当代给水与废水处理原理_高良敏_厌氧生物处理法

§10-3 厌氧活性污泥法
厌氧接触法
如果废水的总碱度以甲基橙滴定终点（pH=4.3时消耗的酸量） 测定，而有机酸盐碱度采用酸滴定法测定，则碳酸氢盐碱度可按 下式确定：
BA TA 0.71( VA)
可将VA/BA指标转换为BA/TA指标： 当BA/TA>0.8时，反应器具有足够的缓冲能力； 当BA/TA<0.6时，反应器没有备用缓冲能力，应采取措施控 制pH。
k0 6.67100.015(35t )
K 2224 100.046(35 t )
式中以1/d为单位，K以mgCOD/L为单位。
厌氧处理和需氧处理一样，存在一个极小的值：
c min
K YG k0 b K
§10-3 厌氧活性污泥法
厌氧接触法
厌氧接触法主要用于中、高有机物浓度废水的处理。由于厌 氧处理受温度的影响很大，低温时急剧增大，故厌氧处理不宜在 20℃以下运行。 厌氧接触法与CSTR型活性污泥法几乎完全一样，只是值较 大，一般取为的2~10倍，在和可忽略时可得到与的下列关系：
简单溶性有机物
第二阶段为产酸和脱氢阶段。水解形成的溶性小分子有 产酸脱氢阶段 （产酸细菌作用） 机物被产酸细菌作为碳源和能源，最终产生短链的挥发 酸，如乙酸等。
细菌细胞 其它产物 第三阶段，即产甲烷阶段。产甲烷的反应由严格的专一 CO +H 挥发酸 性厌氧细菌来完成，这类细菌将产酸阶段产生的短链挥 发酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。
k0 6.67100.015(35t )
§10-3 厌氧活性污泥法
传统消化池
YC Y 1 bc
X YC

K (1 bc ) YC k0c (1 bc )
i Y ( i ) 1 bc
V Qc
Ru
X Yc
d 0.935 0.3 X 0.298
⑹废弃厌氧生物污泥的 贮存和处理设备。
⑸沼气的排放、 贮存和利用设备。
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程
厌氧生物处理工艺的发展简史：
人类第一次利用厌氧消化处理废弃物，是始于1881年——Louis Mouras的“自动净化器”。随后人类开始较大规模地应用厌氧消化 过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如
2 2
产甲烷阶段
（产甲烷细菌作用）
细菌细胞
CH4+CO2
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程
甲烷的产生与形成途径
产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段,可能反应如下：
4H 2 CO 2 CH 4 2H 2O
4H 2 CH 3COOH 2CH 4 2H 2O
CH 3COOH CH 4 CO 2
生物膜反应器 采用生物膜反应器提高污泥的停留时间及污泥浓 度，这类反应器有厌氧填充床(anaerobic packed bed)、厌氧膨胀床/流 化床(anaerobic expanded/fluidized bed)、厌氧生物转盘(anaetobic rotating)等
上流式厌氧污泥床反应器(upflow anaerobic sludge blanket reactor) 这种反应器是在上流式厌氧填充休的基础上发展起来的
硬脂酸(C-18)
棕酸(C-16) 十四烷酸(C14)
37
37 37
0.10
0.12 0.11
0.11
0.11 0.11
0.010
0.010 0.010
417
143 105
乙酸
丙酸 丁酸
35
35 35
0.34~0.05
0.31 0.37
0.04~0.05
0.042 0.047
0.015
0.010 0.027
制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。 ⑵每去除单位质量底物产生的微生物(污泥)量少；
缺点
厌氧生物处理法的缺点：
处理后出水的COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程
基本原理
将有机物在厌氧条件下的降解过程分成三个反应阶段 : 不溶性有机物和大分子溶性有机物 第一阶段是，废水中的溶性大分子有机物和不溶性有机 水解阶段 （胞外酶作用） 物水解为溶性小分子有机物。
§10-3 厌氧活性污泥法
厌氧活性污泥法是厌氧微生物在反应器中处于悬浮生长状 态的生物处理方法，厌氧活性污泥法通常包括传统的消化池和 厌氧接触法。
§10-3 厌氧活性污泥法
传统消化池
常用于废水处理厂中有机污泥的处理，近年来也用于含有机 固体较多和有机物浓度很高的废水。传统消化池又称低速消化池， 无加热和搅拌装置；有分层现象，只有部分容积有效；消化速率 很低，HRT很长（30~90天）。 主要作用： ①一部分有机物转变为沼气； ②一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质； ③提高了污泥的脱水性能； ④污泥体积可减少1/2以上； ⑤致病微生物也得到了一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处 理和利用。
第十章 厌氧生物处理法
本章主要内容：
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程 §10-2 厌氧过程动力学
§10-3 厌氧活性污泥法
§10-4 厌氧生物膜法
§10-5 厌氧处理法的运行与管理
第十章 厌氧生物处理法
主要优点：
主要优点 ⑴能耗低；可回收生物能源 (沼气) 厌氧生物处理法 ⑶而且由于处理过程不需要氧，所以不受传氧能力的限
当代给水与废水处理原理
高良敏
博士、教授
安徽理工大学地球与环境学院
第十章 厌氧生物处理法
20世纪70年代以来，由于城市的扩大和工业的 迅速发展，有机废水量急剧增加，如仍用需氧法处 理则需要消耗大量的能量。随着全球性能源问题的
日益突出，在废水处理领域内，人们便逐渐对厌氧
生物处理工艺产生了新的认识和估价。
rg rg max K
rg 1 rg max
c min
K YG k0 b( K )
c
c min
1 rg max

1 YG k0
由于厌氧处理中产甲烷细菌的生长速率（即）较低，所以厌 氧处理的要比需氧处理大
§10-3 厌氧活性污泥法
厌氧接触法
工艺过程对pH的控制能力，主要与在厌氧反应过程中产生 有机酸和二氧化碳有关，在与大气隔绝的反应器中，二氧化碳在 水中存在如下平衡关系：
根据§7-4，每克干细菌完全氧化所需的单体氧为1.41g。利 用一个类似于需氧处理中氧的摄入率计算公式（见式（8-40）） 形式来计算厌氧处理的甲烷生成率：
G G0 T R 0 1 1.41Y 1.28 102
p
TR 0 1 1.41Y P
式中，G为甲烷的产率，单位L/d；R0为COD的减少速率， 单位为g/d；Y为产率系数，g干细菌/gCOD。
主要参与微生物统称为产甲烷菌 其特点有： 1）生长慢； 2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程
⑷pH值调节 剂投加设备。 ⑵促使反应器中主体液 体与进水充分混合的设 备或手段。
基本流程
⑴厌氧处理中的发生生物 氧化反应的主体设备。
⑶保持反应器中主体液体 达到所需温度的设备。
§10-1 厌氧生物处理法的基本原理和流程
为解决消化池水力停留时间长的问题，近年来国内外进行了广泛
的研究，出现了不少新的厌氧工艺和新型的厌氧反应器，其中包括：
两相厌氧法(two-phase anaerobic treatment process) 这种工艺也 称两段(twostage)厌氧法，是根据产甲烷细菌与其它非产甲烷细菌在生 长特性方面的差异建立起来的 厌氧接触法(anaerobic contact process) 这种工艺也称厌氧活性 话泥法，像需氧活性污泥法那样，在消化池出水端设置污泥沉淀池， 将沉淀的厌氧生物污泥回流入消化池中，以此来提高消化池中的污泥 停留时间
§10-2 厌氧过程动力学
甲烷生成动力学 ：
如果令G0为甲烷的产率系数，则在理论上G0=0.35L/GCOD， 在非标准状态下的产率系数(G0)Tp可按Boyle-Charles定律计算：
(GO )Tp GO T 1 T 1.28 10 2 273 p p
式中，T为厌氧反应器中的热力学温度；P为反应器室内的 气压（单位Pa）。
CO2 H2O H 2CO3
H2CO3
Fra Baidu bibliotek
H HCO3
H2CO3
H CO32
此外，还存在水的离解关系:
H2O
H OH
根据化学质量作用定律，可得下列三个数量关系：
H HCO3 K1 CO2
H CO32 K2 HCO3
§10-4 厌氧生物膜法
厌氧填充床
又称厌氧滤池或厌氧固定床
设计厌氧填料床的适用公式，可采用§9-4所介绍的 Eckenfelder公式的形式：
e
i
exp(k / L)
式中，ρi和ρe为进、出水的有机物COD浓度，L为有机物负 荷，单位为kgCOD/m3•d；k为去除有机物的系数，单位为 kgCOD/m3•d。 在有机物负荷很高即k/L很小时，式（10-22）中的exp(-k/L)
§10-4 厌氧生物膜法
在无回流的厌氧活性污泥法中，就不得不加大水力停留时间 来获得较长的污泥停留时间； 在有回流的厌氧活性污泥法中，虽然可通过回流来减短水力 停留时间并增大污泥停留时间。 但由于受污泥的沉降和浓缩性能的限制，也不可能获得太长
的污泥停留时间。
由于厌氧生物膜法的微生物在填料表面固定生长，故有可能 在很短的水里停留时间条件下，获得很长的、甚至长达100d以上 的污泥停留时间。
Kw H OH
K1、 式中， K 2 分别为H2CO3的第一离解常数和第二离解常数； Kw为
水的离子积；[ ]表示物质的量浓度，单位为mol/L。
§10-3 厌氧活性污泥法
厌氧接触法
通常采用挥发性有机酸（VA，以mg/L乙酸计）和碳酸氢盐 碱度（BA，以mg/L CaCO3计）之比，作为衡量厌氧反应器对pH 值缓冲能力的一个指标。 一般地说，当VA/BA<0.4时，反应器具有足够的缓冲能力， 挥发性有机酸浓度的增加不致引起反应器中 pH 值很大的波动； 当 VA/BA=0.4~0.8 时，反应器的缓冲能力有限；而当 VA/BA>0.8 时，反应器的缓冲能力极小，挥发性有机酸浓度的微小增加，都 会造成反应器中pH值的急剧降低。
165~250
60 13
§10-2 厌氧过程动力学
甲烷生成动力学 ：
在厌氧处理中，COD减小的途径主要是生成甲烷和微生物 的细胞，其它途径有生成氢气、通过硫酸盐的还原生成硫化氢气
体等。
CH 4 2H 2 CO 2 2H 2O
上式表明：在标准条件(0℃和0.1MPa)下，1mol甲烷的体积 为22.4L，这样，1gCOD在标准状态下可生成的甲烷体积为 22.4/64=0.35L。
可按级数展开后略去高次项得下列简化式：
e exp(k / L) 1 k / L i
为了获得较高的去除率（即较大的k值），厌氧填充床的设
计负荷宜采用1.5kgCOD/m3•d。
§10-4 厌氧生物膜法
厌氧膨胀床/流化床
各种厌氧消化池等）；
50、60年代，特别是70年代中后期，随着能源危机的加剧，人 们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，出现了一批 被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大 规模地应用于废水处理；
最近（90年代以后），随着UASB反应器的广泛应用，在其基
础上又发展起来了EGSB和IC反应器；
§10-2 厌氧过程动力学
厌氧过程动力学涉及： 底物的降解
微生物的生长
甲烷的生成
§10-2 厌氧过程动力学
底物降解和微生物生长动力学
μmax YG b Monod K 温度 厌氧处理过程中底物降解和微生物生长动力学都建立在 方程 底物 l/d MgVSS/mgCOD l/d MgCOD/L ℃ 的基础上，这两个方面的动力学模型形式及其导出公式形式，与第八、 九章需氧处理过程中同类型反应器的完全一样，只是动力学常数有些变 25 0.25 0.04 0.015 2000 动生活废水 25 0.17 0.04 0.015 3720 污泥 20 0.14 0.04 0.015 4620