厌氧生物处置省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

六六 厌氧生物处理厌氧生物处理 第一节第一节 概述概述第二节第二节 厌氧生物处理基本原理厌氧生物处理基本原理第三节第三节 厌氧微生物生态学厌氧微生物生态学第四节第四节 早期厌氧反应器早期厌氧反应器第五节第五节 厌氧消化池厌氧消化池第六节第六节 当代高速厌氧生物反应器当代高速厌氧生物反应器第第七七节节 厌氧生物处理工艺运行管理厌氧生物处理工艺运行管理第1页o厌氧生物处理传统上用于污泥稳定处理，厌氧生物处理传统上用于污泥稳定处理，利于厌氧微生物，将有机物转化为甲烷、利于厌氧微生物，将有机物转化为甲烷、二氧化碳过程，也称厌氧消化或污泥消化。二氧化碳过程，也称厌氧消化或污泥消化。o因为厌氧生物处理工艺反应较慢，所以废因为厌氧生物处理工艺反应较慢，所以废水处理极少采取。水处理极少采取。o伴随能源危机出现，重点研究能回收能源伴随能源危机出现，重点研究能回收能源气体厌氧处理技术，伴随厌氧生化过程研气体厌氧处理技术，伴随厌氧生化过程研究深入和新型反应器开发，厌氧处理技术究深入和新型反应器开发，厌氧处理技术应用于废水处理领域，尤其是用于处理高应用于废水处理领域，尤其是用于处理高浓度有机废水处理中。浓度有机废水处理中。第2页第一节 概述o（一）厌氧生物处理发展o(1)厌氧生物处理发展可分为三个时期：o1）20世纪代前，主要用于废水和粪便处理，代表性构筑物是化粪池和法国自动净化池。特点是停留时间长，出水水质差。o2）伴随好氧工艺发展，厌氧生物处理主要用于污泥稳定，主要用于污泥消化。o3）伴随能源危机出现，厌氧生物处理在20世纪70年代后得到快速发展，出现了有机负荷和处理效率高厌氧生物处理工艺，用于处理高浓度有机废水。第3页o厌氧生物处理第三个时期经典厌氧反应技术：1)高厌氧生物量反应器 2）两相厌氧反应技术 第4页(二二)、厌氧生物处理工艺发展简史、厌氧生物处理工艺发展简史 厌氧过程广泛存在于自然界中；厌氧过程广泛存在于自然界中；1881年年，法法国国，Louis Mouras，“自自动动净净化化器器”；处理城市污水化粪池、双层沉淀池等处理城市污水化粪池、双层沉淀池等 处理剩下污泥各种厌氧消化池等；处理剩下污泥各种厌氧消化池等；HRT很长、处理效率很低、浓臭气味等；很长、处理效率很低、浓臭气味等；第5页70年年代代后后，能能源源危危机机，当当代代高高速速厌厌氧氧反反应应器器，厌厌氧氧消消化工艺开始大规模地应用于废水处理；化工艺开始大规模地应用于废水处理；o厌氧接触法（厌氧接触法（Anaerobic Contact Process）o厌氧滤池厌氧滤池（Anaerobic Filter、AF）o上上流流式式厌厌氧氧污污泥泥层层（床床）反反应应器器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket(Bed)、UASB)o厌氧流化床厌氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed、AFB)o厌厌 氧氧 附附 着着 膜膜 膨膨 胀胀 床床 (Anaerobic Attached Film Expanded Bed、AAFEB)o厌厌氧氧生生物物转转盘盘（Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD）o挡挡板板式式厌厌氧氧反反应应器器（Anaerobic Baffled Reactor、ABR）第6页当代高速厌氧反应器主要特点：当代高速厌氧反应器主要特点：HRT与与SRT分分离离，SRT相相对对很很长长，HRT则则较较短，反应器内生物量很高。短，反应器内生物量很高。HRT大大大大缩缩短短，有有机机负负荷荷大大大大提提升升，处处理理效效率也大大提升；率也大大提升；第7页90年年代代以以后后，在在UASB反反应应器器基基础础上上又又发发展展起起来来了了EGSB和和IC反应器；反应器；EGSB反应器，处理低温低浓度有机废水；反应器，处理低温低浓度有机废水；IC反反应应器器，处处理理高高浓浓度度有有机机废废水水，可可到到达达更更高高有有机机负荷。负荷。第8页o厌氧生物处理发展第三个时期特征：1)最大程度提升反应器中生物持有量，经过比好氧反应器中高几倍甚至几十倍生物量，使处理效率靠近好氧处理效率。在此基础上开发出大量新型厌氧反应器，其共同特征是有机负荷高、处理能力强。2)厌氧细菌可分为产酸菌和产甲烷菌2大类，利用厌氧细菌特点，采取相分离技术，开发出两相厌氧反应器，发挥不一样厌氧菌群各自特点，在各自反应器中优化菌群功效，提升处理效率。第9页（三）厌氧生物处理主要特征（三）厌氧生物处理主要特征主要优点：主要优点：o能耗低，且还可回收生物能（沼气）；能耗低，且还可回收生物能（沼气）；o污泥产量低；污泥产量低；厌氧微生物增殖速率低，厌氧微生物增殖速率低，产酸菌产率系数产酸菌产率系数Y为为0.150.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌产率系数产甲烷菌产率系数Y为为0.03kgVSS/kgCOD左右，左右，好氧微生物产率系数约为好氧微生物产率系数约为0.50.6kgVSS/kgCOD。o厌厌氧氧微微生生物物有有可可能能对对好好氧氧微微生生物物不不能能降降解解一一些些有机物进行降解或部分降解；有机物进行降解或部分降解；第10页主要缺点：主要缺点：o反反应应过过程程较较为为复复杂杂厌厌氧氧消消化化是是由由各各种种不不一一样样性性质质、不不一一样样功功效微生物协同工作一个连续微生物过程；效微生物协同工作一个连续微生物过程；o对温度、对温度、pH等环境原因较敏感；等环境原因较敏感；o出水水质较差，需深入利用好氧法进行处理；出水水质较差，需深入利用好氧法进行处理；o气味较大；气味较大；含有含有SO4废水会产生硫化物和气味；废水会产生硫化物和气味；o为增加反应器内生物量，开启时间长（约数月）；为增加反应器内生物量，开启时间长（约数月）；o出水有机物浓度高，一些情况下出水水质不能满足排放到地表水出水有机物浓度高，一些情况下出水水质不能满足排放到地表水体要求；体要求；o水质浓度低时产生甲烷热量不足以使水温加热到水质浓度低时产生甲烷热量不足以使水温加热到35；o对氨氮去除效果不好；对氨氮去除效果不好；低温下反应速率低；低温下反应速率低；等等第11页 70年代以来，因为能源危机、微生物学发展和年代以来，因为能源危机、微生物学发展和Hanget 技技术产生，厌氧生物处理技术被逐步应用于废水处理。术产生，厌氧生物处理技术被逐步应用于废水处理。（1)厌氧生物处理优点：厌氧生物处理优点：o可适合用于从高浓度到低浓度废水处理，工艺稳定，运行可适合用于从高浓度到低浓度废水处理，工艺稳定，运行简单；简单；o能量消耗低；能量消耗低；o高容积负荷：高容积负荷：510 kgCOD/m3do低污泥产率：低污泥产率：0.150.2 kg/kg COD o可回收能源：甲烷可回收能源：甲烷(沼气沼气)0.350.45m3/kg COD,2100025000 kJ/m3 o低营养比：低营养比：BOD5:N:P=200:5:1o含有更强生化能力；含有更强生化能力；o处理含表面活性剂废水无泡沫问题；处理含表面活性剂废水无泡沫问题；o能够降解好氧过程中不易生物降解物质；能够降解好氧过程中不易生物降解物质；o能够处理季节性排放废水能够处理季节性排放废水 。第12页厌氧生物降解与好氧生物降解比较厌氧生物降解与好氧生物降解比较 好氧生物降解好氧生物降解 厌氧生物降解厌氧生物降解微生物种类微生物种类:好氧微生物好氧微生物(较简较简)厌氧微生物厌氧微生物(复杂复杂)降解速率降解速率:快快 慢慢降解路径降解路径:碳降解碳降解 氨降解氨降解 碳降解碳降解对氧要求对氧要求:适当溶解氧适当溶解氧 无溶解氧无溶解氧温度要求温度要求:常温常温 常温常温-中温中温-高温高温环境条件环境条件:适应范围宽适应范围宽 适应范围较窄适应范围较窄 营养物质营养物质:100:5:1 200:5:1最终产物最终产物:H2O CO2 CH4 H2O CO2 基建费用基建费用:较低较低 较高较高运行费用运行费用:较高较高 较低较低 回收能源回收能源第13页几个经典厌氧反应器示意图p501第14页o（四）厌氧生物处理工艺应用现实状况 1）应用于高浓度和难降解有机废水处理，经过与后续好氧工艺联用，使出水水质满足排放要求。如高浓度淀粉废水COD0mg/L，直接采取好氧处理，则运行费用很高，经过厌氧处理后出水COD降到3000mg/L左右，再采取好氧处理，就能够节约运行费，厌氧过程也回收甲烷。单位COD甲烷甲烷产率：1gCOD生成生成350mLCH4第15页o（四）厌氧生物处理工艺应用现实状况 2）用于污泥厌氧消化稳定污泥 污泥厌氧消化是污泥稳定最主要伎俩，污泥有机质稳定同时，灭活了病原微生物，也回收了甲烷气体。在世界范围内得到广泛应用。第16页o（四）厌氧生物处理工艺应用现实状况 3）有机垃圾厌氧消化。传统垃圾处理方式是填埋、焚烧、和堆肥，对于有机垃圾采取厌氧发酵方式，是一个新尝试，能够确保污染物稳定，降低污染，并回收能源气体，当然有机垃圾厌氧消化因为运行费用较高（温度要求、搅拌），应用仍较少。第17页o（四）厌氧生物处理工艺应用现实状况 4）秸秆等生物质资源化。为提升秸秆等生物质资源能量利用率，可将生物质厌氧发酵产沼气。第18页o（五）厌氧生物处理工艺发展方向 1）提升处理能力，提升反应器厌氧微生物量。2）充分发挥不一样类型厌氧菌功效，优化两相厌氧技术 3）优化反应器流态，促进颗粒污泥形成，提升反应器厌氧微生物量，提升能源气体回收效率。第19页第二节 厌氧生物处理基本原理 废水厌氧生物处理（厌氧消化）是指在无氧条件下，借助厌氧微生物新陈代谢作用分解废水中有机物质，并使之转变成为小分子无机物质（主要是CH4、CO2、H2S等气体）处理过程。第20页o（一）经典厌氧消化过程（2 阶段理论）：o（1）酸性发酵阶段：即由发酵性细菌把复杂有机物进行水解和发酵（酸化），形成脂肪酸（挥发酸）、醇类、CO2和H2等。o（2）碱性或甲烷发酵阶段，由产甲烷细菌将第一阶段一些发酵产物深入转化为CH4和CO2过程。第21页o（二）3 阶段理论 1979年研究针对产甲烷菌和产乙酸菌研究，认为产甲烷菌不能利用除乙酸、CO2/H2和甲醇外大分子有机酸和醇，大分子大分子有机酸和醇需经过产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、CO2和H2后被产甲烷菌利用。第22页o（二）3 阶段理论 1）水解和发酵阶段 在该阶段，复杂有机物在厌氧菌胞外酶作用下，首先被分解为简单有机物，如纤维素经过水解转化为简单糖类；蛋白质转化为简单氨基酸；脂肪类转化为脂肪酸和甘油；（水解）然后，这些简单有机物在产酸菌作用下经厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参加这个阶段水解发酵细菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第23页o3 阶段理论 2）产氢产乙酸阶段 在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外第一阶段中间产物如丁酸等转化为乙酸和氢，并有CO2产生。第24页o3 阶段理论 3）产甲烷阶段 第25页o（三）4 阶段理论 1）水解和发酵阶段 在该阶段，复杂有机物在厌氧菌胞外酶作用下，首先被分解为简单有机物，如纤维素经过水解转化为简单糖类；蛋白质转化为简单氨基酸；脂肪类转化为脂肪酸和甘油；（水解）然后，这些简单有机物在产酸菌作用下经厌氧发酵和氧化转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等。参加这个阶段水解发酵细菌主要是厌氧菌和兼性厌氧菌。第26页o4 阶段理论 2）产氢产乙酸阶段 在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇外第一阶段中间产物如丁酸等转化为乙酸和氢，并有CO2产生。第27页o4 阶段理论 3）同型产乙酸阶段 同型产乙酸菌利用H2和CO2合成乙酸，这时产乙酸量较少。第28页o4 阶段理论 4）产甲烷阶段 第29页水解酸化细菌功效表现在两方面：1.将大分子不溶性有机物在水解酶催化作用下水解成小分子水溶性有机物；2.将水解产物吸收进细胞内，经细胞内复杂酶系统催化转化，将一部分供能源使用有机物转化为代谢产物，排入细胞外水溶液里，成为参加下一阶段生化反应细菌群可利用基质（脂肪酸、醇类等）。第30页产氢产乙酸细菌作用是什么？第一阶段发酵产物中除可供产甲烷细菌直接利用甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类外，还有许多其它主要有机代谢产物，如三碳及三碳以上直链脂肪酸、二碳及二碳以上醇、酮和芳香族有机酸等。这些有机物最少占发酵基质50%以上。这些产物最终转化为甲烷，就是依靠产氢产乙酸细菌作用。第31页什么是同型产乙酸细菌？在厌氧条件下能产生乙酸细菌有两类：一类是异养型厌氧细菌，能利用有机基质产生乙酸，另一类是混合营养型厌氧细菌，既能利用有机基质产生乙酸，也能利用分子氢和二氧化碳产生乙酸。前者就是酸化细菌，后者则是同型产乙酸细菌。第32页产甲烷菌 产甲烷菌是参加厌氧消化过程最终一类也是最主要一类细菌群，它们和参加厌氧消化过程其它类型细菌结构有显著差异。常见产甲烷菌有：球状、杆状和螺旋状等。依据甲烷菌对温度适应范围，将其分为三类：低温菌（2025）、中温菌（3045）和高温菌（4575）。已判定产甲烷菌中，大多数是中温菌。第33页o（四）厌氧生物处理过程分析o1 水解阶段 水解阶段可定义为复杂非溶解性有机物质在产酸细菌胞外水解酶作用下被转化为简单溶解性小分子有机物过程。这些小分子有机物如葡萄糖、氨基酸等能溶解于水并透过细胞膜为细菌利用。普通认为产甲烷菌是厌氧处理受限步骤，但对难降解、高分子有机物及污泥消化而言，水解过程非常迟缓，是影响厌氧处理限速步骤。水解阶段主要影响原因有：温度、水力停留时间、有机质组成、有机质颗粒大小、pH、氨氮浓度等。第34页o（四）厌氧生物处理过程分析o2 发酵阶段 发酵阶段可定义为有机物既是电子受体也是电子供体生物降解反应，产酸菌将水解产物转化为挥发性脂肪酸和醇为主末端产物，同时产生新生物质，这一过程称为酸化。产酸发酵速率很快，产酸发酵末端产物组成取决于进水负荷、停留时间、底物种类和参加微生物种类。可分为丁酸、乙酸为主要末端产物丁酸发酵；丙酸、乙酸为主要末端产物丙酸发酵及以乙醇、乙酸为主要末端产物乙醇发酵。第35页o（四）厌氧生物处理过程分析o3 产氢产乙酸阶段 产氢产乙酸阶段是将产酸发酵阶段2C以上有机酸和醇转化为乙酸、氢气和CO2过程，并产生新细胞物质。需要注意是乙醇、丁酸、丙酸产氢产乙酸过程不能自发进行，需要降低产物氢气分压才能进行。所以必须保障氢利用或释放，要不轻易造成酸积累。产氢产乙酸菌为产甲烷菌提供底物，产甲烷菌利用氢也为产氢产乙酸过程实现创造条件。第36页o（四）厌氧生物处理过程分析o4 同型产乙酸阶段 少许同型产乙酸细菌也可利用氢气和CO2合成。第37页o（四）厌氧生物处理过程分析o5 产甲烷阶段 产甲烷阶段是由严格专性厌氧菌（产甲烷菌）将上一阶段小分子酸、醇CO2和氢气转化为甲烷过程。产甲烷菌对pH、ORP、温度、碱度等都有严格要求，所以常是厌氧生物处理过程限速步骤。第38页 理论产生甲烷量：理论产生甲烷量：1 1、糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和、糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和COCO2 2等等 气体，这么混合气体统称为沼气；产生沼气数量和成份取决于被消气体，这么混合气体统称为沼气；产生沼气数量和成份取决于被消化有机物化学组成，普通能够用下式进行估算：化有机物化学组成，普通能够用下式进行估算：2 2、理论上认为，、理论上认为，1 1gCODgCOD在厌氧条件下完全降解能够生成在厌氧条件下完全降解能够生成0.25 0.25 gCH4gCH4，相当于标准状态下甲烷气体体积为相当于标准状态下甲烷气体体积为0.350.35L L；沼气中；沼气中CO2CO2和和CH4CH4百分含百分含量不但与有机物化学组成相关，还与其各自溶解度相关；因为一部量不但与有机物化学组成相关，还与其各自溶解度相关；因为一部分沼气（主要是其中分沼气（主要是其中CO2CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞合成，所以实际产气量要比理论部分有机物还会被用于微生物细胞合成，所以实际产气量要比理论产气量小。产气量小。第39页 （五）其它厌氧生物处理过程（五）其它厌氧生物处理过程 硫酸盐还原过程：硫酸盐还原过程：又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用 1.1.定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中有机物定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中有机物作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物过程作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物过程 2.2.硫酸盐在处理中危害：硫酸盐在处理中危害：（1 1）与产甲烷菌竞争底物，抑制产甲烷菌生成。）与产甲烷菌竞争底物，抑制产甲烷菌生成。（2 2）H H2 2S S对产甲烷菌和其它厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。对产甲烷菌和其它厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。3.3.处理方法：用两相厌氧生物处理工艺中产酸相先期还原硫酸菌。处理方法：用两相厌氧生物处理工艺中产酸相先期还原硫酸菌。反硝化与厌氧氨氧化：反硝化与厌氧氨氧化：1.1.无氧条件下存在：无氧条件下存在：NHNH4 4+和和NONO2 2-化能异养型硫酸菌化能异养型硫酸菌2.2.定义：在厌氧条件下，过程为厌氧氨氧化定义：在厌氧条件下，过程为厌氧氨氧化3.3.有氧条件：有氧条件：NHNH4 4+NHNH2 2OH NOOH NO2 2-NONO3 34.4.厌氧条件：厌氧条件：NONO3 3-NO NO2 2-NO N NO N2 2O O N2第40页（一（一)影响产酸细菌主要生态因子影响产酸细菌主要生态因子1.pH值：影响代谢速度及生长速度，而且影响发酵类型。值：影响代谢速度及生长速度，而且影响发酵类型。最适范围最适范围67，2.氧化还原电位氧化还原电位(ORP):影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌百分比，最适范围百分比，最适范围200mV至至300mV3.碱度碱度:确保系统含有良好缓冲能力，防止确保系统含有良好缓冲能力，防止pH过低而造成一些厌氧过低而造成一些厌氧细菌受到抑制细菌受到抑制4.温度：厌氧微生物生长及代谢速率，最正确温度：厌氧微生物生长及代谢速率，最正确35摄氏度。摄氏度。5.水力停留时间和有机负荷水力停留时间和有机负荷，影响末端产物及酸化效率，影响末端产物及酸化效率甲烷阶段是厌氧消化速率控制阶段，以甲烷菌影响原因为主甲烷阶段是厌氧消化速率控制阶段，以甲烷菌影响原因为主第三节厌氧微生物生态学第41页(二）二）影响甲烷细菌主要生态因子影响甲烷细菌主要生态因子温度原因温度原因1、中温（、中温（30-36）2、高温（、高温（50-53）接触与搅拌接触与搅拌1.搅拌作用：搅拌作用：加速热传加速热传均匀底物供给均匀底物供给将底物传质到细菌表面将底物传质到细菌表面提升负荷提升负荷2.搅拌与不搅拌：产气量增加搅拌与不搅拌：产气量增加30%3.方法：泵方法：泵+水射器水射器消化气循环消化气循环混合搅拌法混合搅拌法4.接触作用：提升传质速率，厌氧污泥与介质间液膜厚度，布接触作用：提升传质速率，厌氧污泥与介质间液膜厚度，布水系统。水系统。第42页 生物固体停留时间（污泥龄）与负荷生物固体停留时间（污泥龄）与负荷 1.停留时间停留时间 c=Mr/e 其中：其中：Mr 消化池内总生物量消化池内总生物量 e=Me/t 消化池每日排出生物量；消化池每日排出生物量；Me排出生物总量，排出生物总量，t排泥时间排泥时间 2.投配率投配率每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积百分数每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积百分数 营养物与营养物与C/NC/N比比 C5H7NO3即细胞合成即细胞合成C/N=5：1，要求，要求C/N=（10-20）：）：1 C/N高，细胞氮不足，水中缓冲能力下降，高，细胞氮不足，水中缓冲能力下降，PH下降下降 C/N低，氮量上升，铵盐积累，抑制消化低，氮量上升，铵盐积累，抑制消化第43页 有毒物质有毒物质 比如：重金属比如：重金属Cu2+、Hg2+1.重金属对甲烷消化抑制重金属对甲烷消化抑制 与酶结合，使酶作用消失与酶结合，使酶作用消失 RSH+Me+RSMe+H+Me及氢氧化物絮凝作用，使酶沉淀及氢氧化物絮凝作用，使酶沉淀2.阴离子毒害作用阴离子毒害作用 如如S2-毒害作用毒害作用 pH、碱度和、碱度和ORP ORP 1.产甲烷菌产甲烷菌 6.6-7.5 2.缓冲剂缓冲剂:CO2和和 NH3（NH3、NH4+）H+HCO3-H2CO3组成缓冲液组成缓冲液 电离常数：电离常数：K+=H+HCO3-/H2CO3 pH=-lgK+lg(HCO3-/CH2CO3)应保持应保持500mg/l碱度，预防碱度，预防pH下降，缓冲能力弱，下降，缓冲能力弱，ORP需要需要300 500mV之间为适当之间为适当第44页（三）（三）影响硫酸盐还原菌主要生态子影响硫酸盐还原菌主要生态子 温度温度 和产甲烷相同，中温段和高温段最活跃。和产甲烷相同，中温段和高温段最活跃。pH值值 适应范围较广，在适应范围较广，在6.5-8.0。条件条件 严格厌氧菌，好氧生物器内不可能生存。严格厌氧菌，好氧生物器内不可能生存。碳硫比：碳硫比：不应该小于不应该小于1.5 盐度：盐度：分为嗜盐性硫酸盐还原菌和非嗜盐性硫酸盐还原菌。分为嗜盐性硫酸盐还原菌和非嗜盐性硫酸盐还原菌。第45页（四）（四）厌氧生化反应动力学厌氧生化反应动力学 反应方程式反应方程式其中：其中：-dS/dt底物去除速率，质量底物去除速率，质量/体积体积.时间；时间；k单位质量底物最大利用速率，质量单位质量底物最大利用速率，质量/细菌质量；细菌质量；S可降解底物，质量可降解底物，质量/体积；体积；Ks半速度常数，质量半速度常数，质量/底物体积，即在生长速率等于最底物体积，即在生长速率等于最大生长速率大生长速率1/2时底物浓度；时底物浓度；X细菌浓度，质量细菌浓度，质量/体积；体积；dx/dt细菌增加速率，质量细菌增加速率，质量/体积体积时间；时间；Y细菌产率，细菌质量细菌产率，细菌质量/底物质量；底物质量；b细菌衰亡速率系数，细菌衰亡速率系数，d-1 甲烷阶段是厌氧消化速率控制原因，所以，厌氧消化动力学是以该阶甲烷阶段是厌氧消化速率控制原因，所以，厌氧消化动力学是以该阶段作为基础建立段作为基础建立第46页（五）（五）厌氧生物处理过程中微生物优势种群演替厌氧生物处理过程中微生物优势种群演替及相互关系及相互关系1.产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖底物产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖底物2.产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜氧化还原电位产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜氧化还原电位3.产酸细菌为产甲烷细菌去除了有毒物质产酸细菌为产甲烷细菌去除了有毒物质4.产甲烷细菌为产酸细菌生化反应解除了反馈抑制产甲烷细菌为产酸细菌生化反应解除了反馈抑制5.产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜pH值值 微生物相互关系：微生物相互关系：第47页第四节第四节 早期厌氧生物反应器早期厌氧生物反应器o从1881年到上世纪代；o1881年，法国Mouras自动净化器；o1891年，英国Moncriff装有填料升流式反应器；o1895年，英国设计化粪池（SepticTank）；o19，德国ImhoffTank池o（又称隐化池、双层沉淀池）第48页Travis池横截面结构示意图污泥层污泥层消化区消化区沉淀区沉淀区沉淀区沉淀区气体气体第50页双层沉淀池结构示意图气体气体污泥层污泥层消化区消化区沉淀区沉淀区沉淀区沉淀区气体气体气体气体出水出水进水进水沉淀区沉淀区沉淀区沉淀区截面图截面图平面图平面图第52页早期厌氧生物反应器特点：早期厌氧生物反应器特点：对对废废水水处处理理主主要要是是沉沉淀淀，有有些些还还能能对对沉沉淀淀下来污泥进行部分处理；下来污泥进行部分处理；停停留留时时间间较较长长，水水力力停停留留时时间间没没有有和和污污泥泥停停留留时时间间分分离离，污污泥泥浓浓度度低低，混混合合效效果果差差，出水水质不好；出水水质不好；当当前前化化粪粪池池因因为为简简易易方方便便，仍仍有有应应用用，主主要起到沉淀分离作用。要起到沉淀分离作用。第53页第五节第五节 厌氧消化池厌氧消化池o厌厌氧氧消消化化发发展展第第二二阶阶段段，厌厌氧氧消消化化作作为为剩剩下下污污泥泥处处理理主主要伎俩，要伎俩，SRT仍约等于仍约等于HRT，污泥浓度受限，污泥浓度受限o1927年，加热装置；年，加热装置；o随即，机械搅拌器；随即，机械搅拌器；o50年代初，沼气循环搅拌装置；年代初，沼气循环搅拌装置；o高速消化池，至今仍是污泥处理主要技术。高速消化池，至今仍是污泥处理主要技术。第54页一、消化池类型与结构一、消化池类型与结构 主要应用范围：主要应用范围：处理剩下污泥，处理剩下污泥，处理固体含量很高有机废水；处理固体含量很高有机废水；主要作用：主要作用：将部分有机物转变为将部分有机物转变为沼气沼气；将部分有机物转化成将部分有机物转化成稳定稳定性很好腐殖质；性很好腐殖质；提升污泥提升污泥脱水性能脱水性能；可降低污泥体积可降低污泥体积1/2以上；以上；灭活致病微生物。灭活致病微生物。第55页1、消化池分类：、消化池分类：按形状：按形状：圆柱形圆柱形、椭圆形椭圆形（卵形）和龟甲形；（卵形）和龟甲形；按池顶结构：固定盖式和浮动盖式；按池顶结构：固定盖式和浮动盖式；按运行方式：传统消化池和高速消化池。按运行方式：传统消化池和高速消化池。第56页A、传统消化池：、传统消化池：o又称低速消化池，无加热和搅拌装置；又称低速消化池，无加热和搅拌装置；o有分层现象：只有部分容积有效；有分层现象：只有部分容积有效；o消化速率很低，消化速率很低，HRT很长（很长（3090天）。天）。熟污泥熟污泥上清液上清液沼气沼气生污泥生污泥浮渣层浮渣层上清液层上清液层反应层反应层熟污泥层熟污泥层沼气气室沼气气室第57页B、高速消化池、高速消化池o 设有加热和搅拌装置；设有加热和搅拌装置；o 缩缩短短了了HRT，提提升升了了沼沼气气产产量量，在在中中温温（3035 C）条条件件下下，普通消化时间为普通消化时间为15天左右，运行稳定；天左右，运行稳定；o 但搅拌使高速消化池内污泥得不到浓缩，上清液不能分离。但搅拌使高速消化池内污泥得不到浓缩，上清液不能分离。第58页C、两级消化池、两级消化池o两两级级串串联联，第第一一级级是是高高速速消消化化池池，第第二二级级则则不不设设搅搅拌拌和和加加热热，主主要起沉淀浓缩和贮存作用，并能分离上清液；要起沉淀浓缩和贮存作用，并能分离上清液；o二者二者HRT比值可采取比值可采取1:1 4:1，普通为，普通为2:1。第59页（二）厌氧消化池中加热（二）厌氧消化池中加热 池内蒸汽直接加热：池内蒸汽直接加热：设设备备简简单单，局局部部污污泥泥易易过过热热，会会影影响响厌厌氧氧微微生生物物正正常常活动，并会增加污泥含水率；活动，并会增加污泥含水率；池外加热：池外加热：把把污污泥泥预预热热后后投投配配到到消消化化池池中中，所所需需预预热热污污泥泥量量较较少少，易易于于控控制制；预预热热温温度度较较高高，有有利利于于杀杀灭灭虫虫卵卵；不不会会对对厌氧微生物不利；但设备较复杂。厌氧微生物不利；但设备较复杂。第60页污泥热交换器污泥热交换器杭州四堡污水厂杭州四堡污水厂第61页杭州四堡污水厂污泥消化池杭州四堡污水厂污泥消化池 第62页青岛市团岛污水厂污泥消化池第63页三三、沼气搜集与利用、沼气搜集与利用o污污泥泥和和高高浓浓度度有有机机废废水水进进行行厌厌氧氧消消化化时时均均会会产产生大量沼气；生大量沼气；o沼沼气气热热值值很很高高（普普通通为为2100025000 kJ/m3，即即50006000 kCal/m3），是一个可利用生物能源。），是一个可利用生物能源。第64页1、污泥消化过程中沼气产量估算：、污泥消化过程中沼气产量估算：o沼气组成成份：沼气组成成份：CH4：5070%，CO2：2030%，H2：25%，N2：10%，H2S：微量；：微量；o沼气产率：沼气产率：每处理单位体积生污泥所产生沼气量，每处理单位体积生污泥所产生沼气量，即即m3沼气沼气/m3生污泥；生污泥；第65页高碑店沼气柜高碑店沼气柜第66页高碑店沼气发电机第67页第六节第六节 当代高速厌氧反应器当代高速厌氧反应器一、厌氧接触法工艺一、厌氧接触法工艺二、厌氧滤池工艺二、厌氧滤池工艺三、上流式厌氧污泥床（三、上流式厌氧污泥床（UASB）工艺）工艺四、其它厌氧工艺四、其它厌氧工艺第68页 70年代末，经过大量研究工作成功地开发年代末，经过大量研究工作成功地开发了各种新型厌氧生物处理工艺。了各种新型厌氧生物处理工艺。o 高效厌氧处理系统必须满足三个条件：高效厌氧处理系统必须满足三个条件：a.能够保持大量厌氧污泥和足够长污泥龄；能够保持大量厌氧污泥和足够长污泥龄；b.确保进水与污泥之间有充分接触；确保进水与污泥之间有充分接触；c.有良好气水分离装置。有良好气水分离装置。第69页当代高速厌氧反应器产生与发展当代高速厌氧反应器产生与发展 厌氧消化技术发展上第三个时期；厌氧消化技术发展上第三个时期；1955年，年，Schroepter首先提出了厌氧接触法首先提出了厌氧接触法o参考活性污泥法，增设二沉池和污泥回流系统；参考活性污泥法，增设二沉池和污泥回流系统；o处理能力提升，应用于食品包装废水处理；处理能力提升，应用于食品包装废水处理；o标志着厌氧技术应用于有机废水处理开端。标志着厌氧技术应用于有机废水处理开端。随随 即即:AF(Anaerobic Filter)、UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)、AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、AFB(Anaerobic Fluidized Bed)等等第70页当代高速厌氧反应器主要特点当代高速厌氧反应器主要特点:o 微生物不呈悬浮生长状态，而是呈微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长附着生长；o 容积负荷大大提升，水力停留时间显著缩短；容积负荷大大提升，水力停留时间显著缩短；o 应应用用于于高高浓浓度度有有机机工工业业废废水水处处理理，如如食食品品工工业业废废水水、酒酒精精工工业业废废水水、发发酵酵工工业业废废水水、造造纸纸废废水水、制制药药工工业业废水、屠宰废水等；废水、屠宰废水等；o 也能应用于城市废水等也能应用于城市废水等低浓度废水低浓度废水处理；处理；o 与好氧工艺串联和组合，能够脱氮和除磷；与好氧工艺串联和组合，能够脱氮和除磷；o 含难降解有机物工业废水处理。含难降解有机物工业废水处理。第71页一、厌氧接触法一、厌氧接触法（Anaerobic Contact Process）1、厌氧接触法工艺流程、厌氧接触法工艺流程第72页2、厌氧接触法特点、厌氧接触法特点o污泥回流是其最大特点；污泥回流是其最大特点；o污泥回流使得污泥回流使得HRT与与SRT分离：分离：厌氧反应器产泥量极少，几乎不排剩下污泥，则厌氧反应器产泥量极少，几乎不排剩下污泥，则Qw=0，则有：则有：第73页2、厌氧接触法特点、厌氧接触法特点在普通高速厌氧消化池中在普通高速厌氧消化池中，Xe=X，所以：所以：c=SRTHRT，所以在中温条件下，为了满足产甲烷菌生长，所以在中温条件下，为了满足产甲烷菌生长，SRT要求要求2030d，所以高，所以高速厌氧消化池速厌氧消化池HRT为为2030d。对于厌氧接触法，因为对于厌氧接触法，因为X Xe，所以，所以HRTSRT；X越大，越大，Xe越小，则越小，则HRT就可越短。就可越短。第74页与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法特点有：与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法特点有：污泥浓度高，普通为污泥浓度高，普通为510 gVSS/l；有机容积负荷高，有机容积负荷高，中中温温，COD负负荷荷16 kgCOD/m3.d，去去除除率率为为7080%；BOD5负荷负荷0.52.5 kgBOD/m3.d，去除率，去除率8090%；出水水质很好；出水水质很好；流程较复杂；流程较复杂；适合于处理悬浮物和有机物浓度很高废水。适合于处理悬浮物和有机物浓度很高废水。第75页厌氧接触法存在问题厌氧接触法存在问题最大问题是污泥沉淀：最大问题是污泥沉淀：o 污泥上附着有小气泡；污泥上附着有小气泡；o 二沉池中污泥易上浮。二沉池中污泥易上浮。改进办法：改进办法：o 真空脱气设备（真空度为真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；）；o 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥活性。泥活性。第76页二、厌氧生物滤池二、厌氧生物滤池1、厌氧生物滤池工艺特征、厌氧生物滤池工艺特征o60年代末，美国，年代末，美国，Young和和McCartyo1972年，第一座生产性年，第一座生产性AF投入运行投入运行o与与好好氧氧生生物物滤滤池池相相同同，厌厌氧氧生生物物滤滤池池是是装装填填有有滤滤料料厌厌氧氧生生物物反反应应器器，在在滤滤料料表表面面形形成成了了以以生生物物膜膜形形态态生生长长微微生生物物群群体体，在在滤滤料料空空隙隙中中则则截截留留了了大大量量悬悬浮浮生生长长微微生生物物，废废水水经经过过滤滤料料层层(上上向向流流或或下下向向流流)时时，有有机机物物被被截截留留、吸吸附附及及分解。分解。第77页2、厌氧生物滤池结构特征、厌氧生物滤池结构特征升流式厌氧生物滤池升流式厌氧生物滤池进水进水沼气沼气出水出水填料填料布水系统布水系统第78页其它形式厌氧生物滤池其它形式厌氧生物滤池降流式厌氧生物滤池降流式厌氧生物滤池进水进水沼气沼气出水出水填料填料布水系统布水系统第79页其它形式厌氧生物滤池其它形式厌氧生物滤池升流式混合型厌氧生物滤池升流式混合型厌氧生物滤池进水进水沼气沼气出水出水填料填料布水系统布水系统第80页(4)、厌氧生物滤池运行特征：、厌氧生物滤池运行特征：o生生物物膜膜厚厚度度约约为为14mm；生生物物固固体体浓浓度度沿沿滤滤料料层高度而有改变；层高度而有改变；o适合于处理各种类型、浓度有机废水，适合于处理各种类型、浓度有机废水，o有机负荷为有机负荷为0.216 kgCOD/m3.d；o当进水浓度过高时，应采取出水回流办法：当进水浓度过高时，应采取出水回流办法：降低碱度要求；降低碱度要求；降低进水降低进水COD浓度；浓度；增大进水流量，改进进水分布条件。增大进水流量，改进进水分布条件。第81页 厌氧生物滤池优缺点：厌氧生物滤池优缺点：优点：优点：o 生物固体浓度高，有机负荷高；生物固体浓度高，有机负荷高；o SRT长，可缩短长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；，耐冲击负荷能力强；o 开启时间较短，停顿运行后再开启较轻易；开启时间较短，停顿运行后再开启较轻易；o 无需回流污泥，运行管理方便；无需回流污泥，运行管理方便；o 运行稳定性很好。运行稳定性很好。缺点：缺点：l 体积利用率较低，滤料易堵塞体积利用率较低，滤料易堵塞第82页三、上流式厌氧污泥床三、上流式厌氧污泥床(UASB)反应器反应器oUpflow Anaerobic Sludge Bed Reactor,简简称称UASB 反应器；反应器；o70年年 代代，荷荷 兰兰 Wageningen农农 业业 大大 学学，Lettinga教授教授第83页世界范围内厌氧工艺应用情况世界范围内厌氧工艺应用情况（截止（截止1999年年3月共月共1303个项目）个项目）第84页国内厌氧反应器应用（共219个项目）第85页1USAB工艺工作原理工艺工作原理升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体厌氧反应器，污水升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体厌氧反应器，污水从下部流入，经过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，污水从下部流入，经过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，污水从上部溢流堰流出。从上部溢流堰流出。第86页2、UASB反应器工艺特征：反应器工艺特征：o在反应器上部设置了气、固、液三相分离器；在反应器上部设置了气、固、液三相分