水质工程学

国家级精品课程 水质工程学第15章厌氧生物处理第19讲-【厌氧生物处理的基本原理和微生物生态学】主讲教师：杨庆

第15章厌氧生物处理 15.1 概述 15.2 厌氧生物处理的基本原理 15.3 厌氧微生物生态学 15.4 升流式厌氧污泥床反应器 15.5 两相厌氧生物处理 15.6 悬浮生长厌氧生物处理法 15.7 固着生长厌氧生物处理法

能源供需矛盾日益尖锐，攻克耗能领域的节能关键技术势在必行。能源供需矛盾日益尖锐，攻克耗能领域的节能关键技术势在必行。节能降耗污染治理环境污染严重，污水处理行业属于能源消耗大户。发达国家用于废水处理的能耗已经占到了全国总电耗的1%左右。

A Septic Tank System 低能耗高效的污水处理技术 Compact、Low Cost、High Efficiency 厌氧技术是可持续发展的核心技术； “开发……厌氧城市污水处理是废水处理历史上最伟大的进步”

15.1 概述 15.1.1 狭义和广义的厌氧生物处理 15.1.2 厌氧处理工艺的发展概况 15.1.3 厌氧生物处理工艺的分类 15.1.4 厌氧生物处理技术在废水处理中的地位

15.1.1 狭义和广义的厌氧生物处理 狭义的厌氧生物处理工艺，过去主要用于剩余污泥的厌氧处理，传统上称之为厌氧消化，亦称污泥消化，它是在无氧条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物和无机物转化为甲烷，二氧化碳等的过程。广义的厌氧生物处理是指在无氧条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物和无机物加以转化的过程。

15.1.2 厌氧处理工艺的发展概况 废水厌氧生物处理技术发展至今，已有130多年的历史 • 1、厌氧生物处理的发展（国外） • 2、厌氧生物处理的发展（国内）

1、厌氧生物处理的发展（国外） 第一时期 20世纪20年代以前应用于废水和粪便处理 • 早在1860年法国人Louis Mouras把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用。 • 1881年法国Cosmos杂志上登载了介绍Mouras创造的处理污水污泥的自动净化器(Automatic Scasenger)。法国的自动净化器（1881年）英国的化粪池（1895年）英国Travis池（1904年）德国Imhoff池（1905年） • 美国学者McCarty建议把1881年作为人工厌氧处理废水的开始，称Mouras是第一个应用厌氧消化处理的创始人

1890年，Scott-Moncrieff建造了第一个初步的厌氧滤池（Anaerobic Filter）：建造了一个底部空、上边铺一层石子的消化池。石子的作用是拦截废液中的固体，这种装置长期未受重视，没有发展，直至现在处理工业废水时，才又被人们所认识。 1894年，A.N.Talbot设计了一个与Mouras自动净化器相似的罐，主要是中间多了一些垂直挡板，阻挡流过的废水。

世界上第一个厌氧化粪池(Septic Tank) 1895年Donald设计了世界上第一个厌氧化粪池。厌氧化粪池的创建，是厌氧处理工艺发展史上的一个重要里程碑。从此，厕所等家庭用生活污水可通过化粪池得到较好的处理，减轻了粪便对河流的污染。 • Cameron重视对沼气的利用，两年后沼气被利用于加热和照明。

厌氧化粪池(Septic Tank)

Travis池 1903年Travi。发明了Travis池，废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间上部分排出，不会影响两侧的沉淀区。沉淀沉淀消化污泥沼气池

Imhoff池(隐化池、双层沉淀池) 1906年德国人Imhoff对Travis池作了改进，设计了Imhoff池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池。这种池型构造把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。这种装置在本世纪20年代被广泛应用与欧美各国。化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。

1、厌氧生物处理的发展（国外） 第二时期：20世纪50年代之前应用于污泥稳定化传统厌氧消化池高速厌氧消化池普通消化池（1912年）

传统消化池(Conventional digestor) 1912年在英国伯明翰市建成一个用土堤围起来的露天敞开式的厌氧消化池，由于不加热，消化时间长约l00d左右。由于池子不加盖，污泥消化效果不好，并向周围环境散发恶臭。德国人Kremer提出了加盖的密闭式消化池。这种池形一般称为传统消化池(Conventional digestor)，又称普通消化池，而且也是最早采用的二级消化池。沼气浮渣进料出料上清液污泥

高速消化池(High Rate Digestor) 沼气、CO2 出料进料加热装置为了提高传统消化池的产气率和缩小装置的体积，对传统消化池作了改进 • 经加热和安装搅拌设备后，传统厌氧消化池就演变成了效能较高的高速消化池一、增设搅拌设备 1920年英国的Watson改进传统二级消化池，采用沼气推动的泵对消化池的污泥进行机械搅拌，应用于科尔—霍尔污水处理厂二、加热 1925年德国的Ruhrverbandn在埃森市，1926年美国多尔-奥利佛公司在威斯康辛州安替哥市，都建成了安装有加热设备和集气装置的密封式消化池，其处理效果很快超过了Imhoff池。 • 据研究发现，厌氧菌适宜的温度范围有中温35℃左右和高温50-55 ℃两种

厌氧澄清器(Anaerobic Claridigestor) 沼气出水沉淀消化进水污泥 • 1950年南非人Stander已发现了在厌氧反应器中保持大量细菌的重要性，开发了厌氧澄清器；用于处理酒厂和药厂废液。特点：厌氧消化和沉淀合建在一起。流程： • 废水从池底流进以后通过污泥区与里面的细菌接触； • 污泥中产生甲烷和CO2气体上升时起搅拌作用，气体从一侧管道被分离出； • 液体则向上流经中间小洞进入沉淀区，沉淀下来的污泥通过小洞返回消化部分，使消化区保持较多微生物。缺点：由于液体要通过小洞上流，沉淀的污泥要通过小洞下掉，这就可能会产生堵塞问题。

厌氧接触池（1955年） 厌氧填充床反应器（1969年）升流式厌氧污泥层反应器UASB（1974年）厌氧流化床反应器（1979年）厌氧膨胀床反应器（1981年）复合式厌氧反应器厌氧生物转盘厌氧序批式反应器 • 1、厌氧生物处理的发展（国外）第三时期：20世纪50年代以后应用于工业废水处理 20世纪70年代能源危机 ,促进了开发高效节能的废水处理新工艺，各种新的厌氧处理工艺层出不穷

沼气进水出水沉淀消化回流剩余厌氧污泥 • 1955年,Schroefer等人开发成功了厌氧接触法(Anaerobic Contact Process)。标志着现代废水厌氧生物工艺的诞生。厌氧接触法此法与活性污泥法相似，由于采用回流可以在消化池中保持足够数量的厌氧菌，使反应器的容积负荷率提高，从而提高了反应器的处理效能。

厌氧滤池(AF:Anaerobic Filter) 沼气出水卵石填料进水 • 1969年J.C.Young和P.L.McCarty开发成了厌氧滤池 • 最早的厌氧滤池采用块石作为填料，为厌氧微生物的附着提供支撑，可保留足够的厌氧微生物，使厌氧滤池具有较高的处理效能。 • 特点：只限于用在处理可溶性工业废水，处理悬浮固体多的废水时易堵塞；空间大部分被块石所占据，有效容积较小，需较大的池容。 • 近年来填料材质有了很大改进。如采用轻质高强比表面大的填充物(如塑料填料)替代块石后，使厌氧滤池获得广泛应用。

升流式厌氧污泥床(UASB:Up flow Anaerobic Sludge Blanket)反应器本章的重点内容 1974年Wageningen 农业大学的莱廷格（C. Lettinga）等人成功开发了高效的UASB反应器，获得广泛应用，对废水厌氧生物处理具有划时代意义。 Prof.dr. G. Lettinga

厌氧膨胀床(Anaerobic Expanded Bed)和厌氧流化床(Anaerobic Fiudized Bed) 沼气出水回流进水 • 1978年W.J.Jewell等人开发了厌氧膨胀床； • 1979年R.P.Bowker等人开发了厌氧流化床。 • 工艺原理：反应器内均充填着细颗粒载体，如细砂子。为了使充填物膨胀或流化，均需使一部分出水回流。由于载体的颗粒很细，具有巨大的表面积，使反应器具有很高的生物量，处理能力强。

厌氧生物转盘(Anaerobic Rotating Biological Reactor) 1980年S.J.Tait等人开发成了厌氧生物转盘。这是在好氧生物转盘基础上开发的。

厌氧折流板反应器(Anaerobic Baffled Reactor) 1982年McCarty等人认为厌氧生物转盘的转动与否对处理效果影响不大，于是开发成了厌氧折流板反应器。

新型高效厌氧反应器 UBF EGSB IC 升流式污泥床过滤器厌氧膨胀颗粒污泥床内循环反应器 • 20世纪80年代里，派生出一批新的高效厌氧处理工艺， • 1982年把UASB反应器与厌氧滤池结合开发出了UBF (Up flow Anaerobic Bed-Filter)反应器，又称厌氧复合反应器。 • 1982年在UASB可形成颗粒污泥的基础上1981年开发成功了EGSB (Expanded Granular Sludge Bed)反应器 • 1985年开发出内循环厌氧反应器，即IC (Internal Cimulation)反应器等

沼气 gas cap 出水沉降区出水循环气泡颗粒污泥床废水厌氧颗粒污泥膨胀床反应器 EGSB

IC-内循环厌氧污泥床反应器

我国农民在古代早已开始应用厌氧发酵技术沤制粪肥，进行粪便无害化处理，而且至今仍在应用。我国是世界上利用厌氧消化技术制取和利用沼气最早的国家之一。 (2)我国农村大办沼气 • 2、厌氧生物处理的发展（国内）（1）最早利用厌氧技术的国家之一 • 20世纪50年代我国农村大办沼气，目的是为了解决农村的炊事用能。 • 70年代，由于农村生活燃料的严重短缺，在四川、江苏和河南等省农村又一次掀起发展办沼气的热潮。这种以传统厌氧消化原理为基础的沼气池发展很快，总数达到了700万个。

中华国瑞天然瓦斯库 • 台湾省新竹县的罗国瑞，立志研究沼气池。亲自设计和施工，经过十余年的努力，终于在1920年前后，把沼气池的结构的建造和应用完善起来，形成了我国比较完整的有实用价值的“中华国瑞天然瓦斯库” 。 • 他先后在13个省建造了数百座沼气池，其中最大容积达108m3。可以认为罗国瑞是我国水压式沼气池的创始人。他于1931年在上海创办了中华国瑞瓦斯总行.

50年代末，西安、上海和太原等城市污水厂相继采用厌氧消化池进行污泥处理。50年代末，西安、上海和太原等城市污水厂相继采用厌氧消化池进行污泥处理。工业废水厌氧处理以酒精废醪为先导，南阳酒精厂第一个建成了两座2000m3半地下隧道式厌氧消化池，日处理300~400m3酒精废醪。 80年代初，南通柠檬酸厂建成了1000m3发酵罐两个，轻工部环保所在南阳酒精厂设计了单池容积5000m3，总池容10000m3的厌氧发酵罐。 (3)厌氧消化池 (4)厌氧滤池 • 80年代中期，中科院广州能源所，上海工业微生物研究所等，分别在广州和上海建立l00m3和60m3的厌氧滤池生产性装置，用以处理糖蜜酒精废液和豆制品废水。

国内研究UASB反应器大约始于1981年。 1982年7月报道了北京环境保护科学研究所和化学工业部设计公司共同协作在石家庄华北制药厂进行了容积为140L的UASB反应器装置处理丙丁废醪的试验，并把试验结果很快地应用于生产中。清华大学环境工程系1983年起比较系统地进行了在UASB反应器内培养颗粒污泥规律的研究，不仅在中温而且在常温下均成功地培养出了厌氧颗粒污泥。并迅速地把成果应用于处理啤酒废水，建成了总容积为2000m3的UASB反应器。 (5)UASB (6)管道厌氧消化器 • 浙江农大1982年开始了管道厌氧消化器的研究。这在国内外是一个创新，他们把研究成果应用于柠檬酸废水处理，获得很大成功。

“七五”攻关（1986～1990）高浓度有机废水厌氧生物处理技术 14个单位共同完成：清华大学、哈尔滨建工学院、天津大学、河北轻化工学院、重庆建工学院、北京工业大学、首都师范大学、西安冶金建筑学院、浙江省环保所、吉林省环保所、化工部第三设计研究院、中科院生态中心、西南市政工程设计院、北京市太阳能研究所。掀起了废水厌氧生物处理研究的热潮，对现代厌氧反应器，如UASB反应器、UBF(厌氧复合反应器)、AF反应器、AFB（厌氧流化床）两相厌氧工艺以及垂直折流厌氧反应器等等进行了全面深入的研究，同时开展了无机和有机有毒物质对厌氧消化影响的研究。推动了我国废水厌氧生物处理技术的向前发展。成果1991年获教委科技进步一等奖，1993年获国家级科技进步三等奖。这批研究成果的取得，大大缩小了在废水厌氧生物处理技术领域与国外的差距。

世界范围内厌氧工艺统计（1999.3；1303个项目）世界范围内厌氧工艺统计（1999.3；1303个项目）

国内厌氧装置按类型分（219家）

15.1.3 厌氧生物处理工艺的分类 按发展年代按厌氧反应器的流态按微生物在反应器内的生长情况衍生的厌氧反应器按厌氧消化阶段

1、按发展年代分类 20世纪50年代以前开发的厌氧消化工艺称为第一代厌氧反应器， 60年代以后开发的厌氧消化工艺称为第二代或现代厌氧反应器。一般把EGSB和IC反应器称为第三代厌氧反应器。

第一代厌氧反应器 • 化粪池和隐化池(双层沉淀池)主要用于处理生活废水下沉的污泥， • 传统消化池与高速消化池用于处理初沉池和二沉池排出的污泥。 • 特点：污泥龄(SRT)等于水力停留时间(HRT)。为了使污泥中的有机物达到厌氧消化稳定，必须维持较长的污泥龄，即较长的水力停留时间。所以反应器的容积很大，反应器的处理效能较低。第二代厌氧反应器 • 第二代厌氧反应器主要用于处理各种工业排出的有机废水。 • 特点：污泥龄(SRT)与水力停留时间(HRT)分离，两者不相等。可以维持很长的污泥龄，但水力停留时间很短。可以在反应器内维持很高的生物量，所以反应器有很高的处理效能。

2、按厌氧反应器的流态 分为活塞流型厌氧反应器和完全混合型厌氧反应器，或介于活塞流和完全混合两者之间的厌氧反应器。化粪池，升流式厌氧滤池和活塞流式消化池接近于活塞流型。带搅拌的普通消化池和高速消化池是典型的完全混合反应器；升流式厌氧污泥层反应器、厌氧折流板反应器和厌氧生物转盘等是介于完全混合与活塞流之间的厌氧反应器。

3、按微生物在反应器内的生长情况 厌氧滤池，厌氧膨胀床，厌氧流化床和厌氧生物转盘等，微生物附着于固定载体或流动载体上生长。称为附着膜生长厌氧反应器。 • 如传统消化池、厌氧接触法和UASB等，厌氧活性污泥以絮体或颗粒状悬浮于反应器液体中生长，称为悬浮生长厌氧反应器。悬浮生长厌氧反应器附着生长厌氧反应器 • 把悬浮生长与附着生长结合在一起的厌氧反应器称为复合厌氧反应器.如UBF，其下面是升流式污泥床，上面是厌氧滤池，两者结合在一起，故称为升流式污泥床-过滤反应器。复合厌氧反应器

4、衍生的厌氧反应器 衍生的厌氧反应器有EGSB，IC反应器和USR等，这几种厌氧反应器均是在UASB反应器基础上衍生出的。 EGSB相当于把UASB反应器的厌氧颗粒污泥处于流化状态。 IC反应器则是把2个UASB反应器上下叠加，利用污泥床产生的沼气作为动力来实现反应器内混合液的循环。 UASB反应器去掉三相分离器后就成了用于处理高固体的废液的USR。

5、按厌氧消化阶段分类 单相反应器：把产酸阶段与产甲烷阶段结合在一个反应器中；两相厌氧反应器：把产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个互相串联反应器进行。由于产酸阶段的产酸菌反应速率快，而产甲烷阶段的反应速率慢，因此两者分离，可充分发挥产酸阶段微生物的作用。从而提高了系统整体反应速率. 分为单相厌氧反应器和两相厌氧反应器

15.1.4 厌氧生物处理技术在废水处理中的地位 1、有机废水处理的技术路线 2、厌氧生物处理的技术评估

有机废水的性质大致可分为以下三大类： 易于生物降解的; 难生物降解的; 有害的. 1、有机废水处理的技术路线有机废水，尤其是高浓度有机废水处理的途径，主要取决于废水的性质。

来源：一般来自以农牧产品为原料的工业废水和禽畜粪便废水等。来源：一般来自以农牧产品为原料的工业废水和禽畜粪便废水等。 • 特点：易于生物降解，且数量大，有机物浓度很高，对环境污染严重。 • 有机组份：主要是糖类、蛋白质和脂类。 • 治理方法： • ①先考虑回收有用物质，如玉米酒精废液采用蒸发浓缩技术回收干酒精糟；②优先考虑采用厌氧处理技术，不仅高效，能耗低，并能回收大量生物能。易生物降解 • 来源：主要来自化学工业、石油化工和炼焦工业等。如制药厂、染料厂、人造纤维厂、焦化厂等排出的生产废水。 • 特点：难生物降解的或对生物有害的。 • 成分：废水中的有机物主要是难生物降解的高分子有机物。 • 处理方法：单独采用好氧生物法处理效果不佳，而采用厌氧生物法则可降解或提高其可生化性。采用厌氧一好氧串联工艺是最佳的选择。难生物降解 • 如果这类废水中所含的有机物是不可生化的而且是有毒的，不宜采用生物法，而应考虑采用化学法或物化法进行处理。 • 首先通过适当预处理，去除废水中有毒有害物质，仍可采用厌氧生物法。有毒有害

对于高浓度有机废水，直接采用好氧生物法是不可取的，因为这不仅要耗用大量稀释水，而且要消耗大量电能。应优先考虑采用厌氧生物法，作为去除有机物的主要手段，或提高有机物的可生化性。对于高浓度有机废水，直接采用好氧生物法是不可取的，因为这不仅要耗用大量稀释水，而且要消耗大量电能。应优先考虑采用厌氧生物法，作为去除有机物的主要手段，或提高有机物的可生化性。 • 高浓度有机废水，仅通过厌氧生物处理，往往达不到出水的排放标准。尚需采用好氧生物处理作为后处理，才能满足排放要求。对于高浓度有机废水采用以厌氧生物处理为主，好氧生物处理为辅的技术路线，是最佳的选择。

2、厌氧生物处理的技术评估 （1）、厌氧生物处理技术的优点 1)厌氧生物处理可节省动力消耗; 2)厌氧生物处理可产生生物能; 3)厌氧生物处理的污泥产量少; 4)对氮和磷的需要量较低; 5)对某些难降解有机物有较好的降解能力.

（2）、厌氧生物处理技术的缺点 1)、厌氧生物法不能去除废水中的氮和磷； 2)、厌氧法启动过程较长； 3)、运行管理较为复杂； 4)、卫生条件较差； 5)、厌氧处理去除有机物不彻底。

第15章厌氧生物处理 • 15.1 概述 • 15.2 厌氧生物处理的基本原理 • 15.3 厌氧微生物生态学 • 15.4 升流式厌氧污泥床反应器 • 15.5 两相厌氧生物处理 • 15.6 悬浮生长厌氧生物处理法 • 15.7 固着生长厌氧生物处理法

15.2 厌氧生物处理的基本原理 15.2.1 机理 15.2.2 厌氧工艺微生物 15.2.3 2个关键问题 • 二阶段、三阶段、四阶段 • 三阶段+四种微生物

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