第十九章 厌氧生物处理
南华大学建筑工程与资源环境学院
给水排水教研室
主讲教师：娄金生教授
课程内容
1,厌氧生物处理基本原理
2,厌氧消化的影响因素与控制要求
3,两级厌氧与两相厌氧处理
4,厌氧生物处理工艺与反应器
5,厌氧生物处理的运行管理
6,思考题
7,习题
厌氧生物处理基本原理
? 厌氧消化三阶段理论
? 废水处理工艺中的厌氧微生物
? 厌氧消化机理和厌氧处理技术
厌氧消化三阶段理论
? 根据厌氧消化三阶段理论，复杂有机物的厌氧消化过程主
要包括液化、产酸和产甲烷三个阶段，由多种相互依存的
细菌群来完成复杂的基质混合物最终转化为甲烷和二氧化
碳，并合成自身细胞物质。每一阶段各有其独特的微生物
类群，液化阶段起作用的细菌主要包括纤维素分解菌、脂
肪分解菌、蛋白质水解菌；产酸阶段起作用的细菌主要是
菌产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢
气和二氧化碳等；产甲烷阶段是甲烷菌利用乙酸、丙酸、
甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和
H2/CO2是其主要基质。
? Bryant认为厌氧消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态
有机物被细菌的胞外酶水解；第二阶段是酸化；第三阶段
是在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，
称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。
? 厌氧消化两阶段
第一阶段
普通厌氧菌
碳水化合物、
脂肪、蛋白
质 消化
有机酸、
乙醇、乙
醛
第二阶段
绝对厌氧菌
甲烷
二氧化碳
消化
细胞合成
新细胞酶
细胞合成
厌氧消化两阶段示意图
废水处理工艺中的厌氧微生物
在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：
非产甲烷菌（ non-menthanogens）和产甲烷
细菌（ menthanogens）。
表 19-1 产酸菌和产甲烷菌的特性参数
参数 产甲烷菌 产酸菌
对 pH的敏感性 敏感，最佳 pH为 6.8~7.2 不太敏感，最佳 pH为5.5~7.0
氧化还原电位 Eh <-350mv(中温 ),<-560mv(高温 ) <-150~200mv
对温度的敏感性 最佳温度,30~38℃, 50~55℃ 最佳温度,20~35℃
厌氧消化机理和厌氧处理技术
图19-1 产 甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）
乙酸
CH
4
CO
2
28 % 72 %
长链脂肪酸
（丙酸、丁酸等）
简单有机化合物
（糖、氨基酸、肽）
复杂有机 化合物
（碳水化合物、蛋白质、类脂类）
13 %
10 %
5 % 20 %
35 %
17 %
水解
产酸
H
2
CO
2
厌氧消化的影响因素与控制要求
甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因
素也以对甲烷菌的影响因素为准。
? 温度因素
? 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷
? 搅拌和混合
? 营养与 C/N比
? 氨氮
? 有毒物质
? 酸碱度,pH值和消化液的缓冲作用
温度因素
? 温度与有机物负荷、产气量关系见 图 19－ 3
? 消化温度与消化时间的关系见 图 19－ 4
? 厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏
感，温度的突然变化，对沼气产量有明显
影响，温度突变超过一定范围时，则会停
止产气。
? 根据采用消化温度的高低，可以分为常温
消化（ 10~30℃ ）、中温消化（ 35℃ 左右）
和高温消化（ 54℃ 左右）。
温度与有机物负荷、产气量关系
温度（C）
0
55504540353025
1
2 1
3
4 2
5
6 3
7
8 4
0
产气量（m/m·d）
有机物负荷（kg/m·d）
图19-2 温度与有机物负荷、产气量关系图
消化温度与消化时间的关系
T（C）
60
50
40
30
20
10
0 120105907560453015
消化时间 t（d）
图19-3 温度与 消化时间的关系曲线
生物固体停留时间（污泥龄）与负
荷
0
0
10 20 30 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
水力停留时间 t（ d）
有机物浓度
%
4
%
6
%
8
%
有机负荷（X1
6.21kg
vs/m·
d）
图19-4 容 积负荷和水力停留时间关系
搅拌和混合
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接
触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产
气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加
快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消
化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消
化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法
包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅
拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，
如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气
池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将
消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气
流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅
拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。
营养与 C/N比
厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼
气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖
的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和
氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需
要一定比例的氮素和碳素。 表 19-4给出了常用沼
气发酵原料的碳氮比。原料 C/N比过高，碳素多，
氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁
殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程
就长。若 C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素
养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，
出现氨中毒。
各种废物的碳氮比（ C/N）
原料 碳氮比 原料 碳氮比
大便 (6~10):1 厨房垃圾 25:1
小便 0.8:1 混合垃圾 34:1
牛厩肥 18:1 初沉池污泥 5:1
鲜马粪 24:1 二沉池污泥 10:1
鲜羊粪 29:1 鲜猪粪 13:1
氨氮
厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要
的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很
少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分
可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，
因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨
氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消
化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以
NH4+及 NH3等形式存在于消化液中,NH3
对产甲烷菌的活性有比 NH4+更强的抑制能
力。
有毒物质
挥发性脂肪酸（ VFA是消化原料酸性消化的
产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定
的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要
条件，但过高的 VFA会抑制甲烷菌的生长，从而
破坏消化过程。
有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生
物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂
的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、
酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。
? 对厌氧消化具有抑制作用的物质
对厌氧消化具有抑制作用的物质
抑制物质 浓度 /(mg/L) 抑制物质 浓度 /(mg/L)
挥发性脂肪酸 >2000 Na 3500～ 5500
氨氮 1500～ 3000 Fe 1710
溶解性硫化物 >200 Cr6+ 3
Ca 2500～ 4500 Cr3+ 500
Mg 1000～ 1500 Cd 150
K 2500～ 4500
酸碱度,pH值和消化液的缓冲作用
厌氧微生物的生命活动、物质代谢与 pH有密切的关系，
pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生
物要求不同的 pH值，过高或过低的 pH对微生物是不利的，
表现在：
1．由于 pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响
微生物对营养物的吸收；
2,pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化
合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多
数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；
3,pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的 pH值时才能
发挥最大活性，不适宜的 pH值使酶的活性降低，进而影响
微生物细胞内的生物化学过程。
两级厌氧与两相厌氧处理
? 两级厌氧生物处理
? 两相厌氧生物处理
两级厌氧生物处理
? 两级消化：根据沼气产生的规律（ 图 19-6）
设计。
? 目的：节省能量（节省污泥加温与搅拌的
部分能量）
? 特点：第一级：加热（ 33～ 35℃ ）、搅拌；
第二级：不加热（ 20～ 26℃ ）、不搅
拌（可视为污泥浓缩池用）。
消化时间与产气率关系曲线
消化时间 （d)
0 4 8 12 16 20 24 28 30
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
产气率（
%）
30C
图19-5 消化时间与产气率关系
两相厌氧生物处理
? 两相厌氧消化：根据消化机理设计。
? 目的：改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。
? 特点：
第一相,n=100%； t停 =1d
处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二
阶段）。
需加热、搅拌。
第二相,n=（ 15～ 17） %； ；
处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。
? 优点：
（ 1） 总容积小
（ 2） 加热耗热量少，搅拌能耗少
（ 3） 运行管理方便
厌氧生物处理工艺与反应器
? 普通厌氧消化池
? 厌氧接触工艺
? 厌氧生物滤池
? 厌氧生物转盘
? UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器
? 厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器
? 厌氧折流板式反应器
? 高温厌氧处理工艺
普通厌氧消化池
? 池形：圆柱形和蛋形两种。
? 构造：主要包括污泥的投配、排泥及 溢流
系统,沼气排出、收集与 贮气设备,搅拌
设备及 加温设备 等。
溢流系统
（a）倒虹吸管式；（b）大气压式；（c ）水封式
排
水
槽
（a）
（b）
h
△h=30
～50cm
水
封
管
φ 200
下
流
管
7.00
7.40
9.00
8.50 污泥面
10,0集气罩顶
4.70
上清液排水槽
常
闭
溢流管从
池盖插入
消化池
10.0
大气
（c）
图19- 7 消化池的溢流装置
贮气设备
（a） 低压浮盖式，1 -水 封柜；2-浮 盖；3-外轨 ；4 -滑 轮；5 -导 气管；
（ b ）高压球形罐，1-导气 管；2-安 全阀
（ b ）（a ）
5
1
2
4
3
2 安全阀
1 进出 气管
图19- 8 贮气柜
加温设备
1-污泥入口； 2-污泥出口；3-热媒进 口；4-热媒出口
水
泥
图19-8 套管式热交换器
厌氧接触工艺
? 流程（ 图 19－ 10）
? 主要特征：在厌氧反应器后设沉淀池，污
泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持
较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时
间。
厌氧生物接触法
回流污泥
沉淀池
真空脱气器
消化池
废水
图19-9 厌氧 生物接触法
厌氧生物滤池
? 是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以
生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没
地通过滤料，在生物膜的吸附作用和微生
物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废
水中有机污染物被去除。产生的沼气则聚
集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水
则由旁侧流出。为了分离处理水挟出的生
物膜，一般在滤池后需设沉淀池。
? 可分为 升流式和降流式 两种形式
升流式和降流式厌氧生物滤池
处理水
原废水
处理水
沼气沼气
滤
料
原废水
滤
料
图19-1 0 厌氧 生物滤池
厌氧生物转盘
? 由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成
? 特点：
1） 微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；
2） 废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；
3） 勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；
4） 处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；
5） 由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的
活性；
6） 有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；
7） 可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；
8） 便于运行管理。
? 厌氧生物转盘构造图
厌氧生物转盘构造
反应槽
转轴
转动盘片
沼气
固定盘片
进水
图19-11 厌氧生物转盘构造图
UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器
特点：
1）污泥床内生物量多，折合浓度可达 20～ 30g/L；
2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况
下可达 10kgCOD/(m3·d)左右甚至能够高达 15～ 40
kgCOD/(m3·d)，废水在反应器内的水力停留时间
较短，因此所需池容大大缩小。
3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池呵污泥回
流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机
械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。
升流式厌氧污泥床在构造
升流式厌氧污泥床在构造
配
水
系
统
污
泥
处理
水
沼
气
三相分离器
出水堰
水
沼气
污泥
颗粒污泥区
悬浮污泥区
图19 -12 升流式厌氧污泥床
升流式厌氧污泥床反应器
厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器
? 两相厌氧流化床工艺流程（如 图 19－ 13所示）
? 特点：
1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有
很高的微生物浓度，一般为 30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，
一般为 10～ 40 kgCOD/(m3·d)，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，
运行稳定；
2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；
3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；
4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处
理。
? 缺点：
1）载体流化能耗较大；
2）系统的设计要求高。
两相厌氧流化床工艺流程
沼气至锅炉
出水
相
甲烷
相
产酸
废水
图19-13 二相厌氧流化床流程图
厌氧折流板式反应器
? 厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程 （如 图 19-
14所示 ）
? 特点：
1）反应器启动期短。试验表明，接种一个月后，就有颗
粒污泥形成，两个月就可以投入稳定运行；
2) 避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题；
3）避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失
问题；
4）不需要混合搅拌装置；
5）不需载体。
厌氧折流板式反应器工艺流程
挡板
进水
回流
沼气
循环泵
出水
上向流下向流
图19-14 厌氧挡板反应器工艺流程图
高温厌氧处理工艺
? 优点：细菌生长速率高，通常细菌在 55℃ 时的生
长速率是 30℃ 时的 2～ 3倍，即其产甲烷活性较高；
病原菌的去除率较高，经高温厌氧消化的污泥和
出水可用于灌溉和施肥；剩余污泥产率低，虽然
高温下细菌的生长速率高，但其衰亡速率也高，
所以净污泥产率低；高温时水的黏度低，有利于
处理时的混合及污泥沉降。
? 主要影响因素,温度和 pH值,有机负荷、挥发
性脂肪酸、微生物载体
? 实例,某糟液废水高温厌氧处理工艺
某糟液废水高温厌氧处理工艺
糟液废水 水解调节池 配水系统
泵
高温 UASB
进锅炉
混凝沉淀池
SBR系统
达标排放
污泥混合池污泥混合池污泥脱水滤饼外运
沼气
厌氧生物处理的运行管理
? 运行管理
? 安全操作事项
? 维护保养
? 技术指标
运行管理
消化池内，应按一定投配率投加新鲜污泥，并定时排
放消化污泥；池外加温且为循环搅拌的消化池，投泥和循
环搅拌应同时进行；新鲜污泥投到消化池，应充分搅拌，
并应保持消化温度恒定；用沼气搅拌污泥宜采用单池进行。
在产气量不足或在启动期间搅拌无法充分进行时，应采用
辅助措施搅拌；消化池污泥必须在 2～ 5h 之内充分混合一
次；消化池中的搅拌不得与排泥同时进行；应监测产气量、pH 值、脂肪酸、总碱度和沼气成分等数据，并根据监测
数据调整消化池运行工况；热交换器长期停止使用时，必
须关闭通往消化池的进泥闸阀，并将热交换器中的污泥放
空；二级消化池的上清液应按设计要求定时排放；消化池
前栅筛上的杂物，必须及时清捞并外运；消化池溢流管必
须通畅，并保持其水封高度。环境温度低于 0℃ 时，应防
止水封结冰；消化池启动初期，搅拌时间和次数可适当减
少。运行数年的消化池的搅拌次数和时间可适当增多和延
长。
安全操作事项
在投配污泥、搅拌、加热及排放等项操作前，
应首先检查各种工艺管路闸阀的启闭是否正确，严
禁跑泥、漏气、漏水；每次蒸汽加热前，应排放蒸
汽管道内的冷凝水；沼气管道内的冷凝水应定期排
放；消化池排泥时，应将沼气管道与贮气柜联通；
消化池内压力超过设计值时，应停止搅拌；消化池
放空清理应采取防护措施，池内有害气体和可燃气
体含量应符合规定；操作人员检修和维护加热、搅
拌等设施时，应采取安全防护措施；应每班检查一
次消化池和沼气管道闸阀是否漏气。
维护保养
消化池的各种加热设施均应定期除垢、
检修、更换；
消化池池体、沼气管道、蒸气管道
和热水管道、热交换器及闸阀等设施、设
备应每年进行保温检查和维修；
寒冷季节应做好设备和管道的保温
防冻工作；热交换器管路和闸阀处的密封
材料应及时更换；
正常运行的消化池，宜 5年彻底清理、
检修一次。
技术指标
序号 项目 运行参数
1 温 度 (℃ ) 34± 1
2 投配率 (%) 4～ 8
3 污泥含水率 (%) 进泥 95～ 98出泥 95左右
4 pH值 7～ 8
5 有机物分解率 (%) 大于 30
6 污泥沼气搅伴供气量 m
3/（ m3· h） 0.8
m3/（ m周长 · h） 4～ 5
7 沼气搅拌（次 /d） 30
8 沼气中主要气体成分 (%) CH4>55； CO2<38； H2<2；H
2S<0.01； N2<6
9 产气率（ m3气 / m3泥） >5
10 总碱度（ mg/L） ＞ 2000
思考题
1、污泥的最终出路是什么？如何因地制宜地考虑？
2、污泥处置与污水处理之间的关系如何？是如何相互影响的？
3、污泥处置流程选择和确定要考虑什么问题？和污泥的最终出路有何关系？
4、污泥处置有哪些方法？各有什么作用？
5、污泥含水率从 97.5%降至 94%，求污泥体积的变化。
6、总生化需氧量转为甲烷的过程中，求每公斤总生化需氧量经消化后能产生
的甲烷量。假设起始化合物为葡萄糖。
7、城市污水处理厂的污泥为什么要进行消化处理？有哪些措施可以加速污泥
消化过程？什么叫投配率？它的含义是什么？
8、什么是固体通量、沉降通量、底流通量和进泥通量？它们之间的关系如何？
9、极限固体通量的概念？它的用途是什么？
10、简述污泥浓缩的三种理论与其试验方法。
11、污泥分哪几类？测定污泥性能的指标是什么？
12、什么叫污泥的可消化程度？污泥的过滤性能如何测定？
13、简述消化池的构造及其功能。
14、消化池搅拌方法和加热方法各有几种？各有何优缺点？
15、绘图说明沼气搅拌系统和消化池上部溢流系统的构造与作用。
习题
1、污泥脱水前预处理的方法、优缺点及污泥脱水的种类、优缺点。
2、污泥比阻的概念？如何求定污泥的比阻？为什么要求污泥的比阻？
3、污泥厌氧消化的机理？为什么产甲烷阶段是污泥厌氧消化的控制阶段？
4、何谓二级消化与二相消化？
5、论述污泥厌氧消化的影响因素，并说明在操作上应如何进行控制，以维持较好的消化进程。
6、简述卡门公式的物理意义。
7、简述污泥厌氧消化所需总耗热量与套管式热交换器的计算。
8、简要证明污泥气浮浓缩时气固比（溶气比）的计算公式。
9、普通消化池能否处理城市污水？为什么？分析厌氧接触法处理城市污水的可行性。
10、某城市的城市污水设计流量为 60000m3/d。原污水悬浮物浓度为 240mg/L，初沉池沉淀效率
为 40%。经沉淀处理后 BOD5约 200mg/L。用活性污泥法处理，曝气池容积为 10000m3，
MLVSS为 3.5g/L,MLSS为 4.8g/L,BOD5去除率为 90%。初沉污泥及剩余活性污泥采用中温消
化处理，消化温度为 33℃,污泥投配率为 6%，新鲜污泥温度为 +16℃,室外温度为 -10℃,根
据上列数据设计污泥消化池。
11、计算消化池的容积和效能。废水处理能力为 38000m3/d的一级处理厂，计算处理其污泥所需
的消化池尺寸。验算容积负荷，并计算稳定百分率和每日产生的气体量。已知经处理的废水
干固体的去除量和总生化需氧量去除量分别为 0.15kg/m3和 0.14kg/m3。假设污泥含水量为
95%左右，密度为 1.02。其他相应的设计参数如下：
⑴反应器的水流状态为连续流搅拌池。
⑵ θc在 35℃ 时为 10d。
⑶废物利用效率 E=0.80。
⑷废物含有适量的氮和磷，供生物生长。
⑸ Y=0.05kg细胞 /kgBOD5，和 kd=0.03d。
⑹各常数适用于 35℃ 。
12、已知某污水处理厂初沉池每天排出含水率 95%的污泥为 200m3/d；二沉池每天排出含水率
99%的剩余污泥为 2000m3/d，经浓缩后污泥含水率为 95%。新鲜污泥按 5%的投配率投入消化
池，计算消化池的有效容积和消化时间。
南华大学建筑工程与资源环境学院
给水排水教研室
主讲教师：娄金生教授
课程内容
1,厌氧生物处理基本原理
2,厌氧消化的影响因素与控制要求
3,两级厌氧与两相厌氧处理
4,厌氧生物处理工艺与反应器
5,厌氧生物处理的运行管理
6,思考题
7,习题
厌氧生物处理基本原理
? 厌氧消化三阶段理论
? 废水处理工艺中的厌氧微生物
? 厌氧消化机理和厌氧处理技术
厌氧消化三阶段理论
? 根据厌氧消化三阶段理论，复杂有机物的厌氧消化过程主
要包括液化、产酸和产甲烷三个阶段，由多种相互依存的
细菌群来完成复杂的基质混合物最终转化为甲烷和二氧化
碳，并合成自身细胞物质。每一阶段各有其独特的微生物
类群，液化阶段起作用的细菌主要包括纤维素分解菌、脂
肪分解菌、蛋白质水解菌；产酸阶段起作用的细菌主要是
菌产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢
气和二氧化碳等；产甲烷阶段是甲烷菌利用乙酸、丙酸、
甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和
H2/CO2是其主要基质。
? Bryant认为厌氧消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态
有机物被细菌的胞外酶水解；第二阶段是酸化；第三阶段
是在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，
称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。
? 厌氧消化两阶段
第一阶段
普通厌氧菌
碳水化合物、
脂肪、蛋白
质 消化
有机酸、
乙醇、乙
醛
第二阶段
绝对厌氧菌
甲烷
二氧化碳
消化
细胞合成
新细胞酶
细胞合成
厌氧消化两阶段示意图
废水处理工艺中的厌氧微生物
在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：
非产甲烷菌（ non-menthanogens）和产甲烷
细菌（ menthanogens）。
表 19-1 产酸菌和产甲烷菌的特性参数
参数 产甲烷菌 产酸菌
对 pH的敏感性 敏感，最佳 pH为 6.8~7.2 不太敏感，最佳 pH为5.5~7.0
氧化还原电位 Eh <-350mv(中温 ),<-560mv(高温 ) <-150~200mv
对温度的敏感性 最佳温度,30~38℃, 50~55℃ 最佳温度,20~35℃
厌氧消化机理和厌氧处理技术
图19-1 产 甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）
乙酸
CH
4
CO
2
28 % 72 %
长链脂肪酸
（丙酸、丁酸等）
简单有机化合物
（糖、氨基酸、肽）
复杂有机 化合物
（碳水化合物、蛋白质、类脂类）
13 %
10 %
5 % 20 %
35 %
17 %
水解
产酸
H
2
CO
2
厌氧消化的影响因素与控制要求
甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因
素也以对甲烷菌的影响因素为准。
? 温度因素
? 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷
? 搅拌和混合
? 营养与 C/N比
? 氨氮
? 有毒物质
? 酸碱度,pH值和消化液的缓冲作用
温度因素
? 温度与有机物负荷、产气量关系见 图 19－ 3
? 消化温度与消化时间的关系见 图 19－ 4
? 厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏
感，温度的突然变化，对沼气产量有明显
影响，温度突变超过一定范围时，则会停
止产气。
? 根据采用消化温度的高低，可以分为常温
消化（ 10~30℃ ）、中温消化（ 35℃ 左右）
和高温消化（ 54℃ 左右）。
温度与有机物负荷、产气量关系
温度（C）
0
55504540353025
1
2 1
3
4 2
5
6 3
7
8 4
0
产气量（m/m·d）
有机物负荷（kg/m·d）
图19-2 温度与有机物负荷、产气量关系图
消化温度与消化时间的关系
T（C）
60
50
40
30
20
10
0 120105907560453015
消化时间 t（d）
图19-3 温度与 消化时间的关系曲线
生物固体停留时间（污泥龄）与负
荷
0
0
10 20 30 40
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
水力停留时间 t（ d）
有机物浓度
%
4
%
6
%
8
%
有机负荷（X1
6.21kg
vs/m·
d）
图19-4 容 积负荷和水力停留时间关系
搅拌和混合
搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接
触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产
气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加
快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消
化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消
化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法
包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅
拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，
如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气
池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将
消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气
流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅
拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。
营养与 C/N比
厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼
气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖
的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和
氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需
要一定比例的氮素和碳素。 表 19-4给出了常用沼
气发酵原料的碳氮比。原料 C/N比过高，碳素多，
氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁
殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程
就长。若 C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素
养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，
出现氨中毒。
各种废物的碳氮比（ C/N）
原料 碳氮比 原料 碳氮比
大便 (6~10):1 厨房垃圾 25:1
小便 0.8:1 混合垃圾 34:1
牛厩肥 18:1 初沉池污泥 5:1
鲜马粪 24:1 二沉池污泥 10:1
鲜羊粪 29:1 鲜猪粪 13:1
氨氮
厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要
的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很
少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分
可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，
因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨
氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消
化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以
NH4+及 NH3等形式存在于消化液中,NH3
对产甲烷菌的活性有比 NH4+更强的抑制能
力。
有毒物质
挥发性脂肪酸（ VFA是消化原料酸性消化的
产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定
的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要
条件，但过高的 VFA会抑制甲烷菌的生长，从而
破坏消化过程。
有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生
物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂
的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、
酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。
? 对厌氧消化具有抑制作用的物质
对厌氧消化具有抑制作用的物质
抑制物质 浓度 /(mg/L) 抑制物质 浓度 /(mg/L)
挥发性脂肪酸 >2000 Na 3500～ 5500
氨氮 1500～ 3000 Fe 1710
溶解性硫化物 >200 Cr6+ 3
Ca 2500～ 4500 Cr3+ 500
Mg 1000～ 1500 Cd 150
K 2500～ 4500
酸碱度,pH值和消化液的缓冲作用
厌氧微生物的生命活动、物质代谢与 pH有密切的关系，
pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生
物要求不同的 pH值，过高或过低的 pH对微生物是不利的，
表现在：
1．由于 pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响
微生物对营养物的吸收；
2,pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化
合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多
数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；
3,pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的 pH值时才能
发挥最大活性，不适宜的 pH值使酶的活性降低，进而影响
微生物细胞内的生物化学过程。
两级厌氧与两相厌氧处理
? 两级厌氧生物处理
? 两相厌氧生物处理
两级厌氧生物处理
? 两级消化：根据沼气产生的规律（ 图 19-6）
设计。
? 目的：节省能量（节省污泥加温与搅拌的
部分能量）
? 特点：第一级：加热（ 33～ 35℃ ）、搅拌；
第二级：不加热（ 20～ 26℃ ）、不搅
拌（可视为污泥浓缩池用）。
消化时间与产气率关系曲线
消化时间 （d)
0 4 8 12 16 20 24 28 30
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
产气率（
%）
30C
图19-5 消化时间与产气率关系
两相厌氧生物处理
? 两相厌氧消化：根据消化机理设计。
? 目的：改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。
? 特点：
第一相,n=100%； t停 =1d
处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二
阶段）。
需加热、搅拌。
第二相,n=（ 15～ 17） %； ；
处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。
? 优点：
（ 1） 总容积小
（ 2） 加热耗热量少，搅拌能耗少
（ 3） 运行管理方便
厌氧生物处理工艺与反应器
? 普通厌氧消化池
? 厌氧接触工艺
? 厌氧生物滤池
? 厌氧生物转盘
? UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器
? 厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器
? 厌氧折流板式反应器
? 高温厌氧处理工艺
普通厌氧消化池
? 池形：圆柱形和蛋形两种。
? 构造：主要包括污泥的投配、排泥及 溢流
系统,沼气排出、收集与 贮气设备,搅拌
设备及 加温设备 等。
溢流系统
（a）倒虹吸管式；（b）大气压式；（c ）水封式
排
水
槽
（a）
（b）
h
△h=30
～50cm
水
封
管
φ 200
下
流
管
7.00
7.40
9.00
8.50 污泥面
10,0集气罩顶
4.70
上清液排水槽
常
闭
溢流管从
池盖插入
消化池
10.0
大气
（c）
图19- 7 消化池的溢流装置
贮气设备
（a） 低压浮盖式，1 -水 封柜；2-浮 盖；3-外轨 ；4 -滑 轮；5 -导 气管；
（ b ）高压球形罐，1-导气 管；2-安 全阀
（ b ）（a ）
5
1
2
4
3
2 安全阀
1 进出 气管
图19- 8 贮气柜
加温设备
1-污泥入口； 2-污泥出口；3-热媒进 口；4-热媒出口
水
泥
图19-8 套管式热交换器
厌氧接触工艺
? 流程（ 图 19－ 10）
? 主要特征：在厌氧反应器后设沉淀池，污
泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持
较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时
间。
厌氧生物接触法
回流污泥
沉淀池
真空脱气器
消化池
废水
图19-9 厌氧 生物接触法
厌氧生物滤池
? 是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以
生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没
地通过滤料，在生物膜的吸附作用和微生
物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废
水中有机污染物被去除。产生的沼气则聚
集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水
则由旁侧流出。为了分离处理水挟出的生
物膜，一般在滤池后需设沉淀池。
? 可分为 升流式和降流式 两种形式
升流式和降流式厌氧生物滤池
处理水
原废水
处理水
沼气沼气
滤
料
原废水
滤
料
图19-1 0 厌氧 生物滤池
厌氧生物转盘
? 由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成
? 特点：
1） 微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；
2） 废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；
3） 勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；
4） 处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；
5） 由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的
活性；
6） 有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；
7） 可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；
8） 便于运行管理。
? 厌氧生物转盘构造图
厌氧生物转盘构造
反应槽
转轴
转动盘片
沼气
固定盘片
进水
图19-11 厌氧生物转盘构造图
UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器
特点：
1）污泥床内生物量多，折合浓度可达 20～ 30g/L；
2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况
下可达 10kgCOD/(m3·d)左右甚至能够高达 15～ 40
kgCOD/(m3·d)，废水在反应器内的水力停留时间
较短，因此所需池容大大缩小。
3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池呵污泥回
流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机
械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。
升流式厌氧污泥床在构造
升流式厌氧污泥床在构造
配
水
系
统
污
泥
处理
水
沼
气
三相分离器
出水堰
水
沼气
污泥
颗粒污泥区
悬浮污泥区
图19 -12 升流式厌氧污泥床
升流式厌氧污泥床反应器
厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器
? 两相厌氧流化床工艺流程（如 图 19－ 13所示）
? 特点：
1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有
很高的微生物浓度，一般为 30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，
一般为 10～ 40 kgCOD/(m3·d)，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，
运行稳定；
2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；
3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；
4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处
理。
? 缺点：
1）载体流化能耗较大；
2）系统的设计要求高。
两相厌氧流化床工艺流程
沼气至锅炉
出水
相
甲烷
相
产酸
废水
图19-13 二相厌氧流化床流程图
厌氧折流板式反应器
? 厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程 （如 图 19-
14所示 ）
? 特点：
1）反应器启动期短。试验表明，接种一个月后，就有颗
粒污泥形成，两个月就可以投入稳定运行；
2) 避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题；
3）避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失
问题；
4）不需要混合搅拌装置；
5）不需载体。
厌氧折流板式反应器工艺流程
挡板
进水
回流
沼气
循环泵
出水
上向流下向流
图19-14 厌氧挡板反应器工艺流程图
高温厌氧处理工艺
? 优点：细菌生长速率高，通常细菌在 55℃ 时的生
长速率是 30℃ 时的 2～ 3倍，即其产甲烷活性较高；
病原菌的去除率较高，经高温厌氧消化的污泥和
出水可用于灌溉和施肥；剩余污泥产率低，虽然
高温下细菌的生长速率高，但其衰亡速率也高，
所以净污泥产率低；高温时水的黏度低，有利于
处理时的混合及污泥沉降。
? 主要影响因素,温度和 pH值,有机负荷、挥发
性脂肪酸、微生物载体
? 实例,某糟液废水高温厌氧处理工艺
某糟液废水高温厌氧处理工艺
糟液废水 水解调节池 配水系统
泵
高温 UASB
进锅炉
混凝沉淀池
SBR系统
达标排放
污泥混合池污泥混合池污泥脱水滤饼外运
沼气
厌氧生物处理的运行管理
? 运行管理
? 安全操作事项
? 维护保养
? 技术指标
运行管理
消化池内，应按一定投配率投加新鲜污泥，并定时排
放消化污泥；池外加温且为循环搅拌的消化池，投泥和循
环搅拌应同时进行；新鲜污泥投到消化池，应充分搅拌，
并应保持消化温度恒定；用沼气搅拌污泥宜采用单池进行。
在产气量不足或在启动期间搅拌无法充分进行时，应采用
辅助措施搅拌；消化池污泥必须在 2～ 5h 之内充分混合一
次；消化池中的搅拌不得与排泥同时进行；应监测产气量、pH 值、脂肪酸、总碱度和沼气成分等数据，并根据监测
数据调整消化池运行工况；热交换器长期停止使用时，必
须关闭通往消化池的进泥闸阀，并将热交换器中的污泥放
空；二级消化池的上清液应按设计要求定时排放；消化池
前栅筛上的杂物，必须及时清捞并外运；消化池溢流管必
须通畅，并保持其水封高度。环境温度低于 0℃ 时，应防
止水封结冰；消化池启动初期，搅拌时间和次数可适当减
少。运行数年的消化池的搅拌次数和时间可适当增多和延
长。
安全操作事项
在投配污泥、搅拌、加热及排放等项操作前，
应首先检查各种工艺管路闸阀的启闭是否正确，严
禁跑泥、漏气、漏水；每次蒸汽加热前，应排放蒸
汽管道内的冷凝水；沼气管道内的冷凝水应定期排
放；消化池排泥时，应将沼气管道与贮气柜联通；
消化池内压力超过设计值时，应停止搅拌；消化池
放空清理应采取防护措施，池内有害气体和可燃气
体含量应符合规定；操作人员检修和维护加热、搅
拌等设施时，应采取安全防护措施；应每班检查一
次消化池和沼气管道闸阀是否漏气。
维护保养
消化池的各种加热设施均应定期除垢、
检修、更换；
消化池池体、沼气管道、蒸气管道
和热水管道、热交换器及闸阀等设施、设
备应每年进行保温检查和维修；
寒冷季节应做好设备和管道的保温
防冻工作；热交换器管路和闸阀处的密封
材料应及时更换；
正常运行的消化池，宜 5年彻底清理、
检修一次。
技术指标
序号 项目 运行参数
1 温 度 (℃ ) 34± 1
2 投配率 (%) 4～ 8
3 污泥含水率 (%) 进泥 95～ 98出泥 95左右
4 pH值 7～ 8
5 有机物分解率 (%) 大于 30
6 污泥沼气搅伴供气量 m
3/（ m3· h） 0.8
m3/（ m周长 · h） 4～ 5
7 沼气搅拌（次 /d） 30
8 沼气中主要气体成分 (%) CH4>55； CO2<38； H2<2；H
2S<0.01； N2<6
9 产气率（ m3气 / m3泥） >5
10 总碱度（ mg/L） ＞ 2000
思考题
1、污泥的最终出路是什么？如何因地制宜地考虑？
2、污泥处置与污水处理之间的关系如何？是如何相互影响的？
3、污泥处置流程选择和确定要考虑什么问题？和污泥的最终出路有何关系？
4、污泥处置有哪些方法？各有什么作用？
5、污泥含水率从 97.5%降至 94%，求污泥体积的变化。
6、总生化需氧量转为甲烷的过程中，求每公斤总生化需氧量经消化后能产生
的甲烷量。假设起始化合物为葡萄糖。
7、城市污水处理厂的污泥为什么要进行消化处理？有哪些措施可以加速污泥
消化过程？什么叫投配率？它的含义是什么？
8、什么是固体通量、沉降通量、底流通量和进泥通量？它们之间的关系如何？
9、极限固体通量的概念？它的用途是什么？
10、简述污泥浓缩的三种理论与其试验方法。
11、污泥分哪几类？测定污泥性能的指标是什么？
12、什么叫污泥的可消化程度？污泥的过滤性能如何测定？
13、简述消化池的构造及其功能。
14、消化池搅拌方法和加热方法各有几种？各有何优缺点？
15、绘图说明沼气搅拌系统和消化池上部溢流系统的构造与作用。
习题
1、污泥脱水前预处理的方法、优缺点及污泥脱水的种类、优缺点。
2、污泥比阻的概念？如何求定污泥的比阻？为什么要求污泥的比阻？
3、污泥厌氧消化的机理？为什么产甲烷阶段是污泥厌氧消化的控制阶段？
4、何谓二级消化与二相消化？
5、论述污泥厌氧消化的影响因素，并说明在操作上应如何进行控制，以维持较好的消化进程。
6、简述卡门公式的物理意义。
7、简述污泥厌氧消化所需总耗热量与套管式热交换器的计算。
8、简要证明污泥气浮浓缩时气固比（溶气比）的计算公式。
9、普通消化池能否处理城市污水？为什么？分析厌氧接触法处理城市污水的可行性。
10、某城市的城市污水设计流量为 60000m3/d。原污水悬浮物浓度为 240mg/L，初沉池沉淀效率
为 40%。经沉淀处理后 BOD5约 200mg/L。用活性污泥法处理，曝气池容积为 10000m3，
MLVSS为 3.5g/L,MLSS为 4.8g/L,BOD5去除率为 90%。初沉污泥及剩余活性污泥采用中温消
化处理，消化温度为 33℃,污泥投配率为 6%，新鲜污泥温度为 +16℃,室外温度为 -10℃,根
据上列数据设计污泥消化池。
11、计算消化池的容积和效能。废水处理能力为 38000m3/d的一级处理厂，计算处理其污泥所需
的消化池尺寸。验算容积负荷，并计算稳定百分率和每日产生的气体量。已知经处理的废水
干固体的去除量和总生化需氧量去除量分别为 0.15kg/m3和 0.14kg/m3。假设污泥含水量为
95%左右，密度为 1.02。其他相应的设计参数如下：
⑴反应器的水流状态为连续流搅拌池。
⑵ θc在 35℃ 时为 10d。
⑶废物利用效率 E=0.80。
⑷废物含有适量的氮和磷，供生物生长。
⑸ Y=0.05kg细胞 /kgBOD5，和 kd=0.03d。
⑹各常数适用于 35℃ 。
12、已知某污水处理厂初沉池每天排出含水率 95%的污泥为 200m3/d；二沉池每天排出含水率
99%的剩余污泥为 2000m3/d，经浓缩后污泥含水率为 95%。新鲜污泥按 5%的投配率投入消化
池，计算消化池的有效容积和消化时间。
