第九讲 第三章 厌氧生物处理技术 厌氧生物处理工艺的特征 一、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”。 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，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。被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，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。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。 二、厌氧生物处理的主要特征 1、主要优点 与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点： 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 与废水的好氧生物处理工艺相比，废水厌氧生物处理工艺也存在着以下的明显缺点： 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。 三、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。 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。 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。 一、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。 二、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。 三、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。 一、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 二、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； 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，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。 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。 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。 三、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。 厌氧生物处理工艺的运行管理 一、厌氧生物处理装置的启动 1、污泥消化池的投产启动 污泥消化池建成后，应按以下几个步骤进行投产启动： ① 清水试验，检查漏水和气密性； ② 投加接种污泥，一般要求用滤网过滤（2(2mm或5(5mm）； ③ 开始少量投加浓缩后的生污泥； ④ 测定产气量、沼气成分、VFA、pH等； ⑤ 正常消化后，逐渐增加投泥量，直至达到设计的污泥投配率，这一过程一般需要50~60天。 2、UASB反应器的投产启动 一般UASB反应器的启动运行有两种方式，即： 1) 直接启动：用颗粒污泥接种，所需时间较短，负荷上升较快； 2) 间接启动：用絮状污泥启动，首先需要培养颗粒污泥。颗粒污泥的培养对于反应器的稳定高效运行十分关键，一般需要按以下步骤进行： ① 投加接种污泥：厌氧消化污泥，或剩余活性污泥等；接种量一般为10~20kgVSS/m3； ② 启动初期的污泥负荷应低于0.1~0.2kgCOD/kgSS.d，容积负荷应小于0.5kgCOD/m3.d； ③ 保证一定的水力上升流速，一般要求大于1m3/m2.d，当其大于0.25 m3/m2.h时，就会产生水力分级作用； ④ 进水浓度过高时，可 回流或稀释等措施； ⑤ 一般要求溶解性COD的去除率大于80%左右时，应及时提高负荷； ⑥ 出水VFA浓度一般应控制在1000mg/l以下。 二、运行管理指标 废水厌氧生物处理的运行管理指标主要有：COD去除率、有机容积负荷、有机污泥负荷、水力停留时间、剩余污泥产量、产气量等。 三、水质管理指标 水质管理指标又称为监测项目，即通过水质监测，对厌氧反应器进行管理，使其达到运行要求；主要有：进水量、进出水水质（COD、BOD、SS、pH、VFA等）、污泥浓度、温度、产气量、气体成分等。