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第十九章 厌氧生物处理. 主讲教师：娄金生教授. 南华大学建筑工程与资源环境学院 给水排水教研室. 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. 课程内容. 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.
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第十九章 厌氧生物处理 主讲教师：娄金生教授 南华大学建筑工程与资源环境学院 给水排水教研室
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 课程内容
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 第二阶段 绝对厌氧菌 甲烷 二氧化碳 细胞合成 碳水化合物、脂肪、蛋白质 消化 消化 细胞合成 有机酸、乙醇、乙醛 酶 新细胞 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
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）。
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。
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
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）。
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。
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
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
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
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。
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。
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
进锅炉 泵 糟液废水 水解调节池 配水系统 混凝沉淀池 高温UASB 污泥脱水 污泥混合池 SBR系统 滤饼外运 污泥混合池 达标排放 某糟液废水高温厌氧处理工艺 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。
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。 ⑵θc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。 ⑸Y=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。
