污水厌氧生物处理及污泥处置

硝化反应对溶解氧有较高的要求，处理系统中的溶解氧量最好保持在2mg/L以上。适 宜的pH为7～8。 反硝化反应是指在无氧条件下，反硝化菌将硝酸盐氮（NO3-）和亚硝酸盐氮（NO2-） 还原为氮气的过程。反应如下： 硝酸还原菌 6 NO3-+2CH3OH ————→6 NO2-+2CO2+4H2O 亚硝酸还原菌 6 NO2-+3CH3OH ————→3N2+3H2O+6OH-+3CO2 总反应式为： 反硝化菌 6 NO3-+5CH3OH ————→5CO2+3N2+7H2O+6OH反硝化菌属于异氧型兼性厌养菌，在有氧存在时，进行好氧呼吸；在无氧而有NO3-或 NO2-存在时，进行反硝化反应。 在反硝化菌代谢活动的同时，伴随着反硝化菌的生长繁殖，即菌体合成过程，其反应 如下： 3 NO3-+14CH3OH+CO2+3H+→3C5H7O2N+19H2O 式中C5H7O2N为反硝化微生物的化学组成。反硝化还原和微生物合成的总反应式为： NO3-+1.08CH3OH+H+→0.065C5H7O2N +0.47N2+0.76CO2+2.44H2O 在反硝化反应中，最大的问题就是污水中可用于反硝化的有机碳的多少及其可生化程 度。 反硝化反应的适宜pH值为6.5～7.5。pH值高于8或低于6时，反硝化速率将迅速下降。 反硝化反应的温度范围较宽，在5～40℃范围内都可以进行。但温度低于15℃时，反 硝化速率明显下降。
在工程技术上，研究甲烷细菌的通性是最重要的，这将打破厌氧生物处理过程分阶段的现象， 从而最大限度地缩短处理过程的时间。经验和研究表明，pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要 的环境因素。pH值应在6.8～7.2之间。在35-38℃和52-55℃各有一个最适温度。 污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH值有可能维持在6.8之上， 酸化和甲烷化两大类细菌就有可能共存，从而消除分阶段现象。此外，消化池池液的充分混合对调整 pH值也是必要的。 从液温看，消化可在中温（35-38℃）进行，也可在高温（52-55℃）进行。但后者需要的热量比 前者要高得多。 研究表明，产乙酸细菌和产甲烷细菌存在严格的共生关系，考虑到这种关系，反应器中的剪切力 要注意控制，不能在系统内进行连续的剧烈搅拌。
（2）生物脱氮工艺(technique) ①三段生物脱氮工艺。 碱 沉淀池 原污水
CH3OH N2
沉淀池 沉淀池 处理水
曝气池
污泥回流
Ⅰ
硝化池
污泥回流
Ⅱ
反硝 化池 污泥回流
Ⅲ
剩余污泥 剩余污泥 剩余污泥 图18-4 Barth三段生物脱氮工艺 ②Bardenpho生物脱氮工艺。 原污水 沉淀池 缺氧池1 好氧池1 缺氧池2 好氧池2
第四节 厌氧和好氧技术的联合运用 4 anaerobic and aerobic technology united apply
第十八章 城市污水的深度处理 Chapter 18 Advanced Treatment of Sewage
第一节 氮、磷的去除 section 1 removal of nitrogen and phosphorus 一．氮的去除(removal of nitrogen) 1．化学法除氮(removal of nitrogen by chemical process) （1）吹脱法 废水中的氨氮可以气态吹脱。废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状 态共存： NH3+H2O=NH4++OH这一平衡受pH值的影响，pH为10.5～11.5时，因废水中的氨呈饱和状态而逸 出，所以吹脱法常需加石灰。 （2）折点加氯法 含氨氮的水加氯时，有下列反应： Cl2+H2O=HOCl+H++ClNH4++HOCl=NH2Cl+H++H2O NH4++2HOCl=NHCl2+H++2H2O 2NH4++3HOCl=N2↑+5H++3Cl-+3H2O 图18-3是含氨氮水的加氯曲线。 （3）离子交换法 2．生物法脱氮(removal of nitrogen by biological process) （1）生物脱氮机理(mechanism) 生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨 转化为N2和NxO气体的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。
研究表明，厌氧处理系统中SO42-、SO32-浓度高时，产甲烷细菌就会受到抑制。消化 气中CO2成分提高，并含有较多的H2S。H2S对甲烷细菌的毒害作用更进一步影响整个系 统的正常工作。 与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质等更为敏感，因此要保持温度的 恒定。通常采用的厌氧处理的温度一般选择在中温或高温。甲烷细菌要求的pH值严格控 制在6.8～7.2。 基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的生长，有资料报道， COD:N:P=800:5:1即足够。 要缩短厌氧处理的时间，最主要的方法是增加参加反应的微生物数量（浓度）和提高 反应时的温度。 目前，厌氧生物处理法主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的工业废水 的处理。
消化气 进水 出水 回流污泥 剩余污泥
图15-6 厌氧接触法和上流式厌氧污泥床串联的二段厌氧处理法
① 混合接触池 ② 沉淀池 ③ 上流式厌氧污泥床反应器
第三节 厌氧生物处理法的设计 3 design anaerobic biological treatment process
一．流程和设备的选择(select process and equipment) 包括：处理工艺和设备的选择；消化温度；采用单级或两级消化等。可参考 表15-4选择。 二．厌氧反应器的设计(design anaerobic reactor) 计算确定反应器容积的常用参数是负荷率N和消化时间t，公式为: V = qV· t 或 V = qV ·ρ/N 式中：V——反应（消化）区的容积，m3； qV——废水的设计流量，m3/d； t——消化时间，d； ρ——废水有机物的浓度，g(BOD5)/L或g(COD)/L； N——反应区的设计负荷率，k g(BOD5)/ m3· d或kg(COD)/ m3· d。 采用中温消化时，对于传统的消化法，消化时间在1-5d，负荷摔在13kg(COD)/ m3· d，BOD5去除率可达50-90%。对于厌氧生物滤池和厌氧接触法， 消化时间可缩短至0.5-3d，负荷率可提高到3-10kg(COD)/ m3· d。消化气的产气 3/kg(COD)进行估算。 量一般可按0.4-0.5Nm 三．消化池的热量计算(heat calculation for digestion tank) 消化池所需的热量包括：将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、池盖所 散失的热量。
消化气
接真空系统
进水氧接触法的流程
①混合接触池（消化池） ②沉淀池 ③真空脱气器
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。 四．上流式厌氧污泥床反应器(upflow anaerobic sludge bed reactor) 如图15-5。
消化气 出水 澄清区 悬浮污泥层 污泥层
第十五章 污水的厌氧生物处理 Chapter15 Wastewater Anaerobic Biological Treatment
第一节 厌氧生物处理的基本原理 1 basic principle of anaerobic biological treatment
污泥的厌氧处理面对的是固态有机物，所以称为消化。 1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段（如图15-1）：
进水 图15-5 上流式厌氧污泥床反应器 试验结果表明，良好的污泥床，有机负荷率和去除率高，不需要搅拌，能适应负荷冲 击和温度与pH值的变化。它是一种有发展前途的厌氧处理设备。 五．分段厌氧处理法(step anaerobic treatment process) 根据消化分阶段进行的事实，研究开发了二段厌氧处理法，将水解酸化过程和甲烷化 过程分开在两个容器内进行，以使两类微生物都能在各自的最适宜条件下生长繁殖。 二段厌氧处理法具有运行稳定可靠，能承受pH值、毒物等的冲击，有机负荷率高， 消化气中甲烷含量高等特点；但这种方法也有设备多，流程和操作复杂等缺陷。
表18-2 化学法除磷过程中发生的化学反应 化学反应 化学污泥成分 石灰1．5Ca2++3PO43-+OH-→Ca5(PO4)3(OH) 2.Ca2++CO32-→CaCO3 Ca5(PO4)3(OH) CaCO3 铝盐1.Al3++PO43-→AlPO42.Al3++3OH-→Al(OH)3 AlPO4 Al(OH)3 铁盐1.Fe3++PO43-→FePO42.Fe3++3OH-→Fe(OH)3 FePO4 Fe(OH)3 化学法除磷的特点：去除率较高，处理结果稳定，污泥在处理和处置过程中 不会重新释放磷而造成二次污染，但污泥的产量比较大。 2．生物法除磷(removal of phosphorus by biological process) 它是利用微生物在好氧条件下对水中溶解性磷酸盐的过量吸收作用，然后沉 淀分离而除磷。含有过量磷的污泥部分以剩余污泥的形式排出系统，大部分和污 水一起进入厌氧状态，此时污水中的有机物在厌氧发酵产酸菌的作用下转化为乙 酸苷；而活性污泥中的聚磷菌在厌氧的不利状态下，将体内积聚的聚磷分解，分 解产生的能量部分供聚磷菌生存。另一部分能量供聚磷菌主动吸收乙酸苷转化为 PHB的形态储藏于体内。聚磷分解形成的无机磷释放回污水中，这就是厌氧放磷。 进入好氧状态后，聚磷菌将储存于体内的PHB进行好氧分解并释放出大量的能量 供聚磷菌增殖，部分供其主动吸收污水中的磷酸盐，以聚磷的形式积聚于体内， 这就是好氧吸磷。由于活性污泥在运行中不断增殖，为了系统的稳定运行，必须 从系统中排除和增殖量相当的活性污泥，也就是剩余污泥。剩余污泥中包含过量 吸收磷的聚磷菌，也就是从污泥中去除的含磷物质。这就是厌氧和好氧交替的生 物处理系统除磷的本质。 除磷效果与碳源的性质，硝酸盐的含量，温度等因素有关。
提高废水温度所需的热量Q1为：
Q1= qV· C(t2-t1) 式中：qV——废水投加量，m3/h； C——废水的比热，约为4200kJ/m3· ℃（实验值）； t2——消化池温度，℃； t1——废水温度，℃。 通过池壁、池盖等散失的热量Q2可用下式计算： Q2 =K· 2- t1) A(t 式中：A——散热面积，㎡； K——传热系数，kJ/(h· ℃)； ㎡· t2——消化池内壁温度，℃； t1——消化池外壁温度，℃。 对于一般的钢筋混凝土池子，外面加设绝缘层，K值约为20-25 kJ/(h· ℃)。 ㎡·
第二节 污水的厌氧生物处理方法 2 wastewater anaerobic biological treatment method
一．化粪池(sewage tank) 图15-2是化粪池的一种构造方式。 二．厌氧生物滤池(anaerobic biological filter) 图15-3所示。 厌氧生物滤池的主要优点：处理能力较高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分 离设备，出水SS较低；设备简单、操作方便等。 厌氧生物滤池的主要缺点：滤料费用较贵；滤料容易堵塞，堵塞后没有简单有效的清洗方法。 三．厌氧接触法(anaerobic contact process) 图15-4是厌氧接触法的流程。
处理水
剩余污泥 污泥回流 图18-5 Bardenpho脱氮法流程
③缺氧——好氧生物脱氮工艺。 N2
内循环（硝化液回流） 碱 沉淀池
原废水
反硝化 反应器 （缺氧）
BOD5去除及硝 化反应反应器 （好氧）
处理水
回流污泥
剩余污泥
图18-6 缺氧——好氧生物脱氮工艺 二．磷的去除(removal of phosphorus) 1．化学法除磷(removal of phosphorus by chemical process) 它是以磷酸盐能和某些化学物质如铝盐、铁盐、石灰等反应生 成不溶的沉淀物为基础进行的，反应如下表所示。这些反应常有伴 生反应，产物常具有絮凝作用，有助于磷酸盐的分离。
硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。 此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成的。这两种菌属于化 能自养型微生物。其反应如下：
亚硝酸菌 2NH4++3O2————→2NO2-+4H++2H2O 硝酸菌 2NO2-+O2——————→2NO3总反应式为： 硝化细菌 NH4++2O2——————→NO3-+2H++H2O 硝化细菌是化能自养菌，生产率低，对环境条件变化较为敏感。 温度，溶解氧，污泥龄，pH，有机负荷等都会对它产生影响。 硝化反应的适宜温度为20～30℃。低于15℃时，反应速度迅速 下降，5℃时反应几乎完全停止。 由于硝化菌是自氧菌，若水中BOD5值过高，将有助于异养菌 的迅速增殖，微生物中的硝化菌的比例下降。 硝化菌的生长世代周期较长，为了保证硝化作用的进行，泥龄 应取大于硝化菌最小世代时间两倍以上。
有机酸 大分子有机物 水解 水解的和溶解 酸化 醇 类→ （碳水化合物， ——→ ——→ 醛类等 蛋白质，脂肪 ————→ 等） 细菌的胞外酶 的有机物 产酸细菌 H2，CO2 乙酸化 甲烷化 ————→ 乙酸 ————→ CH4 乙酸细菌 甲烷细菌 ———————————————→CH4 甲烷细菌 图15-1 厌氧发酵的几个阶段