厌氧水解酸化原理

超高
三相分离区
反应区
布水区
UASB布置结果示意图
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
六、厌氧流化床反应器 厌氧流化床反应器的内部充填着粒径很小 （d=0.5mm左右）的挂膜介质，当其表面长满微生 物时，称为生物颗粒。 在上升水流速度很小时，生物颗粒相互接触，形成固定 床。借助循环管增大（即图9-6中回流用水泵及流量计 控制）反应器内的上升流速，可使生物颗粒开始脱离 接触，并呈悬浮状态。当继续增大流速至污泥床的膨 胀率达10~20%时，生物颗粒便呈流化态。
第九章 厌氧生物处理
概述 原理 主要构筑物及工艺
厌氧生物处理——概述
在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌 氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程， 称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。
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。
厌氧生物处理——原理
高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500~-600mV； 中温厌氧消化系统及浮动温度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； 甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。
当有机物负荷率很高时，由于供给产酸菌的食物相当充分， 致使作为其代谢产物的有机物酸产量很大，超过了甲烷 细菌的吸收利用能力，导致有机酸在消化液中的积累和 pH值（以下均指大气压条件下的实测值）下降，其结 果是使消化液显酸性（pH<7）。这种在酸性条件下进 行的厌氧消化过程称为酸性发酵状态，它是一种低效而 又不稳定的发酵状态，应尽量避免。
厌氧生物处理——概述
厌氧生物处理的方法和基本功能有二： （1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物 降解的基质； （2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃 料。
厌氧生物处理——概述
完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气 体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。
当有机物负荷率偏小时，供给产酸细菌的食物不足，产酸 量偏少，不能满足甲烷细菌的需要。此时，消化液中的 有机酸残存量很少，pH值偏高，在pH值偏高（大于 7.5）的条件下进行的厌氧消化过程，称为碱性发酵状 态。如前所述，由于负荷偏低，因而是一种虽稳定但低 效的厌氧消化状态。
厌氧生物处理——原理
（3）加热 为把料液控制到要求的发酵温度，则必须加热。 据估算，去除8000mg/L的COD所产生的沼气，能 使一升水升温10℃。 （4）pH值的控制 如果料液会导致反应器内液体的pH值 低于6.5或高于8.0时，则应对料液预先中和。当有机 酸的积累而使反应液的pH值低于6.8~7时，应适当减 小有机物负荷或毒物负荷，使pH值恢复到7.0以上 （最好为7.2~7.4）。若pH低于6.5，应停止加料， 并及时投加石灰中和。
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
一、早期用于处理废水的厌氧消化构筑物是化粪池和双层 沉淀池。 化粪池是一个矩形密闭的池子，用隔墙分为两室或三室， 各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入，通过 各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行缓慢的 厌氧发酵。各室的顶盖上设有人孔，可定期（数月） 将消化后的污泥挖出，供作农肥。这种处理构筑物通 常设于独立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于 初步处理粪便废水。
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
双层沉淀池上部有一个流槽，槽底呈V形。废水沿槽缓 慢流过时，悬浮物便沉降下来，并从V形槽底缝滑落于 大圆形池底，在那里进行厌氧消化。这两种处理构筑 物仅起截留和降解有机悬浮物的功用，产生的沼气难 以收集利用。
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
二、普通消化池，主要用于处理城市污水的沉淀污泥。普 通消化池多建成加顶盖的筒状。 生污泥从池顶进入，通过搅拌与池内污泥混合，进行厌氧 消化。分解后的污泥从池底排出。产生的生物气从池 顶收集。普通消化池需要加热，以维持高的生化速率。 这种处理构筑物通常是每天加排料各1~2次，与此同时进 行数小时的搅拌混合。
厌氧生物处理——原理
厌氧消化装置的负荷率是怎样确定的呢？ 一个重要的原则是：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）。 一般而言，厌氧消化微生物进行酸化转化的能力强， 速率快，对环境条件的适应能力也强；而进行气化 转化的能力相对较弱，速率也较慢，对环境的适应 能力也较脆弱。这种前强后弱的特征使两个转化速 率保持稳定平衡颇为困难，因而形成了三种发酵状 态。
酸化（1）
小分子溶解态 有机物转化为 （H2+CO2）及 A、B两类产物
酸化（2）
B类产物转化为 （H2+CO2）及 乙酸等 产氢产乙酸细菌
气 化
生化过程
CH4、CO2等
菌
群 甲烷发酵
发酵细菌
甲烷细菌
发酵工艺 酸发酵 ——
厌氧生物处理——原理
二、发酵的控制条件 （以下重点讨论甲烷发酵的控制条件。） （一）营养与环境条件 废水、污泥及废料中的有机物种类繁多，只要未达到抑 制浓度，都可连续进行厌氧生物处理。对生物可降解 性有机物的浓度并无严格限制，但若浓度太低，比耗 热量高，经济上不合算；水力停留时间短，生物污泥 易流失，难以实现稳定的运行。一般要求COD大于 1000mg/L。 COD∶N∶P=200∶5∶1
d1
D
d2
圆筒形厌氧消化池
h4
h3
h2 h1
蛋形厌氧消化池
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
三、厌氧接触系统 普通消化池用于处理高浓度有机废水时，为了强化有机物 与池内厌氧污泥的充分接触，必须连续搅拌； 同时为了提高处理效率，必须改间断进水排水为连续进水 排水。但这样一来，会造成厌氧污泥的大量流失。 为了克服这一缺点，可在消化池后串联一个沉淀池，将沉 淀下的污泥又送回消化池，因此组成了厌氧接触系统（图 9-4）。 污泥回流量约为进水流量的2~3倍。消化池内的MLVSS 为6~10g/L。
厌氧生物处理——原理
（1）氧化还原电位（ORP或Eh） 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。 厌氧环境，主要以体系中的氧化还原电位来反映。 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。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。当其浓度达到一定程度时，同样会危害厌氧消化 过程的进行。
厌氧生物处理——原理
（3）pH值及酸碱度 由于发酵系统中的CO2分压很高 （20.3~40.5kPa），发酵液的实际pH值比在大气 条件下的实测值为低。一般认为，实测值应在 7.2~7.4之间为好。 （4）毒物 凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用的物质， 都可称为毒物。
厌氧生物处理——原理
（1）生物量 各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于 10~30gVSS/L之间。
当有机负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸基本 上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液 中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中 pH值维持在7~7.5之间，溶液呈弱碱性。这种在弱碱 性条件下进行的厌氧消化过程称之为弱碱性发酵状态， 它是一种高效而又稳定的发酵状态，最佳负荷率应达此 状态。
厌氧生物处理——原理
（2）温度 温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之 一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有 机物的分解速率有关。 工程上： 中温消化温度为30~38℃（以33~35℃为多）； 高温消化温度为50~55℃。 厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于 ±2℃。温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气。
厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
四、厌氧生物滤池和厌氧生物转盘 为了防止消化池的污泥流失，可在池内设置挂膜介质， 使厌氧微生物生长在上面，由此出现了厌氧生物滤池 和厌氧生物转盘。
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厌氧生物处理——主要构筑物及工艺
五、上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 这种反应器是目前应用最为广泛的一种厌氧生物处理装 置。
为了保持反应器生物量不致因流失而减少，可采用多种措施，如 安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥 量等。
厌氧生物处理——原理
（2）负荷率 负荷率是表示消化装置处理能力的一个参数。 负荷率有三种表示方法：容积负荷率、污泥负荷率、 投配率。 反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量， 称为容积负荷率，单位为kg/m3· d或g/L· d。有机物 量可用COD、BOD、SS和VSS表示。 反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物 量，称为污泥负荷率，单位为kg/kg· d或g/g· d。 每天向单位有效容积投加的新料的体积，称为投配率， 单位为m3/m3· d。投配率的倒数为平均停留时间或消 化时间，单位为d。投配率有时也用百分数表示，例如， 0.07m3/m3· d的投配率也可表示为7%。
厌氧生物处理——原理
一、厌氧消化的生化阶段 复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的 细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态 及物性变化，可分三个阶段（表9-1）。
厌氧生物处理——原理
表9-1 有机物厌氧消化过程
生化阶段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
物态变化
液化（水解） 大分子不溶态 有机物转化为 小分子溶解态 有机物