1、第19章 厭氧生物法,2,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,第19章 厭氧生物法,19.5 厭氧過(guò)程影響因素與控制條件 19.

2、5.1 溫度和溫度的波動(dòng) 19.5.2 廢水的pH值與pH值緩沖能力 19.5.3 堿度 19.5.4 碳酸氫鹽緩沖系統(tǒng) 19.5.5 營(yíng)養(yǎng)物與微量元素 19.6 厭氧法的特點(diǎn) 19.7 工程案例,4,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義

3、19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展,廢水厭氧生物處理技術(shù)發(fā)展到今天已取得了很大的進(jìn)展，已開(kāi)發(fā)出多種厭氧反應(yīng)器。為了應(yīng)用的方便，可以對(duì)不同類(lèi)型的厭氧反應(yīng)器進(jìn)行分類(lèi)。 （1）按發(fā)展年代分類(lèi) 有人把20世紀(jì)50年代以前開(kāi)發(fā)的厭氧消化工藝稱(chēng)為第一代厭氧反應(yīng)器，而把20世紀(jì)60年代以后開(kāi)發(fā)的厭氧消化工藝稱(chēng)為第二代或現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器。第一代厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，特點(diǎn)是污泥齡（SRT）等于水力停留時(shí)間（HRT）。,為了使污泥中的有機(jī)物達(dá)到厭氧消化穩(wěn)定，必須維持較長(zhǎng)的污泥齡，即較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，所以這類(lèi)

4、反應(yīng)器的容積很大，處理效能較低。主要代表是用于處理生活廢水下沉的污泥的化糞池和隱化池，以及處理城市污水廠(chǎng)初沉池和二沉池排出的污泥的傳統(tǒng)消化池與高速消化池。 第二代厭氧反應(yīng)器的特點(diǎn)是污泥齡（SRT）與水力停留時(shí)間（HRT）分離，兩者不相等。 可以在水力停留時(shí)間很短，即HRTSRT的條件下維持很長(zhǎng)的污泥齡，因此可以在反應(yīng)器內(nèi)維持很高的生物量，所以反應(yīng)器有很高的處理效能，第二代厭氧反應(yīng)器主要用于處理各種工業(yè)排出的有機(jī)廢水。一般把EGSB和IC反應(yīng)器稱(chēng)為第三代厭氧反應(yīng)器。,（2）按厭氧反應(yīng)器的流態(tài)分類(lèi) 可分為推流型和完全混合型厭氧反應(yīng)器，或介于推流和完全混合之間的厭氧反應(yīng)器。如化糞池、升流式厭氧濾池接

5、近于推流型。 而帶攪拌的普通消化池和高速消化池是典型的完全混合型反應(yīng)器。 而升流式厭氧污泥層反應(yīng)器、厭氧折板流反應(yīng)器和生物轉(zhuǎn)盤(pán)等是介于完全混合與推流之間的厭氧反應(yīng)器。,（3）按厭氧微生物在反應(yīng)器內(nèi)的生長(zhǎng)情況不同分類(lèi) 厭氧反應(yīng)器又可分成懸浮生長(zhǎng)反應(yīng)器和附著生長(zhǎng)反應(yīng)器。 反應(yīng)器中厭氧活性污泥以絮體或顆粒狀懸浮于反應(yīng)器液體中生長(zhǎng)，稱(chēng)為懸浮生長(zhǎng)厭氧反應(yīng)器，如傳統(tǒng)消化池、高速消化池、厭氧接觸法和升流式厭氧污泥層反應(yīng)器等。 而在厭氧濾池，厭氧膨脹床，厭氧流化床和厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)等反應(yīng)器中，微生物附著于固定載體或流動(dòng)載體上生長(zhǎng)，稱(chēng)為附著膜生長(zhǎng)厭氧反應(yīng)器。,把懸浮生長(zhǎng)與附著生長(zhǎng)結(jié)合在一起的厭氧反應(yīng)器稱(chēng)為復(fù)合厭氧反

6、應(yīng)器，如UBF，其下面是升流式污泥床，而上面是充填填料厭氧濾池，兩者結(jié)合在一起，故稱(chēng)為升流式污泥床過(guò)濾反應(yīng)器，英文縮寫(xiě)稱(chēng)UBF。 （4）衍生的厭氧反應(yīng)器 衍生的厭氧反應(yīng)器有EGSB、IC反應(yīng)器和USR等，這幾種厭氧反應(yīng)器均是在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上衍生出的。EGSB相當(dāng)于把UASB反應(yīng)器的厭氧顆粒污泥處于流化狀態(tài)。而IC反應(yīng)器則是把2個(gè)UASB反應(yīng)器上下疊加，利用污泥床產(chǎn)生的沼氣作為動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)混合液的循環(huán)。UASB反應(yīng)器去掉三相分離器后就成了用于處理高固體的廢液的USR。,（5）按厭氧消化階段分類(lèi) 可分為一步厭氧反應(yīng)器和兩步厭氧反應(yīng)器。 一步反應(yīng)器是把產(chǎn)酸階段與產(chǎn)甲烷階段結(jié)合在一個(gè)反應(yīng)器

7、中； 而兩步厭氧反應(yīng)器則是把產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段分別在兩個(gè)互相串聯(lián)的反應(yīng)器進(jìn)行。 由于產(chǎn)酸階段的產(chǎn)酸菌反應(yīng)速率快，而產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速率慢，因此兩者分離，可充分發(fā)揮產(chǎn)酸階段微生物的作用，從而提高了系統(tǒng)整體反應(yīng)速率。,11,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物

8、處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,19.2 厭氧生物反應(yīng)器,19.2.1 厭氧生物濾池 （1）厭氧生物濾池的構(gòu)造和形式 厭氧生物濾池是裝填濾料的厭氧反應(yīng)器。厭氧微生物以生物膜的形式生長(zhǎng)在濾料表面，廢水淹沒(méi)地通過(guò)濾料，在生物膜的吸附作用、微生物的代謝作用和濾料的機(jī)械截留作用下，廢水中有機(jī)污染物被去除。產(chǎn)生的沼氣則聚集于池頂部沼氣室內(nèi)，并從頂部引出。處理水則由旁側(cè)流出。 為了分離處理后的水?dāng)y帶出的生物膜，一般在濾池后需設(shè)沉淀池。 根據(jù)水流方向，厭氧生物濾池可分為升流式和降流式兩種形式。,厭氧生物濾池示意

9、圖,進(jìn)水,進(jìn)水,出水,出水,降流式,升流式,濾料,沼氣室,濾料是厭氧生物濾池的主體部分，濾料應(yīng)具備比表面積大，孔隙率高，表面粗糙，生物膜易于附著，化學(xué)及生物學(xué)的穩(wěn)定性強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度高等條件。 常用的濾料有碎石、卵石、焦炭和各種形式的塑料濾料。 碎石、卵石濾料的比表面積較?。?050m2/m3）、孔隙率較低（50%60%），附著的生物膜較少，生物固體的濃度不高，有機(jī)負(fù)荷較低，僅為36kgCOD/(m3d)。同時(shí)運(yùn)行中容易發(fā)生堵塞與短流現(xiàn)象。,塑料濾料的比表面積和孔隙率都比較大，如波紋板濾料的比表面積達(dá)l00200m2/m3，孔隙率達(dá)80%90%，因此，有機(jī)負(fù)荷大為提高，在中溫條件下，有機(jī)負(fù)荷可達(dá)5

10、15kgCOD/(m3d)。塑料濾料濾池也不易堵塞。 升流式厭氧生物濾池是廢水由底部進(jìn)入，向上流動(dòng)通過(guò)濾料層，處理水從濾池頂部旁側(cè)流出。沼氣則通過(guò)設(shè)于濾池頂部最上端的收集管排出濾池。,在升流式厭氧生物濾池中，生物量大部分以生物膜的形式附著在濾料表面，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的間隙中，它的生物總量比降流式厭氧生物濾池高，因此效率高，這是它的主要優(yōu)點(diǎn)。 普通升流式厭氧生物濾池的主要缺點(diǎn)有： 底部易于堵塞； 污泥濃度沿深度分布不均勻，上部濾料不能充分利用。,升流式厭氧生物濾池的優(yōu)缺點(diǎn),為克服以上這些缺點(diǎn)可采取處理出水回流的措施，目的是： 降低原廢水懸浮固體與有機(jī)物的濃度，提高水力負(fù)荷，提

11、高池內(nèi)水流的上升速度，減少濾料空隙間的懸浮物，減輕堵塞的可能性； 可使濾料層中的生物膜量趨于均勻分布，充分發(fā)揮濾池作用，提高凈化功能。 降流式厭氧生物濾池，處理水由濾池底部排出，沼氣收集管仍設(shè)于池頂部上端，堵塞得可能性比升流式厭氧生物濾池小。,厭氧生物濾池的濾料層厚度取決于采用的濾料。碎石、卵石等塊狀濾料，濾料層厚度以不超過(guò)1.2m為宜；塑料濾料，則可采用5m以上的濾料層。 厭氧生物濾池的特點(diǎn)： 生物量濃度較高，因此，有機(jī)負(fù)荷率較高； 能夠承受水量或水質(zhì)的沖擊負(fù)荷； 勿需污泥回流； 污泥流失少，處理水?dāng)y帶污泥較少； 設(shè)備簡(jiǎn)單、能耗低、運(yùn)行管理方便，費(fèi)用低。,降流式厭氧生物濾池,厭氧生物濾池適宜

12、用于處理污染物以溶解性有機(jī)物為主的廢水。升流式濾池的底部易被堵塞，因此，進(jìn)水懸浮物含量不應(yīng)越過(guò)200mg/L。 （2）厭氧生物濾池的工藝設(shè)計(jì) 厭氧生物濾池的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)或參考同類(lèi)廢水的運(yùn)行資料確定。如無(wú)資料，當(dāng)廢水COD濃度在3000mg/L以上、反應(yīng)溫度為30時(shí)，升流式厭氧生物濾池可參考下列設(shè)計(jì)參數(shù)。 1）濾料 填充高度2m以上，濾料比表面積100m2/m3以上，填充率在2/3以上；,2）濾池高度 3m以上； 3）容積負(fù)荷 12kgCOD/(m3d)以下； 4）配水系統(tǒng) 每個(gè)噴嘴服務(wù)面積l4m2； 5）排泥系統(tǒng) 每根排泥管服務(wù)面積9m2；,6）回流比 根據(jù)進(jìn)水COD濃度和pH值確定

13、。當(dāng)進(jìn)水COD濃度為800012000mg/L以上，pH值較低時(shí)，需將處理水進(jìn)行回流； 7）剩余污泥含水率 為防止濾料堵塞和水流短路，宜控制排除的剩余污泥的含水率在95%以下。,19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán),（1）厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的構(gòu)造 其主要構(gòu)造與好氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)相似，不同之處在于上部加蓋密封，目的是收集沼氣和防止液面上的空間有氧存在。 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)由盤(pán)片、密封的反應(yīng)槽、轉(zhuǎn)軸及驅(qū)動(dòng)裝置等組成。盤(pán)片為固定盤(pán)片（擋板）和轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)片相間排列，以防盤(pán)片間生物膜粘連堵塞。 固定盤(pán)片一般設(shè)在起端，轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)片串聯(lián)，中心穿以轉(zhuǎn)軸，軸安裝在反應(yīng)器兩端的支架上。,厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)構(gòu)造示意圖,廢水處理靠盤(pán)片表面生物膜和懸浮在反應(yīng)槽

14、中的厭氧活性污泥共同完成。盤(pán)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作用在生物膜上的剪力使老化的生物膜脫落，在水中呈懸浮狀態(tài)，隨水流出槽外。產(chǎn)生的沼氣從槽頂排出。 （2）厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的特點(diǎn) 微生物濃度高，可承受較高的有機(jī)物負(fù)荷，一般在中溫發(fā)酵條件下，盤(pán)面的有機(jī)物面積負(fù)荷可達(dá)0.04kgCOD/(m2d)左右，相應(yīng)的COD去除率可達(dá)90%左右； 廢水在反應(yīng)器內(nèi)按水平方向流動(dòng)，不需提升，從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)是節(jié)能的；,不需處理水回流，與厭氧膨脹床和流化床相比較既節(jié)能又便于操作； 可處理含懸浮固體較高的廢水，不存在堵塞問(wèn)題； 由于轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷使老化生物膜脫落，使生物膜經(jīng)常保持較高的活性； 具有耐沖擊負(fù)荷的能力，處理過(guò)程穩(wěn)定性較好；

15、可采用多級(jí)串聯(lián)，各級(jí)微生物處于最佳的生存條件下； 便于運(yùn)行管理。 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的主要缺點(diǎn)是盤(pán)片成本較高使整個(gè)裝置造價(jià)較高。,（3）厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì) 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán)的設(shè)計(jì)按負(fù)荷法進(jìn)行，即首先根據(jù)試驗(yàn)或參考類(lèi)似廢水的處理經(jīng)驗(yàn)確定盤(pán)片的有機(jī)負(fù)荷，然后通過(guò)下式計(jì)算所需的盤(pán)片總面積。 式中，A是所需盤(pán)片總面積，m2；Na是盤(pán)片的面積有機(jī)物負(fù)荷，kgCOD/(m2d)；S0是進(jìn)水中COD濃度，mg/L。,19.2.3 升流式厭氧污泥床,（1）升流式厭氧污泥床（UASB）的構(gòu)造 升流式厭氧污泥床在構(gòu)造上的特點(diǎn)是集生物反應(yīng)與沉淀于一體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的厭氧反應(yīng)器。 UASB反應(yīng)器主要由下列幾部分組成： 1）進(jìn)

16、水配水系統(tǒng) 其主要功能是將進(jìn)入反應(yīng)器的廢水均勻地分配到反應(yīng)器整個(gè)橫斷面，并均勻上升，同時(shí)起到水力攪拌的作用，使形成的顆粒污泥呈懸浮狀態(tài)。配水系統(tǒng)能否使廢水均勻分配到整個(gè)反應(yīng)器是反應(yīng)器高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。,2）反應(yīng)區(qū) 這是升流式厭氧污泥床的主要部位，它又分為顆粒污泥區(qū)和懸浮污泥區(qū)。在反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好凝聚和沉淀性能的污泥在池底部形成顆粒污泥層。 廢水從厭氧污泥床底部流入，與顆粒污泥層中的污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解有機(jī)物，同時(shí)產(chǎn)生的微小沼氣氣泡不斷地放出。 微小氣泡在上升過(guò)程中，不斷合并，逐漸形成較大的氣泡。由于沼氣的攪動(dòng)，在顆粒污泥層上部形成一個(gè)污泥濃度較小的懸浮污泥層

17、。,3）三相分離器 其功能是將氣體(沼氣)、固體(污泥)和液體(廢水)三相進(jìn)行分離，它由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成。沼氣進(jìn)入氣室，污泥在沉降區(qū)進(jìn)行沉降，并經(jīng)回流縫回流到反應(yīng)區(qū)。經(jīng)沉降澄清后的廢水作為處理水排出反應(yīng)器。 三相分離器的分離效果將直接影響反應(yīng)器的處理效果。 4）氣室 也稱(chēng)集氣罩，其功能是收集產(chǎn)生的沼氣，并將其導(dǎo)出氣室。,5）處理水排出系統(tǒng) 功能是將沉淀降區(qū)水面上的處理水均勻地收集，并將其排出反應(yīng)器。 此外，根據(jù)需要在反應(yīng)器內(nèi)還要設(shè)置排泥系統(tǒng)和浮渣清除系統(tǒng)。 （2）升流式厭氧污泥床的特點(diǎn) 與其他類(lèi)型的厭氧反應(yīng)器相較，升流式厭氧污泥床具有一系列的優(yōu)點(diǎn)： 污泥床內(nèi)生物量多，折合濃度計(jì)算可達(dá)2

18、030g/L； 容積負(fù)荷率高，在中溫發(fā)酵條件下，一般可達(dá)10kgCOD/(m3d)左右，甚至能夠高達(dá)1540kgCOD/(m3d)，廢水在反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間較短，因此所需池容大大縮小。,設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，勿需設(shè)沉淀池和污泥回流裝置，不需充填填料，也不需在反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)機(jī)械攪拌裝置，造價(jià)相對(duì)較低，便于管理，而且不存在堵塞問(wèn)題。 UASB也有如下缺點(diǎn)： 反應(yīng)器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力； 對(duì)進(jìn)水中懸浮物濃度要求較高。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高，以免對(duì)污泥顆?；焕驕p少反應(yīng)區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞； 啟動(dòng)所需時(shí)間長(zhǎng)； 對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。,（

19、3）顆粒污泥形成機(jī)理 GLettinga在研究中發(fā)現(xiàn)，隨著污泥床運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，在床底部的污泥逐漸成為顆粒狀，成為顆粒污泥。所謂污泥顆粒化是指UASB中的污泥形態(tài)發(fā)生了變化，由絮狀污泥變?yōu)槊軐?shí)、邊緣圓滑的顆粒。 顆粒污泥的粒徑一般為0.54mm。這樣污泥床內(nèi)可維持很高的污泥濃度。 關(guān)于顆粒污泥形成的機(jī)理目前還處于研究階段。提出了多種假說(shuō)，大多數(shù)是根據(jù)觀(guān)察顆粒污泥在培養(yǎng)過(guò)程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象提出的，以下列舉有代表性的幾種。,1） Lettinga等提出了晶核假說(shuō) 該假說(shuō)認(rèn)為顆粒污泥的形成類(lèi)似于結(jié)晶過(guò)程，在晶核的基礎(chǔ)上，顆粒不斷發(fā)育，直到最后形成成熟的顆粒污泥。 晶核來(lái)源于接種污泥或在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的

20、無(wú)機(jī)鹽，如CaCO3等顆粒物質(zhì)。此假說(shuō)為一些試驗(yàn)所證實(shí)。例如測(cè)得一些成熟顆粒污泥中確有CaCO3顆粒存在，研究也發(fā)現(xiàn)，在顆粒污泥的培養(yǎng)過(guò)程中投加顆粒物質(zhì)能促進(jìn)顆粒污泥形成。,2）其他假說(shuō) 許多研究結(jié)果表明，在多數(shù)成熟的顆粒污泥中難找到晶核。所以顆粒污泥的形成可以不以晶核為基礎(chǔ)而成長(zhǎng)，而是完全靠微生物本身形成的，所以又有人提出以下的觀(guān)點(diǎn)： 電中和作用。在研究酵母細(xì)胞的凝聚過(guò)程中發(fā)現(xiàn)， Ca2+能中和細(xì)菌細(xì)胞表面的負(fù)電荷，能減弱細(xì)胞間的電荷斥力作用，并通過(guò)鹽橋作用而促進(jìn)細(xì)胞的凝聚反應(yīng)。Mahoney等人研究表明，在厭氧污泥顆?；^(guò)程中， Ca2+也有類(lèi)似的作用。因此提出了電荷中和作用來(lái)解釋污泥的顆

21、?；^(guò)程；,胞外多聚物架橋作用，這是目前比較流行的假說(shuō)。在胞外多聚物中主要是胞外多糖。這一假說(shuō)認(rèn)為，顆粒污泥是由于微生物（細(xì)菌）分泌的胞外多糖把細(xì)胞粘結(jié)起來(lái)而形成的。Samson等人提出，有的產(chǎn)甲烷菌能分泌胞外多糖，而胞外多糖是形成顆粒污泥的關(guān)鍵。但有關(guān)胞外多聚物在顆粒污泥形成過(guò)程中的變化及其在顆粒污泥中的分布的研究還很少。,許多因素對(duì)顆粒污泥的培養(yǎng)和形成的過(guò)程有影響，主要有： 溫度。以中溫或高溫為宜； 接種污泥的質(zhì)量與數(shù)量?？梢孕鯛畹南勰嗷蚧钚晕勰嘧鳛榉N泥，如有條件采用已培養(yǎng)成的顆粒污泥作為種污泥，可大大地縮短培養(yǎng)時(shí)間； 堿度。進(jìn)水堿度應(yīng)保持在7501000mg/L之間；,廢水性質(zhì)。易于

22、形成顆粒污泥的是含碳水化合物較多的廢水和C/N比較高的廢水； 水力負(fù)荷和有機(jī)負(fù)荷。啟動(dòng)時(shí)有機(jī)負(fù)荷不宜過(guò)高，一般以0.10.3 kgCOD/(kgVSSd)為宜。隨著顆粒污泥的逐漸形成，有機(jī)負(fù)荷可以逐步提高。 在反應(yīng)區(qū)下部的污泥床中，顆粒污泥濃度可達(dá)4080gVSS/L，整個(gè)反應(yīng)區(qū)上部的污泥懸浮層中，污泥濃度約為1030gVSS/L，整個(gè)反應(yīng)區(qū)污泥的平均濃度約為2040gVSS/L。,（4）升流式厭氧污泥床的設(shè)計(jì) 升流式厭氧污泥床設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有： 選定池型，確定主要尺寸； 設(shè)計(jì)進(jìn)水、配水和出水系統(tǒng)； 選定三相分離器的型式。設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)盡可能通過(guò)試驗(yàn)確定，沒(méi)有試驗(yàn)條件時(shí)可參考下表參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 1

23、）容積負(fù)荷 當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)平均污泥濃度為25kgVSS/m3時(shí)，容積負(fù)荷應(yīng)根據(jù)水質(zhì)和反應(yīng)溫度，參考下表確定。,UASB允許容積負(fù)荷,注：VFA指揮發(fā)性脂肪酸。,2）水力停留時(shí)間 對(duì)低濃度有機(jī)廢水（COD濃度在1000mg/L以下）不加熱時(shí)，由于有機(jī)物分解速度是限制因素，因此，反應(yīng)器的容積應(yīng)根據(jù)水力停留時(shí)間確定。在反應(yīng)器高度為4m時(shí)，最小水力停留時(shí)間可參考下表確定。 3）沉淀區(qū)表面水力負(fù)荷 對(duì)主要含溶解性有機(jī)物的廢水，沉淀區(qū)表面水力負(fù)荷采用3m3/(m2h)以下，對(duì)含懸浮物較多的有機(jī)廢水表面水力負(fù)荷可采用11.5m3/(m2h)以下。,升流式厭氧污泥床處理生活污水最小水力停留時(shí)間,4）配水系統(tǒng)每個(gè)噴

24、嘴服務(wù)面積 高負(fù)荷時(shí)采用25m2/個(gè)，低負(fù)荷時(shí)可采用0.52m2/個(gè)。 5）三相分離器 目前，三相分離器的構(gòu)造有多種形式，生產(chǎn)上采用的三相分離器多為專(zhuān)利。 下圖為三相分離器的一種形式。該三相分離器要求通過(guò)沉淀槽底縫隙的流速不大于2m/h，沉淀槽斜底與水平面的交角不應(yīng)小于50，以使沉淀在斜底上的污泥不發(fā)生沉積，盡快落入反應(yīng)區(qū)內(nèi)。,一種三相分離器結(jié)構(gòu)示意圖,反應(yīng)區(qū),氣室,溢流堰,沉淀區(qū),6）反應(yīng)器高度 對(duì)低濃度（COD濃度在1000mg/L以下）有機(jī)廢水反應(yīng)器的高度可采用35m；對(duì)中濃度（COD濃度在20003000mg/L）有機(jī)廢水可采用57m，最大不超過(guò)10m。 7）回流循環(huán)水量 升流式厭氧污

25、泥床進(jìn)水COD濃度超過(guò)1000015000mg/L時(shí)，需進(jìn)行回流以降低進(jìn)水COD濃度。 8）預(yù)處理 進(jìn)水懸浮物最高允許濃度為60008000mg/L，達(dá)到此值時(shí)處理效果明顯惡化，超過(guò)此值則反應(yīng)器難于運(yùn)行，因此必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理以去除其中的懸浮物。,45,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程

26、19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,19.2.4 厭氧接觸法,（1）厭氧接觸法工藝流程 厭氧接觸法是在普通厭氧污泥消化池的基礎(chǔ)上，受活性污泥系統(tǒng)的啟示而開(kāi)發(fā)的。 厭氧接觸法的主要特征是在厭氧反應(yīng)器后設(shè)沉淀池，進(jìn)行污泥回流，目的與好氧活性污泥法一樣，使厭氧反應(yīng)器內(nèi)能維持較高的污泥濃度，可以大大縮短水力停留時(shí)間。 厭氧接觸法存在的問(wèn)題是，從厭氧反應(yīng)器排出的混合液中的污泥由于附著大量氣泡，在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走。,厭氧接觸法的工藝流程,此外進(jìn)入沉淀池的污泥仍存在

27、產(chǎn)甲烷菌在活動(dòng)，并產(chǎn)生甲烷氣體，使已沉下的污泥上浮，造成固液分離效果不佳，出水中SS、COD、BOD等各項(xiàng)指標(biāo)均增高，而回流污泥濃度卻因此而降低，影響到反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度的提高。 對(duì)此可采取下列技術(shù)措施： 在反應(yīng)器與沉淀池之間設(shè)脫氣器，維持約4900Pa的真空度，盡可能地將混合液中的沼氣脫除。但這種措施不能抑制產(chǎn)甲烷菌在沉淀池內(nèi)繼續(xù)產(chǎn)氣；,在反應(yīng)器與沉淀池之間設(shè)冷卻器，使混合液的溫度由35降至15，以抑制產(chǎn)甲烷菌在沉淀池內(nèi)活動(dòng)，將冷卻器與脫氣器聯(lián)用能夠比較有效地防止產(chǎn)生污泥上浮現(xiàn)象。冷卻器實(shí)際上是熱交換器，可以利用它對(duì)進(jìn)入反應(yīng)器的廢水加熱； 投加混凝劑，提高沉淀效果。,（2）厭氧接觸法的工藝設(shè)計(jì)

28、 厭氧接觸法主要由消化池和沉淀池組成，設(shè)計(jì)時(shí)可參考消化池和沉淀池有關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。 消化池和沉淀池的主要設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)或參考類(lèi)似廢水處理的資料確定。 如無(wú)資料時(shí)，對(duì)COD濃度為1000mg/L以上的廢水，可參考下表所列參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。,厭氧接觸法的常用設(shè)計(jì)參數(shù),19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,（1）厭氧膨脹床和厭氧流化床的工藝流程 厭氧膨脹床和流化床的結(jié)構(gòu)如下圖所示。其結(jié)構(gòu)與好氧流化床相似，只是不需要充氣裝置。厭氧床內(nèi)充填細(xì)小的固體顆粒填料，如石英砂、無(wú)煙煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒徑一般為0.2lmm。廢水從床底部流入，為使填料層膨脹，需將部分出水用循環(huán)泵進(jìn)行回流，提高床內(nèi)水流的上升

29、流速。 關(guān)于厭氧膨脹床和厭氧流化床的定義，日前尚無(wú)定論，一般認(rèn)為膨脹率為10%20%稱(chēng)膨脹床，顆粒略呈膨脹狀態(tài)，但仍保持互相接觸；膨脹率為20%70%時(shí)，稱(chēng)為流化床，顆粒在床中作無(wú)規(guī)則自由運(yùn)動(dòng)。,厭氧膨脹床和流化床結(jié)構(gòu),氣室,（2）厭氧膨脹床和厭氧流化床的特點(diǎn) 厭氧膨脹床和厭氧流化床由如下優(yōu)點(diǎn)： 細(xì)顆粒的填料為微生物附著生長(zhǎng)提供了比較大的比表面積，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，一般為30gvss/L左右，因此有機(jī)物容積負(fù)荷較高，一般為1040kgCOD/(m3d) ，因此所需的水力停留時(shí)間短； 耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定； 載體處于膨脹狀態(tài)，能防止堵塞； 床內(nèi)生物固體停留時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定，剩余

30、污泥量少； 既可用于高濃度有機(jī)廢水的厭氧處理，也可用于低濃度的城市污水處理。,厭氧流化床的主要缺點(diǎn)有： 載體流化耗能較大； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求高。 （3）厭氧流化床的設(shè)計(jì) 厭氧流化床的設(shè)計(jì)包括一下內(nèi)容： 1）填料的選擇 填料的粒徑、密度、粒徑分布對(duì)厭氧膨脹床和厭氧流化床有較大的影響。具體情況見(jiàn)下表。 填料一般選擇粒徑?。?.10.7mm）、相對(duì)密度輕、表面粗糙、表面帶正電荷、易被厭氧菌附著的固體顆粒。,填料物理性質(zhì)對(duì)流化特性的影響,2）確定水流上升流速（u） 為了保證流化床一定的膨脹率，水流上升流速一般采用1020m/h。 3）確定容積負(fù)荷（Nv）或水力停留時(shí)間（t） 應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)條件試驗(yàn)

31、時(shí)，容積負(fù)荷可采用20kgCOD/(m3d) 4）計(jì)算流化床容積（V） 已知處理廢水量Q（m3/d）和COD濃度S0（mg/L），再根據(jù)容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間計(jì)算厭氧流化床的容積。,5）確定循環(huán)水的回流比（R） 已知處理廢水量Q（m3/d）和COD濃度S0（mg/L），再根據(jù)容積負(fù)荷或水力停留時(shí)間計(jì)算厭氧流化床的容積。 6）計(jì)算流化床底部面積（F），按下式計(jì)算： 7）計(jì)算流化床高度（H），按下式計(jì)算： 流化床的高度一般不小于4m。,H/D比值對(duì)各因素的影響,8）確定流化床的直徑（D） 流化床多采用圓筒形，直徑一般不小于0.15m，根據(jù)H/D比值對(duì)各因素的影響，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。H/D比值對(duì)

32、各因素的影響見(jiàn)下表。,60,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,(1)厭氧擋板式反應(yīng)器的構(gòu)造和工藝流程 在反應(yīng)器內(nèi)垂直于水流方向

33、設(shè)多塊擋板來(lái)保持反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度以減少水力停留時(shí)間。擋板把反應(yīng)器分為若干個(gè)上向流室和下向流室。 上向流室比較寬，便于污泥聚集，下向流室比較窄，通往上向流的導(dǎo)板下部邊緣處加60的導(dǎo)流板，便于將水送至上向流室的中心，使泥水充分混合保持較高的污泥濃度。,61,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器,當(dāng)廢水COD濃度高時(shí)，為避免出現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)酸濃度過(guò)高，減少緩沖劑的投加量和減少反應(yīng)器前端形成的細(xì)菌膠質(zhì)的生長(zhǎng)，處理后的水進(jìn)行回流，使進(jìn)水COD稀釋至大約510g/L，當(dāng)廢水COD濃度較低時(shí)，不需進(jìn)行回流。,62,63,厭氧擋板式反應(yīng)器工藝流程圖,下向流室,上向流室,擋板,氣室,厭氧擋板反應(yīng)器是從研究厭氧生物

34、轉(zhuǎn)盤(pán)發(fā)展而來(lái)的，生物轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)不動(dòng)，并全為固定盤(pán)，這樣就產(chǎn)生了厭氧擋板反應(yīng)器。 厭氧擋板反應(yīng)器與厭氧轉(zhuǎn)盤(pán)比較，可減少盤(pán)的片數(shù)和省去轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。厭氧擋板反應(yīng)器實(shí)質(zhì)上是一系列的升流式厭氧污泥床，由于擋板的截留，流失的污泥比升流式污泥床少，反應(yīng)器內(nèi)不需要三相分離器。,64,(2)厭氧擋板式反應(yīng)器的特點(diǎn) 反應(yīng)器啟動(dòng)期短。試驗(yàn)表明，接種一個(gè)月后，就有顆粒污泥形成，兩個(gè)月就可投入穩(wěn)定運(yùn)行； 避免了厭氧濾池、厭氧膨脹床和厭氧流化床的堵塞問(wèn)題； 避免了升流式厭氧污泥床因污泥膨脹而發(fā)生污泥流失問(wèn)題； 不需混合攪拌裝置； 不需載體。,65,兩步厭氧法是一種新型的厭氧生物處理工藝。 由厭氧反應(yīng)的基本原理可知，有機(jī)物

35、的厭氧降解，在宏觀(guān)上和工程上可以簡(jiǎn)單地分為.產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個(gè)階段，這兩個(gè)階段是由兩類(lèi)不同的微生物完成的。 由于兩類(lèi)微生物要求的生存條件不同，所以在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)保持這兩大類(lèi)微生物的成活，并都有旺盛的生理功能活動(dòng)是比較困難的。,66,19.2.7 兩步厭氧法,為解決這一問(wèn)題，1971年戈什（Ghosh）和波蘭特（Pohland）首次提出了兩步發(fā)酵的概念，即把這兩個(gè)階段的反應(yīng)分別在兩個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器內(nèi)完成。 分別創(chuàng)造各自最佳的環(huán)境條件，培養(yǎng)兩類(lèi)不同的微生物，并將這兩個(gè)反應(yīng)器串聯(lián)起來(lái)，形成兩步厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。 由于兩步厭氧發(fā)酵系統(tǒng)能夠承受較高的負(fù)荷率，反應(yīng)器容積較小，運(yùn)行穩(wěn)定，日益受到人們的重視。,67,

36、68,接觸消化池和上流式污泥床組成的兩步厭氧工藝,熱交換器,水解產(chǎn)酸反應(yīng)器,沉淀分離,產(chǎn)甲烷反應(yīng)器,能夠向產(chǎn)酸菌、乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌分別提供各自最佳的生長(zhǎng)繁殖條件，在各自反應(yīng)器內(nèi)能夠得到最高的反應(yīng)速度，使各個(gè)反應(yīng)器達(dá)到最佳的運(yùn)行效果； 當(dāng)進(jìn)水負(fù)荷有大幅度變動(dòng)時(shí)，酸化反應(yīng)器存在著一定的緩沖作用，對(duì)后續(xù)的產(chǎn)甲烷反應(yīng)器影響能夠緩解。因此，可以說(shuō)兩相厭氧反應(yīng)處理法具有一定的耐沖擊負(fù)荷的能力；,69,兩步厭氧法工藝特點(diǎn),負(fù)荷率高，反應(yīng)器容積小，酸化反應(yīng)器反應(yīng)進(jìn)程快，水力停留時(shí)間短，可去除20%25%左右COD，能夠大大地減輕產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的負(fù)荷； 由于反應(yīng)器容積小，相應(yīng)地基建費(fèi)用也較低。,70,兩步厭氧法工

37、藝特點(diǎn),在中溫發(fā)酵的條件下，對(duì)酸化反應(yīng)器，pH值56，脂肪酸（以乙酸計(jì)）可達(dá)5000mg/L左右，COD降低20%25%左右。 對(duì)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器，pH值為77.5，脂肪酸（以乙酸計(jì)）降低到500mg/L，COD可降低80%90%，產(chǎn)氣率為0.5m3/kgCOD左右。,71,兩步厭氧法不僅適用于處理含有大量懸浮物，特別是含有纖維素的廢水，也適用于處理含COD濃度高，懸浮物濃度低的工業(yè)廢水，如甜菜糖廠(chǎng)、檸檬酸廠(chǎng)、亞麻廠(chǎng)、淀粉廠(chǎng)和葡萄糖廠(chǎng)等工業(yè)廢水。 對(duì)含有毒化合物的復(fù)雜可溶性廢水，如含有較高濃度的硝酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽、氮等時(shí)，采用兩相厭氧法是一種去除毒物、提高厭氧發(fā)酵效率的方法。,72,73,第

38、19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 19.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,在廢水的厭氧處理過(guò)程中，廢水中的有機(jī)物在大量厭氧微生物的共同作用下，被最終轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳

39、、水、硫化氫和氨。 在有機(jī)物氧化的過(guò)程中，需要大量不同種類(lèi)的微生物，這些微生物的代謝過(guò)程相互影響，相互制約，形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。,74,19.3 厭氧生物法原理,19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程,廢水中有機(jī)物的厭氧分解過(guò)程與其在廢水中的存在狀態(tài)有關(guān)，對(duì)復(fù)雜有機(jī)物的厭氧過(guò)程的了解，有助于我們深入了解這一過(guò)程。 復(fù)雜有機(jī)物是指那些在廢水中以懸浮物或膠體形式存在的高分子有機(jī)物。 一般認(rèn)為復(fù)雜有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程可以被分為水解、發(fā)酵（或酸化）、產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷四個(gè)階段。,75,復(fù)雜有機(jī)物因相對(duì)分子質(zhì)量巨大，不能透過(guò)細(xì)胞膜，所以不能為細(xì)菌直接利用。它們必須首先被細(xì)菌胞外酶分解為小分子，這些小分子的水解產(chǎn)物能夠

40、溶解于水并透過(guò)細(xì)胞膜為細(xì)菌所利用。 水解可以定義為復(fù)雜的非溶解性的復(fù)雜有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的溶解性單體或二聚體的過(guò)程。,76,水解階段,纖維素被纖維素酶水解為纖維二糖與葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解為麥芽糖和葡萄糖，蛋白質(zhì)被蛋白酶水解為短肽與氨基酸, 水解溫度； 有機(jī)質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)的保留時(shí)間； 有機(jī)質(zhì)的組成，例如木素、碳水化合物、蛋 白質(zhì)與脂肪的質(zhì)量分?jǐn)?shù)； 有機(jī)質(zhì)顆粒的大?。?pH值； 氨的濃度； 水解產(chǎn)物的濃度（例如揮發(fā)性脂肪酸）。,77,影響水解的速度與水解的程度的因素,胞外酶能否有效接觸到復(fù)雜有機(jī)物對(duì)水解速率的影響很大。因此大的顆粒比小顆粒降解要緩慢得多。 對(duì)來(lái)自于植物中的復(fù)雜有機(jī)物，其生物降解性

41、極大地取決于纖維素和半纖維素被木素包裹的程度。纖維素和半纖維素是可以生物降解的，但木素難以降解，當(dāng)木素包裹在纖維素和半纖維素表面時(shí)，酶無(wú)法接觸纖維素和半纖維素，導(dǎo)致降解緩慢。,78,在這一階段，復(fù)雜有機(jī)物水解產(chǎn)生的小分子的化合物在發(fā)酵細(xì)菌（即酸化菌）的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)胞外。 這一階段的主要產(chǎn)物有揮發(fā)性脂肪酸（VFA）、醇類(lèi)、乳酸、二氧化碳、氫氣、氨、硫化氫等。 與此同時(shí)，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì)，因此未酸化廢水厭氧處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的剩余污泥。,79,發(fā)酵酸化階段,發(fā)酵可以被定義為有機(jī)化合物既作為電子受體也是電子供體的生物降解過(guò)程，在此過(guò)程中，溶解性有機(jī)物被轉(zhuǎn)化

42、為以揮發(fā)性脂肪酸為主的末端產(chǎn)物，因此這一過(guò)程也稱(chēng)之為酸化。 酸化過(guò)程是由大量的、多種多樣的發(fā)酵細(xì)菌完成的。其中重要的類(lèi)群有梭狀芽孢桿菌（Clostridium）和擬桿菌（Bacteriodes）。,80,梭狀芽孢桿菌是厭氧的、產(chǎn)芽孢的細(xì)菌，因此它們能在惡劣的環(huán)境條件下存活。 擬桿菌大量存在于有機(jī)物豐富的地方，它們能分解糖、氨基酸和有機(jī)酸。 上述細(xì)菌的絕大多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌，但通常有約1%的兼性菌存在于厭氧環(huán)境中，這些兼性菌能夠起到保護(hù)像甲烷菌這樣的嚴(yán)格厭氧菌免受氧的損害與抑制的作用。,81,酸化末端產(chǎn)物的組成取決于厭氧降解的條件、復(fù)雜有機(jī)物的種類(lèi)和參與酸化的微生物種群。例如，如果酸化過(guò)程在一個(gè)專(zhuān)

43、門(mén)的酸化反應(yīng)器里進(jìn)行，糖作為主要的復(fù)雜有機(jī)物，則末端產(chǎn)物將是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、二氧化碳和氫氣的混合物。 而在一個(gè)穩(wěn)定的一步反應(yīng)器中，則乙酸、二氧化碳和氫氣是酸化細(xì)菌最主要的末端產(chǎn)物，其中氫氣又能相當(dāng)有效地被產(chǎn)甲烷菌利用。 因此在反應(yīng)器中往往只能檢測(cè)到乙酸和二氧化碳。氫氣可以被能利用氫的硫酸鹽還原菌或脫氮菌所利用。,82,氫的有效去除使發(fā)酵細(xì)菌能產(chǎn)生更多的供其氧化并從中獲得能量的中間產(chǎn)物。 大多數(shù)發(fā)酵細(xì)菌可以利用發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)子。利用質(zhì)子有兩個(gè)途徑，其一是使用自身的代謝產(chǎn)物，例如形成乙醇；另一途徑則是在氫化酶作用下把質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氫氣。 在后一種情況下，不同時(shí)產(chǎn)生例如乙醇、丙酸、乳酸、丁酸

44、和其它產(chǎn)物，而幾乎只有乙酸同時(shí)形成。,83,氨基酸的分解通過(guò)所謂的史提克蘭德(Stickland)反應(yīng)進(jìn)行。 此反應(yīng)需兩種氨基酸參與，其中一個(gè)氨基酸分子進(jìn)行氧化脫氮，同時(shí)產(chǎn)生質(zhì)子使另外一種氨基酸的兩個(gè)分子還原，兩個(gè)過(guò)程同時(shí)伴隨著氨基酸的去除。也就是說(shuō)，這兩種氨基酸偶聯(lián)進(jìn)行氧化還原脫氨反應(yīng)。丙氨酸和甘氨酸的降解可用下面的反應(yīng)式表示。,84,丙氨酸反應(yīng)為： CH3CHNH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + NH3 + 4H+ 甘氨酸反應(yīng)為： 2CH2NH2COOH + 4H+ 2CH3COOH + 2NH3 總反應(yīng)為： CH3CHNH2COOH + 2CH2NH2COOH +

45、 2H2O 3CH3COOH + 3NH3 + CO2,85,某些氨基酸只能作為質(zhì)子供體，另一些只能作為質(zhì)子受體，但也有一些既可作為質(zhì)子受體也可作為質(zhì)子供體。 除了這種耦合降解之外，也有一些氨基酸能被單獨(dú)降解。這主要取決于某些特殊的菌種，例如某些梭狀芽孢桿菌。 由于氨基酸的降解能夠產(chǎn)生NH3，因此這一過(guò)程會(huì)影響到溶液的pH值。NH3的存在對(duì)厭氧過(guò)程非常重要，一方面NH3在高濃度下對(duì)細(xì)菌有抑制作用，另一方面，它又是微生物的營(yíng)養(yǎng)，因?yàn)榧?xì)菌需要氨態(tài)氮作為其氮源。,86,較高級(jí)的脂肪酸遵循氧化機(jī)理進(jìn)行生物降解。在其降解過(guò)程中，脂肪酸末端每次脫落兩個(gè)碳原子（即乙酸）。 對(duì)于含偶數(shù)個(gè)碳原子的較高級(jí)的脂肪酸

46、，這一反應(yīng)終產(chǎn)物為乙酸，而對(duì)含奇數(shù)個(gè)碳原子的脂肪酸，最終要形成一個(gè)丙酸。不飽和脂肪酸首先通過(guò)氫化作用變成飽和脂肪酸，然后按氧化過(guò)程降解。,87,例如: 棕櫚酸（含16個(gè)碳原子）按下面的反應(yīng)降解： CH3(CH2)14COO- + 14H2O 8CH3COO- +7H+ + 14H2 含有17個(gè)碳的脂肪酸按下面的反應(yīng)降解： CH3(CH2)15COO- + 14H2O 7CH3COO- + CH3CH2COO +7H+ + 14H2,88,從反應(yīng)式可以看出，脂肪酸發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生大量氫氣，因此正如在糖降解中提及的那樣，這一反應(yīng)的順利進(jìn)行，必須依賴(lài)于消耗氫的產(chǎn)甲烷過(guò)程以便使氫濃度維持在較低水平。此外，從

47、反應(yīng)式還可以看出，脂肪酸的降解能使pH下降，因此在反應(yīng)系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)有足夠的緩沖能力。,89,在厭氧降解過(guò)程中，酸化細(xì)菌對(duì)酸的耐受力必須加以考慮。酸化過(guò)程在pH下降到4時(shí)仍可以進(jìn)行。但是產(chǎn)甲烷過(guò)程的最佳pH值在6.57.5間，因此pH值的下降將會(huì)減少甲烷生成和氫的消耗，并進(jìn)一步引起酸化末端產(chǎn)物組成的改變。一些產(chǎn)物例如丙酸會(huì)大量生成。 產(chǎn)乙酸菌沒(méi)有足夠的能力克服這種改變，甲烷菌活力的下降又進(jìn)一步加劇了酸的積累，使pH值進(jìn)一步下降。厭氧降解過(guò)程因之惡化，嚴(yán)重時(shí)可使甲烷的產(chǎn)生完全中止。,90,在此階段，發(fā)酵酸化階段的產(chǎn)物被產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳，同時(shí)生成新的細(xì)胞物質(zhì)。產(chǎn)乙酸過(guò)程的某些反應(yīng)如下

48、。 CH3CHOHCOO（乳酸）+ 2H2O CH3COO- + HCO3- + H+ +2H2 CH3CH2OH（乙醇） + H2O CH3COO- + H+ +2H2 CH3CH2CH2COO（丁酸）+ 2H2O 2CH3COO- + H+ +2H2,91,產(chǎn)乙酸階段,CH3CH2COO-（丙酸）+ 3H2O CH3COO- + HCO3- + H+ +3H2 4CH3OH（甲醇）+ 2CO2 3CH3COO- + 2H2O 2HCO3- （碳酸）+ 4H2 + H+ CH3COO- + 4H2O,92,產(chǎn)乙酸階段,氫濃度的降低可以使反應(yīng)向生產(chǎn)更多產(chǎn)物方向進(jìn)行，因此只有產(chǎn)生的氫被產(chǎn)甲烷菌有

49、效利用時(shí)，系統(tǒng)中氫才能維持在很低的分壓。根據(jù)平均氫分壓可以計(jì)算出反應(yīng)器里一個(gè)氫分子平均在0.5s以?xún)?nèi)已被消耗。這 意味著氫分子在其產(chǎn)生后僅僅能移動(dòng)0.1mm的距離，也說(shuō)明這種生化反應(yīng)需要密切的共生關(guān)系存在于菌種之間，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“種間氫傳遞”。,93,通常在厭氧顆粒污泥中存在著微生態(tài)系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，產(chǎn)乙酸菌靠近利用氫的細(xì)菌生長(zhǎng)。因此氫可以很容易被消耗掉并使產(chǎn)乙酸過(guò)程順利進(jìn)行。這也是UASB生成顆粒污泥后能提高厭氧反應(yīng)效率的原因之一。 除了許多產(chǎn)甲烷菌可以利用氫以外，硫酸鹽還原菌和脫氮菌也能消耗氫。此外少量的產(chǎn)乙酸菌也利用氫，例如Clostridium aceticum和Acetobacter

50、ium woodii。這類(lèi)產(chǎn)乙酸菌能使用氫作為電子供體將二氧化碳和甲醇還原為乙酸，此即同型產(chǎn)乙酸過(guò)程（homo-acetogenesis）。,94,在產(chǎn)甲烷階段，乙酸、氫氣、碳酸、甲酸和甲醇等被轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。 在厭氧反應(yīng)器中，甲烷產(chǎn)量的大約70由乙酸歧化菌產(chǎn)生。在反應(yīng)中，乙酸中的羧基從乙酸分子中分離，甲基最終轉(zhuǎn)化為甲烷，羧基轉(zhuǎn)化為二氧化碳。在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氫鹽的形式存在。,95,產(chǎn)甲烷階段,已知利用乙酸的甲烷菌是索氏甲烷絲菌(Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八疊球菌(Methanosarcina barkeri)兩者生長(zhǎng)速率有較大區(qū)別

51、。在其它環(huán)境因素不變時(shí)，細(xì)菌生長(zhǎng)率取決于有機(jī)物濃度，這一關(guān)系可用下式表示： 式中Ks可定義為細(xì)菌生長(zhǎng)率等于最大生長(zhǎng)率一半時(shí)的COD濃度。Methanothrix的Ks值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Methanosarcina，雖然其最大生長(zhǎng)速率也低于Methanosarcina。這意味著在乙酸濃度很低時(shí)，Methanothrix較之Methanosarcina優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng).,96,是細(xì)菌生長(zhǎng)率；max是細(xì)菌最大生長(zhǎng)率；S是有機(jī)物濃度；Ks是半飽和常數(shù)。,97,巴氏甲烷八疊球菌,索氏甲烷絲菌,乙酸濃度與細(xì)菌A與B生長(zhǎng)速率的關(guān)系,這種優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)是所希望的，其理由如下： 由于索氏甲烷絲菌對(duì)COD有更高的親和力(即較小的Ks值

52、)，因此在廢水處理中有可能取得較高的有機(jī)物去除率； 索氏甲烷絲菌的生長(zhǎng)有利于形成品質(zhì)良好的顆粒污泥。巴氏甲烷八疊球菌也能形成顆粒，但這種顆粒通常較小(小于0.5mm)，因此容易從反應(yīng)器中洗出。,98,另一類(lèi)產(chǎn)甲烷的微生物是能由氫氣和二氧化碳形成甲烷的細(xì)菌(可稱(chēng)作嗜氫甲烷菌)。在反應(yīng)器正常條件下，它們形成占總量30%的甲烷。大約一半嗜氫甲烷菌也能利用甲酸。這個(gè)過(guò)程可以按下式直接進(jìn)行： 4CHOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O 也可以按下式間接進(jìn)行： 4CHOOH 4H2 + 4CO2 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O,99,甲醇的降解在自然界的生態(tài)系統(tǒng)中并非十分重要，但在厭氧處理

53、含甲醇廢水時(shí)它的作用相當(dāng)重要。甲醇能被巴氏甲烷八疊球菌直接轉(zhuǎn)化為甲烷。但甲醇也能由梭狀芽孢桿菌(Clostridia)先轉(zhuǎn)化為乙酸，然后被利用乙酸的甲烷菌進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷。 最重要的產(chǎn)甲烷過(guò)程分別按下式進(jìn)行： CH3COO-+ H2O CH4 +HCO3- HCO3- +H+ + 4H2 CH4 + 3H2O 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4HCOO- +2H+ CH4 + CO2 + 2 HCO3-,100,101,在甲烷形成的生物化學(xué)過(guò)程中，主要的中間產(chǎn)物是甲基輔酶M（CH3-S-CH2-CH2-SO3-）,甲基輔酶M在甲烷形成中的作用示意圖,102,厭氧降解過(guò)程示意圖

54、,上圖所表示的是廢水中最難降解的復(fù)雜化合物的降解過(guò)程，有些本身就是可溶性的有機(jī)物可能不需要通過(guò)上述所有過(guò)程。 也可把厭氧降解過(guò)程分為三個(gè)階段或兩個(gè)階段，三個(gè)階段厭氧消化過(guò)程把水解與發(fā)酵階段看成是第一階段；第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段；第三階段成為產(chǎn)甲烷階段。兩階段厭氧法把水解、發(fā)酵和產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸看成一個(gè)階段，稱(chēng)為酸性發(fā)酵階段，把產(chǎn)甲烷階段看成第二階段，稱(chēng)為堿性發(fā)酵階段。,103,(1)一步厭氧法 一步厭氧法是厭氧處理在一個(gè)反應(yīng)器中完成。在這種情況下，應(yīng)力圖創(chuàng)造一種最佳的條件以便使整個(gè)降解過(guò)程中最慢的反應(yīng)階段加速。對(duì)溶解性污染物，最慢的階段是產(chǎn)乙酸和由乙酸產(chǎn)生甲烷。 揮發(fā)性脂肪酸應(yīng)當(dāng)保持在較低的濃度以

55、便避免pH下降過(guò)多，廢水也應(yīng)有足夠的緩沖能力以便中和產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸。 在酸化過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣也應(yīng)當(dāng)維持在較低濃度(即應(yīng)被嗜氫甲烷菌或利用氫的硫酸鹽還原菌利用)，以保證乙酸能順利形成。,104,19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義,(2)兩步厭氧法 廢水的處理在兩個(gè)不同的反應(yīng)器中依次完成，在此厭氧降解中不同微生物種群的環(huán)境條件可以有較大的區(qū)別。 在厭氧處理中，水解與酸化過(guò)程不可能單獨(dú)進(jìn)行，因?yàn)檫@兩個(gè)步驟是由同樣的微生物種群完成的。產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷過(guò)程也不可能分開(kāi)進(jìn)行，因?yàn)楫a(chǎn)乙酸過(guò)程需要嗜氫甲烷菌的活動(dòng)以便保持較低的氫分壓。 這意味著厭氧降解過(guò)程的分離只有一種可能性，即酸化階段和產(chǎn)

56、乙酸階段的分離。,105,既然在兩步工藝的第一步不消耗酸，在酸化反應(yīng)器中脂肪酸的濃度會(huì)大大上升。在此條件下，所產(chǎn)氫氣也不會(huì)被嗜氫甲烷菌所利用。結(jié)果會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)酸過(guò)程中產(chǎn)物的改變，更多的揮發(fā)性脂肪酸被還原，溶液中含有更多的乙醇。 這也意味著在兩步工藝中的產(chǎn)乙酸菌將利用與一步工藝中不同類(lèi)型的脂肪酸。在此過(guò)程中，pH和濕度對(duì)產(chǎn)物形成也有重要影響。 這里有一個(gè)復(fù)雜的影響因素，即當(dāng)pH值低于6.3時(shí)，蛋白質(zhì)的水解減少，而在較高pH值下，蛋白質(zhì)通常也不會(huì)完全降解。,106,這極可能是因?yàn)榻到獾鞍踪|(zhì)的微生物是所謂兼營(yíng)養(yǎng)型的細(xì)菌，它們既能降解蛋白質(zhì)又能降解碳水化合物；但它們優(yōu)先利用容易降解的碳水化合物。而且，這些

57、兼營(yíng)養(yǎng)型的微生物由于動(dòng)力學(xué)特性的差異，它們?cè)谂c專(zhuān)門(mén)的碳水化合物酸化菌的底物競(jìng)爭(zhēng)上處于劣勢(shì)。 在不同反應(yīng)器中，污泥內(nèi)細(xì)菌的組成區(qū)別可能很大。在一步反應(yīng)器系統(tǒng)里含有厭氧降解過(guò)程中所有的細(xì)菌。這意味著一步反應(yīng)系統(tǒng)中污泥的比酸化活性和比產(chǎn)甲烷活性分別低于兩步系統(tǒng)中酸化反應(yīng)器和甲烷反應(yīng)器的污泥活性。,107,108,第19章 厭氧生物法,19.1 厭氧工藝的分類(lèi)與發(fā)展 19.2 厭氧生物反應(yīng)器 19.2.1 厭氧生物濾池 19.2.2 厭氧生物轉(zhuǎn)盤(pán) 19.2.3 升流式厭氧污泥床 19.2.4 厭氧接觸法 19.2.5 厭氧膨脹床和厭氧流化床,19.2.6 厭氧擋板式反應(yīng)器 19.2.7 兩步厭氧法 1

58、9.3 厭氧生物法原理 19.3.1 有機(jī)物降解過(guò)程 19.3.2 一步或兩步厭氧生物處理的微生物學(xué)意義 19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué) 19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 19.4.2 厭氧消化COD的去除,19.4.1 厭氧生物轉(zhuǎn)化的速率與細(xì)胞產(chǎn)率 在沒(méi)有硫酸鹽或硝酸鹽存在時(shí)，厭氧過(guò)程的最終產(chǎn)物甲烷和二氧化碳，這一過(guò)程有許多不同的微生物參與，通過(guò)不同的步驟完成，全部過(guò)程的快慢事實(shí)上是由最慢的一步生化過(guò)程所決定的。 一般講，在廢水中存在的化合物種類(lèi)繁多，同時(shí)廢水的組成、濃度和溫度也可能隨時(shí)間變化，因此在實(shí)踐中對(duì)生物轉(zhuǎn)化速度作精確的數(shù)學(xué)表達(dá)實(shí)際上是不可能的，即使對(duì)于化學(xué)組成相對(duì)簡(jiǎn)單的廢水

59、，這也是相當(dāng)困難的。,109,19.4 厭氧生化過(guò)程動(dòng)力學(xué),(1)水解階段不溶性有機(jī)物的轉(zhuǎn)化速率 在處理下水道污泥或糞肥的厭氧消化器中，含有相對(duì)少的溶解性的可生物降解的化合物。 研究證實(shí)：當(dāng)水力停留時(shí)間為7d、溫度為35時(shí)，反應(yīng)器中溶解性COD占全部可生物降解COD的7以下。 在此條件下，產(chǎn)甲烷速度正比于固體有機(jī)物的水解速度。因此在由不溶性有機(jī)物厭氧降解產(chǎn)生甲烷的過(guò)程中，水解是第一級(jí)反應(yīng)，也是限速反應(yīng)。,110,基本的動(dòng)力學(xué)方程,水解速度的動(dòng)力學(xué)方程表示： 對(duì)于間歇反應(yīng)器，上式積分之后可得： 對(duì)一個(gè)連續(xù)攪拌槽反應(yīng)器，可得：,111,S是不可降解的復(fù)雜有機(jī)物的濃度，kg/m3；Kh是水解常數(shù)，d-1。,S0是不可降解的復(fù)雜有機(jī)物初始濃度，kg/m3；t是反應(yīng)的時(shí)間，d。,HRT是水力停留時(shí)間，d,許多因素影響到水解速度，但水解速度常數(shù)Kh和這些因素的關(guān)系尚不完全清楚。 Kh值的大小通常只適用于某種條件下某一特定復(fù)雜有機(jī)物，不是普遍有效的。假定已知某一特定條件下的Kh值，就可以利用上述的方程來(lái)計(jì)算最佳的停留時(shí)間和預(yù)測(cè)在此停留時(shí)間下COD的去除率。,112,(2)溶解性COD的轉(zhuǎn)化速率與厭氧污泥產(chǎn)率的關(guān)系 溶