废水的厌氧生物处理法

 废水的厌氧生物处理法

厌氧生物处理是在无氧的情况下，利用兼性菌和***的代谢作用，分解有机物的一种生物处理法。是一种低成本的废水处理技术，它能在处理废水过程中回收能源。厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。

厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点。

(1)应用范围广  好氧法因供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。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、着色剂蒽酿和某些偶氮染料等。

(2)能耗低  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，而厌氧法不需要允氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。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。—般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。

(3)负荷高  通常好氧法的有机容积负荷为2~4kgBOD/m3.d，而厌氧法为2～10kg COD/m3.d，高的可达50kgCOD／m3.d。

(4)剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好   好氧法每去除1kg COD将产生0.4~0.6 kg生物量，而厌氧法去除1kg COD只产生0.02~0.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％~20％。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。

(5)氮、磷营养需要量较少  好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为100：2.5：0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。

(6)厌氧处理过程有一定的**作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。

(7)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。与好氧反应器相比，在停止运行一段时间后，能较迅速启动。

但是，厌氧生物处理法也存在下列缺点：

(1)厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长。

(2)处理后的出水水质差，往往需进一步处理才能达标排放。

1. 厌氧消化原理

复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的**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，可分为以下三个阶段。

**阶段为水解阶段。废水中的不溶性大分子有机物(如蛋白质、多糖类、脂类等)经发酵**水解后，分别转化为氨基酸、葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有机物。水解过程通常较缓慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。

由于简单碳水化合物的分解产酸作用，要比含氮有机物的分解产氨作用迅速，故蛋白质的分解在碳水化合物分解后产生。

含氮有机物分解产生的NH3除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，形成NH4HCO3，具有缓冲消化液pH值的作用，故有时也把继碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为酸性减退期，反应为：

**阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸**的作用下，**阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2，如：

第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷**将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此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院，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的1／3，后者约占2／3，反应为：

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；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。

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，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。

2. 影响厌氧处理的因素

（1）温度  温度是影响微生物生命活动*重要的因素之一，其对厌氧微生物及厌氧消化的影响尤为显著。各种微生物都在一定的温度范围内生长，根据微生物生长的温度范围，习惯上将微生物分为三类：(a)嗜冷微生物，生长温度为5～20 ℃；(b)嗜温微生物，生长温度20～42℃；(c)嗜热微生物，生长温度42～75℃。相应地厌氧废水处理也分为低温、中温和高温三类。这三类微生物在相应的适应温度范围内还存在*佳温度范围，当温度高于或低于*佳温度范围时其厌氧消化速率将明显降低。在工程运用中，中温工艺中以30～40 ℃*为常见，其*佳处理温度在35～40℃；高温工艺以50～60 ℃*为常见，*佳温度为55℃。

在上述范围里，温度的微小波动(例如1～3℃)对厌氧工艺不会有明显的影响，但如果温度下降幅度过大，则由于微生物活力下降，反应器的负荷也将降低。

（2）pH值  产甲烷菌对pH值变化适应性很差，其*佳范围为6.8～7.2，超出该范围厌氧消化**会受到抑制。

（3）氧化还原电位  **的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，产甲烷菌的*适氧化还原电位为－150～－400mV，培养甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于－330mV。

（4）营养  厌氧微生物对碳、氮等营养物质的要求略低于好氧微生物，需要补充专门的营养物质有钾、钠、钙等金属盐类，它们是形成细胞或非细胞的金属络合物所需要的物质，同时也应加入镍、铝、钴、钼等微量金属，以提高若干酶的活性。

（5）有机负荷  在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量(kg COD/m3.d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kg COD/(Kg 污泥.d)；在污泥消化中，有促负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kg MLVSS/(m3.d)。

有机负荷是影响厌氧消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位重量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。对于具体应用场合，进料的有机物浓度是一定的，有机负荷或投配率的提高意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，势必使单位重量物料的产气量减少。但因反应器相对的处理量增多了，单位容积的产气量将提高。

有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水废物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，采用常规厌氧消化工艺，中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2～3kg COD/(m3.d)，在高温下为4~6kg COD/(m3.d)。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5～15 kg COD/(m3.d)，可高达30 kg COD/(m3.d)。

（6）有毒物质  有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至破坏，常见抑制性物质为硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些人工合成的有机物。

3.厌氧法的工艺和设备

（1）厌氧接触法

1)工艺流程

厌氧接触法是对普通污泥消化池的改进，工艺流程如图8-37所示，主要特点是在厌氧反应器后设沉淀池，使污泥回流，保证厌氧反应器内能够维持较高的污泥浓度，可达5～10g MLVSS/L，大大降低反应器的水力停留时间，并使其具有一定的耐冲击负荷能力。该工艺存在的问题有：(a)厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量的气泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走；(b)进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动，并产生沼气，使已沉下的污泥上翻，影响出水水质、降低回流污泥的浓度。对此采取措施有：(a)在反应器和沉淀池之间设脱气器，尽可能脱除沼气；(b)在反应器与沉淀池之间设冷却器，抑制产甲烷菌的活动；(c)在沉淀池投加混凝剂；(d)用超滤代替沉淀池。采取上述措施后，可使该工艺具有如下特点：(a)污泥负荷高，耐冲击能力强；(b)有机容积负荷较高，中温消化时容积负荷为0.5~2.5kg BOD5/(m3.d)，去除率为80%～90%；(c)出水水质好。本工艺适合处理悬浮物、有机物浓度均较高的废水，废水COD一般不低于3000mg/L，悬浮物浓度可达50000mg/L。

2)厌氧接触法的应用

厌氧接触法主要用于处理高浓度有机废水，不同的废水其工艺参数也不相同，在具体进行工艺设计时应通过相应的试验来确定。如用厌氧接触法处理酒精废水，原废水COD浓度为50000～54000mg/L，BOD5浓度为26000~34000mg/L，反应温度采用53~55℃，反应器内污泥浓度为20％～30％，COD容积负荷为9.11~11.7kg COD/(m3.d),水力停留时间为4~2.5d，COD的去除率为87％；用该工艺处理屠宰废水，反应器容积负荷取2.56kg BOD5/(m3.d)，水力停留时间12~13h，反应温度为27～31℃，污泥浓度为7000～12000mg/L，沉淀池水力停留时间1~2h，表面负荷14.7m3/(m2.h)，回流比3：1，当原水BOD5浓度为1381mg/L时，接触厌氧反应池的去除率为90.6%，运行结果表明，当BOD5容积负荷从2.56kg BOD5/(m3.d)上升到3.2kg BOD5/(m3.d)时，去除率由90.6%下降到83%，产气量由0.4m3/kgBOD5下降到0.29m3/kgBOD5。

（2) 厌氧生物滤池

厌氧滤池构造

厌氧生物滤池是装有填料的厌氧反应器，厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料的表面，废水通过淹没滤料，在生物膜的吸附和微生物的代谢以及滤料的截留三种作用下，废水中的有机污染物被去除。厌氧滤池有升流式、降流式和升流混合式三种，具体结构见图8-38。在升流式厌氧生物滤池中，废水由反应器底部进入，向上流动通过滤料层，微生物大部分以生物膜的形式附着在滤料表面，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的间隙中，它的生物总量比降流式厌氧生物滤池高，因此效率高。但普通升流式生物滤池的主要缺点有：(a)底部易于堵塞；(b)污泥沿深度分布不均匀。通过出水回流的方法可降低进水浓度，提高水流上升速度。升流式厌氧滤池平面形状一般为圆形，直径为6～26m，高度为3～13m。

 降流式厌氧生物滤池其布水装置在滤料层上部，发生堵塞可能性比升流式小。

升流混合型厌氧生物滤池在池底的布水系统与滤料层之间留有一定空间以便悬浮状的颗粒污泥能在其中生长、累积。它的优点有：(a)与升流厌氧生物滤池相比，减小了滤料层厚度，与升流式厌氧污泥床相比省去了三相分离器；(b)可增加反应器中总的生物固体量，并减少滤池被堵塞的可能性。

厌氧生物滤池的容积负荷率可通过试验确定或参考类同的工厂运行数据，影响容积负荷率的因素有：废水水质、滤料性质、温度、pH值、营养物质、有害物质等。根据有关资料，当反应温度为30~35℃时，块状滤料负荷率可采用3～6kg COD/(m3.d)，而塑料滤料为5~8kg COD/(m3.d)。

滤料是厌氧生物滤池的主体部分，应具备下列特性：比表面积大、孔隙率高、表面粗糙、化学及生物学的稳定性较强以及机械强度高等。常用的滤料有碎石、卵石、焦炭以及各种形式的塑料滤料，其中碎石、卵石滤料的比表面积较小(40～50m2/m3)、孔隙率低(50％～60％)，产生的生物膜较少，生物固体的浓度不高，有机负荷较低[3～6kg COD/(m3.d)]，运行中易发生堵塞现象。塑料滤科的比表面积和孔隙率都大，如波纹板滤料的比表面积为100~ 200 m2/m3，孔隙率达80％~90％，在中温条件下，有机负荷可达5~15 kg COD/(m3.d)，且不容易发生堵塞现象。

（3）升流式厌氧污泥床(UASB)

1)升流式厌氧污泥床的构造

升流式厌氧污泥床结构如图8-39所示，集生物反应器与沉淀池于一体，是一种结构紧凑的厌氧反应器，反应器主要由以下几部分组成：

①进水配水系统  该系统的形式有树枝管、穿孔管以及多点多管三种形式，其功能是保证配水均匀和水力搅拌。

②反应区  包括颗粒污泥区和悬浮污泥区，是UASB的主要部位，有机物主要在这里被分解。

③三相分离器  由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是将气体(沼气)、固体(污泥)和液体(废水)分开，它的分离效果将直接影响反应器的处理效果。

④出水系统  把沉淀区处理过的水均匀地加以收集，排出反应器，常用出水堰结构。

⑤气室  也称集气罩，作用是收集气体。

2)UASB的机理和特点   

在UASB反应区内存留大量的厌氧污泥，具有良好的凝聚和沉淀性能的污泥在反应器底部形成颗粒污泥，废水从反应器底部进入与颗粒污泥进行充分混合接触后被污泥中的微生物分解。UASB具有如下优点：(a)污泥床内生物量多，折合浓度计算可达20～30g/L；(b)容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般可达10 kg COD/(m3.d)，甚至能够高达15～40kg COD/(m3.d)，废水在反应器的水力停留时间短，可大大缩小反应器容积；(c)设备简单，不需要填料和机械搅拌装置，便于管理，不会发生堵塞问题。

3)UASB的运用

为了使UASB能高效运行，形成颗粒污泥是关键问题，因此在系统建成后就应培养颗粒污泥，影响颗粒污泥形成的因素主要有：(a)温度；(b)接种污泥的质量与数量，如有条件采用已培养好的颗粒污泥，可大大缩短培养时间；(c)碱度，进水碱度应保持在750~1000mg/L之间；(d)废水性质；(e)水力负荷和有机负荷，启动时有机负荷不宜过高，一般以0.1~0.3kg COD/(kg MLVSS.d)为宜，随着颗粒污泥的形成，有机负荷可以逐步提高。