厌氧知识总结

1 厌氧生物处理的定义

废水厌氧生物处理是指在无机分子氧条件下，通过厌氧微生物（包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复杂的有机物分解转化成甲烷和二氧化碳的过程。厌氧菌主要包括：水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌。

2 厌氧原理

厌氧处理的机理比较复杂，由最初的二阶段理论发展到后来比较公认的三阶段理论。本文主要介绍一下三阶段理论，如图所示。

第一阶段 水解酸化

在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物，蛋白质与脂肪水解与发酵转化为蛋糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。由于该阶段能够将大分子有机物转化为小分子的可溶性有机物，故常用作好氧处理的前序工艺。后续部分将对水解酸化+好氧做详细介绍。

第二阶段 产氢产乙酸阶段

在产氢产乙酸菌的作用下，将第一阶段的产物转化为氢、二氧化碳和乙酸。其中乙酸被

第三阶段中产甲烷菌吸收合成甲烷利用掉。

第三阶段 产甲烷阶段

通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷: 4H 2+CO 2 CH 4+2H 2

另一组是对乙酸脱羧产生甲烷：

2CH 3COOH 2CH 4+2CO 2

复杂有机物较高级有机酸H 2CH 4

乙酸第一阶段第二阶段第三阶段

28%72%

24%

52%4%

76%20%

3 厌氧消化的条件

控制厌氧处理效率的基本因素有两类：

一类是基础因素，包括微生物量（污泥浓度）、营养、混合接触的状况、有机负荷等；

另一类是环境因素，如温度、pH、氧化还原电位，有毒物质等。

产甲烷细菌是决定厌氧消化效率的成败和主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。

●温度

产甲烷菌的温度范围为5~60℃。在35 ℃和53 ℃上下可以分别获得较高的消化效率，温度在40-45 ℃时，厌氧消化效率较低。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。严重时甚至停止产气。温度的暂时性突然性降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经回复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复

●营养

厌氧微生物对N、P的需求较小，厌氧法中C:N:P控制在200-300:5:1为宜。在C、H、P比例中，C、H比例对厌氧消化的影响更为重要。经研究表明，合适的C/N为10-18:1。

●有毒物质

所谓的有毒是相对的，任何一种物质对甲烷消化都有两方面的作用。关键在于他们的浓度界限。当在“毒阀”以下时，对产甲烷菌有促进作用，高于时则会起抑制作用。

●pH

pH值是厌氧消化过程中最重要的影响因素。主要原因是为产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适的pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌都会受到严重抑制。

厌氧体系实际上是一个pH缓冲体系，就一般系统来说，随着系统中脂肪酸的增加，系统pH下降，而产甲烷菌不但可以消耗脂肪酸，而且还会产生致碱物质使系统pH值回升。应保持系统有一定的碱度，维持系统的正常运行。

●有机负荷

在厌氧法中由于没有传氧的限制，故而厌氧反应器中可以保持较高的有机负荷和污泥浓度。但是由于产酸阶段的反应速率远远高于产甲烷阶段的反应速率，因此必须十分谨慎的选择和控制反应器的有机负荷，特别是在调试阶段，启动时必须以较低负荷来启动运行，避免反应器产生酸化现象。

4 厌氧处理相对于好氧处理的特点

4.1 优点

（1）应用范围广

因供氧限制，好氧法一般只适用于中低浓度的有机废水的处理，而厌氧即使用于高浓度有机废水，又适用于中低浓度的有机废水，厌氧法相比要比好氧法节能。

有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理时可降解的，如某些不溶性固体有机物，着色剂等。

对温度的适应范围较广。

（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，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。

废水有机物达到一定浓度后，沼气能量可以抵消消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度越高，能量剩余越多。

一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的十分之一。

（3）负荷高

通常好氧法的有机容积负荷为2—4kgBOD/(m3d)，而厌氧法为2—10kgBOD/(m3d)，高的可达到50kgBOD/(m3d)。

（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好

由于厌氧法产生的能量很少，仅能用于维持基本的生活使用。故而能被用来利用进行细胞增殖的能量更少，污泥量只有好氧法的5%~20%。

同时通过厌氧消化的污泥都比较稳定，剩余污泥的处理和处置都比较简单、运行费用低。

（5）氮磷营养需要量较少

好氧法一把要求BOD:N:P为100:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为100：:25:0.5，对氮磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐类较少。

（6）有杀菌作用

厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵，病毒等。

（7）污泥易贮存

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。

4.2 缺点

与废水的好氧生物处理工艺相比，废水厌氧生物处理工艺也存在着以下的明显缺点：

①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术要求；

②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；

③虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；

④厌氧生物处理的气味较大；

⑤对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。

5 常用的厌氧工艺介绍

5.1 早期的厌氧生物反应器

厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；主要代表有：①1881年法国Mouras的自动净化器：②1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③1895年，英国设计的化粪池（Septic T ank）；

④1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）等。

这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是：

①处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥；

②前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；

③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；

④停留时间很长，出水水质也较差；

⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。

5.2 厌氧消化池

随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。

一、消化池的类型与构造

厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水；它的主要作用是：①将污泥中的一部分有机物转化为沼气；②将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；③提高污泥的脱水性能；④使得污泥的体积减少1/2以上；

⑤使污泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。

1、消化池的类型：

消化池可以按其形状分为：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；也可以按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；或者还可以按其运行方式的不同分为：传统消化池和高速消化池。

1) 传统消化池：

传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设置加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统消化池的最大特点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为30~90天

2) 高速消化池

与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有加热和/或搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温（30~35 C）条件下，其HRT可以为15天左右，运行效果稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。

3) 两级串联消化池

两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1:1~1:4，一般为1:2。

2、消化池的构造

消化池一般由池顶、池底和池体三部分组成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一般为倒

圆锥形，有利于排放熟污泥。

1) 消化池内的搅拌：

在高速消化池内均设有搅拌装置，可以分为机械搅拌和沼气搅拌两种形式。其中的机械搅拌又分为：①泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌，一般与进料和池外加热合并一起进行；②螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；③水射器搅拌：利用污泥泵从消化池中抽取污泥后通过水射器喷射进入消化池，可以起到循环搅拌的作用。而沼气搅拌又可以分为：①气提式搅拌；②竖管式搅拌；③气体扩散式搅拌。

2) 消化池内的加热：

在高速消化池内一般需要将反应温度控制在中温范围内，即约为35 C左右，因此必须考虑对进入消化池的污泥或直接在消化池内部进行加热。消化池内的加热方式主要有：①池内蒸汽直接加热，其优点是设备简单，但容易造成局部污泥过热，会影响厌氧微生物的正常活动，而且蒸气直接通入池内会增加污泥的含水率；②池外加热：将进入消化池的污泥预热后再投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。

二、消化池的设计计算

消化池的设计计算的主要内容包括：①消化池体积的计算与池体设计；②消化池内搅拌设备的设计与计算；③消化池所需要的加热保温系统的设计与计算等。

1、消化池的池体设计

目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：

p

V V '=

式中：V ——消化池的有效容积，m 3；

V ’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m 3/d ；

p ——污泥投配率。

一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度为30~35?C 时，投配率p 可取6~18%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。

而国外则多按固体负荷率来计算消化池的有效容积，即：

v s

L G V =

式中：G s ——每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d ；

L v ——单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m 3.d 。

一般认为固体负荷率L v 值与污泥的含固率、消化池内的反应温度等有关，下表中的数据可供参考：

2、消化池的结构尺寸

在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下：

① 圆柱形池体的直径一般为6~35m ；

② 柱体高径之比为1：2；

③ 池总高与直径之比为0.8~1.0；

④ 池底坡度一般为0.08；

⑤ 池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m ；

⑥ 池顶至少设两个直径为0.7m 的人孔。

3、消化池的工艺管道

在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括：①污泥管：进泥管、出泥管、循环搅拌管；②上清液排放管；③溢流管；④沼气管；⑤取样管；等。

三、沼气的收集与利用

污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；沼气的热值很高（一般为21000~25000 kJ/m3，即5000~6000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。

1、污泥消化过程中沼气产量的估算：

沼气成分：一般认为CH450~70%，CO220~30%，H22~5%，N2~10%，微量H2S 等；沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥；产气率与污泥的性质、污泥投配率、污泥含水率、发酵温度等有关；当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为6~8%，产气率可达10~12 m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为6~8%，产气率可达22~26 m3沼气/m3生污泥；投配率为13~15%，产气率可达13~15 m3沼气/m3生污泥

2、沼气的收集：

在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。

3、沼气的贮存与利用：

一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的25~40%，即6~10h的产气量；注意防腐、防火。

5.3 现代高速厌氧生物反应器

厌氧消化技术发展上的第三个时期；1955年，Schroepter提出了厌氧接触法，主要是在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速消化池之后增设二沉池和污泥回流系统，并将其应用于有机废水的处理；处理能力提高，应用于食品包装废水的处理；标志着厌氧技术应用于有机废水处理的开端。

随后又相继出现了厌氧生物滤池AF(Anaerobic Filter)、上流式厌氧污泥床反应器UASB(Upflow Anaerobic Sludge Blanket)、厌氧附着膜膨胀床反应器AAFEB(Anaerobic Attached Film Expanded Bed)、厌氧流化床AFB(Anaerobic Fluidized Bed)等高效厌氧反应器，在这些厌氧反应器中，主要具有如下特点：微生物不呈悬浮生长状态，而是呈附着生长；

有机容积负荷大大提高，水力停留时间显著缩短；首先应用于高浓度有机工业废水的处理，如食品工业废水、酒精工业废水、发酵工业废水、造纸废水、制药工业废水、屠宰废水等；也有应用于城市废水的处理；如果与好氧生物处理工艺进行串联或组合，还可以同时实现脱氮和除磷；并对含有难降解有机物的工业废水具有较好的处理效果。

5.3.1 厌氧接触法（Anaerobic Contact Process ）

1、工艺流程与特点

从上述的工艺流程图中可看出，厌氧接触法工艺的最大的特点是污泥回流，由于增加了污泥回流，就使得消化池的HRT 与SRT 得以分离，即整个系统的污泥龄可以用下式进行计算：

W w e w c X Q X Q Q VX +-=

)(θ

在厌氧生物处理工艺中，由于厌氧细菌生长缓慢，基本可以作到不从系统中排放剩余污泥，则Q w = 0，则有：

e e c X X HRT QX VX ?==

θ 对于普通高速厌氧消化池，由于其X e = X ，所以其θc = HRT ，因此在中温条件下，为了满足产甲烷菌的生长繁殖，SRT 要求20~30d ，因此高速厌氧消化池的HRT 为20~30d 。

对于厌氧接触法，由于X >>X e ，所以HRT<

与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有：

①污泥浓度高，一般为5~10 gVSS/l ，抗冲击负荷能力强；

②有机容积负荷高，中温时，COD 负荷1~6 kgCOD/m 3.d ，去除率为70~80%；BOD 负荷

0.5~2.5 kgBOD/m 3.d ，去除率80~90%；

③出水水质较好；

④增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂；

⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。

在厌氧接触法工艺中，最大的问题是污泥的沉淀，因为厌氧污泥上一般总是附着有小的气泡，且由于污泥在二沉池中还具有活性，还会继续产生沼气，有可能导致已下沉的污泥上浮。

因此，必须采用有效的改进措施，主要有以下两种，即：① 真空脱气设备（真空度为500mmH 2O ）；② 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。

2、工艺计算与设计

消化池容积的计算：

有机容积负荷法：vCOD i L S Q V ?= vCOD L ——有机容积负荷，d m kgCOD ?3/。

5.3.2 厌氧生物滤池

1、工艺特征与主要型式

60年代末，美国的Young 和McCarty 首先开发出厌氧生物滤池；1972年以后，一批生产规模的厌氧生物滤池投入运行，它们所处理的废水的COD 浓度范围较宽，约在300~85000mg/l 之间，处理效果良好，运行管理方便；与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池

是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或向下流动时，废水中的有机物被截留、吸附及分解转化为甲烷和二氧化碳等。

根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式，即分别如下图所示：

从工艺运行的角度，厌氧生物滤池具有以下特点：

①厌氧生物滤池中的厌氧生物膜的厚度约为1~4mm；

②与好氧生物滤池一样，其生物固体浓度沿滤料层高度而有变化；

③降流式较升流式厌氧生物滤池中的生物固体浓度的分布更均匀；

④厌氧生物滤池适合于处理多种类型、浓度的有机废水，其有机负荷为0.2~16 kgCOD/m3.d；

⑤当进水COD浓度过高(>8000或12000mg/l)时，应采用出水回流的措施：减少碱度的要求；降低进水COD浓度；增大进水流量，改善进水分布条件。

与传统的厌氧生物处理工艺相比，厌氧滤池的突出优点是：①生物固体浓度高，有机负荷高；②SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；③启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易；④无需回流污泥，运行管理方便；⑤运行稳定性较好。而主要缺点是易堵塞，会给运行造成困难。

2、厌氧生物滤池的组成

厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。

5.3.3 升流式厌氧污泥层(床)(UASB)反应器

UASB反应器的英文全称为Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed) Reactor, 中文为上（升）流式厌氧污泥床（层）反应器，是由荷兰Wageningen农业大学的Gatze Lettinga 教授于上世纪70年代初开发出来的。

1、UASB反应器的基本原理与特征

UASB反应器的工作原理可用下图表示：

从上图中可以看出，UASB反应器具有如下的主要工艺特征：

①在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；

②在反应器底部设置了均匀布水系统；

③反应器内的污泥能形成颗粒污泥，所谓的颗粒污泥的特点是：直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。

上述工艺特征使得UASB反应器与前面已经述及的两种厌氧工艺——厌氧接触法以及厌氧生物滤池相比，具有如下的主要特点：

①污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；

②反应器的水力停留时间相应较短；

③反应器具有很高的容积负荷；

④不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水；

⑤UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑；

⑥无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率；

⑦一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用；

⑧构造简单，操作运行方便。

2、UASB反应器的组成

UASB反应器的主要组成部分包括：进水配水系统、反应区、三相分离器、出水系统、气室、浮渣收集系统、排泥系统等，下面将分别叙述：

1) 进水配水系统：

其功能主要有两个方面：①将废水均匀地分配到整个反应器的底部；②水力搅拌；一

个有效的进水配水系统是保证UASB反应器高效运行的关键之一。

2) 反应区：

反应区是UASB反应器中生化反应发生的主要场所，又分为污泥床区和污泥悬浮区，其中的污泥床区主要集中了大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所；而污泥悬浮区则是絮状污泥集中的区域。

3) 三相分离器：

三相分离器由沉淀区、回流缝和气封等组成；其主要功能有：①将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开；②保证出水水质；③保证反应器内污泥量；④有利于污泥颗粒化。

4) 出水系统：

出水系统的主要作用是将经过沉淀区后的出水均匀收集，并排出反应器。

5) 气室：

气室也称集气罩，其主要作用是收集沼气。

6) 浮渣收集系统：

浮渣收集系统的主要功能是清除沉淀区液面和气室液面的浮渣。

7) 排泥系统：

排泥系统的主要功能是均匀地排除反应器内的剩余污泥。

3、UASB反应器的型式

一般来说，UASB反应器主要有两种型式，即开敞式

UASB反应器和封闭式UASB反应器，分述如下。

1) 开敞式UASB反应器

开敞式UASB反应器的顶部不加密封，或仅加一层不

太密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；其构造

较简单，易于施工安装和维修。

2) 封闭式UASB反应器

封闭式UASB反应器的顶部加盖密封，这样在UASB

反应器内的液面与池顶之间形成气室；主要适用于高浓度

有机废水的处理；这种形式实际上与传统的厌氧消化池有

一定的类似，其池顶也可以做成浮动盖式。

在实际工程中，UASB的断面形状一般可以做成圆形或矩形，一般来说矩形断面便于三

相分离器的设计和施工；UASB反应器的主体常为钢结构或钢筋混凝土结构；UASB反应器一般不在反应器内部直接加热，而是将进入反应器的废水预先加热，而UASB反应器本身多采用保温措施。反应器内壁必须采取防腐措施，因为在厌氧反应过程中肯定会有较多的硫化氢或其它具有强腐蚀性的物质产生。

三相分离器的基本原理与构造如下图所示：

一般来说，在UASB反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式：

5.4 其它厌氧生物处理工艺

5.4.1 厌氧膨胀床和厌氧流化床

1) 基本原理：

在厌氧反应器内添加固体颗粒载体，常用的有石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒径一般为0.2~1mm。一般需要采用出水回流的方法使载体颗粒在反应器内膨胀或形成流化状态；一般将床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器称为膨胀床反应器；将上升流速增大到可以使载体在床体内自由运动而互不接触的反应器称为流化床反应器。

2) 主要特点：

细颗粒的载体为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，使床内的微生物浓度很高（一般可达30gVSS/l）；具有较高的有机容积负荷（10~40kgCOD/m3.d），水力停留时间较短；具有较好的耐冲击负荷的能力，运行较稳定；载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞；