當(dāng)代給水與廢水處理原理-高良敏-厭氧生物處理法

當(dāng)代給水與廢水處理原理安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院高良敏博士、教授第十章厭氧生物處理法

20世紀70年代以來，由于城市的擴大和工業(yè)的迅速發(fā)展，有機廢水量急劇增加，如仍用需氧法處理則需要消耗大量的能量。隨著全球性能源問題的日益突出，在廢水處理領(lǐng)域內(nèi)，人們便逐漸對厭氧生物處理工藝產(chǎn)生了新的認識和估價。

本章主要內(nèi)容：§10-1厭氧生物處理法的基本原理和流程§10-2厭氧過程動力學(xué)§10-3厭氧活性污泥法§10-4厭氧生物膜法§10-5厭氧處理法的運行與管理

第十章厭氧生物處理法缺點厭氧生物處理法主要優(yōu)點第十章厭氧生物處理法主要優(yōu)點：⑴能耗低；可回收生物能源(沼氣)⑵每去除單位質(zhì)量底物產(chǎn)生的微生物(污泥)量少；⑶而且由于處理過程不需要氧，所以不受傳氧能力的限制，因而具有較高的有機物負荷的潛力。厭氧生物處理法的缺點：處理后出水的COD、BOD值較高，水力停留時間較長并產(chǎn)生惡臭等§10-1厭氧生物處理法的基本原理和流程基本原理將有機物在厭氧條件下的降解過程分成三個反應(yīng)階段:

第一階段是，廢水中的溶性大分子有機物和不溶性有機物水解為溶性小分子有機物。

第二階段為產(chǎn)酸和脫氫階段。水解形成的溶性小分子有機物被產(chǎn)酸細菌作為碳源和能源，最終產(chǎn)生短鏈的揮發(fā)酸，如乙酸等。第三階段，即產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷的反應(yīng)由嚴格的專一性厭氧細菌來完成，這類細菌將產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的短鏈揮發(fā)酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。

不溶性有機物和大分子溶性有機物水解階段（胞外酶作用）簡單溶性有機物產(chǎn)酸脫氫階段（產(chǎn)酸細菌作用）細菌細胞其它產(chǎn)物揮發(fā)酸CO2+H2產(chǎn)甲烷階段（產(chǎn)甲烷細菌作用）細菌細胞CH4+CO2§10-1厭氧生物處理法的基本原理和流程甲烷的產(chǎn)生與形成途徑

產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段,可能反應(yīng)如下：

主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌其特點有：1）生長慢；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。

§10-1厭氧生物處理法的基本原理和流程基本流程⑴厭氧處理中的發(fā)生生物氧化反應(yīng)的主體設(shè)備。⑵促使反應(yīng)器中主體液體與進水充分混合的設(shè)備或手段。⑶保持反應(yīng)器中主體液體達到所需溫度的設(shè)備。

⑷pH值調(diào)節(jié)劑投加設(shè)備。⑸沼氣的排放、貯存和利用設(shè)備。⑹廢棄厭氧生物污泥的貯存和處理設(shè)備?！?0-1厭氧生物處理法的基本原理和流程厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡史：人類第一次利用厭氧消化處理廢棄物，是始于1881年——LouisMouras的“自動凈化器”。隨后人類開始較大規(guī)模地應(yīng)用厭氧消化過程來處理城市污水（如化糞池、雙層沉淀池等）和剩余污泥（如各種厭氧消化池等）；

50、60年代，特別是70年代中后期，隨著能源危機的加劇，人們對利用厭氧消化過程處理有機廢水的研究得以強化，出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應(yīng)器的處理工藝，厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理；最近（90年代以后），隨著UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來了EGSB和IC反應(yīng)器；

§10-1厭氧生物處理法的基本原理和流程為解決消化池水力停留時間長的問題，近年來國內(nèi)外進行了廣泛的研究，出現(xiàn)了不少新的厭氧工藝和新型的厭氧反應(yīng)器，其中包括：

兩相厭氧法(two-phaseanaerobictreatmentprocess)這種工藝也稱兩段(twostage)厭氧法，是根據(jù)產(chǎn)甲烷細菌與其它非產(chǎn)甲烷細菌在生長特性方面的差異建立起來的

厭氧接觸法(anaerobiccontactprocess)這種工藝也稱厭氧活性話泥法，像需氧活性污泥法那樣，在消化池出水端設(shè)置污泥沉淀池，將沉淀的厭氧生物污泥回流入消化池中，以此來提高消化池中的污泥停留時間

生物膜反應(yīng)器采用生物膜反應(yīng)器提高污泥的停留時間及污泥濃度，這類反應(yīng)器有厭氧填充床(anaerobicpackedbed)、厭氧膨脹床/流化床(anaerobicexpanded/fluidizedbed)、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(anaetobicrotating)等

上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflowanaerobicsludgeblanketreactor)這種反應(yīng)器是在上流式厭氧填充休的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

§10-2厭氧過程動力學(xué)厭氧過程動力學(xué)涉及：底物的降解微生物的生長甲烷的生成§10-2厭氧過程動力學(xué)底物降解和微生物生長動力學(xué)厭氧處理過程中底物降解和微生物生長動力學(xué)都建立在Monod方程的基礎(chǔ)上，這兩個方面的動力學(xué)模型形式及其導(dǎo)出公式形式，與第八、九章需氧處理過程中同類型反應(yīng)器的完全一樣，只是動力學(xué)常數(shù)有些變動底物溫度℃μmaxl/dYGMgVSS/mgCODb

l/dKMgCOD/L生活廢水污泥250.250.040.0152000250.170.040.0153720200.140.040.0154620硬脂酸(C-18)370.100.110.010417棕酸(C-16)370.120.110.010143十四烷酸(C-14)370.110.110.010105乙酸350.34~0.050.04~0.050.015165~250丙酸350.310.0420.01060丁酸350.370.0470.02713§10-2厭氧過程動力學(xué)甲烷生成動力學(xué)：

在厭氧處理中，COD減小的途徑主要是生成甲烷和微生物的細胞，其它途徑有生成氫氣、通過硫酸鹽的還原生成硫化氫氣體等。上式表明：在標(biāo)準條件(0℃和0.1MPa)下，1mol甲烷的體積為22.4L，這樣，1gCOD在標(biāo)準狀態(tài)下可生成的甲烷體積為22.4/64=0.35L?！?0-2厭氧過程動力學(xué)甲烷生成動力學(xué)：

如果令G0為甲烷的產(chǎn)率系數(shù)，則在理論上G0=0.35L/GCOD，在非標(biāo)準狀態(tài)下的產(chǎn)率系數(shù)(G0)Tp可按Boyle-Charles定律計算：

式中，T為厭氧反應(yīng)器中的熱力學(xué)溫度；P為反應(yīng)器室內(nèi)的氣壓（單位Pa）。根據(jù)§7-4，每克干細菌完全氧化所需的單體氧為1.41g。利用一個類似于需氧處理中氧的攝入率計算公式（見式（8-40））形式來計算厭氧處理的甲烷生成率：式中，G為甲烷的產(chǎn)率，單位L/d；R0為COD的減少速率，單位為g/d；Y為產(chǎn)率系數(shù)，g干細菌/gCOD。

§10-3厭氧活性污泥法厭氧活性污泥法是厭氧微生物在反應(yīng)器中處于懸浮生長狀態(tài)的生物處理方法，厭氧活性污泥法通常包括傳統(tǒng)的消化池和厭氧接觸法。§10-3厭氧活性污泥法傳統(tǒng)消化池主要作用：①一部分有機物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託?；②一部分有機物形成穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)；③提高了污泥的脫水性能；④污泥體積可減少1/2以上；⑤致病微生物也得到了一定程度的滅活，有利于污泥的進一步處理和利用。常用于廢水處理廠中有機污泥的處理，近年來也用于含有機固體較多和有機物濃度很高的廢水。傳統(tǒng)消化池又稱低速消化池，無加熱和攪拌裝置；有分層現(xiàn)象，只有部分容積有效；消化速率很低，HRT很長（30~90天）。§10-3厭氧活性污泥法傳統(tǒng)消化池

式中以1/d為單位，K以mgCOD/L為單位。厭氧處理和需氧處理一樣，存在一個極小的值：

§10-3厭氧活性污泥法厭氧接觸法

厭氧接觸法主要用于中、高有機物濃度廢水的處理。由于厭氧處理受溫度的影響很大，低溫時急劇增大，故厭氧處理不宜在20℃以下運行。

厭氧接觸法與CSTR型活性污泥法幾乎完全一樣，只是值較大，一般取為的2~10倍，在和可忽略時可得到與的下列關(guān)系：由于厭氧處理中產(chǎn)甲烷細菌的生長速率（即）較低，所以厭氧處理的要比需氧處理大

§10-3厭氧活性污泥法厭氧接觸法

工藝過程對pH的控制能力，主要與在厭氧反應(yīng)過程中產(chǎn)生有機酸和二氧化碳有關(guān)，在與大氣隔絕的反應(yīng)器中，二氧化碳在水中存在如下平衡關(guān)系：

此外，還存在水的離解關(guān)系:

根據(jù)化學(xué)質(zhì)量作用定律，可得下列三個數(shù)量關(guān)系：式中，、分別為H2CO3的第一離解常數(shù)和第二離解常數(shù)；為水的離子積；[]表示物質(zhì)的量濃度，單位為mol/L。

§10-3厭氧活性污泥法厭氧接觸法

通常采用揮發(fā)性有機酸（VA，以mg/L乙酸計）和碳酸氫鹽堿度（BA，以mg/LCaCO3計）之比，作為衡量厭氧反應(yīng)器對pH值緩沖能力的一個指標(biāo)。一般地說，當(dāng)VA/BA<0.4時，反應(yīng)器具有足夠的緩沖能力，揮發(fā)性有機酸濃度的增加不致引起反應(yīng)器中pH值很大的波動；當(dāng)VA/BA=0.4~0.8時，反應(yīng)器的緩沖能力有限；而當(dāng)VA/BA>0.8時，反應(yīng)器的緩沖能力極小，揮發(fā)性有機酸濃度的微小增加，都會造成反應(yīng)器中pH值的急劇降低。

§10-3厭氧活性污泥法厭氧接觸法

如果廢水的總堿度以甲基橙滴定終點（pH=4.3時消耗的酸量）測定，而有機酸鹽堿度采用酸滴定法測定，則碳酸氫鹽堿度可按下式確定：可將VA/BA指標(biāo)轉(zhuǎn)換為BA/TA指標(biāo)：當(dāng)BA/TA>0.8時，反應(yīng)器具有足夠的緩沖能力；當(dāng)BA/TA<0.6時，反應(yīng)器沒有備用緩沖能力，應(yīng)采取措施控制pH。

§10-4厭氧生物膜法在無回流的厭氧活性污泥法中，就不得不加大水力停留時間來獲得較長的污泥停留時間；在有回流的厭氧活性污泥法中，雖然可通過回流來減短水力停留時間并增大污泥停留時間。但由于受污泥的沉降和濃縮性能的限制，也不可能獲得太長的污泥停留時間。

由于厭氧生物膜法的微生物在填料表面固定生長，故有可能在很短的水里停留時間條件下，獲得很長的、甚至長達100d以上的污泥停留時間。§10-4厭氧生物膜法厭氧填充床又稱厭氧濾池或厭氧固定床

在有機物負荷很高即k/L很小時，式（10-22）中的exp(-k/L)可按級數(shù)展開后略去高次項得下列簡化式：

為了獲得較高的去除率（即較大的k值），厭氧填充床的設(shè)計負荷宜采用1.5kgCOD/m3?d。設(shè)計厭氧填料床的適用公式，可采用§9-4所介紹的Eckenfelder公式的形式：式中，ρi和ρe為進、出水的有機物COD濃度，L為有機物負荷，單位為kgCOD/m3?d；k為去除有機物的系數(shù)，單位為kgCOD/m3?d。

§10-4厭氧生物膜法厭氧膨脹床/流化床

載體：固體顆粒，常用的有：石英砂、無煙煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒徑一般為0.2~1mm；常采用出水回流的方法使載體顆粒膨脹或流化；一般將床體內(nèi)載體略有松動，載體間空隙增加但仍保持互相接觸的反應(yīng)器稱為膨脹床；將上升流速增大到使載體可在床體內(nèi)自由運動而互不接觸的反應(yīng)器稱為流化床。

厭氧膨脹床/流化床是使1mm左右粒徑的填料處于流化狀態(tài)來處理廢水；上流式厭氧污泥床用自然培養(yǎng)的0.5~2.0mm左右的顆粒污泥處于流化狀態(tài)來處理廢水。這樣，既避免了堵塞，又大大增加了微生物固定生長的表面積，提高了反應(yīng)器中的微生物濃度，從而大幅度提高了有機物體積負荷。

§10-4厭氧生物膜法厭氧膨脹床/流化床主要缺點：載體的流化耗能較大；系統(tǒng)的設(shè)計運行要求高主要特點：細顆粒的載體為微生物的附著生長提供了較大的比表面積，使床內(nèi)的微生物濃度很高（一般可達30gVSS/l）；具有較高的有機容積負荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留時間較短；具有較好的耐沖擊負荷的能力，運行較穩(wěn)定；載體處于膨脹或流化狀態(tài)，可防止載體堵塞；床內(nèi)生物固體停留時間較長，運行穩(wěn)定，剩余污泥量較少；既可應(yīng)用于高濃度有機廢水的處理，也應(yīng)用于低濃度城市廢水的處理。

§10-4厭氧生物膜法厭氧膨脹床/流化床對厭氧流化床作如下假定：⑴厭氧反應(yīng)器中的流態(tài)為完全混合型（CSTR）；⑵填料上生長的生物膜為均質(zhì)增長，其密度ρa；⑶填料為均質(zhì)球體，直徑為d，自然堆積孔隙率為m；⑷進水微生物濃度為零。

如圖10-12所示，流化床內(nèi)底物的物料衡算方程為：式中，（-dρ/dt）為流化床底物濃度變化速率，單位為kgCOD/m3?d；