第六章 污水的厌氧生物处理

第第六六章章 污水的厌氧生物处理污水的厌氧生物处理教教学学要要求求：掌掌握握厌厌氧氧生生物物处处理理的的基基本本理理论论与与概概念念，了了解解各各厌厌氧氧工工艺艺结结构构形形式式，熟熟练练掌掌握握UASBUASB厌厌氧氧反应器的工作原理和设计计算。反应器的工作原理和设计计算。第第6 6章章 污水的厌氧生物处理污水的厌氧生物处理n1、概述概述 n2、厌氧法的基本原理、厌氧法的基本原理 n3、厌氧法的影响因素、厌氧法的影响因素n4、厌氧法的工艺和设备、厌氧法的工艺和设备1、厌氧生物处理、厌氧生物处理概述概述o厌氧生物处理法或厌氧消化法厌氧生物处理法或厌氧消化法：o在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性兼性厌氧菌和专性厌氧菌厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程。o若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不不完全的厌氧消化完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完完全的厌氧消化全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵甲烷发酵或沼气发酵。o厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。n1860年法国的Muras将简易沉淀池改为污泥处理构筑物；n1895年英国Cameron进一步改进为腐化池；n1903年英国的Travis首先建成了双层沉淀池；n1912年英国的伯明翰市建了第一个消化池；n1920年英国Watson建成最早二级消化池，同时利用了沼气；n19251926年在德国、美国相继建成较标准的消化池。n厌氧污水污泥处理技术的发展厌氧生化法的优点：厌氧生化法的优点：n（1）应用范围广）应用范围广 n因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。n有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。(2)能耗低能耗低n好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。n 废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。n（3）氮、磷营养需要量较少）氮、磷营养需要量较少n好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为l00:2:0.3，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。n （4）有杀菌作用）有杀菌作用 n厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。n（5）污泥产量低、易贮存）污泥产量低、易贮存 n污泥产率：好氧法为0.4-0.5KgVSS/KgBOD；厌氧法为0.07-0.25 KgVSS/KgBOD；n厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。n（6）有机物负荷高）有机物负荷高n容积负荷：好氧法为容积负荷：好氧法为0.4-1.0KgBOD/(m3.d)；厌氧法厌氧法为为7-45 KgBOD/(m3.d)n污泥负荷：好氧法为污泥负荷：好氧法为0.05-0.15KgBOD/(KgVSS.d)；厌氧法为厌氧法为0.3-1.2 KgBOD/(KgVSS.d)n（7）对水温的适应范围较广对水温的适应范围较广n好氧生物处理：好氧生物处理：20-30效果最好；效果最好；n厌氧生物处理：根据产甲烷菌的最宜生存条件分为厌氧生物处理：根据产甲烷菌的最宜生存条件分为三类：三类：10-30，最宜最宜20（低温菌）；低温菌）；30-40，最宜最宜35-38（中温菌）；中温菌）；50-60，最宜最宜51-53（高温菌）。高温菌）。厌氧生物处理法缺点厌氧生物处理法缺点:n（1）厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长；n（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理；n（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。n（4）厌氧过程会产生气味对空气有污染。2 2、厌氧法的基本原理厌氧法的基本原理n废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobic digestion)。厌氧消化过程的基本生物过程（1 1）两阶段理论）两阶段理论 早期的厌氧处理研究主要针对污泥消化，即将污泥中的固态有机物降解为液态和气态的物质。3060年代，被普遍接受的是“两阶段理论”污泥的消化过程明显分为两个阶段：固态有机物先液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。n最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降，不到10d，降到最低值(例如在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸)，所以又称酸化阶段。n污泥中的固态有机物如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和C02、H2、NH3、H2S等气体分子。由于转化产物中有机酸是主体，所以导致pH值下降。又由于产生的NH3溶解于水后产生的NH4OH具有碱性，产生中和反应并经过长时间的过程后使pH值回升，并进入气气化阶段化阶段。液化阶段液化阶段n有机酸、醇、醛等中间产物在甲烷菌的作用下转化为生物气，也可称消化气，主体是CH4，因此气化阶段常称甲烷化阶段。该阶段除产生CH4外，还产生CO2和微量H2S。气化阶段气化阶段液化液化阶段：段：兼性厌氧菌作用，大量氢产生，也称氢发酵阶段，有机酸大量积累，pH迅速下降，污泥带有粘性，呈灰黄色，并发出恶臭，污泥称为酸性发酵污泥。气化气化阶段段：专性厌氧菌作用，需隔绝光和空气，最佳pH值7.2-7.5，有机酸浓度不超过2000mg/L，最佳50500mg/L，碱度不应超过5000mg/L，最佳20003000mg/L。污泥呈黑色，稳定不易腐化，无甚恶臭，易于脱水，这种污泥成为熟污泥或消化污泥。（2）三阶段理论）三阶段理论n深入研究后，发现上述过程不能真实反映厌氧反应过程的本质；n微生物学的研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；n1979年，Bryant根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化的三阶段理论，是当前较为公认的理论模式。n三阶段消化突出了产氢产乙酸细菌的作用，并将其独立的划为一个阶段。1.碳水化合物、脂肪、蛋白质在碳水化合物、脂肪、蛋白质在水解、发酵菌水解、发酵菌作用作用下下糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；2.脂肪酸在脂肪酸在产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌作用下作用下H2、CO2、乙乙 酸；酸；3.两组生理不同的两组生理不同的产甲烷菌产甲烷菌，有共同的产物，有共同的产物 4H2+CO2CH4+2H2O CO2还原还原 2CH3COOH2CH4+2CO2 乙酸脱羧乙酸脱羧 三三段段消消化化n甲烷化过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。n上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤；n简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。说明：I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌n与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。n厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentative bacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenic bacteria)和产甲烷细菌(methanogenic bacteria)的联合作用完成。参与厌氧消化的微生物参与厌氧消化的微生物（1）第一阶段细菌、原生动物和真菌（水解与发酵细菌）纤维素分解菌最重要的一步；产物CO2，H2，乙醇，乙酸；碳水化合物分解菌丙酮，乙醇，乙酸和氢（杆状菌）；蛋白质分解菌-氨基酸硫醇，氨和硫化氢（梭菌）；脂肪分解菌简易脂肪酸（弧菌）原生动物：鞭毛虫、纤毛虫、变形虫；真菌：毛霉、根霉、共头霉、曲霉等。（2）第二阶段产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌，产物：乙酸、CO2、H2（3）第三阶段产甲烷菌，产物为甲烷产甲烷阶段细胞的增殖很少，（消化系统中的甲烷细菌数量少，繁殖世代时间长）复杂有机物复杂有机物较高级有机酸较高级有机酸H2乙酸乙酸CH4水解与发酵水解与发酵4%76%20%24%52%28%72%生成甲烷生成甲烷生成乙酸与脱氢生成乙酸与脱氢第一阶段第一阶段第二阶段第二阶段第三阶段第三阶段有机物厌氧消化模式图有机物厌氧消化模式图3 3、厌氧法的影响因素、厌氧法的影响因素n虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。n这种动态平衡一旦被pH值、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，其至会导致整个厌氧消化过程停滞。n控制厌氧处理效率的基本因素有两类:n一类是基础因素，包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等；n另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。n产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，对于一般工业废水，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。3.1 温度温度n各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为25-60。n在35和53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40-45时，厌氧消化效率较低。n据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化（20-25C）、中温消化（30-36）和高温消化（50-53）三种类型。温度对厌氧消化过程的影响温度对厌氧消化过程的影响消化温度对消化时间的影响消化温度对消化时间的影响3.2 pH值值n每种微生物可在一定的pH值范围内活动，水解与发酵菌及产氢产乙酸菌适宜的pH值在5-6.5之间。n产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，适宜pH值为6.6-7.5。n在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。3.3 氧化还原电位氧化还原电位n无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。n一般情况下，氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要和最直接的原因。n但是，除氧以外，其它一些氧化剂或氧化态物质的存在（如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等），同样能使体系中的氧化还原电位升高。n高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500-600mV；n中温厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于 -300-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。3.4 负荷率负荷率n容积负荷率：容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3d或g/Ld。有机物量可用COD、BOD、SS和VSS表示。n 污泥负荷率：污泥负荷率：反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kgd或g/gd。n 投配率：投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3d。投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3d的投配率也可表示为7%。确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K250045003.9 氨氮氨氮n厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系统中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。n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。n氨氮浓度以介于50150mg/L为佳。4 4、厌氧法的工艺和设备厌氧法的工艺和设备n按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厌氧生物膜法(anaerobic slime)；n根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化(one stage digestion)与两步厌氧消化(two stage digestion)等 n厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧工艺的类型和发展n早期的厌氧消化工艺可以称为第一代厌氧消化第一代厌氧消化工艺工艺，以厌氧消化池为代表，属于低负荷系统n由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故保持足够长的停留时间是厌氧消化工艺成功的关键条件。n随着对厌氧发酵过程认识不断提高，人们认识到反应器内保持大量的微生物和尽可能长的污泥龄是提高反应效率和反应器成败的关键。n为此一个设计合理的厌氧处理系统可以在停留时间非常短和负荷比好氧处理高的条件下，获得较高的可生物降解有机物的去除效果。n高速率厌氧处理系统必须满足的原则:n能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；n保持废水和污泥之间的充分接触。l 为了满足第一条原则，可以采用固定化(生物膜)或培养沉淀性能良好的厌氧污泥(颗粒污泥)的方式来保持厌氧污泥。l 从而在采用高的有机和水力负荷时不发生严重的厌氧活性污泥流失。l 依照第一条原则，在20世纪70年代末期人们成功地开发了各种新型的厌氧工艺，例如，厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧接触膜膨胀床反应器和厌氧流化床(FB)等。l这些反应器的一个共同的特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离，固体停留时间可以长达上百天。l这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几小时或几天。这一系列厌氧反应器被称为第二代厌氧反应器第二代厌氧反应器。n高效厌氧处理系统需要满足的第二个条件是保持进水与污泥之间的良好接触。n为了在厌氧反应器内满足这一条件，应该确保反应器布水的均匀性，这样才可最大程度地避免短流。n从另一方面讲，厌氧反应器的混合来源于进水的混合和产气的扰动。n但是对于进水在无法采用高的水力和有机负荷的情况下，UASB反应器的应用负荷和产气率受到限制；为获高的搅拌强度，必须采用高的反应器或采用出水回流，获得高的上升流速。n正是对于这一问题的研究导致了第三代厌氧反应第三代厌氧反应器器的开发和应用。厌氧反应器的分类n(1)第一代第一代厌氧消化工艺 普通厌氧消化池；厌氧接触工艺。n(2)第二代第二代厌氧消化工艺 上流式厌氧污泥床(UASB)反应器；厌氧滤床；厌氧流化床反应器；厌氧生物转盘；厌氧折流反应器。n(3)第三代第三代厌氧反应器和其他改进工艺 厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器；厌氧复合床反应器(AF+UASB)；两阶段厌氧消化工艺。4.1 4.1 普通厌氧消化池普通厌氧消化池n普通消化池又称传统或常规消化池。n消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。n池径6-35米，池总高与池径之比为0.8-1.0，池底呈圆锥形，以利排泥，池底、池盖倾角15-20，集气罩直径2-5m，高1-3m，。n为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。螺旋桨(机械)搅拌的消化池循环消化液搅拌式消化池普通消化池的特点是普通消化池的特点是:n可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。n厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。n缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。n对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。n温度不均匀，消化效率低。4.2 4.2 厌氧接触法厌氧接触法n在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobic contact process)。n厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。n厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。n在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。厌氧接触法的特点厌氧接触法的特点:n（a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；n（b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；n（c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；n（d）混合液经沉降后，出水水质好；n（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；n（f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。几种脱气方法几种脱气方法:n(a)真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005 MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能；n(b)热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却；n(c)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降；n(d)用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。厌氧接触法的工艺设计n进水COD大于1000mg/L时n容积负荷：6KgCOD/(m3.d)n污泥负荷：3m；n容积负荷：12KgCOD/(m3.d)；n配水系统每个喷嘴服务面积：1-4m2/个；n排泥系统每根排泥管服务面积：9m2/根；n回流比：根据进水COD浓度和pH确定；n剩余污泥含水率：24絮状污泥0.512n2 2进水分配系统进水分配系统 UASB反应器进水系统有多种形式，进水系统兼有配水和水力搅拌的功能，为了保证这两个功能的实现，需要满足如下原则：确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路等现象发生确保各单位面积的进水量基本相同，以防止短路等现象发生 尽可能满足水力搅拌需要，保证进水有机物与污泥迅速混合尽可能满足水力搅拌需要，保证进水有机物与污泥迅速混合 很容易观察到进水管的堵塞很容易观察到进水管的堵塞 当堵塞被发现后，很容易被清除当堵塞被发现后，很容易被清除 UASB反应器底部设计按多槽形式设计，有利于布水均匀与克服死区。配水系统的形式有以下几种：(1)(1)一管多孔配水方式一管多孔配水方式(丰字穿孔管）丰字穿孔管）采用沿池长方向设置总布水管，沿池间隔设置配水横管。在管上开孔方式为一管多孔布水。在一根管上均匀布水在理论上是可行，但实际仅能取得近似效果。应尽可能避免在一个管上有过多的孔口。几个进水孔由一个进水管负担，孔口流速不小于2m/s 为了增大出水孔的流速，也可采用脉冲间歇进 配水管直径不小于50cm，配水管中心距池底一般为2025cm(2)(2)分枝式配水方式分枝式配水方式 在一管多孔布水的形式上，沿各布水管采用分枝方式布水为分枝式配水方式。为了配水均匀一般采用对称布置。这种配水系统的特点是采用较长的配水支管增加沿程阻力，以达到布水均匀的目的。支管出水口向下距池底约20cm，位于所服务面积的中心 出水管孔最小孔径不宜15mm，一般在1525mm之间 采用一管多孔布水管道，布水管道尾端最好兼作放空和排泥管，以利于清除堵塞(2)(2)采用重力流布水方式采用重力流布水方式(一管一孔一管一孔)如果进水水位差仅仅比反应器的水位稍高(水位差小于lOcm)将经常发生堵塞。因为进水的水头不足以消除阻塞。在水箱中的水位(三角堰的底部)与反应器中的水位差大于30cm很少发生这种堵塞。用布水器时从布水器到布水口应尽可能少地采用弯头等非直管 上部管径应大于下部，可适当地避免大的空气泡进入反应器 在反应器底部采用较小直径可以产生高的流速，从而产生较强的扰动，使进水与污泥之间密切的接触 为了增强底部污泥和废水之间的接触，建议进水点距反应器池底100200mm出水收集设备出水收集设备 出水装置设置应该在UASB反应器的顶部尽可能均匀地收集处理过的废水。大部分厌氧反应器的出水堰与传统沉淀池的出水装置相同，即水平汇水槽在一定距离间隔设三角堰。为了出水均匀大部分的UASB反应器采用多槽式的出水方式，而每个槽两侧带有三角堰的方式。出水槽设置浮渣挡板，可以截留飘浮的固体。但是设有出水挡板容易形成污渣层，是否设挡板需根据处理的情况而定。以上所述，出水装置设计具体的原则如下：(1)厌氧反应器出水堰与沉淀池出水装置相同，即汇水槽上加设三角堰；(2)出水设置应设在厌氧反应器顶部，尽可能均匀地收集处理过的废水；(3)采用矩形反应器时出水采用几组平行出水堰的多槽出水方式；(4)采用圆形反应器时可采用放射状的多槽出水；(5)出水负荷参考二沉池负荷。三相分离器 在UASB反应器中的三相分离器同时具有两个功能：能收集从分离器下的反应室产生的沼气 使得在分离器之上的悬浮物沉淀下来 设计三相分离器的原则是：(1)间隙和出水面的截面积比 这一面积比影响到进入沉淀区和保持在污泥相中的絮体的沉淀速度。(2)分离器相对于出水液面的位置这个位置确定反应区(下部)和沉淀区(上部)的比例。在多数UASB反应器中内部沉淀区是总体积的1520。(3)三相分离器的倾角 这个角度要使固体可滑回到反应器的反应区，在实际中是在4560之间。这个角度也确定了三相分离器的高度，从而确定了所需的材料。三相分离器设计要点汇总：三相分离器设计要点汇总：进沉淀区的缝隙面积应该占反应器全部截面积的1520 在反应器高度为57m时，集气室的高度应该在1.52m 反射板与隙缝之间的遮盖应该在100200mm以避免上升的气体进入沉淀室 在出水堰之间应该设置浮渣挡板 出气管的直管应该充足以保证从集气室引出沼气，特别是有泡沫的情况 在集气室的上部应该设置消泡喷嘴，当处理污水有严重泡沫问题时消泡4.5 厌氧流化床和膨胀床系统 n厌氧流化床是一种具有很大比表面积的惰性载体颗粒的反应器，厌氧微生物在其上附着生长。n它的一部分出水回流，使载体颗粒在整个反应器内处于流化状态。n最初采用的颗粒载体是沙子，但随后采用低密度载体如无烟煤和塑料物质以减少所需的液体上升流速，从而减少提升费用。n由于流化床使用了比表面积很大的填料，使得厌氧微生物浓度增加。n根据流速大小和颗粒膨胀程度可分成膨胀床和流化床，流化床一般按20一70的膨胀率运行。n膨胀床运行流速应控制在比初始流化速度略高的水平，相应的膨胀率为1020。n特点特点n1)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，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定。n2)载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞。n3)生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少。n4）可用于高浓度有机废水的处理，也可用于低浓度城市污水的处理。n缺点：缺点：载体流化耗能较大，系统的设计要求较高。厌氧流化床的设计n（1）填料的选择n填料一般选择粒径小（0.1-0.7mm）、相对密度轻、表面粗糙、表面带正电荷，易被厌氧菌附着的固体颗粒。n（2）确定水流上升速度n一般采用10-20m/h。n（3）确定容积负荷n 一般为20kg COD/（m3d）左右。n（4）计算流化床体积n根据负荷率计算。n（5）确定循环水的回流比n根据试验确定n（6）计算流化床底部面积n（7）计算流化床高度n高度一般不小于4m。n（8）计算流化床的直径n直径一般不小于0.15m。4.6 厌氧生物转盘反应器n厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置组成，上部加盖密封，防止液面上的空间有氧存在。n盘片转动时的剪力将老化的生物膜剥下，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。n介质在废水中转动时，可适当限制生物膜的厚度。n剩余污泥和处理后的水从反应器排除。n特点：n1)微生物浓度高，可承受高额的有机物负荷；n2)废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水；n3)可处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；n4)可采用多级串联，各级微生物处于最佳的生存条件下；n5)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；n6）勿需处理水回流，节能又便于操作；n7）便于管理。4.7厌氧挡板式反应器 n挡板式反应器结构如图所示。n由于挡板的阻隔使污水上下折流穿过污泥层，造成了反应器推流的性质，并且每一单元相当于一个单独的反应器，各单元中微生物种群分布不同，可以取得好的处理效果。厌氧挡板式反应器n特点：n反应器启动期短；n避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题；n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；不需混合搅拌装置；n不需载体。4.8厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器nEGSB反应器实际上是改进的UASB反应器，其运行在高的上升流速下（510m/h）使颗粒污泥处于悬浮状态，从而保持了进水与污泥颗粒的充分接触。nEGSB特别适于低温和低浓度污水。当沼气产率低、混合强度低时，在此条件下较高的进水动能和颗粒污泥床的膨胀高度将获得比“通常的”UASB反应器好的运行结果。nEGSB采用较大的高径比和回流比，类似于厌氧流化床，但内部不设填料，上升流速小于后者。EGSB的特征nEGSB具有出水回流系统，对于超高浓度或者含有难生物降解的有机废水，出水回流可以稀释进水有机物浓度；n能够在高负荷条件下取得好的处理效果，尤其适合低温情况和低浓度的有机废水处理；n反应器内颗粒污泥粒径大，抗冲击负荷能力强；n混合程度高，可有效解决短流和反应死区的问题，传质效果好；n反应器采用塔形设计，具有高的高径比，能够有效的减少占地面积；n控制要求高。厌氧内循环反应器厌氧内循环反应器(IC)(IC)IC工艺是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器，属于EGSB的一种。厌氧内循环反应器(IC)可以看成是由两个UASB反应器的单元相互重叠而成。它的特点是在一个高的反应器内将沼气的分离分两个阶段。底部一个处于极端的高负荷，上部一个处于低负荷。ICIC的特征的特征n反应器具有很高的容积负荷率。由于存在内循环，传质效果好，污泥量大，污泥龄长，进水有机负荷率可为UASB的三倍；n节省基建投资和占地面积。由于有机负荷率高，体积为UASB的1/4-1/3，并且高径比（4-8）大，占地省；n抗冲击负荷能力强，由于反应器实现了内循环，循环水量达到近水量的10-20倍，提高了抗冲击负荷的能力；n出水的稳定性好。相当于上下两个UASB的串联运行，下面的UASB具有很高的有机负荷率，起预处理作用，上面的UASB的负荷低，起进一步处理作用，因此处理稳定性好，出水水质效果好。4.9 复合床反应器(UASB+AF)n许多研究者为了充分发挥升流式厌氧污泥床与厌氧滤池的优点，采用了将两种工艺相结合的反应器结构，被称为复合床反应器(UASB+AF)，也称为UBF反应器。n复合床反应器的结构见图，一般是将厌氧滤池置于污泥床反应器的上部。一般认为这种结构可发挥AF和UASB反应器的优点，改善运行效果。n 当处理含颗粒性有机物组分的污水(如生活污水)时，采用两级厌氧工艺可能更有优势：第一级是絮状污泥的水解反应器并运行在相对低的上升流速下。颗粒有机物在第一级被截留，并部分转变为溶解性化合物，重新进入到液相而在随后的第二个反应器内消化。厌氧复合床(AF+UASB)反应器图示 4.10 分段厌氧处理法n消化可将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内分阶段进行，以使两类微生物都能在各自的最适条件下生长繁殖。n第一段的功能是：n水解和液化固态有机物为有机酸n缓冲和稀释负荷冲击与有害物质 n截留难降解的固态物质n第二段的功能是：n保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长n降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气n截留悬浮固体，以改善出水水质v二段式厌氧处理法可以采用不同构筑物予以组合。例如对悬浮物高的工业废水，采用厌氧接触法与上流式厌氧污泥床反应器串联的组合，其流程如下图。二段式厌氧处理法的特点n优点：n运行稳定可靠n能承受pH值、毒物的冲击n有机负荷率高n消化气中甲烷含量高n缺点：n使用设备较多n流程和操作复杂n不能对各种废水都提高负荷