水處理高級氧化技術chapter6

第六章生物氧化新技術

第-節(jié)生物氧化原理

所謂生物氧化.是指化學物質在細胞內所進行的氧化作用，也

稱細胞呼吸。自然界中存在著種類繁多的微生物，根據(jù)其代謝類

型，大致上町分自養(yǎng)和異養(yǎng)兩種，其中，自養(yǎng)微乍物又分為化能自

養(yǎng)和光能白養(yǎng)。化能白養(yǎng)微牛物以氧化尢機物獲取能量來固定C02

制造有機物而生活；光能白養(yǎng)微生物肯有光合色素，通過獲取光能

來固定C02制造有機物而生活。此二類均屬無機營養(yǎng)型生物。而

異養(yǎng)微生物以有機物作為主要營養(yǎng)料，屬于有機營養(yǎng)型牛物。異養(yǎng)

微生物亦分為兩類：一類為寄生微生物，它們生活在活的生物機體

內，數(shù)量不多，且多為致病莆。另一婁為腐生微生物，它們以死的

有機物取得營養(yǎng)物質而生長和繁殖，是細菌的大部分，在自然界物

質轉化中起決定作用。與有機污染物降解有關的主要是腐生微生

物，即異養(yǎng)微生物。

微生物對污水中有機污染物質的凈化過程，實質上是一種類似

于微生物培養(yǎng)的過程，有機污染物質作為培養(yǎng)基被捎耗，微生物則

依賴分解有機污染物質而得以生存與繁殖，首先，微生物在細胞休

外將大分子有機物如碳水化合物、蛋白質和脂肪等進行水解，使它

們轉化為小分于的簡單化合物，然后把它們吸人細胞體內進行氧化

分解，從中獲取能量，并將分解代謝產生的廢物如COa等排出體

外。攝取的能量被用于高能磷酸化合物的生成，即由ADP（二磷

酸腺甘）磷酸化為ATP（三磷酸腺甘），并作為其鍵能儲存起來。

微生物從事各種生理活動所需的能量，則由水解ATP分子中的高

能磷酸鍵獲得，

ATP是磷酸化酶的輔酶，為磷酸和能量的供體，其分子由一

分子腺喋吟、一分子棱糖和三分子的磷酸組成

000

IIII

腺噂吟一梭糖-<)—P--O-P—O-P--OH

I

OHOHOH

I-~AMP-一

卜ADP*

H-----------------ATP----------------->?

其中，“?”符號代表高能磷酸鍵。一般水解僅分解末端的高

能鍵，另一個高能磷酸鍵利用較少，即由ATP轉化為ADP.這就

是通常所稱的ATP循環(huán).如圖6.1所示。

X二入。

圖6"ATP循環(huán)(異養(yǎng)微生物)

OO00

I1IIATPfi

ATPO~PC-POH-ADPO-PQH+H-P—OH+能量

I+Hz|

OHOHOHOH

高能磷酸鍵每處鍵能為12000~418J/t001.當其裂斷時，可

釋放出740(f418J/tool的能量，該能量可產生10g新細胞，且

與取得ATP的初始底物無關。微生物在有氧和無氧條件下均能進行

氧化作用。根據(jù)生物氧化是否有分子氧參加，可將其分為兩種方

式：一種是有氧氧化，也稱有氧呼吸，許多好氣和兼性厭氣微生物

能利用空氣中的分子氧進行呼吸，稱為好氣微生物；另一種是無氧

氧化，亦稱無氧呼吸，指以非分子氧（其他氧化性物質）氧化其代

謝物，它又分為需種情況：一種是兼性厭氣微生物.它們能利用體

內的有機物來氧化代謝物，最終生成氧化不完全的產物，這種無氧

氧化常稱為“發(fā)酵作用”，氧化不徹底，釋放的能量少；另一種是

厭氣微生物，以無機物氧化代謝物，氧化較為徹底，但釋放的能量

不如有氧氧化方式多。

生物氧化反應一般彳i二種形式，即加氧、脫氫和失電子，從

氧

化作用的基本概念出發(fā)，生物氧化與微生物體外的化學氧化實質是

相I可的，即牛物氧化機制本質是電子的轉移。物質失電子被氧

化，一物質得電子被還原。但生物氧化過程與化學氧化過程畢竟不

完全相同，十物氧化過程是在活細胞體中進行的，而且必須要有酶

這樣一種特殊的生物催化劑參與，另外還需適宜的物理、化學環(huán)

境條件，釋放的能量主要以ATP的形式儲存起來，供需要時

使用。

從生物氧化與物質代謝的關系出發(fā)，在污水處理過程中，大多

數(shù)生物氧化反應足脫氟氧化，包括脫氧、遞鼠和受氫三個環(huán)節(jié)，被

處理有機物脫氫后被氧化，同時也釋放出一定的能量，但環(huán)境條件

不同，受氧體有別，在好氧條件下，以分子態(tài)氧作為受氫體，在厭

氧條件下，只能以化合態(tài)的氧、碳、硫、氮等作為堂氫體。

當廢水中的有機物被微生物去除時，存在兩個基本過程：①微

生物耗氧以獲得能量及新細胞的合成；②微生物本身在自己的細胞

組織中產生自氧化作用。反應可用下述方程表示：

有機物+<2'O2+N+P

K

“新細胞+C02+H20+非生物可降解細胞殘留物(6.1)

細胞+6'02?〃C02{H20十N+P十非生物可降解細胞殘留物

(6—2)

式中K—速率系數(shù)，與廢水中有機物或有機混合物的生物降解

廈有關；

n'一一有機物中被氧化成終端產物以獲得能量的部分所占的

分數(shù)；

a一有機物中被合成為細胞的部分所占分數(shù)；

b一每天被氧化的可降解生物體的分數(shù)；

6'一一氧化過程所需的氧量。

方程(61)中被除去的有機物的一小部分是不可降解的副產

品，在出水中以T0C或C0D的形式存在，但并不表現(xiàn)為B0D。

第二節(jié)先進高效的廢水厭氧處理反應器

一、概述

厭氧生物處理是廢水生物處理技術的一種，亦稱厭氧消化.是

在厭氧條件下，利用厭氧微生物的生命活動，使有機物分解并生成

甲烷和二氧化碳的過程，細胞合成及產生的能量很少，由于其主要

產物是甲烷，故亦稱為甲烷發(fā)酵或沼氣發(fā)酵。

厭氧生物處理技術距今已有百年以上的悠久歷史，在生恬與城

市污水的污泥處理，以及部分高濃度有機污水和有機廢料處理方面

均得到了有效的利用。

最早的厭氧生物處理構筑物是化糞池，主要用于居住房屋和公

用建筑的生活擂水的處理，在本世紀初很流行，曾在美、德、法等

國家得到較大的推廣，井｝詩用至今。在我國的很多大小城市中，

目

前也仍有不少化糞池在運行。

1950年，Morgan和Torpty經研究證明.機械攪拌不僅可以

去除消化池表面的浮渣，還可增加細菌（厭氧污泥）和污水之間的

接觸反應，從而提高厭氧處理的效率。同年，Stander注意到，菌

種保留在消化池中的重要性，并在厭氧“澄清消化池”中證實了這

一點。1951年，F(xiàn)uller首次報道了厭氧接觸消化池工藝的半生產

性試驗研究。1955年，Schroepher和他的同事參考了活性污泥法

流程開發(fā)r厭氧接觸法。它采用了二次沉淀池和污泥回流系統(tǒng)，使

厭氧消化池中生物量濃度得以提高。厭氧接觸法最先被應用于食品

工廠的廢水（料）處理，取得了很好的效果。至今，人們公認厭氧

接觸法的誕生，標志著厭氧消化工藝的發(fā)展進入了一個更新的

階段。

20世紀70年代以來，由于能源危機問題的出現(xiàn).世界各國將

開發(fā)新能諒與發(fā)展高效節(jié)能的廢水處理工藝相結合，由此涌現(xiàn)出一

批以提高厭氧微生物濃度和停留時問（sRT）,縮短液體停留時間

(HRT)為目標的新型反應器，即所謂的第二代廢水厭氧處理反應

器。其中典型的代表有：上流式厭氧池(AF.Young&Mecar.

tv,1972),下行式固定膜反應器(DSFF),上流式厭氧污泥床反

應器(UASB.Lettinga,1979),厭氧附著膜膨脹床(AAFEB,

JeweU,1980),扶氧流化床(AFB)等。

三十年的研究與實踐表明，第二代厭氧反應器解決了厭氧微生

物牛長緩慢和生物量易被液體洗出等不利于反應器高效運行的關

鍵

問題，具有其突出的特點，主要表現(xiàn)在：

(1)具有相當高的有機負荷和水力負荷，因而反應器的容器比

傳統(tǒng)裝置減少90%以上；

(2)在低溫、沖擊負荷、存在抑制物等不利條件下仍具有很高

的穩(wěn)定性；

(3)反應器建造簡單，結構緊湊，M而投資小，占地面積步，

適合于各種規(guī)模，并可作為運行單元被結合在整體的處理技術中：

(4)處理低濃度廢水的效率較高，具有與好氧處理競爭的能力;

(5)通常幾乎不需操作和管理費用，是能源凈生產過程。

廢水厭氧生物處理工藝的應用范圍日益廣闊，主要有：用于城

市存水處理廠存泥的穩(wěn)定化處理，用于高濃度有機工業(yè)廢水的處

理，與好氧過程串聯(lián)配合使用，用于城市污水的處理，包括去除有

機物、脫氮、除磷.用于含難降解有機物的工業(yè)廢水的處理。

人們發(fā)現(xiàn)為獲得較高的處理效率，厭氧處理系統(tǒng)還需要滿足另

一個條件，即取得進水和存泥之間的良好接觸。而要滿足此條件.

首先應該確保進水的均勻分布，以使污泥床內最大限度地避免短

流。對于厭氧反應器而青，混合來源于進水混合和產氣擾動兩個方

面。獲得高的攪拌強度可采用高的反應器的設計以獲得高的上升流

速或采用出水回流來取得。而對于進水無法采用高的水力和有機負

荷的情況，如工藝在低溫條件下只得采用低負荷時，由于在污泥床

內的混合強度太低以致無法抵消短流效應，從而使傳統(tǒng)及第二代厭

氧反應器的應用受到了限制。針對這一問題，研究者們進行了大量

研究，叉開發(fā)了第三代厭氧反應器，主要包括厭氧顆粒污泥膨脹床

(EGSB)、厭氧內循環(huán)反應器(Ic)等。

本節(jié)將主要對第二代和第三代高效廢水厭氧處理反應器中的

典

型代表作較為彈細的介紹、

二、厭氧生物濾池(AF)

厭氧生物濾他(AnaerobicBiofilter,簡稱AF)是公認的早期

高效厭氧生物反應器，是由美同Standford大學的Young和

Me(；arty于1967年在生物濾池的基礎上所研制的。

妖氧乍物濾池是種內部裝填有微生物載體(即濾料)的厭氧

生物反應器。厭氧微牛物部分附著乍K在濾料上，形成厭氧生物

膜，部分在濾料空隙司懇浮生長。廢水流經掛有生物膜的濾料時.

其中的有機物擴散到生物膜表面，并被生物膜巾的微生物降解轉化

為沼氣，凈化后的水通過排水設備排至池外，所產生的沼氣被收集

利片jo

1濾料

在厭氧生物濾池中，其巾心構造是濾料，濾料的主要功能是為

厭氧微生物提供附著生長的空間。濾料的形態(tài)、性質及其裝填方式

對濾池的凈化效果和運行有著重要影響。理想的濾料應具備以下

條件。

(1)比表面積大，一般說來，比表面積越大，可以承受的有機

負荷越高，有利于增加隹物總量。

(2)具有高孔隙率，｝L隙率越高，在同容積的反應器中，當處

理水量一樣時，污水的實際停留時間越長，反應器的容積利用系數(shù)

越高，而且高孔隙率對防止濾池堵塞，防止產生短流均有好處。

(3)利于生物膜附著生長，如表面粗糙的濾料比表面光滑的濾

料為佳。

(4)具有足夠的機械強度，不易破損或流失。

(5)化學和生物學穩(wěn)定性好，不易受廢水中化學物質的侵蝕和

微生物的分解破壞，也無有害物質溶出，使用壽命較長。

(6)質輕，使厭氧生物濾池的結構荷載較小。

(7)價廉，取材方便，以利于降低厭氧生物濾池的基建投資。

在生產及試驗研究中最常用的濾料有實心塊狀濾料、空心塊狀

濾料、管流型濾料、纖維濾料等，具體形狀如圖6.2所示。

圈6-2版氧生物濾池的幾種濾料

(1)實心塊狀濾料：此類濾料價格低廉且容易得到.但質重、

比表面積小，jL隙率低。采用此類濾料的濾池，生物量濃度低，

限

制r有機負荷，僅為3—6kgC0D/(nl3?d),在運行中易發(fā)生局部

濾層堵塞以肚隨之產生的短流現(xiàn)象，影響運行效果；較常用的為直

徑3【】?45ram的礫石、碎石等。

(2)空心塊狀濾料：呈圓柱形或球形，內部有形狀、大小各異

的孔隙。其比面積和孔隙率均較實心塊狀濾料有很大增加，可以增

大生物量濃度及相應的處理能力，減少濾料層的堵塞現(xiàn)象。此類濾

料多用塑料制成，較常用的有波爾環(huán)等。

(3)管流型濾料：可形成管道農流，比表面積達100?200

m2/m3,孔隙率為80%?90%,分別是實心塊狀濾料的2?5倍和

15倍左右，采用此類濾料可獲得較高的生物量濃度，使厭氧生物

濾他的有機負荷達5?15kgCOD/(iq23?d),且運行時不易堵塞。

該

種濾料質輕，穩(wěn)定，但價格較高。

(4)交衛(wèi)流型濾料.由不同傾斜方向的波紋管或蜂窩管所組

成，傾斜角一般為60。。當水流經濾層時，呈交叉形(或稱折流

形)流向，其比表面積和孔隙率與管流形濾料相近，但COD去除

率高，工作特性較好，應用日益廣泛。

(5)纖維濾料：比表面積和孔隙率均較大，廢水流經濾池時，

纖維隨水漂浮，可增強其上的生物膜與廢水接觸效果.提高有機物

的傳質效率。同時由于水流的剪切作用，還可使生物膜厚度不致過

大，以保證較高的生物活性和良好的傳質條件，但采用軟性纖維填

料時，生物膜易產牛結幽現(xiàn)象，常用的纖維濾料有軟1主尼尼纖維

濾

料、半軟性聚乙烯、聚丙烯濾料、彈性聚苯乙烯濾料等。

2構造特征

版氧中物濾池根據(jù)水流方向的不同，町分為上流式和降流式兩

大類，降流式厭氧生物濾池亦稱下流J￡固定膜反應器(DSFF)

近年束叉卅現(xiàn)r一種升流J=l=混合刑厭氧反應器，如圖63所示。

厭氧生物濾池除濾料外.還設有布水系統(tǒng)和沼氣收集系統(tǒng).布

水系統(tǒng)的作片】足使進水分布均勻，為防止被堵塞，其孔口大小及

流

速應選用及控制適當.：褶氣收集系統(tǒng)的作用是收集產生的沼氣作

為

能源加以利用，沼氣收集系統(tǒng)上沒有水封、氣體流量計及安全火

炬。厭氧生物濾池多為封閉型，nj以保證良好的厭氧環(huán)境并盡町

能

多地收集褶氣，其中濾料層低于廢水水位，處于淹沒狀態(tài)。

上流式厭氧生物濾池的布水系統(tǒng)設于池底，廢水由底部進入濾

池后均勻地向上流動，在濾料表面附著的與濾料截留的大量微生物

的作用下，廢水中的有機物叮被降解轉化成甲烷與二氧化碳等，凈

化后的出水從池頂引出池外，褶氣由頂部的沼氣收集管收集，池內

的生物膜也不斷新陳代謝，脫落的生物膜隨出水帶出，故濾池后還

需設置沉淀分離裝置。目前在運行的大多數(shù)厭氧濾池都是升流式厭

氧濾池，平面形狀呈圓形，直徑6?26ram,高度3?13mm。

下流式厭氧濾池中，布水系統(tǒng)設于池頂，廢水由頂部均勻向下

直流到底部，生物反應產唯的氣體的流動呵起一定的攪拌作用，因

而勿需復雜的配水系統(tǒng)，微生物附著在定向排列的濾料r,起降解

有機物的作用，這種反應器不易堵塞，但同體沉積在濾池底部亦會

給操作帶來一定的困難。

而新近出現(xiàn)的1流式餛舍喇坡氧反應器綜合了上流式厭氧污

泥

床與上流式服氧生物濾池的特點，減小了濾料層的厚度，在濾池布

水系統(tǒng)與濾料層之間留卅r定的空間，使呈懸浮狀態(tài)的顆粒污泥

在其中生長、累積，增加了反應器中的總生物量，減少了濾池被堵

塞的可能性，與升流式震氧污混床相比，可不設」相分離器，節(jié)省

了基建費用。其濾池層高度與濾池總高之比，宜采用2/3,

3運行特征

厭氧生物濾池適用于不同類型，不同濃度有機廢水的處理，其

有機負荷決定于廢水性質及濃度，一般為02-16kg｛；0D/

濾池中生物膜厚度約為1?4mm,生物量濃度沿濾料層高度而變

化，如上流式厭氧生物濾池底部的生物量濃度可達其頂部的兒f

倍。實際運行結果表明，在相同水質條件及水力停留時間下，上流

式厭氧生物濾池的COD去除率比降流式的要高.升流式混合型

氧反應器則具更多運行上的優(yōu)點。

處理溫度是影響厭氧生物濾池處理效果的因素之一。厭氧生物

濾池大多在中溫條件（35C左右）下運行：溫度降低會影響處理效

率，經驗表明，溫度驟降會使教率下降幅度增大，而若長時間穩(wěn)定

在較低溫的條件下運行，則會由于濾池中很長的固體停留時間而使

溫度影響減弱，故為了符約加溫所需能量，亦可在常溫下運行。

濾池高度對處理效果也有一定影響。研究表明，絕大部分的

COD是在04m以下被去除的，因此濾池內填料高度不必超過

12m,可采用多級串聯(lián)工藝。如二級周期運行方式就是采用兩個厭

氧生物濾池串聯(lián)，并周期性地交替作為第一級和第二級，這種運行

方式可使第一級濾池出水的COD顯著降低，并在第二級濾池中進一

步得到凈化，提高了污水處理效果，同時由于進人第二級的有機物

量減少，造成了生物量生長速率降低，從而減少了剩余污泥量。

采川t流式厭氧生物濾池，應注意當廢水中懸浮固體濃度大于

to%的COD濃度時，為防止濾層堵塞現(xiàn)象發(fā)1,成進行適當?shù)念A

處理以降低進水懸浮物濃度而舞驗表明，采用降流式厭氧生物濾

池處理懸浮周體濃度為3000~8000rag/11的廢水時不會發(fā)'F堵塞，

故往往不需進行預處理。

4應用

膚氧生物濾池主要應用于處理溶解俳有機廢水腐氧牛物濾池

處理乍話污水研究的部分成果如表6L所示.處嬋T、陋廢水研究的

部分成果如表62所示。

表6.1AF處理生活廢水研究的部分成果

體積/溫度/HRT/'有機負荷/進水濃度/去除率/

n?Vh[kgCOIV(mJ-d)：%

(01)=230,9-410.156,9-71.8

0.008911.0-27.84或60.53'0.71BOD-134.9^172.061.5-78.5

SS=49.0-86.957,1-81,5

COD28873

0.01620-3024E32BOD=18179

SS=U873

BOD=150-22281-87

1322-248.677

SS-200-25091?97

BOD53

10213

SS69

BOD=100-15055

1912'24

SS75

COD50

190>209700.35-1.2BOD63

SS80

21242.3159.3-77.9

0.037617-23COD=200?30。

觸8<4.5458.2-63.2

0.039318-3760.37.0(：()[)=100~30060

自80年代初，厭氧生物濾池在美國、加拿大等國已被廣泛應

用于各種不同類型廢水的處理，其中最大的厭氧生物濾池容積達

12500m,大部分的運行溫度為中溫(30?80℃),有機負荷為

L]115kgC0D/(mo?d)不等.較常用的為4~8kg/(m'。d),

COD去除率在60%〃-95%范圍內變動,

表6-2AF處理工業(yè)廢水研究的部分成果

容積負荷…

處理溫度進水COI),,「cn去除運行HRT

廢水類型<kg5OD率，％備注

/V/(g/IJ方式，h

354.08.09412

制藥廢水358.08.095小試241978年

3516,08.09848

22-2316.08.08148

蔬菜陵水22-2316.Q16,086小試2419K0年

22-2316.U32.09()12

人1.合成廢水3。8.702.5-1079-93小試1981年

檸檬酸廢水366.8-9.13.1673小試481993年

酢母菌廢水368,7716,483.065小試601993年

5510-500.79'6.7667-7853-372

海魚加工廢水小試1995年

3710~500.76-7.5067-'77；48-415

印染廢水350,21-2.230.5-2.070-86.6小試18.31995年

5評價

厭氧生物濾池具有以下優(yōu)點：

(1)處理能力比一般消化池高；

(2)生物量濃度高，可獲得較高的有機負荷；

(3)不需要專門的攪拌設備，裝置簡單，工藝本身能耗??；

(4)微生物菌體停留時間長，可縮短水的停留時間，耐沖擊負

荷能力也較強；

⑸不需回流污泥，運行管理方便;

(6)在處理水量和負荷有較大變化的情況F.運行能保持較大

的穩(wěn)定性。

厭氧生物濾池的主要缺點是：濾池容易堵塞，尤其是底部，故

主要適用干含懸浮物較低的溶解性有機廢水；對布水裝置要求較

高，否則易發(fā)生短流，影響處理效果；另外濾池的清洗至今還沒有

找到簡單有效的方法。

三、上流式厭氧污泥床反應器(UASB)

r流式厭氧污泥床反應器(UpflowAnerobicSludgeBlanket.

簡稱UASB)是由荷蘭Wageningen農業(yè)大學的G.Lettinga教授

等人在70年Jt研制殲發(fā)的反應囂經歷了360L.6n。'.30m3

200nl3的逐次放大，迄今最大的設備容積已達5500m3。繼荷蘭之

后，德國、瑞典等國也相繼開展丁許多研究工作。國內對UASB

污泥懸浮層區(qū)

進水

圖6.t,ASB匣應器T作悚理示意圖

的研究是由北京環(huán)境保護

科學研究所干70年代末首

先開始的，在溶劑、酒精、

肉類加T、纖維板等生產廢

水的處理方面，均取得了良

好的處理效果，

1工作原理

UASB反應器如圖6.4

所示。其主體部分是一個無

填料的卒容器，分為反應區(qū)

和沉降區(qū)兩部分。反應區(qū)根

據(jù)污板的分布情況義可分為污泥懇浮層區(qū)和污泥床區(qū)。污泥床主要

由沉淀和凝聚性能良好的厭氧污泥組成，濃度可達50?tOOgSS/

或更高。污泥懸浮層主要靠反應過程中產生的氣體的上升攪拌作用

形成，擰泥濃度較低，一般在5-40gSS/L范圍內。UASB裝置的

最大特點在于其上部設置了一個專用的氣（沼氣）液（廢水），固

（污泥）三相分離器。

當反應器運行時，廢水以一定流速從底部布水系統(tǒng)進入反應

器，通過污泥床向上流動，料液與污泥中的微生物得以充分接觸并

進行生物降解，生成招氣，沼氣以微小氣泡的形式不斷放出。微小

氣泡在上升過程中將污泥托起，即使在較低負荷下也能看到污泥床

有明顯膨脹。隨著產氣量增加，這種攪拌混合作用加強，減少了_

污

泥中夾帶的氣體釋放的阻力，氣體便從污泥床內突發(fā)性逸出，Of

起

污泥床表面略呈沸騰流化狀態(tài)。沉淀陛能不太好的污泥?；蛐躞w在

氣體的攪動下，于反應器上部形成懸浮污泥層。氣、水、泥混合液

上升至■相分離器內，沼氣在上升過程中碰到反射板受偏折.穿過

水層進入氣室，由導管排出反應器=脫氣后的混合液進人上部靜置

圖6-5兩種不同池頂?shù)腢ASB反應器

(a)開敞式UASB反應器；(b)封閉式UASB反應器

開敞式UASB反應器特點是出水水面是敞開的，或加一層不

密封的蓋板。這種型式的反應器構造簡單，便于施工安裝、操作管

理與維修，適用于中低濃度有機廢水的處理。

封閉式UASB反直器的特點是頂部加蓋密封，在出水水面與

池頂之間形成一個大的氣室，町“同時收集反應區(qū)和沉淀廈產生的

褶氣。這種反應器適用于處理高濃度有機廢水或含硫酸鹽較高的有

機廢水.其池蓋亦可為浮蓋式。

劇6.6為UASB反應器構造剖面舟。

目66UASBK廣NJNFd

1日&女.2*#*MB.3'L$,4'?悼#《，

5W女§%。，6mNoH,7mm#,目.qm#

不論是封1圳式，抑或開敞式UASB反應器，其基本組成大致

相同，主要包括以下幾個部分。

(1)進水配水系統(tǒng)進水配水系統(tǒng)的功能主要是將廢水均勻分

配到整個反應器，并進行水力攪拌，是反應器高教運行的關鍵

之一。

從水泵來的廢水通過配水設備流人布水管。配水設備足由一根

可旋轉的配水管與配水槽構成，配水槽為圓環(huán)形，被分隔成若_『=

單

元，每個單元與一通進反應器的布水管相連.從水泵來的水管與可

旋轉的配水管相連接。工作時配球管旋轉，在一定的時間間隔內，

污水流進配水槽的一個單兀，由此流進一根布水管進入反應器。

布水點設干反應器的底平面上，為使基質與污泥接觸充分，庇

進行合理設置。布水點均勻分布在池底r,且高度不同。根據(jù)有關

資料與研究實踐，認為布水的不均勻系數(shù)為()95時，可達到布水

均勻的目的。荷蘭研究者提出，在裝置放大時應按比例增加布水點

的數(shù)量，使得每5m2底面積有一個布水點。這種布水方式對于整

個反麻器來說星連續(xù)進水，而對于每個布水點咖一，則是間斷進

水，布水管的瞬時流量與整個反應器流量相等.

在生產運行裝置中所采用的進水方式大致可分為間隙式、脈沖

式、連續(xù)均勻流、連續(xù)與問隙回流相結合等幾種i

(2)反應區(qū)反應區(qū)是反應器的主要部分，如前所述，其中包

括污泥床區(qū)和污拋懸浮層區(qū)，廢水中有機物主要在此處被厭氧菌所

分解。

(3)三相分離器三相分離器的作用是把沼氣、污泥和液體分

開；UASB反應器所具有的這種分離囂是考慮到厭氧r藝細菌生長

速率很慢這一特點而設計的，由沉淀區(qū)、凹流縫和氣封組成。污泥

經沉淀區(qū)沉淀后由回流縫直接回流到反應區(qū)，保證流失的于虧拋量

小

于在反應器內的生成量，儲氣繹分離后進人氣電。三相分離器的分

離效果將直接影響反應器的處理效果。

(4)出水系統(tǒng)出水的均勻排出是保證反應器均勻穩(wěn)定運行的

關鍵因素之一，尤其足對固液分離的影響較大。通常每個單元三相

分離器設?出水槽。當UASB反應器為封閉式時，總出水管必須

通過一個水封.以防漏氣和確保震氧條什。當處理廢水中舍蛋白質

和脂肪或臺有大量懸浮固體時，出水一般也夾帶有大量懸浮固體或

漂流污泥，為減少出水懸浮同體量，在m水槽前應設置擋板，m提

高出水水質。

(5)氣室氣摩亦稱集氣罩，作用是收集處理過程中產生的褶

氣，氣室t方開口連有導管，引導沼氣排入水封。

(6)浮渣清除系統(tǒng)在廢水處理過程中，尤其是處理含蛋白質

和脂肪較高的1T業(yè)廢水時，在氣室和反應器液面會形成一層較厚

的

浮渣層.影響反應器的正常運行.如阻礙緇氣的順利釋放，堵塞導

管，使部分褶氣從沉漣區(qū)逸出，干擾沉淀區(qū)的沉淀效果等，故需設

置浮渣清除系統(tǒng)=在沉淀IX液面產生的浮渣層.可用刮渣機清除；

在氣室產生的浮渣，較難清除，必須設置沖洗管和循環(huán)水泵(或氣

泵)，定期進行循環(huán)水或沼氣反沖。

(7)排泥系統(tǒng)UASB反應器污泥床區(qū)均勻排泥也是影響反應

器正常工作的重要困素。若集中在一點排泥，則污泥床的污泥分布

不均.排混u附近的污泥濃度會大大降低，從而影響該處廢水的處

理效果，故應將排泥點均勻設置在池底，-一般每10m-~|殳一個排

泥

i1,當采用穿孔管配水系統(tǒng)時，可同時把穿孔管兼作排泥管。為

防

堵塞，專設排泥管管徑一般在200ram以上。為方便運行，町在反

應器半高處或三相分離器下05m處再設一排泥口，沿反應器高度

均勻設5?6個污泥取樣管。

3厭氧污泥顆粒

UASB『藝能夠以從未有過的高負荷處理廢水早為人們所熟

知，其最螢要的原因在下反應器內以產甲烷菌為主體的厭氧微生物

形成丁1?5ram的顆粒污洗.換言之，能夠形成顆粒化污泥是

UASB反應器的突出特點；

事實證明，若反直器內的污怩以松散的絮狀體存在，容易出現(xiàn)

污泥上浮流失，使反應器不能在較高的負荷下穩(wěn)定運行。而顆粒污

泥能長期保持形態(tài)t的穩(wěn)定性，生產裝置在形成顆粒污泥后，能夠

長期擁有良好沉降陣能的污泥，并能為新裝置提供顆粒污泥作為接

種物，從而加陜新裝置的啟動過程，使反麻器能高效穩(wěn)定運i,。

(1)厭氧顆粒污泥的基本特性

①物理性質厭氧顆粒污泥的形狀不規(guī)則，一般呈球形或橢

球形。成熟的厭氧顆粒污泥(簡稱顆粒污泥)具有清晰的表面邊

界，其直徑在014--5mm左右，最大直徑可達7ram。

顆粒污拋的顏色通常為黑色或灰色，但也有人曾觀察到白色的

顆粒污泥。顆粒污泥的顏色與處理條件有著密切的關系.尤其是與

Fe、N?、Co等金屬的硫化物有關。Kosaric等發(fā)現(xiàn)當顆粒污泥中

的

硫鐵比值較低時，顆粒呈黑色。

顆粒污銅的密度約在1030?1080kg/m3之間。密度與顆粒直

徑之間的關系迄今尚未完全確定，一般認為污泥的密度隨直徑的增

大而減小。

顆粒污泥表面有許多孔隙和洲穴，這些孔隙和洞穴是基質傳遞

的通道，氣體也可經此輸送出去。直徑較大的顆粒污泥往往有一個

空腔，這是由于基質不足mJ引起細胞自溶造成的，大而空的顆粒

污

泥容易被水流沖出或被水流剪切成碎片，成為新生顆粒污泥的內

核。顆粒污泥的孔隙率在40%80%之間，小顆粒污泥孔隙率高

而大顆粒污泥孔隙率低，因此小顆粒污泥具有更強的生命力和相對

高的產甲烷恬性。

顆粒污泥有良好的沉降性能.沉降速度范圍為18?lOOmAl

根據(jù)沉降速率町將顆粒污泥分為=-類：④沉降陛能不好，18?

20m/「；②沉降性能滿意，20—50m/h；③沉降性能很好，5()?

100m/ho后兩種屬于良好的污泥也有幾得到過7q~180m/h沉

降速度的顆粒污泥。

②化學特陛顆粒污泥的干重(I'SS)是揮發(fā)。陀懸浮物

(VSS)與灰分(ASH)之和。VSS主更由細胞和胞外有機物組

成，通常情況下VSS占污泥總量的比例是70%—90%。11!虹粒污拋

巾一般含(、405%,H約為7%,N約10%左右。

a無機組分由于生長基質和培養(yǎng)溫度條件的不同，顆粒污

泥中的無機灰分含量有較大差異，通常在8%-66%范制之間。在

中溫條件下.復雜基質培養(yǎng)的顆粒污泥的臟分比中溫培養(yǎng)高15

倍。研究表明，灰分的增加將提高顆粒污泥的密度，提高其沉降性

能，但過高的灰分會降低污泥的孔隙率，影響基質在顆粒污泥中的

擴散。

顆粒污泥中Fe、('a、si、P、s均為大量元素，Ca、Mg、Fe

和其他些金屬離子可能以碳酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽或硫化物的形

式存在于顆粒污泥中?；|中少量Ca2,對顆?；^程具有積極的

促進作用：①Ca2,可中和細菌表面的負電荷，從而使細菌凝聚；

②顆粒污泥中Caoo可與C02生成CaC03晶體，增加污泥的比重，

改善顆粒亍虧板的沉降性能；③caO'能穩(wěn)定細胞外分泌出的多糖體，

形成藻蛋白酸鹽凝膠，粘結各種生物體，同時還作為細胞表而之間

的連接體。一般認為，Ca2'濃度以80?150mg/L為宜，過高的

Caz'濃度會降低污泥的活性。

b胞外多聚物用掃描和透射電鏡觀察顆粒污泥，經?？梢?/p>

發(fā)現(xiàn)一些細菌表面分出有一層薄薄的粘液層，即胞外多聚物(Ex

tr8CellularPolymers,簡稱ECP)。厭氧污泥與好氧污泥分泌的

E('P成分有根大差異.好氧污泥的ECP以碳水化合物為主，J“最

約為厭氧污泥的4?7倍。厭氧顆粒污泥中ECP的含量一般在

06%?20%VSS范圍內，其主要成分是蛋白質和胞外聚多糖

(ExtraCellularPolvsaccEarides,簡稱EPS),還有類脂質、核

酸等

物質，ECI,中蛋白質與聚多糖的數(shù)量比多在2：1到61之間.聚

多糖的主要啦糖成分有：鼠梨糖、巖藻糖、什露糖胺.有時也能發(fā)

現(xiàn)核糖成分。

顆粒污泥中的許多厭氧細菌都可產生ECP,如甲酸甲烷桿菌

和嶼氏甲烷八疊茴等；ECt,的產節(jié)量和顆粒污泥的生長條件有關,

高溫下，顆粒污泥的ECP濃度小于中溫條件.但ECP的基奉組成

相同，在低磷和低氮條件下ECP的產生量有較大提島.EPS的產

牛量分別提高685%和741%0

(2)厭氧顆粒污泥的微生物相顆粒污泥本質上是多種微生物

的聚集體，主要由厭氧消化微生物組成。顆粒悸泥中參與分解復雜

有機物、隹成甲烷的厭氧細菌可分為三婁：①水解發(fā)酵菌，對有機

物進行最初的分解，生成有機酸和酒精；②產乙酸菌，對有機酸和

酒精進一步分解利用；③產甲烷菌，將H：、CO。、乙酸以及其他

一磐簡單化合物轉化成為甲烷。水解發(fā)酵菌、產乙酸菌和產甲烷細

菌在顆粒污泥內生長、繁殖，各種細菌互營互生，菌絲突錯相互結

合形成復雜的菌群結構，增加了微生物組成鑒定的復雜陛。

研究發(fā)現(xiàn)，72%的甲烷足通過己酸轉化的，顆粒污泥中已發(fā)現(xiàn)

的產甲烷菌中，甲烷髦毛菌和甲烷八替球菌是惟一兩種能代謝乙酸

的產甲烷菌。甲烷髦毛菌只能在乙酸基質中生長.在絕大多數(shù)顆粒

污泥中，都能發(fā)現(xiàn)甲烷髦毛菌。觀察到的形態(tài)有兩種：一種是多個

桿狀細胞組成的絲束狀.另一種是四、五個細胞組成的桿狀菌。甲

烷髦毛菌在顆粒污濺形成過程中具有重要的作朋，能為其他細菌提

供相連接的網絡結構。甲烷八疊球菌有較強的成團能力，在中溫愕

泥中較少能觀察到，而在高溫污泥和高乙酸基質中常見到其蹤影。

甲烷八疊球菌可以利用的基質較多，有乙酸、甲醇、甲胺，有時也

可利用H2和C02；甲烷八疊球菌以甲醇為基質比以其他有機物為

基

307

質生長速度快-在乙酸基質中.甲烷八疊球菌的比增長速度Jmax

0.3d1）高于甲烷髦毛菌（〃皿,。."-）,但其對基質的親和力較

低，半飽和常數(shù)K、-3~5mmol/L,甲烷肇毛菌的基質親和力強，半

飽和常數(shù)K.=0.5-0.7mmol/Lc因此，當乙酸濃度較低時，甲烷塔

毛的占優(yōu)勢；當乙酸濃度較高時，甲烷八疊球菌占優(yōu)勢°

氫營養(yǎng)型產甲烷菌是顆粒污泥中另一種重要的產甲烷菌，包括

甲烷短桿第、甲烷桿菌、甲烷球菌、甲烷螺菌等.

（3）厭氧顆粒污泥的形成過程顆?；^程是單一分散厭氧微

生物聚集生長成顆粒污泥的過程，比較復雜而且持續(xù)時間長,

根據(jù)反應器內污泥形成的形態(tài)和達到的COD容積負荷，可將

污泥顆?；^程大致分為以下三個運行期。

①啟動運行期：從接種污泥開始到反應器的COD容積負荷達

到5kgeOD/（m3?d）左右，此時沉淀性能較好的污泥已不被沖洗

流失，

②顆粒污泥出現(xiàn)期：小顆粒污泥開始出現(xiàn)，當反應器內的總

SS量和總VSS豉降至最低時，本運行期即告結束。

③顆粒污泥成熟期：顆粒污泥大量形成，由下而上逐步充滿

整個反應器。當反應器容積負荷達16kgeOD/（nrKd）以上時，即

可認為顆粒污泥培養(yǎng)成熟。

表6-3歸納了三個不同運行期的一些特點。

表6-3污泥飄粒化過程中三個不同運行期的特點

項0啟動運行期顆粒污泥出現(xiàn)期顆粒污泥成熟期

污泥形態(tài)分散或紫狀紫狀及顆粒狀顆粒狀為主

懸浮層區(qū)與污泥床區(qū)的界限有不清楚有

懸浮層區(qū)S5濃度/（￡乙）低(<10)較高（18-24）低(6-16)

污泥匕浮同施無有無

云泥沉降性能一般不大好好

是否夔從懸浮區(qū)排泥不要要一直東婺

原牛.動物纖毛蟲少量纖毛蟲纖毛蟲罕見

其中第一階段是決定污泥結構的重要階段°一般來說，細菌與

基體之間存在排斥力會阻礙曲者的接近，仇離F強度的政變，

Ca2,、Mg2'的電荷中和作用以及ECP的作刷叫以使排斥位能降

低，從咖促進細菌向基體接近。細菌與基體接近后，通過細菌的附

屬物如甲烷髦毛瀚的菌絲，或通過多聚物的粘接，將細菌粘接到基

體上，隨著粘接到基體上的綁菌數(shù)目的增多，形成多種微生物群系

互營發(fā)生的聚集體，即具有初步代謝作用的微污拋體，微生物聚集

體在適宜的條件下，各種微生物競相繁殖，最終形成沉降性能良

好、產甲烷活性高的顆粒污泥。

目前，大多數(shù)學說著眼于顆?；谝浑A段，對第一、二階段的

研究工作則不多見。針對基體的不同，研究者提出丁不同的顆粒污

泥形成機制，

Macleod等根據(jù)電鏡觀察到顆粒污泥中各菌群呈有規(guī)律的分層

分布，如圖6.7所示，由此得出結論，認為甲烷髦毛菌相互聚集

在

一起形成具有框架結構的內核，從而使為其提供乙酸基質的產乙酸

菌以盟氫營養(yǎng)菌附著其上.最后是發(fā)酵性細菌（產酸菌及其他氧營

養(yǎng)菌）在外圍生長，由此形成顆粒污泥;

（（----------產酸菌

nr\/—甲位星型細菌、產氧產乙酸菌

毛菌

圖67Macleod的結構模型

吳唯民等人在脂肪酸降解顆粒污泥的形成過程中發(fā)現(xiàn)，甲醴甲

烷桿菌先粘連在馬氏甲烷八疊球菌上形成聚集體，而甲酸甲烷桿

菌、甲烷髦毛菌、丁酸降解菌構成互營內酸丁酸降解聚集體，最

后兩類聚集體通過甲酸甲烷桿菌的連接形成顆粒污拋，形成過程如

圖6培所示。

二次棱學I兌認為營養(yǎng)不足的衰弱顆粒污泥，在水流剪切力作

用下，破裂成碎片.污泥碎片ri］作為新的二次棱，重新形成顆

粒污—混。，Grotenhu-s及其合作者分別用高低濃度基質培養(yǎng)顆粒

圖68有機揮發(fā)酸顆粒污視形成模型

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現(xiàn)前者形成顆粒牲徑較大，而后者的粒徑較小，據(jù)此提出了二次核

形成的橫刑，如圖69所示。其他研究者也提出了類似的二次核形

成模型、，二次棱學說較好地解釋了加-少量顆粒污泥可加速顆粒化

進程以及顆粒污桃的不同生產階段其內部菌體具有不同分布的現(xiàn)

象，已為大多數(shù)研究者接受。

圖69顆粒污泥形成二提核的可能途往

a、b一顆粒中基質充足；c一顆粒中心基質被消耗；d一顆粒生長，

消耗區(qū)域增大，顆粒中心強度下降；，一顆粒被水流典切破裂

(4)顆粒污泥的培養(yǎng)條件

①營養(yǎng)條件培養(yǎng)顆粒污泥的碳、氮、磷比例約為75，5lo氮

源不足時，可添加氮肥、含氮量高的糞便、氫基酸輔及剩余話性污

泥等；磷源不足時.可適當投加磷肥；適量的碳振對反應器微生物

的最佳生長的活性具有重要影響，碳源濃度的增加應有一個限度，

若超過限度，微生物的生長率就會下降，這一影響即為通常所說的

基質抑制，碳水化臺物基質抑制的維度-艘約為100—150g幾。

微量元素對厭氧微1士物也有較為重要的影響，投人適當?shù)你y、

鉆、鋁元素及投加硫酸鋅等有利于提高污泥的產甲烷活性

進水COD濃度在1500?4000mgTl。較好.進水濃度更島時，

可采用同流部分處理水或脈沖間歇進水的方法，

②運行控制條件影響li怩顆?；M程最主要的運行檸制條

件是污泥('0D負荷。在中溫發(fā)酵條件F發(fā)現(xiàn)，當污泥COD負荷

達03kg/(kgVSS-d)時，便有顆粒產生，當污泥(0D負荷超過

06kg/(kgVSS?d)時，污泥顆?；瘜⑦M行得十分迅速。、故當啟動

運行期結束，府盡快將污泥COD負荷提高到06kg/(kgVSS-d)

或更高。

表面水力負荷也是影響污泥顆?；M程的運行控制條件之一.

采用較高的表面水力負荷，能將顆粘—污泥出現(xiàn)期形成的小顆粒污泥

和絮狀污泥分開，有利于污泥顆?；?。試驗表明水力負荷在

030m3/(ill3?h)以r時,對水力分級非常有利。

③環(huán)境條件培養(yǎng)顆粒污泥應在巾溫范圍(33-41%、)為宜，

溫度過高會造成顆粒破壞.使污泥大量流失。pH值應保持在

65?72之問.對于眥碳水化合物為主的廢水進水堿度與COD之

比應大于1：3O

④其他廢水中最好具肯一定的硬度(如13德國度)，若硬

度過低，可考慮補充少昔的鈣，以便能使烤泥迅速宴現(xiàn)顆?；?/p>

接種污泥最好有一定的產甲烷活性，以縮短培養(yǎng)期。

在顆粒污泥出現(xiàn)期及成熟初期.可定期從懸浮層區(qū)排放出沉降

睦能較差的絮狀污泥，可以有利于顆粒污泥的形成。

4麻用

UASB由于其高效節(jié)能等特點.自開發(fā)以來，已被廣泛州于各

種有機廢水及生活污水的處理，目前世界上約有上千座UASB反

應器在生產運行中。

(1)處理酒精廢水江蘇某酒廠采用容積為300m3的UASB

反應器處理酒精廢水.處理溫度控制在554、左右，裝骨運行效果

良好，COD容積負荷為6、8kg/(m0d),COD去除率達90%

左右，

…東某酒廠處理酒精廢水所采用的UASB反應器總容秘為

3950m3,有效容積2700m、，其分1【)個單兒，溫度控制在52℃,

pH值控制在7【)-72,有機負荷為712kgC0D/(n13d),運行

穩(wěn)定后，處理效果較好，COD、SS、BOD的去除率分別達到

85%?96%、89%、97%,平均產氣率為23m'/(

(2)處理醫(yī)藥化H廢水河』七某制藥廠采用容積為500rip的

UASB反應器處理VC廢水，處理溫度控制在35℃左右，運行結

果表明COD容秘負荷可達6-8kg/(mLd),COD一上除率為90%

片右，取得r較好的處理教果。

浙江某大學對UASB反應器處理醫(yī)藥化I廢水進行廠研究，

試驗所采用的1,JASB反應器有效容積為17L,試驗廢水為氨口塞月虧

廢水，處理溫度為30℃,試騎結果為：進水COD平均濃度為

5179mg/L.平均水力停留時間218d.COD平均盤除率為

814%,平均COD容積負荷為200kg/([1]0?d),容積產氣率平均

為116m3/(m'-cj),沼氣中甲烷含量為71%

(3)處理滌綸廢水滌綸廢水有機物濃度高、酸性大，處理起

來較困難：黑龍汀某大學采用UASB反應器時滌綸廢水的處理進

行r研究，效果較好。試驗所采用的UASB反應器總容積為28L,

溫度控制在(3511)℃,結果為進水COD濃度5000?8000mg/

有機負荷為8?lOkgCOD/(1213?d),HRT為｛8~20h,COD去除

率為70%-80%,產氣率為03m3/kgCOD,甲烷含量60%。

(4)處理城市生活薦水UASB反應器在處理城市污水方面也

得到r較為廣泛的應用，如印度尼西亞、巴西等國已采用小型

UASB反應器對生活污水進行處理，且效果較好，表64為國外使

用UASB反應器在常溫或低溫下處理城市生活亍虧水的研究及運用

情況。

5評價

UASB反應器小僅町用于處理高、中等濃度的有機廢水，還可

用于姓砰姐城市污水水之類的低濃度有機廢水，已成為第一代厭氧

表6.4IJAsB處理城市污水參數(shù)匯總表

溫度HRT進水出水去除效

研究者規(guī)模容積參數(shù)

/Vzh/(mg/L)/（niK，1.）率

Letringa

小試6m?J2-208-24COD50015070

(1981)

201224COD50016068

Grin(1983)中試6ni’

10-128('CD50030040

LetUngaCODSOO66.5

-6n?8-2012

(1983)COD300一50

15-198COD500—40-55

Grin(1983)中試6n?

9.5-108COD50030

Grin(1983)中試6m、'19-2324(on460—60

COD2678”85

4?8

Srh^llijikhoulrss21570

中試64m'24-26

(1985)COD26778-85

3c3.5

rss215——

COD34]—65

Vicira(1984)中試1咐，354BOD137--72

TSS886131

COD66073

Nobrc<]987)中試24-261。?！8

BOD331)—78

COD424一60

204BQD195—69

rss1886963

Vieira(1986)中試106L

CQEM406—65

234BOD180—69

TSS1916964

COD500?700—40~60

12?18

BOD250-350—50-70

MarK1986)中試/Um

COD500、700—45~65

9-14

BOD250?350—