廢水的厭氧生物處理法

厭氧生物處理是在無氧的情況下，利用兼性菌和***的代謝作用，分解有機物的一種生物處理法。是一種低成本的廢水處理技術(shù)，它能在處理廢水過程中回收能源。厭氧生化法不僅可用于處理有機污泥和高濃度有機廢水，也用于處理中、低濃度有機廢水，包括城市污水。

厭氧生化法與好氧生化法相比具有下列優(yōu)點。

(1)應(yīng)用范圍廣  好氧法因供氧限制一般只適用于中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法既適用于高濃度有機廢水，又適用于中、低濃度有機廢水。有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的，但對厭氧生物處理是可降解的、如固體有機物、著色劑蒽釀和某些偶氮染料等。

(2)能耗低  好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要允氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。廢水有機物達一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。當(dāng)原水BOD5達到1500mg/L時，采用厭氧處理即有能量剩余。有機物濃度愈高，剩余能量愈多。—般厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。

(3)負(fù)荷高  通常好氧法的有機容積負(fù)荷為2~4kgBOD/m3.d，而厭氧法為2～10kg COD/m3.d，高的可達50kgCOD／m3.d。

(4)剩余污泥量少，且其濃縮性、脫水性良好   好氧法每去除1kg COD將產(chǎn)生0.4~0.6 kg生物量，而厭氧法去除1kg COD只產(chǎn)生0.02~0.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％~20％。同時，消化污泥在衛(wèi)生學(xué)上和化學(xué)上都是穩(wěn)定的。因此，剩余污泥處理和處置簡單、運行費用低，甚至可作為肥料、飼料或餌料利用。

(5)氮、磷營養(yǎng)需要量較少  好氧法一般要求BOD：N：P為100：5：1，而厭氧法的BOD：N：P為100：2.5：0.5，對氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營養(yǎng)鹽量較少。

(6)厭氧處理過程有一定的**作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲卵、病毒等。

(7)厭氧活性污泥可以長期貯存，厭氧反應(yīng)器可以季節(jié)性或間歇性運轉(zhuǎn)。與好氧反應(yīng)器相比，在停止運行一段時間后，能較迅速啟動。

但是，厭氧生物處理法也存在下列缺點：

(1)厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設(shè)備啟動和處理時間比好氧設(shè)備長。

(2)處理后的出水水質(zhì)差，往往需進一步處理才能達標(biāo)排放。

1. 厭氧消化原理

復(fù)雜有機物的厭氧消化過程要經(jīng)歷數(shù)個階段，由不同的**群接替完成。根據(jù)復(fù)雜有機物在此過程中的物態(tài)及物性變化，可分為以下三個階段。

**階段為水解階段。廢水中的不溶性大分子有機物(如蛋白質(zhì)、多糖類、脂類等)經(jīng)發(fā)酵**水解后，分別轉(zhuǎn)化為氨基酸、葡萄糖和甘油等水溶性的小分子有機物。水解過程通常較緩慢，因此被認(rèn)為是含高分子有機物或懸浮物廢液厭氧降解的限速階段。

由于簡單碳水化合物的分解產(chǎn)酸作用，要比含氮有機物的分解產(chǎn)氨作用迅速，故蛋白質(zhì)的分解在碳水化合物分解后產(chǎn)生。

含氮有機物分解產(chǎn)生的NH3除了提供合成細(xì)胞物質(zhì)的氮源外，在水中部分電離，形成NH4HCO3，具有緩沖消化液pH值的作用，故有時也把繼碳水化合物分解后的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)氨過程稱為酸性減退期，反應(yīng)為：

**階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸**的作用下，**階段產(chǎn)生的各種有機酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H2，在降解奇數(shù)碳素有機酸時還形成CO2，如：

第三階段為產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷**將乙酸、乙酸鹽、CO2和H2等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲院，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1／3，后者約占2／3，反應(yīng)為：

上述三個階段的反應(yīng)速度依廢水性質(zhì)而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟；簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質(zhì)均能被微生物迅速分解，對含這類有機物為主的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。

雖然厭氧消化過程可分為以上三個階段，但是在厭氧反應(yīng)器中，三個階段是同時進行的，并保持某種程度的動態(tài)平衡，這種動態(tài)平衡一旦被pH值、溫度、有機負(fù)荷等外加因素所破壞，則首先將使產(chǎn)甲烷階段受到抑制，其結(jié)果會導(dǎo)致低級脂肪酸的積存和厭氧進程的異常變化，其至?xí)?dǎo)致整個厭氧消化過程停滯。

2. 影響厭氧處理的因素

（1）溫度  溫度是影響微生物生命活動*重要的因素之一，其對厭氧微生物及厭氧消化的影響尤為顯著。各種微生物都在一定的溫度范圍內(nèi)生長，根據(jù)微生物生長的溫度范圍，習(xí)慣上將微生物分為三類：(a)嗜冷微生物，生長溫度為5～20 ℃；(b)嗜溫微生物，生長溫度20～42℃；(c)嗜熱微生物，生長溫度42～75℃。相應(yīng)地厭氧廢水處理也分為低溫、中溫和高溫三類。這三類微生物在相應(yīng)的適應(yīng)溫度范圍內(nèi)還存在*佳溫度范圍，當(dāng)溫度高于或低于*佳溫度范圍時其厭氧消化速率將明顯降低。在工程運用中，中溫工藝中以30～40 ℃*為常見，其*佳處理溫度在35～40℃；高溫工藝以50～60 ℃*為常見，*佳溫度為55℃。

在上述范圍里，溫度的微小波動(例如1～3℃)對厭氧工藝不會有明顯的影響，但如果溫度下降幅度過大，則由于微生物活力下降，反應(yīng)器的負(fù)荷也將降低。

（2）pH值  產(chǎn)甲烷菌對pH值變化適應(yīng)性很差，其*佳范圍為6.8～7.2，超出該范圍厭氧消化**會受到抑制。

（3）氧化還原電位  **的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進行正常活動的基本條件，產(chǎn)甲烷菌的*適氧化還原電位為－150～－400mV，培養(yǎng)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于－330mV。

（4）營養(yǎng)  厭氧微生物對碳、氮等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，需要補充專門的營養(yǎng)物質(zhì)有鉀、鈉、鈣等金屬鹽類，它們是形成細(xì)胞或非細(xì)胞的金屬絡(luò)合物所需要的物質(zhì)，同時也應(yīng)加入鎳、鋁、鈷、鉬等微量金屬，以提高若干酶的活性。

（5）有機負(fù)荷  在厭氧法中，有機負(fù)荷通常指容積有機負(fù)荷，簡稱容積負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量(kg COD/m3.d)。對懸浮生長工藝，也有用污泥負(fù)荷表達的，即kg COD/(Kg 污泥.d)；在污泥消化中，有促負(fù)荷習(xí)慣上以投配率或進料率表達，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分?jǐn)?shù)。由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致，投配率不能反映實際的有機負(fù)荷，為此，又引入反應(yīng)器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù)，即kg MLVSS/(m3.d)。

有機負(fù)荷是影響厭氧消化效率的一個重要因素，直接影響產(chǎn)氣量和處理效率。在一定范圍內(nèi)，隨著有機負(fù)荷的提高，產(chǎn)氣率即單位重量物料的產(chǎn)氣量趨向下降，而消化器的容積產(chǎn)氣量則增多，反之亦然。對于具體應(yīng)用場合，進料的有機物濃度是一定的，有機負(fù)荷或投配率的提高意味著停留時間縮短，則有機物分解率將下降，勢必使單位重量物料的產(chǎn)氣量減少。但因反應(yīng)器相對的處理量增多了，單位容積的產(chǎn)氣量將提高。

有機負(fù)荷值因工藝類型、運行條件以及廢水廢物的種類及其濃度而異。在通常的情況下，采用常規(guī)厭氧消化工藝，中溫處理高濃度工業(yè)廢水的有機負(fù)荷為2～3kg COD/(m3.d)，在高溫下為4~6kg COD/(m3.d)。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器、厭氧濾池、厭氧流化床等新型厭氧工藝的有機負(fù)荷在中溫下為5～15 kg COD/(m3.d)，可高達30 kg COD/(m3.d)。

（6）有毒物質(zhì)  有毒物質(zhì)會對厭氧微生物產(chǎn)生不同程度的抑制，使厭氧消化過程受到影響甚至破壞，常見抑制性物質(zhì)為硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些人工合成的有機物。

3.厭氧法的工藝和設(shè)備

（1）厭氧接觸法

1)工藝流程

厭氧接觸法是對普通污泥消化池的改進，工藝流程如圖8-37所示，主要特點是在厭氧反應(yīng)器后設(shè)沉淀池，使污泥回流，保證厭氧反應(yīng)器內(nèi)能夠維持較高的污泥濃度，可達5～10g MLVSS/L，大大降低反應(yīng)器的水力停留時間，并使其具有一定的耐沖擊負(fù)荷能力。該工藝存在的問題有：(a)厭氧反應(yīng)器排出的混合液中的污泥由于附著大量的氣泡在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走；(b)進入沉淀池的污泥仍有產(chǎn)甲烷菌在活動，并產(chǎn)生沼氣，使已沉下的污泥上翻，影響出水水質(zhì)、降低回流污泥的濃度。對此采取措施有：(a)在反應(yīng)器和沉淀池之間設(shè)脫氣器，盡可能脫除沼氣；(b)在反應(yīng)器與沉淀池之間設(shè)冷卻器，抑制產(chǎn)甲烷菌的活動；(c)在沉淀池投加混凝劑；(d)用超濾代替沉淀池。采取上述措施后，可使該工藝具有如下特點：(a)污泥負(fù)荷高，耐沖擊能力強；(b)有機容積負(fù)荷較高，中溫消化時容積負(fù)荷為0.5~2.5kg BOD5/(m3.d)，去除率為80%～90%；(c)出水水質(zhì)好。本工藝適合處理懸浮物、有機物濃度均較高的廢水，廢水COD一般不低于3000mg/L，懸浮物濃度可達50000mg/L。

2)厭氧接觸法的應(yīng)用

厭氧接觸法主要用于處理高濃度有機廢水，不同的廢水其工藝參數(shù)也不相同，在具體進行工藝設(shè)計時應(yīng)通過相應(yīng)的試驗來確定。如用厭氧接觸法處理酒精廢水，原廢水COD濃度為50000～54000mg/L，BOD5濃度為26000~34000mg/L，反應(yīng)溫度采用53~55℃，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度為20％～30％，COD容積負(fù)荷為9.11~11.7kg COD/(m3.d),水力停留時間為4~2.5d，COD的去除率為87％；用該工藝處理屠宰廢水，反應(yīng)器容積負(fù)荷取2.56kg BOD5/(m3.d)，水力停留時間12~13h，反應(yīng)溫度為27～31℃，污泥濃度為7000～12000mg/L，沉淀池水力停留時間1~2h，表面負(fù)荷14.7m3/(m2.h)，回流比3：1，當(dāng)原水BOD5濃度為1381mg/L時，接觸厭氧反應(yīng)池的去除率為90.6%，運行結(jié)果表明，當(dāng)BOD5容積負(fù)荷從2.56kg BOD5/(m3.d)上升到3.2kg BOD5/(m3.d)時，去除率由90.6%下降到83%，產(chǎn)氣量由0.4m3/kgBOD5下降到0.29m3/kgBOD5。

（2) 厭氧生物濾池

厭氧濾池構(gòu)造

厭氧生物濾池是裝有填料的厭氧反應(yīng)器，厭氧微生物以生物膜的形態(tài)生長在濾料的表面，廢水通過淹沒濾料，在生物膜的吸附和微生物的代謝以及濾料的截留三種作用下，廢水中的有機污染物被去除。厭氧濾池有升流式、降流式和升流混合式三種，具體結(jié)構(gòu)見圖8-38。在升流式厭氧生物濾池中，廢水由反應(yīng)器底部進入，向上流動通過濾料層，微生物大部分以生物膜的形式附著在濾料表面，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的間隙中，它的生物總量比降流式厭氧生物濾池高，因此效率高。但普通升流式生物濾池的主要缺點有：(a)底部易于堵塞；(b)污泥沿深度分布不均勻。通過出水回流的方法可降低進水濃度，提高水流上升速度。升流式厭氧濾池平面形狀一般為圓形，直徑為6～26m，高度為3～13m。

 降流式厭氧生物濾池其布水裝置在濾料層上部，發(fā)生堵塞可能性比升流式小。

升流混合型厭氧生物濾池在池底的布水系統(tǒng)與濾料層之間留有一定空間以便懸浮狀的顆粒污泥能在其中生長、累積。它的優(yōu)點有：(a)與升流厭氧生物濾池相比，減小了濾料層厚度，與升流式厭氧污泥床相比省去了三相分離器；(b)可增加反應(yīng)器中總的生物固體量，并減少濾池被堵塞的可能性。

厭氧生物濾池的容積負(fù)荷率可通過試驗確定或參考類同的工廠運行數(shù)據(jù)，影響容積負(fù)荷率的因素有：廢水水質(zhì)、濾料性質(zhì)、溫度、pH值、營養(yǎng)物質(zhì)、有害物質(zhì)等。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)反應(yīng)溫度為30~35℃時，塊狀濾料負(fù)荷率可采用3～6kg COD/(m3.d)，而塑料濾料為5~8kg COD/(m3.d)。

濾料是厭氧生物濾池的主體部分，應(yīng)具備下列特性：比表面積大、孔隙率高、表面粗糙、化學(xué)及生物學(xué)的穩(wěn)定性較強以及機械強度高等。常用的濾料有碎石、卵石、焦炭以及各種形式的塑料濾料，其中碎石、卵石濾料的比表面積較小(40～50m2/m3)、孔隙率低(50％～60％)，產(chǎn)生的生物膜較少，生物固體的濃度不高，有機負(fù)荷較低[3～6kg COD/(m3.d)]，運行中易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。塑料濾科的比表面積和孔隙率都大，如波紋板濾料的比表面積為100~ 200 m2/m3，孔隙率達80％~90％，在中溫條件下，有機負(fù)荷可達5~15 kg COD/(m3.d)，且不容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

（3）升流式厭氧污泥床(UASB)

1)升流式厭氧污泥床的構(gòu)造

升流式厭氧污泥床結(jié)構(gòu)如圖8-39所示，集生物反應(yīng)器與沉淀池于一體，是一種結(jié)構(gòu)緊湊的厭氧反應(yīng)器，反應(yīng)器主要由以下幾部分組成：

①進水配水系統(tǒng)  該系統(tǒng)的形式有樹枝管、穿孔管以及多點多管三種形式，其功能是保證配水均勻和水力攪拌。

②反應(yīng)區(qū)  包括顆粒污泥區(qū)和懸浮污泥區(qū)，是UASB的主要部位，有機物主要在這里被分解。

③三相分離器  由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成，其功能是將氣體(沼氣)、固體(污泥)和液體(廢水)分開，它的分離效果將直接影響反應(yīng)器的處理效果。

④出水系統(tǒng)  把沉淀區(qū)處理過的水均勻地加以收集，排出反應(yīng)器，常用出水堰結(jié)構(gòu)。

⑤氣室  也稱集氣罩，作用是收集氣體。

2)UASB的機理和特點   

在UASB反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量的厭氧污泥，具有良好的凝聚和沉淀性能的污泥在反應(yīng)器底部形成顆粒污泥，廢水從反應(yīng)器底部進入與顆粒污泥進行充分混合接觸后被污泥中的微生物分解。UASB具有如下優(yōu)點：(a)污泥床內(nèi)生物量多，折合濃度計算可達20～30g/L；(b)容積負(fù)荷率高，在中溫發(fā)酵條件下，一般可達10 kg COD/(m3.d)，甚至能夠高達15～40kg COD/(m3.d)，廢水在反應(yīng)器的水力停留時間短，可大大縮小反應(yīng)器容積；(c)設(shè)備簡單，不需要填料和機械攪拌裝置，便于管理，不會發(fā)生堵塞問題。

3)UASB的運用

為了使UASB能高效運行，形成顆粒污泥是關(guān)鍵問題，因此在系統(tǒng)建成后就應(yīng)培養(yǎng)顆粒污泥，影響顆粒污泥形成的因素主要有：(a)溫度；(b)接種污泥的質(zhì)量與數(shù)量，如有條件采用已培養(yǎng)好的顆粒污泥，可大大縮短培養(yǎng)時間；(c)堿度，進水堿度應(yīng)保持在750~1000mg/L之間；(d)廢水性質(zhì)；(e)水力負(fù)荷和有機負(fù)荷，啟動時有機負(fù)荷不宜過高，一般以0.1~0.3kg COD/(kg MLVSS.d)為宜，隨著顆粒污泥的形成，有機負(fù)荷可以逐步提高。