较高，沉降性能良好，但凝聚性较差；有机物基本消耗殆尽，处理水质良好；一般不用这一阶段作为运行工况，但也有采用，如延时曝气法。 2、活性污泥增殖规律的应用： ① 活性污泥的增殖状况，主要是由F/M值所控制； ② 处于不同增值期的活性污泥，其性能不同，出水水质也不同； ③ 通过调整F/M值，可以调控曝气池的运行工况，达到不同的出水水质和不同性质的活性污泥； ④ 活性污泥法的运行方式不同，其在增值曲线上所处位置也不同。 3、有机物降解与微生物增殖： 活性污泥微生物增殖是微生物增殖和自身氧化(内源呼吸)两项作用的综合结果， 活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量为: ; 式中:  每日污泥增长量(),； ； ——每日处理废水量()； ；  ——进水浓度(或)； ——出水浓度(或)。 a, b ——经验值：对于生活污水活与之性质相近的工业废水，，；——或试验值：通过试验获得。 4、有机物降解与需氧量： 活性污泥中的微生物在进行代谢活动时需要氧的供应，氧的主要作用有：① 将一部分有机物氧化分解；② 对自身细胞的一部分物质进行自身氧化。 因此，活性污泥法中的需氧量:  式中： ——曝气池混合液的需氧量，； ——代谢每所需的氧量，； ——每每天进行自身氧化所需的氧量，。二者的取值同样可以根据经验或试验来获得。 5.活性污泥反应动力学基础 概述 研究目的 {①研究反应速度和环境因素间的关系 　　　　　｛②对反应的机理进行研究，使反应进行控制 反应动力学方程式 {米门方程式 1913　研究酶促反应速度 {莫诺方程式　1942 　　　　　　　　　｛劳—麦方程式 1970 莫诺方程式 基本方程式形式 　提出人：莫诺 时间:　１９４２ 　试验条件：纯种生物在单一底物的培养基中 试验内容：研究微生物的增值速度与底物浓度间的关系 结果与米门方程式相同 μ=μmaxS/(Ks+S) μ---比增值速度（单位生物量的增殖速度） Ｓ―有机底物的浓度 Ｋs－饱和常数 当μ=1/2μmax时，有机底物的浓度 有机物比降解速度与底物浓度关系 V=VmaxS/(Ks+S) (1) V=-(ds+dt)/x v=f(s) -ds/dt=vmaxXS/(Ks+S) (2) 推论 （１）对于高底物浓度条件下 S>>Ks V=Vmax=k1 -ds/dt=vmaxx=k1x 结论：①在高底物浓度下，有机底物以最大速度进行降解，与有机底物浓度无关，其降解速度只与污泥浓度有关。 ②低底物浓度，S<<Ks V=VmaxS/Ks=k2S (3) -ds/dt=VmaxXS/Ks=k2SX (4) 结论：在低底物浓度下，有机底物降解速度与有机底物浓度有关，且成一级反应（有机物多，无机物少） 由（４）得　　　－∫s0sds/dt=∫0tk2xsdt S=S0e-k2xt 莫诺方程式在曝气池中的应用 　Ｑ（Ｓa-Se）/v=-ds/dt Q(Sa-Se)/v=Nrv ∴ds/dt=Nrv 用来计算 Nrv=-ds/dt=Q(Sa-Se)/v=(Sa-Se)/t k2Xse=Q(Sa-Se)/v (2)计算Ｎrs k2Se=Q(Sa-Se)/xv=Nrs (3)计算有机物降解率 η=(Sa-Se)/S0=1-Se/S0=k2xt/(1+k2xt) 有关k2的确定（图解法） Q(Sa-Se)/xv作纵轴 Se-X　斜率k2 经验数据 0.0168---0.0281 劳—麦方程式 　１．概念：　（１）把污泥龄改名为生物固体平均停留时间 （２）提出单位底物利用率概念 ２．基本方程式 （１）劳---麦第一方程式　　　１/Qc=Yq-Kd （２）劳?－麦第二方程式　　v=q 　　　　　　　v=KS/(Ks+S) →(ds/dt)u/xa=KS/(Ks+S) ３．劳-麦方程式的推论及应用 Se—Qc关系 Xa—Qc Xa=YQQc(Sa-Se)/t(1+KdQc) R---Qc V与q的关系 (ds/dt)u/Xa=k2Se →Q(Sa-Se)/XaV=k2Se →v=Q(Sa-Se)/k2XaSe 曝气池容积的计算方法 {①Ns V=Q(Sa-Se)/NsX {②Nrs V=Q(Sa-Se)/NrsXv {③劳麦 {v=YQQc(Sa-Se)/Xa(1+KdQc) {v=Q(Sa-Se)/k2SeXa 两种产率 △X=YQ（Sa-Se）-KdVXv 合成产率 微生物的净增值量 Yobs=Y/(1+KdQc) X计算 {△X=YQ(Sa-Se)-KdVXv {△X=YobsQ(Sa-Se) 3.2 好氧悬浮生长处理技术（4学时） 好氧悬浮生长生物处理工艺主要有以下几类：活性污泥法；曝气氧化塘；好氧消化法；高负荷氧化塘。这里重点介绍活性污泥法。 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。活性污泥法于1914年在英国曼彻斯特建成改进，特别是近几十年来，在对其生物反应和净化机理进行深入研究探讨的基础上，活性污泥法在生物学、反应动力学的理论方面以及在工艺方面都得到了长足的发展，出现了多种能够适应各种条件的工艺流程，当前，活性污泥法已成为污水特别是有机性污水处理技术的主体技术。 一、活性污泥法的基本原理 A、基本概念和工艺流程 基本概念 活性污泥法：以活性污泥为主体的污水生物处理。 活性污泥：颜色呈黄褐色，有大量微生物组成，易于与水分离，能使污水得到净化，澄清的絮凝体 工艺原理 曝气池：作用：降解有机物（BOD5） 1)按混合液的流动形态 推流式曝气池 完全混合式曝气池 循环混合式曝气池 2)平面形状 长方廊道形 圆形 正方形 环状跑道形 3)按曝气方法 鼓风～ 机械～ 机械－鼓风～ 　 4)与二沉池的关系 合建式～分建式～ 二沉池：作用：泥水分离。 曝气装置：作用于①充氧化②搅拌混合 鼓风曝气：从鼓风机中房或空气压缩机房送来的空气，经过设置在曝气池底的空气扩散装置，溶解于水中。 1)组成 空压机（Or鼓风机） GS 一系列连通管道 空气扩散装置 2)鼓风曝气过程 机械曝气：利用安装在池表面的机械曝气装置，将空气溶于水中。 按传动轴的安装方向 竖轴（纵轴） 卧轴（横轴） 竖轴机械愚昧落后敢装置 传动轴与水面垂直，装有叶轮，叶轮上装有叶片 又称竖轴叶轮曝气机（表曝机） （1）泵型叶轮表曝机 最佳线速度 4.5～5m/s 叶轮淹没深度≤4㎝ 目前国内已有系列产品，应用最广泛 （2）K型 最佳线速度4㎝ 0～1㎝←叶轮淹没深度 规定 叶轮直径与曝气池直径之比为 （３）倒伞型 （４）平板型 2.卧轴式表曝机 传动轴与水面平行 由传动轴和叶片组成 应用→转刷曝气器（曝气转刷）,主要用于氧化沟 回流装置：作用：接种污泥 剩余污泥排放装置： 作用：排除增长的污泥量，使曝气也内的微生物量平衡。 混合液：污水回流污泥和空气相互混合而形成的液体。 B、活性污泥形态和活性污泥微生物 形态： 1、外观形态：颜色黄褐色，絮绒状 2．特点：①颗粒大小：0.02－0.2mm ②具有很大的表面积。③含水率>99%,C<1%固体物质。④比重1.002－1.006，比水略大，可以泥水分离。 3.组成： 有机物：{具有代谢功能，活性的微生物群体Ma {微生物内源代谢，自身氧化残留物Me {源污水挟入的难生物降解惰性有机物Mi 无机物：全部有原污水挟入Mii 活性污泥微生物及其在活性污泥反应中作用 细菌：占大多数，生殖速率高，世代时间性20-30分钟； 真菌：丝状菌→污泥膨胀。 原生动物 鞭毛虫，肉足虫和纤毛虫。 作用：捕食游离细菌，使水进一步净化。 活性污泥培养初期：水质较差，游离细菌较多，鞭毛虫和肉足虫出现，其中肉足虫占优势，接着游泳型纤毛虫到活到活性污泥成熟，出现带柄固着纤毛虫。 原生动物作为活性污泥处理系统的指示性生物。 后生动物：（主要指轮虫） 在活性污泥处理系统中很少出现。 作用：吞食原生动物，使水进一步净化。 存在完全氧化型的延时曝气补充中，后生动物是不质非常稳定的标志。 活性污泥微生物的增殖和活性污泥增长 四个阶段： 适应期（延迟期，调整期） 特点：细菌总量不变，但有质的变化 对数增殖期增殖旺盛期或等速增殖期） 细菌总数迅速增加，增殖表速率最大，增殖速率大于衰亡速率。 减速增殖期（稳定期或平衡期） 细菌总数达最大，增殖速率等于衰亡速率。 内源呼吸期：（衰亡期） 细菌总数不断减小，增殖速率小于衷亡速率，微生物的增殖要受到有机物含量的控制。 活性污泥絮凝体形成 菌胶团：P99 细菌集团 MLSS 原理：活性絮凝体的形成与曝气池内的能含量有关 能含量：曝气池内的有机物量与微生物量的比值，用F/M表示。 有机物F小，F/M小，能含量低，处于内源呼吸期，有利于絮凝体形成。 F大，F/M大，1/2mv2大，引力小不易结合。 F小，F/M小，V↓，易结合成小的菌胶团→生物絮凝体。 Ma+Me+Mi+Mii C、影响活性污泥增长的因素 营养物质平衡： C N P之比例 碳源 N源 无机盐类 C→BOD5≥100m3/L 城市污水满足对某些工业废水，C低，补充碳源 N：生活污水满足 对某些废水，N不足。（尿素，（NH4）2SO4 Na3PO4-K3PO4 C:N:P=100:5:1 DO：{过低：微生物生理活动不能正常进行，处理效果差 {过高：①有机物降解过快，微生物因缺营养而死亡②耗能过大经济浪费 曝气池出口处 DO 2mg/L(局部区域进水口处较低，不宜低于1mg/L) PH 6.5—8.5 偏碱 PH>?8.5 粘性物质破坏→活性污泥结构破坏 PH<6.5:分子结构有变化 4.水温:{低温细菌 {中温细菌 一般化10℃--45℃ 污水中草药 15℃--35℃ {高温细菌 ↘对常年或半年处于低温地区,曝气池建在室内,建在室外要有保温措施. 5.有毒物质 → 对微生物抑制和毒害作用 重金属离子 CN- 酚 S2- D、性能及其评价指标 (1) 混合液悬浮固体（MLSS）浓度 又称混合液污泥浓度，它表示的是混合液中的活性污泥的浓度，即在单位容积混合液内所含有的活性污泥固体物的总重量，即： MLSS = Ma + Me + Mi + Mii 表示单位为mg/L混合液，但也使用g/L混合液、g/m3混合液或kg/m3混合液。 由于测定方法比较简便，在工程式上往往用本项指标表示活性微生物数量的相对值。 (2) 混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）浓度 本项指标指混合液活性污泥中有机性固体物质的浓度，以重量表示，即： MLVSS = Ma + Me + Mi 本项指标能够比较准确地表示活性污泥活性部分的数量。但是，其中还包括Me、Mi等2项非活性的微生物降解的有机物质。也不能说是表示活性污泥微生物数量的最理想指标，它表示的仍然是活性污泥数量的相对数值。 在一般情况下，MLVSS/MLSS的比值比较固定，对于生活污水，常为0.75左右。 (3) 污泥沉降比（SV%） 又称30min沉淀率。混合液在量筒内静置30min后所形成沉淀污泥的容积占原混合液容积的百分率，以%表示。 污泥沉降比能够反映反应器-曝气池正常运行时的污泥量，可用于控制剩余污泥的排放量，还能够通过它及早发现污泥膨胀等异常现象的发生。污泥沉降比测定方法比较简单，且能说明问题，应用广泛，是评定活性污泥质量的重要指标这定。 (4) 污泥体积指数（污泥指数）（SVI） 本项指标的物理意义是曝气池出口处混合液经30min静沉后，每克干污泥所形成的沉淀污泥所占的容积，以mL计。其计算式为： SVI = 混合液（1L）30min静沉形成的活性污泥容积（mL）/ 混合液（1L）中悬浮固体干重（g）= SV（mL/L）/ MLSS（g/L） SVI值的表示单位为mL/g，但一般都只称数字，把单位简化。 SVI值能够反映出活性污泥的凝聚、沉淀性能，一般以介于70~100之间为宜，SVI值过低，说明泥粒细小，无机物含量高，缺乏活性；过高，说明污泥沉降性能不好，并且已有产生膨胀现象的可能。 (5) 污泥负荷率 影响活性污泥法处理效果的另一个重要因素是有机底物量（F）与微生物量（M）的比值F/M，该比值通常是以BOD-污泥负荷率（Ns）来表示，即：  [kgBOD5 /（kgMLSS·d）] (8-1) 式中：Q——污水流量，m3/d； S0——原污水中有机底物（BOD5）浓度，mg/L； V——反应器（曝气池）容积，m3； X——混合液悬浮固体（MLSS）浓度，mg/L。 (6) 污泥龄 曝气池内活性污泥总量与每日排放的污泥量之比，称之为污泥龄，即活性污泥在曝气池内的停留时间，因之又称之为“生物固体平均停留时间”，即： （d） (8-2) 式中 t——污泥龄（生物固体平均停留时间），d； ——每日污泥增长量（即排放量），kg/d。 其它各项同前。 污泥龄是活性污泥处理系统设计与运行管理的重要参数，它能够直接影响曝气池内活性污泥的性能和其功能。 二、活性污泥净化反应过程 1. 初期吸附去除阶段 5-10分钟有机物高速去除 定义：P100，吸附去除的原因→有巨大表面积，吸附力强，外部覆盖着多糖类的粘质层。 吸附去除结果：有机物从污水中转移到活性污泥上去 微生物代谢 酶：透膜酶  图8.2 有机底物分解代谢与合成代谢及其产物模式图 3.絮体凝聚沉降阶段 三、活性污泥处理系统的运行方式 一、传统的活性污泥法系统（普通活性污泥法） 1.工艺流程 2.工艺特征 耗氧速度浓度沿池长逐渐降低（有机物沿池长↓所以 供气速度沿池长均匀分布 　　3.工艺参数 T＝4～8H R＝25％～75％ Ns=0.2～0.4 Mlss(X)=1500～3000mg/L 4.优缺点： 优点：去除效果很好η≥90% 适用于处理水要求高而稳定的水质 缺点：（1）池容大，占地多，基建费用高 （2）耗氧速度与供氧速度难于吻合适应 （易出现前段氧不足，后段供氧过剩现象） 改进法 ：采取分段（阶段）进水，使有机物沿池长均有分布； 采取渐减曝气法，使供气量沿池长减少。 （3）对水质，水量变化适应性差 二、阶段曝气活性污泥法系统（多段进水～or分段进水～） 1.工艺流程：与传统活性污泥法进水方式不同 采取多点分散，均匀地进入每卒曝气池进水口3～4个 2.工艺特征 （1）耗氧速度沿池长均匀分布 （２）供气速度沿池长均匀分布 3.工艺参数 t =3～5h R=25%-95% NS=0.2～0.4 Qc=5～15d Mlss=2000～3500mg/L 4.优点（1）缩小了耗氧速度与供氧速度之间的差距 （2）对水质、水量、冲击负荷的能力有所提高 （3）减轻了＝沉池的负荷 三、再生曝气活性污泥法系统 它是传统活性污泥法工艺的变型 工艺方面 增加了再生池 二沉池回流污泥直接进入再生池再生 再生池作用－使活性污泥本身的活性增强 再生池一般不另设：曝气池1～2个廊道设计过程同传统活性污泥法 （一.二.三均为推流式曝气池） 四、吸附一再生活性污泥法系统（40年代产生于美国） →生物吸附活性污泥法or接触稳定法 工艺流程 分建式、合建式 工艺特征 将吸附和微生物代谢分别放在两个反应皿中进行 工艺参数 T＝吸附池 （30～60min）0.5～1h 再生池 3～6h R=50%～100% Ns=0.2～0.4 Qc=5～15d Mlssi吸附池 1000～3000mg/L 再生池 4000～10000 mg/L 优缺点： 优点：吸附再生池容积小 对水质、水量冲击负荷承受能力更大 缺点 对于溶解性有机物含量高的污水作用不大 五、延时曝气活性污泥法系统 (完全氧化活性污泥法) 50年代处出现在美国 工艺流程:同传统活性污泥法 工艺特征：①污泥负荷率BoD5很低 Ns=0.05-0.1Kg BoD5/Kgmlssd ②曝气时间很长24－48h ③剩余污泥量少，勿需进行厌氧消化处理 ④完全混合式曝气池 氧化沟工艺是样式曝气的一种特殊工艺—循环混合式曝气池 3.工艺参数 T=24－48h R=60％—200％ Ns=0.05-0.1 Qc=20—30d X=3000—6000mg/L 4 缺点 优点(对水质,水量冲击负荷适应能力强)不设初淀池 缺点 ①池容大②爆气时间长③基建和运行费用高 六 高负荷活性污泥法系统 又叫不完全氧化活性污泥法 工艺特征及工艺参数 1. BOD----污泥符合率很高 NS=1.5－3.0 KgBOD5/Mlss.d 2.曝气时间短 t=1.5－3h 即水力停留时间短 3.Mlss=200－500mg/L 4. 污泥回流小，只有10%－30% 污水处理厂不采用 5．去污率很低，只有70%－75% 适合于工业有机废水处理 七． 完全混合活性污泥法系统 工艺流程：同传统活性污泥法 工艺特征 采用完全混合式的曝气池 NS稍高 0.2－0.6KgBOD5/KgMlss.d 有机物浓度分布均匀，各部分NS相等，并且略高于推流式曝气池 动力消耗低 缺点 易产生污泥膨胀现象 去除率较低，只有70%左右，适用于处理高浓度有机废水 处理工业废水优先考虑六，七两种运行方式 八． 多级活性污泥法系统 当污水中有机物浓度很高时采用 每一级都是独立的污水处理系统 九． 深水曝气活性污泥法系统 → 曝气池向深度方向发展100m 采用鼓风曝气 中层曝气 底层曝气 十． 深井曝气活性污泥法 深50－100m 1～6m→隔墙 空气提升器将水提升 十一．浅层曝气活性污泥法 用穿孔管曝气格栅曝气 十二.纯氧曝气活性污泥法 21% 90% EA:80%以上 四、活性污泥处理系统的新工艺 一、概述 １、在净化功能方面:向多功能方向发展 有机物降解→N.P有机物降解 传统 、新工艺 不仅用于污水的二级处理,还可能用于三级处理 去除有机物和 N.P 在工艺方面 ①供氧能力提高 ②在污泥浓度方面有所提高 ③在微生物的净化功能方面也有所提高 ◆、氧化沟工艺 氧化沟又名循环混合曝气池 50年代荷兰 帕斯维尔 1954年世界上第一座氧化沟工艺污水处理厂建成 工艺流程 1.工作原理与特征 （１）构造方面的特征 池型：环形沟渠状 长几十米→上百米 深度2～6米 进水装置 单沟（池）运行：插一根进水管 双沟以上运行连续运行：设配水井，连续向各池进水 双沟以上运行交替运行：设配水井，井内设自控装置改变水流方向 出水→溢流堰 （2）水流混合方面的特征 流态：介于推流式与完全混合式之间 DO浓度：曝气装置下游从高→低 好氧区 缺氧区 厌氧DO=O A 缺氧0.5mg/L A 好氧2 mg/LO (3)在工艺方面特征 可以不设初沉池 可以不设二沉池 污泥量很少且稳定,不需进行厌氧消化处理(排泥管) ２、氧化沟的曝气装置→采用机械曝气 1）横轴曝气装置①曝气转刷 转轴长度4～9m 转刷直径0.8～1.0m 一般1.0m 转刷淹没深度0.15～0.2m 氧化沟深度2～2.5m 有时采用3m ②曝气转盘 2)纵轴曝气装置→表曝机 深度4～4.5M 沿池长布置曝气转刷 布置:弯道转弯处 氧化沟曝气装置作用: V≥0.25m/s 充氧②完全混合（3）推动水流以一定的流速沿池长的循环流动 3．常用的氧化沟系统 氧化沟运行方式： （1）连续运行 ①必须设二沉池且有污泥回流②氧化沟始终作为曝气池 合建 分建 （2）交替运行 氧化沟一部分在不同的时段交替地作为曝气池和沉淀池，不需设二沉池，无污泥回流， 卡罗塞氧化沟系统 导流墙偏置：使水流流速分布均匀 交替运行氧化沟 1.单沟交替运行 a→a A 2.双沟交替运行 double→d 3.三沟交替运行three→t 双沟交零星氧化沟 工作固期 第一阶段：A沟进水，A沟曝气区 B沟沉淀区，B沟出水 第二阶段：A沟进水，B沟转刷停，静沉区 第三阶段 第四阶段 3沟交替 第一阶段 A沟进水 AB沟曝气区C沟沉淀区 C沟出水 第二阶段 B沟进水 A沟闷曝B沟曝气C沟沉淀C沟出水 第三阶段 B沟进水A沟转刷停，静沉区B沟曝气C沟沉淀C沟出水 第四阶段C 沟进水 中沟：始终曝气 边沟：每隔5H，转刷工作3H 出水堰：每隔4H （3）二沉池交替运行氧化沟系统→连续式 奥巴勒氧化沟系统 ◆、间歇式活性污泥工艺 SBR 工艺 序批式 1.工艺流程及特征 污水→沉淀池→间歇曝气池→出水 特征：1）采用间歇曝气池（将生物降解与沉淀集成一体） 2）系统组成简单，无二沉池和回流污泥系统，节省基建费用和运行费用污泥指数低，不易产生污泥膨胀现象 3）在多数的情况下，不必设调节池 4）可以产行自控 5）改变运行方式，可以进行脱氮处理 6）处理水的水质伏于传统工艺 2.工作原理与操作 SBR工艺与传统工艺比较 相同点：有机物降解机理相同 不同点：运行方式不同 1.传统工艺①连续式运行方式②一般设曝气池和二沉池③连续进水，连续出水④在不同的时段各处理单元功能不变⑤空间推流，流态：推流式 2.SBR工艺①间歇式运行方式②只设间歇曝气池③间歇进水，间蛤排水④在不同的时段间歇曝气池处理单元功能改变⑤时间推流，流态：完全混合式工作操作步骤： 会画图示—必考题 流入工序 起调节池的作用 污水注入，注满or注到预定高度 反应工序 生物降解 脱氮处理 污水注到预定高度 沉淀 时间1。5～2H 排放 将上清液排放，排放到最代水位 并留部分种泥 待机、闲置阶段污泥闲置，等待下一周期开始 时间4～12H自控 SBR工艺功能的改善与强化 （1）关于待机与流入工序与多项功能相结合 强化调节池的功能②与水解、酸化反应相结合（厌氧） （2）NS和X 一般取经验数据NS=0.2～0.3 X=3000～5000mg/L ※、关于耗氧与供氧→采取时间上的渐减曝气 ※、SBR工艺的发展及主要的变形工艺 ☆ ICEAS工艺 间歇循环延时曝气工艺 在反应工序“曝气好氧”+“闲歇缺氧”多次反复进行 ☆ CAST工艺 循环式活性污泥工艺] 在进水区设置生物选择皿 ☆ DAT-IAT ◆、AB法污水处理工艺 ：70年代宾克 吸附生物降解工艺简称 １、工艺流程及特征 工艺特征 １）A段的效应，功能及设计参数 负荷率高；污泥产率高；BOD去除率40-70% ２）B段的效应，功能及设计参数 3.3 好氧附着生长处理技术（2学时） 好氧生物技术：活性污泥法：悬浮生长工艺，即活性污泥法；生物膜法：固着增长工艺，即微生物附着在滤料 or某些载体上 ◆、概述 一、生物膜的定义 ?? 生物膜的构造及其对有机物的降解 20℃ 污水 30d左右形成 ?? 生活膜构造 两层外膜：好氧层，厚 2mm 左右主要降解有机物 内膜：厌氧层，好氧层达一定厚度， O 2 进不去形成 ?? 有机物降解过程 ?? 生物膜的老化→易于脱落 ?? 生物膜法的主要特征（与活性污泥法相比） １．在微生物相方面的特征 ?? 多样化①硝化菌②生长藻类③大量丝状菌④滤蝇⑤轮虫：线虫出现频率较高 ?? 食物链长→污泥量少，比活性污泥少四分之一 ?? 存活世代时间长的微生物→脱 N ?? 分段运行和优占种属 2．在处理工艺方面的特征 在处理工艺方面的特征 （ 1）（2）宜于固液分离 动物成分多 （ 3）适于处理低浓度的污水B O D 5 ＜50～60mg/L (4)节能 二、生物膜法的分类 根据污水与生物接触方式不同 1．填充式生物膜法：污水和空气流过固定的滤料转动的盘片表面时产生生物膜 自然充氧 典型工艺（ 1）生物滤池（2）生物转盘 2．浸渍式生物膜法：滤料完全浸没在污水中（1）载体固定生物接触氧化法（2）载体流动生物流化床 ◆、生物滤池 ?? 概述 生物滤池是生和膜法的最初工艺 ?? 生物过滤法→生物滤池 工艺流程 →初沉池→生物滤池→二沉池→ 发展简史普通生物滤池 负荷率低 高负荷生物滤池 负荷率高 Nq=5～40 占地较小 Nv=0。5～2。5 50年代→塔式生物滤池高8～ 24m ?? 普通生物滤池又名滴滤池 or低负荷生物滤池 1．构造 第一代工艺 （ 1）池体 平面多为矩形or正方形 池壁作用是围扩滤料，材料砖石砌成 带有孔洞通风 不带有孔洞 池壁超高 0.5～0 .9m 池底作用 (1)支撑滤料(2)拜谢处理水 (2)滤床(滤料) 条件 :①质坚 高强有力 耐腐蚀 搞冰冻 ?? 较高的比表面积 (单位容积港督料所具体化有的表面积) ?? 具有较大的空隙率 45% ?? 就地取材易于加工运输 滤料分两层上层 :工作层厚1.3～1 .8m 粒径 25～40㎜ 下层：承托层厚 0.2 m 粒径 70～100㎜ 滤料:碎石 卵石.炉渣.焦炭实心拳状 (3)布水装置→固定喷嘴式布水装置 组成 :投配池 位于滤池前端内设虹汲装置 布水管道 布设滤料表面以下 0.5～0 .8m 设竖管高出滤料 喷嘴 作用均匀布水0.15～0 .2m 工作原理 优点 :操作简单易于管理受气候影响小 缺点 :所需水头大(20)目前很少采用 （４）排水系统 (1)渗水装置(2)汇水沟总排水沟 混凝土板式的渗水装置 作用 (1)支撑滤料(2)排出滤过的污水(3)通风 ２、设计与计算 ３、使用范围与优缺点 ≤ 1000㎡/d小城镇污水 日渐淘汰 高负荷生物滤池它是第二代工艺 ?? 特征（与普通～相比） （ 1）大幅度提高滤池负荷率 （２）高滤率通过限制进水 B O D 5 ＜浓度和处理水回流来实现进水B O D 5 ＜200mg/L 2．流程系统(处理水回流) ?? 单池系统 ?? 双池系统 串联 缺点 :负荷率不均匀 占地大 基建运行费用高 使用受到限制 ３．构造特点 (基本同普通～) (1)池形 多为圆形 滤料层 (1)工作层 1.8m 厚滤料粒径 40～70㎜（2）承托层 同普通 2m →采用人工通风→鼓风曝气→ BAF （ 2）布水装置采用放置布水皿 组成：布水竖管固定位于池中央 布水横管（旋转）布2根or4根 布设孔口原则：根据孔口出水喷洒面积相等 从中心→外→最末端 400㎜→由疏→密 工作原理 优点：所需水头较小 0.25～0 .8m 4.需氧量和供氧量 ?? 生物膜量→ MLSS ?? 需氧量 O 2 =aBODr+Bp ?? 供氧量 5．高负荷生物滤池的工艺设计与计算 ?? 池体的工艺设计 ?? 当处理水稀释时，进入滤池的污水 BODS 根据冬季平均水温，年平均气温和滤料层的厚度H。 ?? 处理水回澈稀释倍数 ?? 滤料容积 V采用负荷率法 Nv≤1200gBOD5/m 3 滤料·d 负荷率 Nq=10～30m 3 污水/㎡滤料D N A =1100～2000gBOD5/m 3 滤料·d 采用一种负荷来计算容积，另二种用以校核 DF最大为 60m 一般在 35m 以下 （２）旋转布水器的设计与计算 ?? 布水器的直径 D=D F -200 ?? 布水横管的根数 2根or4 布水横管直径 D 取50～250根mm ?? 布水横管出水孔析个数 Q= 80mm 定值 每个布水孔口距离滤池中心的距离 计算 3个值 孔口直径 转速 n= 工作水头 H 塔式生物滤沁（滤塔）第三代滤池工艺 １、特征（ 1）在构造方面特征 ?? 塔身：塔高 8～24m，直径1～3 .5m 径:高比 1:6～1:8(用以校核) 沿塔高分层建筑 ,每层滤料厚≤ 2.5m 设检修口 （ 2）滤料 质轻 环氧树脂 （ 3）布水系统 大中型采用放置布水皿反作用、电机 小型 采用固定喷嘴布水皿 ?? 通风 （ 2）在工艺方面 负荷率高 滤层内部分层 ２、设计 曝气生物滤池（ BAF工艺） ◆、生物转盘 又称转盘式生物滤池 一.概述 1.构造及其对有机物的降解 ??i. 构造 盘片 接触(氧化)反应槽 转轴 驱动装置 ??ii. 机理 ?? 特点 二 .生物转盘的组成和构造特点 ?? 盘片 (1)形状 圆形:平板盘片 正多边形:波纹板盘片 (2)直径2～ 3.6m 聚苯乙烯直径 5m =max ?? 间距：进水段 25～35mm 出水段10～ 20mm （4）盘材 平板 聚氯乙烯 波纹板 聚脂玻璃钢 聚苯乙烯 2.接触反应槽 半圆形 分格 转轴 轴直径 50～80㎜ 驱动装置大型 1台电机-1台转盘 中小型1台电机动2～4台转盘 三、工艺流程和组合 ?? 工艺流程 ?? 组合 生物转盘的分类 :单轴单级 单轴多级 多轴多级 五、生物转盘技术的进展 一．空气驱动转盘 特点 : 1)槽内污水含有较高的溶解氧,在相同的负荷率的条件内，BOD的去除率是较高的. 2)生物膜较薄,有较强的活性. 3)通过调节空气量来改变转盘的转数 4)容易维修和管理 二、生物转盘与其他的处理设备结合 ?? 与沉淀池组合的生物转盘 ?? 与曝气池相结合生物转盘 ---- 特点 :(1)提高了原由设备的处理效果,改装前BOD 的去除率为60—70%,改装提高高90% (2)提高了原由设备的处理能力，占地面积小，附加设备费用亦低.(3)处理效果稳定,菌体密度大,生物量高微生物增殖迅速，活性强.(4)污泥量小而且易于控制.(5)动力消耗少，活性污泥装置本身能够提供转盘转动的能量.(6)负荷选择适宜，可取得消化的效果。 三、藻类生物转盘 :原理:藻类在光合作用的同时放出氧气，供好氧菌使用,而微生物代谢放出的CO2成为藻类的主要碳源. ? ? ◆、生物接触氧化 一、概述 生物接触氧化处理技术的另一项技术实质是采用曝气池相同的曝气方法 ,向微生物提供其所需要的氧,因此，又称为 “接触氧化法” 二、生物接触氧化工艺流程 1.一级处理流程 原污水经初次处理后，进入接触氧化池 ,经接触 氧化池的处理后进入二次沉淀池,在二次沉淀池进行泥水分离,从填料上脱落的生物膜,在这里形成污泥排除系统. 2.二段处理流程 一段接触氧化池内 :F/M:高于2.1 二段接触氧化池内 :F/M一般为:0.5左右.微生物处于减衰增殖期或内源呼吸期. 3、多段处理流程(见课本243) 三、生物接触氧化池的构造和形式 接触氧化是由池体 ,填料,支架及曝气装置,进出水装置以及排你管道等部件等组成. 1、池体:各部件的尺寸:池内填料的高度是:3.0—3.5M:底部布气层的高度为:0.6—0.7M 顶部稳定水层为:0.5—0.6M ;总高度为0.5-0.6M 2、填料 ?? 蜂窝状填料 ?? 波纹状的填料 ?? 轻性填料 ?? 半软性填料 ?? 盾性填料 ?? 不规则粒状颗粒 ?? 球形颗粒 3、接触氧化池的形式 分为填料内循环和填料外循环，主要有分流式氧化池和中心氧化池 ，国内一般采用接触氧化池 . 四、生物接触氧化池的有关计算 1.设计参数规定 1)按平均日污水量进行计算 2)池座数一般不少于2座 3)填料层高度一般取3M,蜂窝状填料分层填料,每层高1M,蜂窝内的填料的直径应不小于25MM 4)池内污水的溶解氧一般应维持在2.5—3.5mg/L 5)应保证布水和布气的均匀 6)污水在池内的有效接触时间不得小于2小时 7)生物接触氧化池的填料体积可按BOD 容积负荷率计算 2、填料体积BOD容积负荷率 的计算 1)生物接触氧化的时间 W=Q.So/Nw 2)接触氧化池的总面积:A=W/H 3)接触氧化池 的座数:n=A/f 4)污水与填料的接触时间:t=nfH/Q (小时) 5)接触氧化池的高度;Ho=H+h1+h2+(m-1)h3+h4 ◆、生物流化床 一、概述 流化床是砂 ,活性炭,焦碳一类闲〉亩栊钥帕Ｎ靥宄涮钤诖材?载体表面被覆盖生物膜,其质变轻,污水一一定的流速从下向上流动,使载体处于活化状态. 二、生物流化床的工艺类型 1.液流动力流化床 也称为二相流化床 ,即在流化床内只有污水与载体相接触.而在单独的充氧设备内对污水进行充氧. 2.气流动力流化床 三相流化床 :污水,载体及空气三相同步进入床体. 特性 :1)高速去除有机污染物,BOD容积负荷率可达5Kg/(M 3 .D),处理水的BOD在20mg/L以下. (2)易于维护,适应性好 (3)占地少 3.机械搅拌流化床 (1)降解速度高，反应的表面积大,(2)用机械搅动的方式使载体流化,悬浮,反应可保持均一性,生物膜与污水接触的效率较高 (3)MLVSS值比较固定 三、生物流化床的构造 (1)床体;平面或圆形 (2)载体:生物流化床 的核心部件 (3)布水装置;主要:单层多孔板,多孔板砾石层 ,圆锥布水结构,泡罩分布板 (4)脱膜装置;叶轮脱膜装置. (5)采用鼓风曝气 3.4 厌氧生物处理技术（2学时） 厌氧生物处理工艺的发展简史 实际上，厌氧生物过程广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的Louis Mouras所发明的“自动净化器”开始的，随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。这些厌氧反应器现在通称为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是：① 水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；② 虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③ 具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。 但是，当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：① HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；② 主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③ HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。以上这些特点彻底改变了原来人们对厌氧生物过程的认识，因此其实际应用也越来越广泛。 进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。 厌氧生物处理的主要特征 1、主要优点 ① 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气，其中主要的有效成分是甲烷，是一种可以燃烧的气体，具有很高的利用价值，可以直接用于锅炉燃烧或发电； ② 污泥产量很低；这是由于在厌氧生物处理过程中废水中的大部分有机污染物都被用来产生沼气——甲烷和二氧化碳了，用于细胞合成的有机物相对来说要少得多；同时，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。 ③ 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；因此，对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果，或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后续好氧处理工艺的处理效果。 2、主要缺点 ① 厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术要求； ② 厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难； ③ 虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理； ④ 厌氧生物处理的气味较大； ⑤ 对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。 厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段 我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是：① 能将有机污染物转变成沼气并加以利用；② 运行能耗低；③ 有机负荷高，占地面积少；④ 污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等；厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。 ◆、厌氧生物处理原理 废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。 一、厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性理论 1、两阶段理论： 20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论” 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对环境条件的适应性（温度、pH等）强。 第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 2、三阶段理论 对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质； 厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类； 上世纪70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一种产氢产乙酸细菌），另一种细菌则利用H2和CO2产生CH4（一种真正意义上的产甲烷细菌——嗜氢产甲烷细菌）；因而，Bryant提出了厌氧消化过程的“三阶段理论”： 水解、发酵阶段： 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2； 产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4； 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。 3、四阶段理论（四菌群学说）： 几乎与Bryant提出“三阶段理论”的同时，又有人提出了厌氧消化过程的“四菌群学说”： 实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌——同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。 总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。 4、 多阶段理论 但是，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物的时候，在厌氧反应器中发生的反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述的反应过程复杂，可以参见“厌氧复杂体系示意图”。 二、厌氧消化过程中的主要微生物 主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。 1、发酵细菌（产酸细菌）： 发酵产酸细菌的主要功能有两种：① 水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；② 酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等； 主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤；产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。 2、产氢产乙酸菌： 产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。 主要的产氢产乙酸反应有： 乙醇：  丙酸： 丁酸： 注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，因此产氢产乙酸反应的顺利进行，常常需要后续产甲烷反应能及时将其主要的两种产物乙酸和H2消耗掉。 主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。 3、产甲烷菌 20世纪60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌的研究才得以广泛进行； 产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产甲烷丝状菌），但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解； 典型的产甲烷反应： ①  ②  ③  ④  ⑤  ⑥  ⑦  ⑧  根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其分类如下： ——最新的分类（Bergy’s细菌手册第九版），共分为：三目、七科、十九属、65种； 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：①产甲烷杆菌；②产甲烷球菌；③产甲烷八叠球菌；④产甲烷丝菌；等等。 在生物分类学上，产甲烷菌（Methanogens）属于古细菌（Archaebacteria），大小、外观上与普通细菌（Eubacteria）相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊；在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150(-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达4(6天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤 ◆、厌氧生物处理的影响因素 产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素；主要影响因素有：温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。 1、温度： 温度对厌氧微生物的影响尤为显著；厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（55(C左右）和中温消化（35(C左右）；高温消化的反应速率约为中温消化的1.5~1.9倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好；随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可以在常温条件下（20~25(C）进行，以节省能量和运行费用。 2、pH值和碱度： pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素；重要原因：产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化；厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制；一般来说：系统中脂肪酸含量的增加（累积），将消耗，使pH下降；但产甲烷菌的作用不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生，使系统的pH值回升。 碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的pH值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。 3、氧化还原电位： 严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~ -100mv的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~ -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv； 4、营养要求： 厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。 5、F/M比： 厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80 kgCOD/m3.d；无传氧的限制；可以积聚更高的生物量。 产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷； 高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷； 高的有机容积负荷可以缩短HRT，减少反应器容积。 6、有毒物质： ——常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物； ①硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。 ②氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂；但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。 ③重金属：——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。 ④氰化物： ⑤有毒有机物： 四、厌氧生物处理的主要特征 1、厌氧生物处理过程的主要优点： ① 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）； ② 污泥产量很低； ——厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。 ③ 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； ④ 反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程； 2、厌氧生物处理过程的主要缺点： ① 对温度、pH等环境因素较敏感； ② 处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理； ③ 气味较大； ④ 对氨氮的去除效果不好；等等 五、厌氧生物反应器 1.早期的厌氧生物反应器 这是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；主要代表有：① 1881年法国Mouras的自动净化器：② 1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③ 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）；④ 1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）；等等。 这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是： ① 处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥； ② 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质； ③ 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池； ④ 停留时间很长，出水水质也较差； ⑤ 后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。 2.厌氧消化池 随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。 消化池的类型与构造 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；它的主要作用是：① 将污泥中的一部分有机物转化为沼气；② 将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；③ 提高污泥的脱水性能；④ 使得污泥的体积减少1/2以上；⑤ 使污泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。 1、消化池的分类： 消化池可以按其形状分为：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；也可以按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；或者还可以按其运行方式的不同分为：传统消化池和高速消化池。 1) 传统消化池： 传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设置加热和搅拌装置，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点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为30~90天。 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（30~35(C）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。 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 : 1~1 : 4，一般为1 : 2。 2、消化池的构造 消化池一般由池顶、池底和池体三部分组成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一般为倒圆锥形，有利于排放熟污泥。 1) 消化池内的搅拌： 在高速消化池内均设有搅拌装置，可以分为机械搅拌和沼气搅拌两种形式。其中的机械搅拌又分为：① 泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌，一般与进料和池外加热合并一起进行；② 螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；③ 水射器搅拌：利用污泥泵从消化池中抽取污泥后通过水射器喷射进入消化池，可以起到循环搅拌的作用。而沼气搅拌又可以分为：① 气提式搅拌；② 竖管式搅拌；③ 气体扩散式搅拌。 2) 消化池内的加热： 在高速消化池内一般需要将反应温度控制在中温范围内，即约为35(C左右，因此必须考虑对进入消化池的污泥或直接在消化池内部进行加热。消化池内的加热方式主要有：① 池内蒸汽直接加热，其优点是设备简单，但容易造成局部污泥过热，会影响厌氧微生物的正常活动，而且蒸气直接通入池内会增加污泥的含水率；② 池外加热：将进入消化池的污泥预热后再投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。 3、消化池的设计计算 消化池的设计计算的主要内容包括：① 消化池体积的计算与池体设计；② 消化池内搅拌设备的设计与计算；③ 消化池所需要的加热保温系统的设计与计算；等。 1、消化池的池体设计 目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：  式中：V——消化池的有效容积，m3； V’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d； p ——污泥投配率。 一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度为30~35(C时，投配率p可取6~18%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。 而国外则多按固体负荷率来计算消化池的有效容积，即：  式中：Gs——每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d； Lv——单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m3.d。 一般认为固体负荷率Lv值与污泥的含固率、消化池内的反应温度等有关，下表中的数据可供参考： 污泥含固率（%） 固体负荷率（kgVSS/m3.d）   24(C 29(C 33(C 35(C  4 1.53 2.04 2.55 3.06  5 1.91 2.55 3.19 3.83  6 2.30 3.06 3.83 4.59  7 2.68 3.57 4.46 5.36  2、消化池的结构尺寸 在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下： ① 圆柱形池体的直径一般为6~35m； ② 柱体高径之比为1：2； ③ 池总高与直径之比为0.8~1.0； ④ 池底坡度一般为0.08； ⑤ 池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m； ⑥ 池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。 3、消化池的工艺管道 在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括：① 污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管；② 上清液排放管；③ 溢流管；④ 沼气管；⑤ 取样管；等。 4.沼气的收集与利用 污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；沼气的热值很高（一般为21000~25000 kJ/m3，即5000~6000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。 1、污泥消化过程中沼气产量的估算： 沼气成分：一般认为CH4 50~70%，CO2 20~30%，H2 2~5%，N2 ~10%，微量H2S等；沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥；产气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关；当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为6~8%，产气率可达10~12 m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26 m3沼气/m3生污泥；投配率为13~15%，产气率可达13~15 m3沼气/m3生污泥 2、沼气的收集： 在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。 3、沼气的贮存与利用： 一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的25~40%，即6~10h的产气量；注意防腐、防火。 ◆、现代高速厌氧生物反应器 厌氧消化技术发展上的第三个时期；1955年，Schroepter提出了厌氧接触法，主要是在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速消化池之后增设二沉池和污泥回流系统，并将其应用于有机废水的处理；处理能力提高，应用于食品包装废水的处理；标志着厌氧技术应用于有机废水处理的开端。 随后又相继出现了厌氧生物滤池AF(Anaerobic Filter)、上流式厌氧污泥床反应器UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)、厌氧附着膜膨胀床反应器AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、厌氧流化床AFB(Anaerobic Fluidized Bed)等高效厌氧反应器，在这些厌氧反应器中，主要具有如下特点：微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长；有机容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；首先应用于高浓度有机工业废水的处理，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药工业废水、屠宰废水等；也有应用于城市废水的处理；如果与好氧生物处理工艺进行串联或组合，还可以同时实现脱氮和除磷；并对含有难降解有机物的工业废水具有较好的处理效果。 厌氧接触法（Anaerobic Contact Process） 1、工艺流程与特点 从上述的工艺流程图中可看出，厌氧接触法工艺的最大的特点是污泥回流，由于增加了污泥回流，就使得消化池的HRT与SRT得以分离，即整个系统的污泥龄可以用下式进行计算：  在厌氧生物处理工艺中，由于厌氧细菌生长缓慢，基本可以作到不从系统中排放剩余污泥，则Qw = 0，则有：  对于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20~30d，因此高速厌氧消化池的HRT为20~30d。 对于厌氧接触法，由于X >>Xe，所以HRT<<SRT；而且X越大，Xe越小，则HRT可以越短。 与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有： ① 污泥浓度高，一般为5~10 gVSS/l，抗冲击负荷能力强； ② 有机容积负荷高，中温时，COD负荷1~6 kgCOD/m3.d，去除率为70~80%； BOD负荷0.5~2.5 kgBOD/m3.d，去除率80~90%； ③ 出水水质较好； ④ 增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂； ⑤ 适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。 在厌氧接触法工艺中，最大的问题是污泥的沉淀，因为厌氧污泥上一般总是附着有小的气泡，且由于污泥在二沉池中还具有活性，还会继续产生沼气，有可能导致已下沉的污泥上浮。 因此，必须采用有效的改进措施，主要有以下两种，即：① 真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；② 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。 2、工艺计算与设计 消化池容积的计算： 有机容积负荷法： ——有机容积负荷，。 3、应用实例 ① 美国：HRT=12~13 h，X=7~12 g/l，SRT=3.6~6 d，Lv=2.5 ② 日本：T=52(C，CODi=11~12g/l，CODe=2100~2700mg/l，V=3000m3； ③ 我国：南阳酒精厂 Lv=9~12，=~83%，=87%，HRT=4~4.5 d，CODi=50~54 g/l，BODi=26~34 g/l 厌氧生物滤池 1、工艺特征与主要型式 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，一批生产规模的厌氧生物滤池投入运行，它们所处理的废水的COD浓度范围较宽，约在300~85000mg/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。 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： 从工艺运行的角度，厌氧生物滤池具有以下特点： ① 厌氧生物滤池中的厌氧生物膜的厚度约为1~4mm； ② 与好氧生物滤池一样，其生物固体浓度沿滤料层高度而有变化； ③ 降流式较升流式厌氧生物滤池中的生物固体浓度的分布更均匀； ④ 厌氧生物滤池适合于处理多种类型、浓度的有机废水，其有机负荷为0.2~16 kgCOD/m3.d； ⑤ 当进水COD浓度过高(>8000或12000mg/l)时，应采用出水回流的措施：减少碱度的要求；降低进水COD浓度；增大进水流量，改善进水分布条件。 与传统的厌氧生物处理工艺相比，厌氧滤池的突出优点是：① 生物固体浓度高，有机负荷高；② SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；③ 启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易；④ 无需回流污泥，运行管理方便；⑤ 运行稳定性较好。而主要缺点是易堵塞，会给运行造成困难。 2、厌氧生物滤池的组成 厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。分述如下： 1) 滤料： 滤料是厌氧生物滤池的主体，其主要作用是提供微生物附着生长的表面及悬浮生长的空间，因此，应具备下列条件：① 比表面积大，以利于增加厌氧生物滤池中的生物量；② 孔隙率高，以截留并保持大量悬浮微生物，同时也可防止堵塞；③ 表面粗糙度较大，以利于厌氧细菌附着生长；④ 其它方面，如：机械强度高；化学和生物学稳定性好；质量轻；价格低廉；等。 很多研究者对多种不同的滤料进行过研究，但所得出的结论也不尽相同，如有人认为滤料的孔隙率更重要，即他们认为厌氧生物滤池中是悬浮细菌所起的作用更大；也有人认为滤料最重要的特性是：粗糙度、孔隙率以及孔隙大小。 在厌氧滤池中经常使用的滤料由多种，可以简单分为如下几种： ① 实心块状滤料：30~45mm的碎块；比表面积和孔隙率都较小，分别为40~50m2/m3和50~60%；这样的厌氧生物滤池中的生物浓度较低，有机负荷也低，仅为3~6 kgCOD/m3.d；易发生局部堵塞，产生短流。 ② 空心块状滤料：多用塑料制成，呈圆柱形或球形，内部有不同形状和大小的孔隙；比表面积和孔隙率都较大。 ③ 管流型滤料：包括塑料波纹板和蜂窝填料等；比表面积为100~200 m2/m3，孔隙率可达80~90%；有机负荷可达5~15 kgCOD/m3.d。 ④ 交叉流型滤料： ⑤ 纤维滤料：包括软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯填料；比表面积和孔隙率都较大；偶有纤维结团现象；价格较低，应用普遍。 2) 布水系统： 在厌氧生物滤池中布水系统的作用是将进水均匀分配于全池，因此在设计计算时，应特别注意孔口的大小和流速。与好氧生物滤池不同的是，因为需要收集所产生的沼气，厌氧生物滤池多是封闭式的，即其内部的水位应高于滤料层，将滤料层完全淹没。其中升流式厌氧生物滤池的布水系统应设置在滤池底部，这种形式在实际应用中较为广泛，一般滤池的直径为6~26m，高为3~13m；而降流式厌氧生物滤池的水流方向正好与之相反；升流式混合型厌氧生物滤池的特点是减小了滤料层的厚度，留出了一定空间，以便悬浮状态的颗粒污泥在其中生长和累积。 3) 沼气收集系统： 厌氧生物滤池的沼气收集系统基本与厌氧消化池的类似。 3、厌氧生物滤池的工艺计算与设计 厌氧生物滤池的工艺计算与设计的主要内容包括：① 滤料的选择；② 滤料体积的计算；③ 布水系统的设计；④ 沼气系统的设计等。但目前尚无定型的设计计算程序，所以本文中仅主要介绍滤料体积的计算方法和某些关键设计参数的选取。 1) 滤料体积的计算： 滤料体积的计算方法仍以有机负荷法为主，即： V = Q（Si – Se）/LvCOD 其中LvCOD为有机容积负荷，一般为0.5~12kgCOD/m3.d；需要根据具体的废水水质以及经验数据或直接的小试试验结果最终决定。 2) 常用设计参数： 一般来说，厌氧生物滤池的有机容积去除负荷可达0.5~12 kgCOD/m3.d；有机物去除率可达60~95%；一般采用的滤料层的高度为2~5m；相邻进水孔口距离——1~2m（不大于2m）；污泥排放口距离——不大于3m。 3) 出水水质关于Se： Se取决于对处理后出水的水质要求；Se还取决于厌氧生物滤池一般能达到的有机物去除率；Se还取决于所采用的有机负荷的高低。 4) 关于有机容积负荷，其影响因素主要有： 废水水质，包括有机物的种类和浓度；滤料性质；温度；其它，如：pH值、营养物、有毒物质浓度等。一般，当废水性质较特殊，无可靠资料可借鉴时，应通过小试或中试试验结果来确定。 4、厌氧生物滤池的应用实例 厌氧生物滤池在美、加已被广泛应用；处理对象包括多种不同类型的废水，如生活污水及COD为3000~24000mg/l的各种工业废水；处理规模也大小不等，最大的厌氧生物滤池为12500m3；COD的去除率在61~94%之间；有机负荷为0.1~15 kgCOD/m3.d。 升流式厌氧污泥层(床)(UASB)反应器 UASB反应器的英文全称为Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed) Reactor, 中文为上（升）流式厌氧污泥床（层）反应器，是由荷兰Wageningen农业大学的Gatze Lettinga教授于上世纪70年代初开发出来的。 1、UASB反应器的基本原理与特征 UASB反应器的工作原理可用下图表示： 从上图中可以看出，UASB反应器具有如下的主要工艺特征： ① 在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器； ② 在反应器底部设置了均匀布水系统； ③ 反应器内的污泥能形成颗粒污泥，所谓的颗粒污泥的特点是：直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。 上述工艺特征使得UASB反应器与前面已经述及的两种厌氧工艺——厌氧接触法以及厌氧生物滤池相比，具有如下的主要特点： ① 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上； ② 反应器的水力停留时间相应较短； ③ 反应器具有很高的容积负荷； ④ 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水； ⑤ UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑； ⑥ 无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率； ⑦ 一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用； ⑧ 构造简单，操作运行方便。 2、UASB反应器的组成 UASB反应器的主要组成部分包括：进水配水系统、反应区、三相分离器、出水系统、气室、浮渣收集系统、排泥系统等，下面将分别叙述： 1) 进水配水系统： 其功能主要有两个方面：① 将废水均匀地分配到整个反应器的底部；② 水力搅拌；一个有效的进水配水系统是保证UASB反应器高效运行的关键之一。 2) 反应区： 反应区是UASB反应器中生化反应发生的主要场所，又分为污泥床区和污泥悬浮区，其中的污泥床区主要集中了大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所；而污泥悬浮区则是絮状污泥集中的区域。 3) 三相分离器： 三相分离器由沉淀区、回流缝和气封等组成；其主要功能有：① 将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开；② 保证出水水质；③ 保证反应器内污泥量；④ 有利于污泥颗粒化。 4) 出水系统： 出水系统的主要作用是将经过沉淀区后的出水均匀收集，并排出反应器。 5) 气室： 气室也称集气罩，其主要作用是收集沼气。 6) 浮渣收集系统： 浮渣收集系统的主要功能是清除沉淀区液面和气室液面的浮渣。 7) 排泥系统： 排泥系统的主要功能是均匀地排除反应器内的剩余污泥。 3、UASB反应器的型式 一般来说，UASB反应器主要有两种型式，即开敞式UASB反应器和封闭式UASB反应器，分述如下。 1) 开敞式UASB反应器 开敞式UASB反应器的顶部不加密封，或仅加一层不太密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；其构造较简单，易于施工安装和维修。 2) 封闭式UASB反应器 封闭式UASB反应器的顶部加盖密封，这样在UASB反应器内的液面与池顶之间形成气室；主要适用于高浓度有机废水的处理；这种形式实际上与传统的厌氧消化池有一定的类似，其池顶也可以做成浮动盖式。 在实际工程中，UASB的断面形状一般可以做成圆形或矩形，一般来说矩形断面便于三相分离器的设计和施工；UASB反应器的主体常为钢结构或钢筋混凝土结构；UASB反应器一般不在反应器内部直接加热，而是将进入反应器的废水预先加热，而UASB反应器本身多采用保温措施。反应器内壁必须采取防腐措施，因为在厌氧反应过程中肯定会有较多的硫化氢或其它具有强腐蚀性的物质产生。 4、UASB反应器的设计计算 由于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，因此到目前为止，还没有形成完整的工程设计的计算方法。 UASB反应器设计计算的主要内容有：① 池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；② 进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；③ 其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算。下面将分别进行叙述。 1) 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。 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，如果对于食品工业废水或与之性质相近的废水，一般认为是可以在反应器内形成颗粒污泥的，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： 温度 （0C） 设计容积负荷（kgCOD/m3.d）  高温（55~65） 20~30  中温（35~38） 10~20  常温（20~25） 5~10  低温（~15） 2~5  2) 进水配水系统的设计： 3) 三相分离器的设计： 三相分离器的基本原理与构造如下图所示： 一般来说，在UASB反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式： 三相分离器的设计要点：① 沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡度应为55~60(；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的停留时间应在1.5~2.0h之间；② 回流缝的设计；③ 气液分离效果的计算与校核；等。 基本要求为：；其中根据Stocks公式有： 4) 出水系统的设计： 5) 浮渣清除系统的设计： 6) 排泥系统设计： 7) 其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用；防腐；等 5、UASB反应器中的颗粒污泥 1) 颗粒污泥的性质与形成 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反应器高效稳定运行的前提，因此有许多研究者都对UASB反应器中的颗粒污泥进行多方面的研究，下面将分别进行简单叙述。 ① 颗粒污泥的外观： 颗粒污泥的外观实际上是多种多样，有呈卵形、球形、丝形等；其平均直径为1 mm,一般为0.1~2 mm,最大可达3~5 mm；反应区底部的颗粒污泥多以无机粒子作为核心，外包生物膜；颗粒的核心多为黑色，生物膜的表层则呈灰白色、淡黄色或暗绿色等；反应区上部的颗粒污泥的挥发性相对较高；颗粒污泥质软，有一定的韧性和粘性。 ② 颗粒污泥的组成 在颗粒污泥中主要包括：各类微生物、无机矿物以及有机的胞外多聚物等，其VSS/SS一般为70~90%；颗粒污泥的主体是各类为微生物，包括水解发酵菌、产氢产乙酸菌、和产甲烷菌，有时还会有硫酸盐还原菌等，细菌总数为1~4×1012个/gVSS；常见的优势产甲烷菌有：索氏甲烷丝菌、马氏和巴氏甲烷八叠球菌等；一般颗粒污泥中C、H、N的比例为C约为40~50%、H约为7%、N约为10%；灰分含量因接种污泥的来源、处理水质等的不同而有较大差距，一般灰分含量可达8.8~55%；灰分含量与颗粒的密度有很好的相关性，但与颗粒的强度的相关性不是很好；灰分中的FeS、Ca2+等对于颗粒污泥的稳定性有着重要的作用，一般认为在颗粒污泥中铁的含量比例特别高。 胞外多聚物是另一重要组成，在颗粒污泥的表面和内部，一般可见透明发亮的粘液状物质，主要是聚多糖、蛋白质和糖醛酸等；含量差异很大，以胞外聚多糖为例，少的占颗粒干重的1~2%，多的占20~30%；有人认为胞外多聚物对于颗粒污泥的形成有重要作用，但现在仍有较大争议；但至少可以认为其存在有利于保持颗粒污泥的稳定性。 2) 颗粒污泥的类型 有人将颗粒污泥分为以下三种类型，即：A型、B型、C型，分述如下： ① A型颗粒污泥： 这种颗粒污泥中的产甲烷细菌以巴氏甲烷八叠球菌为主体，外层常有丝状产甲烷杆菌缠绕；比较密实，粒径很小，约为0.1~0.1 mm。 ② B型颗粒污泥： B型颗粒污泥则以丝状产甲烷杆菌为主体，也称杆菌颗粒；表面规则，外层绕着各种形态的产甲烷杆菌的丝状体；在各种UASB反应器中的出现频率极高；密度为1.033~1.054 g/cm3 ，粒径约为1~3 mm。 ③ C型颗粒污泥： C型颗粒污泥由疏松的纤丝状细菌绕粘连在惰性微粒上所形成的球状团粒，也称丝菌颗粒；C型颗粒污泥大而重，粒径一般为1~5 mm，比重为1.01~1.05，沉降速度一般为5~10 mm/s。 研究表明，不同类型颗粒污泥的形成与废水中化学物质（营养基质和无机物）以及反应器的工艺条件（水力表面负荷和产气强度）等的不同有关；当反应器中乙酸浓度高时，易形成A型颗粒污泥；当反应器中的乙酸浓度降低后，A型颗粒污泥将逐步转变为B型颗粒污泥；当存在适量的悬浮固体时，易形成C型颗粒污泥。 3) 颗粒污泥的生物活性 通过多种研究手段对多种颗粒污泥的研究都表明，颗粒污泥中的细菌是成层分布的，即外层中占优势的细菌是水解发酵菌，而内层则是产甲烷菌；颗粒污泥实际上是一种生物与环境条件相互依存和优化的生态系统，各种细菌形成了一条很完整的食物链，有利于种间氢和种间乙酸的传递，因此其活性很高。 4) 颗粒污泥的培养条件 在UASB反应器种培养出高浓度高活性的颗粒污泥，一般需要1~3个月；可以分为三个阶段：启动期、颗粒污泥形成期、颗粒污泥成熟期。 影响颗粒污泥形成的主要因素有以下几种：① 接种污泥的选择；② 维持稳定的环境条件，如温度、pH值等；③ 初始污泥负荷一般为0.05~0.1 kgCOD/kgSS.d，容积负荷一般应小于0.5 kgCOD/m3.d；④ 保持反应器中低的VFA浓度；⑤ 表面水力负荷应大于0.3 m3/m2.d，以保持较大的水力分级作用，冲走轻质的絮体污泥；⑥ 进水COD浓度不宜大于4000 mg/l，否则可采取水回流或稀疏等措施；⑦ 进水中可适当提供无机微粒，特别可以补充钙和铁，同时应补充微量元素(如Ni、Co、Mo)。 6、UASB反应器的应用实例 其它厌氧生物处理工艺 1、厌氧膨胀床和厌氧流化床Anaerobic (Attached Film) Expanded Bed & Anaerobic Fluidized Bed Reactors 4) 应用实例 ① 城市废水：Jewell等人，美国： 进水COD平均为186mg/l，SS平均为88mg/l；厌氧消化池污泥作为接种污泥，反应温度为20(C；启动期为50天，之后连续运行100天，COD负荷为0.65~35kgCOD/m3.d；当水力停留时间在1h以上时，出水SS在10mg/l以下，COD为40~45mg/l。 ② 工业废水 2、厌氧生物转盘 3、厌氧挡板反应器 4、两相厌氧消化工艺 3) 应用情况 厌氧生物处理工艺的新进展 一、厌氧内循环（IC）反应器 二、厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器 厌氧生物处理工艺的运行管理 3.6污泥的处理与处置（2学时） ◆、概述 一、污泥的来源 在水处理工程中，主要的污泥来源有以下几种： ① 栅渣：格栅或滤网，呈垃圾状，量少，易处理和处置； ② 浮渣：上浮渣和气浮池，可能多含油脂等，量少； ③ 沉砂池沉渣：沉砂池，比重较大的无机颗粒，量少； ④ 初沉污泥：初沉池，以无机物为主，数量较大，易腐化发臭，可能含有虫卵和病变菌，是污泥处理的主要对象； ⑤ 二沉污泥：二沉池，剩余的活性污泥，有机物质，含水率高，易腐化发臭，难脱水，是污泥处理的主要对象； 另外，在给水处理过程中，在原水被净化时也会产生各种污泥，主要是各种化学污泥，即经化学处理后，除含有原废水中的悬浮物外，还含有化学药剂所产生的沉淀物，易于脱水与压实。 二、表征污泥性质的主要指标 表征污泥性质的主要指标有：含水率和含固率、挥发性固体、有毒有害物质的含量以及脱水性能等，下面将分别加以描述。 1、含水率与含固率 含水率是污泥中含水量的百分数；含固率则是污泥中固体或干污泥含量的百分数；湿泥量与含固率的乘积就是污泥量；含水率降低（即含固量提高）将大大降低湿泥量（即污泥体积）；含水率发生变化时，可近似计算湿污泥的体积； 通常：含水率 > 85%，污泥呈流状；65~85%，污泥呈塑态； ( 65%，呈固态。 2、挥发性固体 挥发性固体即VSS，通常用于表示污泥中的有机物的量；有机物含量越高，污泥的稳定性就更差。 3、有毒有害物质 ——污泥含有一定量的N(4%)、P(2.5%)和K(0.5%)，有一定肥效； ——污泥含有病菌、病毒、寄生虫卵等，在施用之前应有必要的处理； 表二 重金属的限制浓度 4、脱水性能 污泥的脱水性能与污泥性质、调理方法及条件等有关，还与脱水机械种类有关。在污泥脱水前进行强处理，改变污泥粒子的物化性质，破坏其胶体结构，减少其与水的亲和力，从而改善脱水性能，这一过程称为污泥的调理或调质。 ——常用污泥过滤比阻抗值(r)和污泥毛细管吸水时间(CST)两项指标来评价污泥的脱水性能。 ——比阻抗值(r)——单位干重滤饼的阻力，其值越大，越难过滤，其脱水性能越差。 比阻抗公式  式中：dV / dt——过滤速度，m3/s V——滤出液体积，m3 t——过滤时间，s P——过滤压力，N/m 2 A——过滤面积，m2 C——单位面积滤出液所得滤饼干重，kg/m3 r——污泥过滤比阻抗，m/kg Rm——过滤开始时单位过滤面积上过滤介质的阻力，m/m2 ?——滤出液的动力粘滞度，N·s/m2 当P为常数值时，则可积分得：  发现t/V~V呈直线关系，令其斜率  则有：，b——与污泥性质有关的常数，s/m6 污泥比阻抗值r的测定： 每隔一定的时间连续测定滤出液量V，并作t/V~V的关系图，如右上图。 已知：P=9.5×104N/m2：滤出液动力粘滞系数?=0.00112 N·s/m2 ; C = 75 kg/m3 , A = 4.42×103 m2 ，则计算可得：r = 2.1×1011 m/kg 三、污泥中的水分及其影响 游离水、毛细水、内部水和附着水 游离水(又称间隙水)：存在于污泥颗粒间隙中的水，约占污泥水份的70%左右，一般可借助中心或离心力分离： 毛细水：存在污泥颗粒间的毛细管中，约占20%，需要更大的外力； 内部水：存在于污泥颗粒内部(包括细胞内的水) 附着水：粘附于颗粒或细胞表面的水 污泥处理方法的选择常取决于污泥的含水率和最终处理的方式 四、污泥处理后的最终出路 污泥的最终出路主要是部分或全部利用或以某种再返回自然环境中去； 污泥的利用：主要是农业上的利用 污泥的最终处置方法：填埋、焚烧、海洋投放、地下投放等 填埋：必要的前处理、稳定化处理； 焚烧：大幅度减容、灭菌、尾气处理、运行费用贵； 海洋投放：地下洞穴、废矿、深井中等 五、污泥最终处置前的处理工艺 浓缩、脱水、干化、稳定、调理(调节)，或消毒。 图：污泥处理与处置的基本流程 ◆、污泥的浓缩工艺 污泥浓缩的主要目的是降低污泥的含水率，使污泥体积大为降低，即通常所说的减容，因此可以大幅度降低后续处理的费用。一般来说，污泥浓缩处理的对象是污泥中70%的游离水。主要的浓缩方法有重力浓缩法、气浮浓缩法和离心浓缩法等三种，在选择具体的污泥浓缩方法时，还应综合考虑污泥的来源、性质以及最终的处置方法等，下面将分别予以叙述。 一、重力浓缩法 1) 间歇式污泥浓缩池 2) 连续式污泥浓缩池 二、气浮浓缩法 气浮浓缩法主要适用于密度接近于1、疏水的污泥，或容易发生膨胀的污泥，一般多采用的是压力溶气气浮法。 三、离心浓缩法 离心浓缩法是利用污泥中的固体即污泥与其中的液体即水之间的密度有很大的不同，因此在高速旋转的离心机中具有不同的离心力，从而可以使二者分离。一般离心浓缩机可以连续工作，污泥在离心浓缩机中的HRT仅为3 min，而出泥的含固率可达4%以上，即出泥的含水率可以达到96%以下。 ◆、污泥的调理 污泥的调理主要指的是在污泥进行脱水之前对其脱水性能进行一定的预处理以提高其脱水性能，常见的污泥的调理方法是加药调理法。即在污泥中加入带有电荷的无机或有机调理剂，使污泥液体颗粒表面发生化学反应，中和颗粒表面的电荷，使水游离出来，同时使污泥颗粒凝聚成大的颗粒絮体，降低污泥的比阻抗(或CST)；调理效果的好坏与调理剂种类、投加量以及环境因素等有关。 一、调理剂 1) 无机调理剂： 适用于真空过滤和板框压滤 ① 最有效、最便宜的是铁盐： FeCl3·6H2O,Fe2(SO4)·4H2OFeSO4·7H2O ，聚合硫酸铁(PFS) ② 铝盐： Al2(SO4)2·18H2O、AlCl3、Al(OH)2·Cl ,聚合氯化铝(PAC) 铁盐常和石灰联用：在pH>12时，可提供Ca(OH)2絮凝体。 二、有机调理剂： 阳粒子型聚丙烯酰胺等 三、调理剂投加量的确定 四、调理效果的影响因素 ① 污泥性质；② 调理剂的品种；③ 投加量；④ 环境条件：水温，pH；⑤ 调理剂的投加顺序；⑥ 污泥与调理剂的混合。 ◆、污泥的脱水与干化工艺 污泥脱水和干化的目的是除去污泥中的大量水分，缩小其体积，减轻其重量；一般经过脱水、干化处理后，污泥含水量能从90%左右下降到60~80%，体积减小到仅为原来的1/10~1/5。自然干化多采用于干化床；机械脱水多采用板框压滤机、带式压滤机、离心脱水机等。 一、自然干化 自然干化主要采用的是污泥干化床，其中主要的干化机理是自然蒸发与渗透。一般经过自然干化处理后的出泥的含水率可接近65%。但由于自然干化床的占的面积较大，一般仅适用于中小规模的污水处理厂。 二、机械脱水 据统计，西欧国家经脱水处理的污泥占其污泥总量的69.3%，其中机械脱水占51.4%、自然干化16.9%、其它1%；主要的脱水机械有：转筒离心机、板框压滤机、压式压滤机、真空过滤机，分别占21.7%，15.8%，11.4%和2.5%。 1、真空过滤机 真空过滤机是早期使用的连续机械脱水机械。 2、板框压滤机 板框压滤机是最早应用于污泥脱水的机械；间歇操作、基建投资大，过滤能力低；但其滤饼的含固率高、滤液清、药剂用量少。 3、带压式压滤机 合成有机聚合物(高分子絮凝剂)发展的结果；连续工作、制造容易、操作管理简单、附属设备较少；但由于絮凝剂较贵，使得其运行费用较高。 4、污泥离心机技术和转筒式离心机 利用离心机使污泥中的固、液分离；离心力场可达到重力场的1000倍以上；处理量大，基建和占地少，操作简单，自动化程度高；可不投入或少投入化学调理剂；动力费用较高。主要有转筒式离心机。 ◆、污泥的消化稳定工艺 所谓的污泥稳定化处理是指降低污泥中有机物的含量，使污泥在后续处理与处置过程中不致发生腐败或变化。主要的稳定化技术包括：污泥的厌氧消化技术、污泥的好氧消化技术等。 一、污泥的厌氧消化 污泥的厌氧消化技术已经在前面第六章中进行了较详细的介绍，可以参见其中的厌氧消化池部分。 二、污泥的好氧稳定 污泥的好氧消化技术对污泥中挥发性固体量的降低可接近于厌氧消化法；但需要大量供氧，因而能耗较大，运行费用高，所以一般只适用于小规模的废水厂。 其机理是促使活性污泥进入内源呼吸阶段，通过自身氧化降低污泥中的有机物的含量，使污泥达到稳定化。其反应方程式如下： C5H7NO2→5CO2+NO3-+3H2O+H+ ——只有约80%的细胞组织能被氧化，剩余的20%则是不能被生物降解的 根据所采用的氧气来源的不同，又可分为空气好氧稳定和纯氧稳定法。 ◆、污泥的干燥与焚化 污泥的干燥是将脱水污泥通过处理，使污泥中的毛细水、吸附水和内部水得到大部分去除的方法，可以使污泥含水率从60~80%降低至10~30%左右； 污泥焚化是将干燥的污泥中的吸附水和内部水以及有机物全部去除，使含水率降至零，污泥变成灰尘； 二者使非常可靠二有效的污泥处理方法，但其设备投资和运行费用都很昂贵。各种干燥器和焚化炉的选择。 ◆、污泥的利用与最终处置 1990年，我国湿泥量约为500万m3 ； 1995年，我国湿泥量约为1000万m3 ； 城市污泥利用与最终处置的可能途径；