废水厌氧处理技术课件

废水厌氧生物处理技术第二节第二节 两相厌氧废水处理生物技术两相厌氧废水处理生物技术第三节第三节 第三代厌氧废水处理生物第三代厌氧废水处理生物技术技术第一节第一节 传统厌氧废水处理生物技术传统厌氧废水处理生物技术第四节第四节 硫酸盐废水厌氧处理生物硫酸盐废水厌氧处理生物技术技术第一节第一节 传统厌氧废水处理生物技术传统厌氧废水处理生物技术化粪池例图 用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。一、化粪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。为了使进料和厌氧污泥充分接触、使所产的沼气气泡及时逸出而设有搅拌装置，常用搅拌方式有三种：（1）池内机械搅拌；（2）沼气搅拌；（3）循环消化液搅拌。二、普通厌氧消化池 常用加热方式有三种：（1）废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；（2）热蒸汽直接在消化器内加热；（3）在消化池内部安装热交换管。普通消化池一般的负荷，中温为23kgCOD/m3d,高温为56kgCOD/m3d。普通消化池的特点是可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。但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；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，温度也不均匀，消化效率低等缺点。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。根据水流方向，可分为升流式和降流式两种形式。三、厌氧生物滤池 厌氧生物滤池的特点是：（1）由于填料为微生物附着生长提供广较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为216kgCOD/m3d，且耐冲击负荷能力强；（2）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；（3）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（4）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。四、厌氧接触法 为了提高沉淀池中混合液的固液分离效果固液分离效果，目前采用以下几种方法脱气：（1 1）真空脱气）真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉淀性能；（2 2）热交换器急冷法）热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却，如中温消化液35冷到1525，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；上页图是设真空脱气器和热交换器的厌氧接触法工艺流程；（3 3）絮凝沉淀）絮凝沉淀，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；（4 4）用超滤器代替沉淀池）用超滤器代替沉淀池，以改善固液分高效果。厌氧接触法的特点：（1）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高污泥浓度较高，一般为1015g/L,耐冲击能力强耐冲击能力强；（2）消化池的容积负荷较普通消化池高容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为210kgCOD/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1530天，而接触法小于10天；（3）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液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；（4）混合液经沉淀后，出水水质好出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。厌氧接触法还存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。在反应器的上部设置了气、固、在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；液三相分离器；反应器底部设置了均匀布水系反应器底部设置了均匀布水系统统 反应器内的污泥能形成颗粒污反应器内的污泥能形成颗粒污泥泥 特点：直径为特点：直径为0.10.5cm，湿，湿比重为比重为1.041.08；具有良好的沉；具有良好的沉降性和很高的产甲烷活性。降性和很高的产甲烷活性。升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体的厌氧反应器，升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体的厌氧反应器，污水从下部流入，通过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离污水从下部流入，通过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，污水从上部溢流堰流出。器，污水从上部溢流堰流出。五、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)1、启动阶段的目的：、启动阶段的目的：污泥适应将要处理废水中的有机物污泥适应将要处理废水中的有机物 污泥具有很好的沉降性污泥具有很好的沉降性2、启动时要遵守的原则：启动时要遵守的原则：最初污泥负荷不要太高最初污泥负荷不要太高 在挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器负荷在挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器负荷 控制厌氧细菌的生存环境控制厌氧细菌的生存环境 种泥量要尽量多种泥量要尽量多 控制一定的上升流速控制一定的上升流速3、形成颗粒污泥的过程：形成颗粒污泥的过程：启动与提高污泥活性阶段启动与提高污泥活性阶段 形成颗粒污泥阶段形成颗粒污泥阶段 逐渐形成颗粒污泥层阶段逐渐形成颗粒污泥层阶段UASB反应器初次启动的操作原则1.三种类型的颗粒污泥：三种类型的颗粒污泥：杆菌颗粒杆菌颗粒丝菌颗粒丝菌颗粒球菌颗粒球菌颗粒2.颗粒污泥的形成原理：颗粒污泥的形成原理：细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团。细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团。污泥中存在大量的丝状菌，具有较强的附着能力。污泥中存在大量的丝状菌，具有较强的附着能力。颗粒污泥形成的原理1.接种污泥接种污泥2.废水的性质废水的性质3.反应器的工艺条件反应器的工艺条件4.不同的出水乙酸浓度可以决定优势菌种不同的出水乙酸浓度可以决定优势菌种1.温度温度2.底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度3.有机负荷的高低有机负荷的高低4.如果低负荷忽然增加负荷将使颗粒污泥破碎如果低负荷忽然增加负荷将使颗粒污泥破碎5.用较大的上升气流与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污泥。用较大的上升气流与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污泥。影响污泥颗粒化的因素影响颗粒污泥直径大小的因素 颗粒污泥的物理性质颗粒污泥的物理性质 1.形状不规则形状不规则2.颜色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜颜色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜3.相对密度在相对密度在1.01-1.05左右左右4.污泥指数与颗粒大小有关污泥指数与颗粒大小有关5.颗粒污泥在反应器中的沉降速率为颗粒污泥在反应器中的沉降速率为0.3-0.8m/h 颗粒污泥的成分颗粒污泥的成分 1.微生物及其分泌物微生物及其分泌物 微生物：各类产酸细菌和产甲烷细菌，产酸细菌在颗粒外部，产甲烷微生物：各类产酸细菌和产甲烷细菌，产酸细菌在颗粒外部，产甲烷 细菌在颗粒污泥内部细菌在颗粒污泥内部2.惰性物质惰性物质3.金属离子金属离子 颗粒污泥的活性颗粒污泥的活性 采用最大比底物利用速率表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同采用最大比底物利用速率表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同颗粒污泥的性质 1.进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断 面，起到水力搅拌并均匀上升。面，起到水力搅拌并均匀上升。2.反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底部 形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥 进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡进行混合接触，污泥中的微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡 不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气不断地放出。微小气泡在上升过程中，不断合并，逐渐形成较大的气 泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的 搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮 污泥层。污泥层。3.三相分离器，其功能是将气体、固体和三相分离器，其功能是将气体、固体和 液体三相进行分离。液体三相进行分离。4.集气室，其功能是收集产生的沼气，并集气室，其功能是收集产生的沼气，并 将其导出气室送往沼气柜。将其导出气室送往沼气柜。5.处理水排出系统，均匀收集处理水并将处理水排出系统，均匀收集处理水并将 其排出反应器。其排出反应器。UASB反应器的构造 1.UASB 反应器设计计算的主要内容有：反应器设计计算的主要内容有：池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算2.有效容积及主要构造尺寸的确定：有效容积及主要构造尺寸的确定：UASB 反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为 反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：V=Q Si/Lv 式中：式中：Q废水流量，废水流量，m3/d；Si进水有机物浓度，进水有机物浓度，mgCOD/l；Lv COD 容积负荷，容积负荷，kgCOD/m3.d。UASB的设计计算3.三相分离器的设计：三相分离器的设计：三相分离器的基本原理与构造三相分离器的基本原理与构造 在在UASB 反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式 沉淀区的设计：要求表面负荷应小于沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡；集气罩斜面的坡 度应为度应为5560；沉淀区的总水深应不小于；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的，废水在沉淀区的 停留时间应在停留时间应在1.52.0h 之间；之间；回流缝的设计；回流缝的设计；气液分离效果的计算与校核；气液分离效果的计算与校核；三相分离器的设计要点三相分离器的设计要点 上升流速上升流速4.出水系统的设计：出水系统的设计：5.浮渣清除系统的设计：浮渣清除系统的设计：6.排泥系统设计：排泥系统设计：7.其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用；其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用；防腐；防腐；8.UASB 的布水系统：的布水系统：为使底物与污泥能充分接触，为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量，避免沟流，进水布水应尽量，避免沟流，进水方式分为间歇式，脉冲式，连方式分为间歇式，脉冲式，连续均匀流，连续与间歇回流结续均匀流，连续与间歇回流结合合9.进水水质的特性：进水水质的特性：应考虑是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等问题。应考虑是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等问题。10.UASB 的有机容积负荷：的有机容积负荷：确定有机负荷，以及进水流量和进水确定有机负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。，可确定反应器的有效容积。11.UASB 的水封高度：的水封高度：控制一定的气囊高度可压破泡沫，控制一定的气囊高度可压破泡沫，可避免泡沫和浮泥进入排气系统。可避免泡沫和浮泥进入排气系统。UASB反应器的特点是：（1）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为3040g/L；（2）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为1020kgCOD/m2d；（3）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；（4）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；（5）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高；运行启动时间长，对水质和负荷变化比较敏感。厌氧流化床工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。流化床操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大流态化速度。上升流速应控制在1.21.5倍临界流化速度。六、厌氧流化床 一般认为膨胀率为一般认为膨胀率为1020称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，但仍保持互相接触；膨胀率为但仍保持互相接触；膨胀率为2070时，称为流化床。时，称为流化床。特点：（1）载体颗粒细，比表面积大载体颗粒细，比表面积大，可高达20003000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为1040kgCOD/m3d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定耐冲击负荷能力，运行稳定；（2）载体处于流化状态，无床层堵塞现象无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（3）载体流化时，废水与微生物之间接触面大废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化具有较高的有机物净化速度速度；（4）床内生物膜停留时间较长生物膜停留时间较长，剩余污泥量少剩余污泥量少；（5）结构紧凑、占地少以及基建投资省结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。第二节第二节 两相厌氧废水处理生物技术两相厌氧废水处理生物技术 把产酸和产甲烷两个阶段分别在两个独立的反应器内进行。分别创造各自最佳的环境条件。第一段：水解和液化有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态物质。第二段：保持严格的厌氧条件和pH，以利于甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。主要优点主要优点：与常规单相厌氧生物处理工艺相比，两相厌氧工艺主要具有如下优点：有机负荷比单相工艺明显提高；产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。在两相厌氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有：化学法：化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；物理法：物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；动力学控制法：动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌无法在产酸相中生长。目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。一、相分离的方法 一般来说，相分离的实现，对于整个处理工艺来说主要可以带来以下两个方面的好处：(a)可以提高产甲烷相反应器中污泥的产甲烷活性；(b)可以提高整个处理系统的稳定性和处理效果。两相厌氧系统中降解有机物的主要四类细菌在反应器运行过程中，表现出转化底物的不同规律性。（1）发酵细菌的产酸发酵作用 （2）产氢产乙酸菌的产氢产乙酸过程 （3）同型产乙酸菌的产乙酸作用 （4）产甲烷菌的产甲烷作用二、相分离的微生物学基础丁酸型发酵丁酸型发酵 许多研究结果表明，含有可溶性碳水化合物（如葡萄糖、蔗糖、乳糖、淀粉等）的废水产酸发酵过程的主要末端产物为丁酸、乙酸、H2、CO2和少量的丙酸，并命名为丁酸型发酵。丁酸型发酵产物主要以丁酸和乙酸为主，两者之和一般占总发酵产物物质的量浓度的70-90，乙醇含量较低，在较低容积负荷下丁酸型发酵产物中丙酸和戊酸的含量也很低，气相产物中氢气的含量一般占总体积的12-34。有机废水产酸发酵原理从氧化还原反应平衡来看，以乙酸作为唯一终产物是不理想的，因为产乙酸过程中将产生相同当量的NADH+H+。由于乙酸生成途径无还原能力，所以当乙酸产率较高时，可导致NADH+H+大量过剩；同时，由于乙酸所形成的酸性末端过多，所以常因pH很低而产生负反馈作用。由以上两方面原因，出现产乙酸过程与丁酸循环机制耦联（即呈现丁酸型发酵）就不难理解了。但但是是因因为为产产丁丁酸酸过过程程可可减减少少发发酵酵产产物物中中的的酸酸性性末末端端，所所以对加快葡萄糖的代谢进程有促进作用。以对加快葡萄糖的代谢进程有促进作用。丙酸型发酵类型丙酸型发酵类型 废水厌氧生物处理中，含氮有机化合物（如酵母膏、明胶、肉膏等）酸性发酵的主要末端产物为丙酸、乙酸、CO2和少量的丁酸等，并命名为丙酸型发酵。难降解碳水化合物（如纤维素）的厌氧发酵过程也常呈现丙酸型发酵 与产丁酸途径相比，产丙酸途径有利于NADH+H+的氧化，并且还原能力较强。丙酸型发酵的特点是气体产量很少，仅产生CO2。由于丙酸杆菌无氢化酶，因而在丙酸型发酵中无H2产生。乙醇型发酵乙醇型发酵 任南琪发现，在一定的环境条件下，碳水化合物的产酸发酵末端产物主要形成了以乙醇、乙酸、CO2和H2为主，并有少量丁酸和丙酸的发酵类型，命名为乙醇型发酵。在产酸发酵反应器中典型的乙醇型发酵末端产物组成，除液相产物中主要以乙醇和乙酸为主外，气相中还存在大量的CO2和H2。因而这一发酵类型并非经典的酵母菌的乙醇发酵，而是丙酮酸走乙酰CoA旁路，在丙酮酸铁氧还原酶和氢化酶的作用下生成乙醇，并同时生成CO2、H2。1 接种污泥 种泥生物多样性 接种生物量 一般接种量越大，启动速度越快。接种时污泥总浓度应大于20 gTSSL才能保证快速启动并形成目标发酵类型。接种好氧泥或经曝气培养后的厌氧泥 不论何种发酵类型，启动时宜采用好氧活性污泥或厌氧泥经曝气培养1周后再行接种。影响三种发酵类型形成的生态因子及其调控2 污泥负荷 反应器的污泥负荷(sludge loading rate，SLR)可用以下公式表示：SLR=Qpw/(Vps)式中 Q流量 pw进水COD的浓度；V反应器的容积；ps反应器中污泥的浓度。由式可见，污泥负荷受进水浓度和水力停留时间的双重调节，并与反应器中的污泥浓度有关，因而最能说明微生物的营养承受程度。反应器启动初期应根据目的发酵类型控制污泥负荷的大小：丁酸型发酵类型应保持污泥负荷在1.8 kgCOD/(kgVSSd)以下实现快速启动；乙醇型发酵类型启动时的适宜污泥负荷范围为2-3 kgCOD/(kgVSSd)；以前的试验结果显示，pH值在5.5左右、氧化还原电位较高时发酵产物中丙酸的含量很高，所以丙酸型的启动污泥负荷也应保持在1.8 kgCOD/(kgVSSd)以下。3 pH值对发酵类型的影响 pH值作为发酵过程中最重要的非生物因子之一，不但影响微生物的生理活性，更重要的是决定发酵类型。4 0RP对发酵类型的影响 氧化还原电位(ORP)也是影响发酵类型的重要生态因子之一。启动初期，反应器内接种好氧活性污泥，此时ORP较高，为100 mv左右；随着加热、搅拌、连续进水、还原性物质的增加和氧气的消耗，反应器内厌氧程度增加，ORP迅速下降。在此时期，存在着一个由ORP制约的微生物群落演替过程，即由好氧菌-兼性菌-厌氧菌的演替过程。乙醇型顶极群落、丙酸型顶极群落、丁酸型顶极群落中的优势菌群虽然都是厌氧菌，但是其耐氧程度有着显著差别。丙酸型顶极群落优势菌群为兼性厌氧菌，所需ORP较高，在-200100 mv之间；丁酸型顶极群落和乙醇型顶极群落中以专性厌氧菌为主，所需ORP较低，分别在-350-200 mV和-450-200 mV之间。在启动期不同进水容积负荷创建了初始不同的ORP条件，适合于对ORP不同需求的产酸发酵菌生长。5 多因子综合作用于调控途径 发酵类型的形成受多因子的制约，其中启动时接种污泥中菌群的多样性和污泥负荷的大小为形成何种发酵打下基础。研究认为以控制启动时及运行阶段的容积负荷为主，以pH值和ORP的监测为辅的启动方法既容易操作又易获得目的发酵类型。某个生态因子对发酵类型的生态效应总是在其他各种生态因子的配合下实现的。也就是说，不管一个生态因子多么的适宜于某一发酵类型的优势菌群，如其他的生态因子并不利于他们的生理代谢和生长发育，该发酵类型也难以形成和稳定。1 甲烷的形成途径（72%72%的甲烷来自乙酸的裂解，的甲烷来自乙酸的裂解，28%28%的甲烷来自的甲烷来自H H2 2的氧化和的氧化和COCO2 2的还原）的还原）2 连续流条件下产甲烷细菌对产酸相发酵产物的变化规律（乙醇型发酵产物、丁酸型发酵产物、丙酸）（乙醇型发酵产物、丁酸型发酵产物、丙酸）3 产酸相不同发酵类型对产甲烷相运行稳定性的影响4 产甲烷相反应器不同高度菌落的底物转化规律产甲烷相物质转化规律的研究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CH44%76%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水解与发酵水解与发酵20%比利时肯特大学的Anodex工艺以厌氧接触法作为产酸相，以UASB反应器作为产甲烷相。三、两相厌氧工艺的工程应用 两相厌氧工艺处理医药废水第三节第三节 第三代厌氧废水处理生物技第三代厌氧废水处理生物技术术 为解决第二代厌氧生物处理反应器混合效果差、易出现短流和污泥流失等一系列问题，20世纪90年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge blanket，EGSB)反应器、内循环(internal circulation reactor，IC）反应器、升流式厌氧污泥床过滤器（upflow anaerobic sludge bed-filter，UBF）和厌氧折流板反应器（anaerobic baffle reactor，ABR）为典型代表的第三代厌氧反应器相继出现。第三代厌氧反应器的共同特点如下：微生物以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高；能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能；具有较大的高径比，一般在5-10以上；占地面积小；动力能耗小。(EGSB)反应器是20世纪90年代初，由荷兰Wageingen农业大学率先开发的。该工艺实质上是固固体体流流态态化化技技术术在有机废水生物处理领域的具体应用。固体流态化技术是一种改善固体颗粒与流体间接触，并使其呈现阶段流体性状的技术，这种技术已经广泛应用于石油、化工、冶金和环境等部门。一、厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器 EGSB工艺中颗粒污泥的沉降性能好，有效地减少了悬浮于消化液中的微生物个体数量，避免了微生物随消化液大量流失的可能性，保证了厌氧反应器中高浓度活性污泥的滞留量，进而为反应器的高效、稳定运行奠定了基础。EGSB工艺中的颗粒污泥形成过程可分为4个阶段：将细胞运到惰性物质或其他细胞(以下称作基底的表面)；通过物理化学作用力可逆吸附于基底上；通过微生物表面的鞭毛、纤毛或胞外多聚物将细胞吸附于基底上；细胞的倍增和颗粒污泥的形成。EGSB中颗粒污泥的特性EGSB工艺的主要特点 20世纪90年代以来荷兰Biothane System公司推出了一系列工业规模的厌氧膨胀颗粒污泥床(商品名：Biobed EGSB)反应器，应用领域已涉及啤酒、食品、化工等行业。著名的荷兰喜力啤酒公司、丹麦嘉士伯啤酒公司和中国深圳金威(啤酒公司等都已是EGSB反应器的用户，截止到2000年6月世界范围内已经正常投入运行的EGSB反应器共计76座）。实际运行结果表明，EGSB反应器的处理能力可达到UASB反应器的2-5倍。从目前世界厌氧反应器的工程实际来看，EGSB厌氧反应器可以称得上是世界上处理效能最高的厌氧反应器。EGSB反应器的工程应用 内循环(IC)厌氧反应器是20世纪80年代中期由荷兰的PAQUES公司推出的。目前，该技术工艺已经成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中，由于其处理容量高、投资少、占地省、运行稳定等优点引起了各国水处理人员的瞩目，被称为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。二、内循环(IC)厌氧反应器1 利用已有的工艺成果 利用微生物细胞固定化技术污泥颗粒化。采用污泥回流，进一步加大生物量，延长污泥龄。引入分级处理，并赋予其新的功能。分级处理仍然是水处理工程中常用的方法。IC厌氧工艺实际由下部的EGSB反应器和上部的UASB反应器重叠串联而成。IC厌氧反应器的工艺思想2 采用内循环技术 IC厌氧工艺内循环的结果使第一厌氧反应室不仅有很高的生物量，很长的污泥龄，并具有很大的升流速度，使该室内的颗粒污泥完全达到流化状态，有很高的传质速率，使生化反应速率提高，从而大大提高反应器去除有机物能力。据有关研究报道，处理高浓度有机废水(5000-9000 mg/L)，相应COD容积负荷达到35-50 kg COD/(m3d)，膨胀区水流上升速度可达10-20 m/h。IC厌氧工艺的工作原理IC厌氧工艺的主要特点如下：解决了污泥负荷高易导致污泥流失的问题；具有一个无外加动力的内循环系统；内循环系统增加了水力负荷，强化了传质过程；尤其适合于处理浓度较低和温度较低的有机废水。IC厌氧工艺的特点和优点IC厌氧反应器与UASB反应器相比还具有以下优点：有机负荷高；抗冲击负荷能力强，运行稳定性好；基建投资省，占地面积少；节能。IC厌氧反应器具有高效、占地少等优点，并在土豆加工、啤酒等废水的处理中部有出色表现，无锡罗氏中亚柠檬酸厂的IC厌氧反应器处理效果也很显著，这些资料无不说明该项技术已经成熟。IC工艺在国外的应用以欧洲较为普遍，运行经验也较国内成熟许多，不但已在啤酒生产、造纸、土豆加工等生产领域的废水上有成功应用，而且正在扩展其应用范围，规模也日益加大。1985年，荷兰PAQUES公司建立了第一个IC中试反应器；1989年，第一座处理啤酒废水的生产性规模的IC厌氧工艺投入运行，其反应器高22 m，容积970 m3，进水容积负荷达到20.4 kg/(m3d)。荷兰SENSUS公司也建造了1100 m3的IC厌氧工艺处理菊粉生产废水，而据估算，若采用UASB处理同样废水，反应器容积将达2200 m3，投资及占地将大大增加。IC厌氧工艺的应用情况 国内沈阳、上海率先采用了IC厌氧工艺处理啤酒废水，哈尔滨啤酒厂也引进了IC厌氧工艺处理生产废水。以沈阳华润雪花啤酒有限公司采用的IC厌氧工艺为例，反应器高16 m，有效容积70 m3，每天处理COD平均浓度4300 mg/L的废水400 m3，在COD去除率稳定在80以上时，容积负荷高达25-30 kg/(m3d)，公司在解决处理生产废水问题的同时，经济上也获得了较大的收益：每年节省排污费75万元，沼气回收利用价值45万元，相比之下，IC厌氧工艺每年的运行费用仅为62万元，可见，IC工艺达到了技术经济的优化，具有很大的推广应用价值。反应器中设置多个垂直挡板，将反应反应器中设置多个垂直挡板，将反应器分隔为数个上向流和下向流的小室，器分隔为数个上向流和下向流的小室，使序流过这些小室；有人认为，厌氧挡使序流过这些小室；有人认为，厌氧挡板式反应器相当于多个板式反应器相当于多个UASB 反应器的反应器的串联；当废水浓度过高时，可将处理后串联；当废水浓度过高时，可将处理后的出水回流。的出水回流。与厌氧生物转盘相比，可省去转动装与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置；与置；与UASB 相比，可不设三相分离器相比，可不设三相分离器而截流污泥；反应器启动运行时间较短，而截流污泥；反应器启动运行时间较短，远行较稳定；不需设置混合搅拌装置；远行较稳定；不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。不存在污泥堵塞问题。厌氧折流板反应器(ABR)基本原理基本特点 厌氧折流板反应器(ABR)就是一类源于SMPA理论的第三代新型厌氧反应器，是20世纪80年代中期内Bachman和McCarty等人从厌氧生物转盘工艺发展而来的。根据组成颗粒污泥的微生物的差异，目前公认的颗粒污泥类型可以分为以下3种。以产甲烷八叠球菌为主的球形颗粒污泥，以下简称为A型颗粒污泥。这种类型的污泥颗粒比较密实，表面不规则，扫描电镜下明显可见甲烷八叠球菌组成的大包裹，包裹外面为缠绕的甲烷丝状菌。以甲烷丝状菌为主的颗粒污泥，以下简称为B型颗粒污泥。这种类型污泥的表面比较规则，根据甲烷丝状菌的菌丝体长短可以分为长丝状体的丝状体颗粒和短丝状体的杆型颗粒。含有惰性固体颗粒核的C型颗粒污泥。这种颗粒污泥是由甲烷丝状菌缠绕于惰性固体颗粒表面形成的。在乙酸浓度较高时，甲烷八叠球菌占优势，因此易形成A型颗粒污泥，而当乙酸浓度较低时，甲烷丝状菌占优势，易形成B型颗粒污泥和C型颗粒污泥。厌氧折流板反应器(ABR)的颗粒污泥特性ABRABR反应器中的优势产甲烷菌属反应器中的优势产甲烷菌属 近年来，关于ABR处理废水的报道越来越多，应用实践表明，ABR能够成功的运用到多种类型废水处理中，具体见表7-7表7-8，而且对于低温、高SS废水、含硫废水等类型的废水均有较好的处理效果。厌氧折流板反应器(ABR)的应用 实实际际工工程程中中往往往往将将厌厌氧氧处处理理工工艺艺与与好好氧氧处处理理工工艺艺联联合合运运用用，因因而而对对ABRABR在在厌厌氧氧-好好氧氧联联用用工工艺艺中中的的作作用用及及其其运运行行控控制制要要求求、联联用用工工艺艺中中所所用用采采用用的的好好氧氧工工艺艺形形式式及及其其与与ABRABR的的组组合形式，应该做进一步的深入研究。合形式，应该做进一步的深入研究。目目前前对对于于ABRABR反反应应器器运运行行时时上上升升隔隔室室中中的的水水流流上上升升速速度度及及其其对对工工艺艺运运行行的的影影响响的的研研究究尚尚较较少少，有有必必要要将将其其作作为为较较为为重要的工艺参数加以进一步研究。重要的工艺参数加以进一步研究。对对ABRABR反反应应器器的的相相分分离离、污污泥泥的的存存在在形形式式(颗颗粒粒化化程程度度)及及其其有有关关的的控控制制条条件件的的研研究究，有有利利于于该该工工艺艺针针对对不不同同废废水水的的特性进行合理的控制。特性进行合理的控制。对对ABRABR工工艺艺的的经经济济性性、间间歇歇及及季季节节性性运运行行的的可可行行性性问问题题做深入的研究。做深入的研究。厌氧折流板反应器(ABR)的研究趋势第四节第四节 硫酸盐废水厌氧处理生物技术硫酸盐废水厌氧处理生物技术 硫酸盐本身虽然无害，但是它遇到厌氧环境会在硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria，SRB)作用下产生H2S，H2S能严重腐蚀处理设施和排水管道，且气味恶臭，严重污染大气。硫酸盐废水排入水体会使受纳水体酸化，pH值降低，危害水生生物；排入农田会破坏土壤结构、使土壤板结，减少农作物产量及降低农产品品质。目前，我国很多城市的地下水已经受到不同程度的硫酸盐污染，寻求行之有效的生物脱硫工艺早已成为环境工程界普遍关注的问题。硫酸盐废水生物处理技术研究现状 Anderson将传统的单相厌氧工艺中硫酸盐还原作用对厌氧消化的影响机制归纳为两个方面：一是由于SRB与产甲烷菌(MPB)竞争共同底物(乙酸和H2)而对其产生的初级抑制作用；二是由于硫酸盐的还原产生的H2S对MPB和其他厌氧菌的次级抑制作用。同时，H2S对沼气的产量和利用也产生严重影响。传统单相厌氧工艺的弊端从表可见，有硫酸盐存在时，从表可见，有硫酸盐存在时，就产甲烷速率与产就产甲烷速率与产H H2 2S S速率速率的对比而言，的对比而言，H H2 2S S的产生速的产生速率几乎都超过了产甲烷的速率几乎都超过了产甲烷的速率，甚至造成了无甲烷产生率，甚至造成了无甲烷产生的现象。的现象。Nielson、Phillps、ISa和Chio等人提出了SRB和MPB竞争底物的动力学特性和相关机制。Visser发现高温(55-65)范围SRB比MPB更有竞争H2和乙酸的优势。Saleh和 Capone等 人 提 出 硒 酸 盐、钼 酸 盐、Na2AsS4、K2Cr04、PbCl2、CdCl2、Na2MnO4、超声波、可见光、紫外线可以作为SRB的抑制剂(物)，并解释了其作用机制。AlPhenaar等人和Visser等人研究了细胞固定化形式和基质浓度与SRB在竞争中占优势的关系，提出底物浓度较低时，SRB易在生物膜上占绝对优势。Visser提出在较高pH值下，SRB获得底物的能力强，而在中性pH值时MPB的竞争可占优势。SRB对MPB初级抑制作用的相关 Khan和Krosis发现硫化物的毒性远大于其他化合态硫，不溶性硫化物对厌氧过程一般无抑制作用。Reise和McCartney提出硫化物对微生物产生抑制作用的主要是溶解性H2S。Koster、Parkin、Lawrence、Speece等 人、Widdel、Fauque和Hansen提出可以控制pH值从而抑制H2S的毒性，并给出了硫化物的最高抑制阈。单相厌氧工艺中SRB还原硫酸盐所产生的不利影响，很多研究者自20世纪90年代起提出多种改进工艺处理含高浓度硫酸盐废水。SRB对MPB次级抑制作用的相关 单相吹脱工艺是在单相厌氧处理系统中安装惰性气体吹脱装置，将硫化氢不断地从反应器中吹脱掉，以减轻其对MPB和其他厌氧菌的抑制作用，从而改善反应器的运行性能。吹脱工艺如图6-1所示:硫酸盐废水处理新工艺单相吹脱工艺 Olesakjewicz采用UASB反应器设内部吹脱装置见图6-1(a)处理乳清废水，发现系统的COD去除率和产甲烷率均提高30以上。应该指出，单相吹脱厌氧工艺并没有彻底克服硫酸盐还原作用对MPB的抑制作用，因为反应器中仍然有相当量的H2S存在，会对MPB产生抑制作用，在一定程度上降低甲烷产量，而且增加沼气回收利用的困难。Buisman等人提出一种厌氧工艺，利用SRB将硫酸盐还原为硫化物，再利用光合细菌将硫化物氧化为单质硫。Kobayashi等人通过小试用厌氧光和菌实现了由硫化物到单质硫的转化。Maree通过在厌氧反应器培养光合菌来处理高浓度硫酸盐废水，在厌氧滤池中成功地实现了硫酸盐-硫化物-硫的转化。当废水的COD为3000 mg/L、SO42-为2500 mg/L，反应器的HRT为12 h时，硫酸盐还原率达90左右，COD去除率达70。硫酸盐还原与硫化物光合氧化联用工艺 这种方法在处理硫酸盐废水方面虽有一定的效果，但需要在反应器内部提供光照，要消耗辐射能，这在经济上有严重的缺点。另外，有关光合细菌法处理硫酸盐废水的研究大都处在小试阶段，在工程实践中应用的可能性不大。由于硫化物与某些金属离子易生成沉淀，在反应器中投加Fe2+、Zn2+等，可以降低溶解性硫化物浓度，减小硫化物对MPB的毒害作用。另一种方法是直接处理重金属含量高的废水，目前国内外也常常采用。但是，此工艺的弊端是投加金属盐后形成的不溶性硫化物在反应器中会累积，从而降低厌氧污泥的相对活性。而且，当硫酸盐浓度很高时，所需化学药品的费用会相对增高。另外，污泥产量也会增加，给污泥后处理带来困难。这种方法虽然控制了硫化物的抑制作用，但SRB与MPB的基质竞争作用依然存在，产甲烷率仍偏低。硫酸盐还原与硫化物化学氧化联用工艺 Renze指出，由于SRB的世代时间通常大于HRT，故采用生物膜工艺处理硫酸盐废水较有优势。但是，固定载体、固定生物膜反应器的主要缺点是在反应器内容易形成孔隙通道，载体易被硫化物沉淀所阻滞。Maree等人认为，这一问题可通过采用周期性地急剧提高回流速度来解决。另一方法是采用流动载体。Vladislav和Sava以铁屑作为生物膜的载体，对填充床和流动床生物反应器进行了小试研究，结果表明，流动床生物反应器中SO42-的最大还原能力7.97 kg/(m3d)比填充床3.45 kg/(m3d)高2倍。生物膜法工艺 Czako、Reise等人和Mizuno等人的试验证明两相厌氧工艺的酸化单元中微生物的产酸作用和硫酸盐还原作用可以同时进行，并指出在酸性发酵阶段利用在酸性发酵阶段利用SRBSRB去除硫酸盐具有以下去除硫酸盐具有以下优点优点：(a)硫酸盐还原菌可以代谢酸性发酵阶段的中间产物如乳酸、丙酮酸、丙酸等，故在一定程度上可以促进有机物的产酸分解过程；(b)发酵性细菌比MPB所能承受的硫化物浓度高，所以硫化物对发酵性细菌的毒性小，不致影响产酸过程；(c)由于硫酸盐还原作用主要是在产酸相反应器中进行，避免了SRB和MPB之间的基质竞争问题，可以保证产甲烷相有较高的甲烷产率，而且在形成的沼气中H2S的含量较小，便于利用；(d)由于产酸相反应器处于弱酸状态，硫酸盐的还原产物硫化物大部分以H2S的形式存在，便于吹脱去除。两相厌氧生物处理工艺 1 硫酸盐负荷率 2 pH值 3 碱度 4 氧化还原电位（ORP）硫酸盐废水厌氧处理中限制因子 硫酸盐负荷率直接反映了底物与SRB之间的平衡关系，是产酸脱硫反应器的重要控制参数和生态指标。当反应器拥有的SRB生物量(g VSS/L)和生物活性一定时，欲获得理想的运行效果，负荷率必须控制在一定限度内，否则将会引起生物活性的下降和运行的恶化。硫酸盐负荷率 pH值是影响SRB的活性及发挥最佳代谢功能的重要生态因子之一，主要体现在：(a)pH值引起细胞膜电荷的变化，从而影响SRB对底物的吸收；(b)影响SRB代谢过程中各种酶的活性与稳定性；改变生态环境中底物的可给性以及毒物的毒性；(c)透过细胞膜的有机酸在SRB细胞内重新电离，改变胞内的pH值，影响许多生化反应的进行及ATP的合成。pH值 碱度在硫酸盐还原过程中起着重要的作用，可以及时缓冲AB产生的VFA，并抵抗由于CO2的产生和溶解对pH值的影响，维持反应体系所需pH值。硫酸盐还原反应体系中与酸碱平衡有关的共轭酸碱对主要有H2CO3/HCO3-、HCO3-/CO32-、H2S/HS-、HS-/S2-、HAc/Ac-等。碱度 决定反应体系氧化还原电位值的主要化学物质是溶解氧。除氧以外，体系中的pH值对0RP的影响也很显著。pH值降低时，氧化还原电位升高；反之，则氧化还原电位降低。任南琪等人发现，pH值每降低1，则ORP值升高60 mV。SBR是厌氧茵，其生长的氧化还原电位必须低于-100 mv。氧气(空气)、氧化剂、氧化态物质是SRB最有效的抑制因子。SRB对氧化剂或氧化态物质敏感的机理，目前尚不明确。氧化还原电位（ORP）进一步提高硫酸盐废水的生物处理效能，还需关注以下几方面：SRB与某些产酸菌是底物利用关系，控制产酸相反应器向SRB容易利用的底物转化，是加快硫酸盐还原速率和提高硫酸盐去除率的重要环节。硫酸盐完全还原时碳硫比的理论值为0.67，只有底物被完全氧化为二氧化碳或水时碳硫比才能接近0.67，不完全氧化时(即氧化产物为乙酸时)碳硫比多大于1.5。因此，降低碳硫比的关键是控制条件来增加SRB对乙酸的利用，这对于处理酸矿废水尤为重要。提高硫酸盐废水生物处理效能的要点 接种污泥中SRB的优势地位可保证工艺系统在相当长时间内稳定运行。SRB初始优势有两层含义：一是指SRB对非SRB的优势；二是指不同SRB种群(如利用醇类底物的SRB与利用乙酸底物的SRB)之间的初始优势关系。后者对于降低碳硫比尤为重要。研究SRB和其他微生物的生理生态学规律，有助于确定最佳工艺参数，如碳硫比、pH值、氧化还原电位、碱度等，解释特殊的反应现象，寻求进一步提高处理效率和能力的手段。生物膜法能有效的增加SRB在反应器中的停留时间，增大SRB的浓度，提高硫酸盐的还原率。对于无机盐和有机两种不同的硫酸盐废水，应根据有机物的特点、碳硫比和治理目标等有针对性地选择处理工艺。