《水污染控制原理》课程授课教案（讲义，研究生）第十章 厌氧生物处理法

研究生精品课程建设教案第十章厌氧生物处理法（一）教学设计2.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①厌氧处理作用机制、主要工艺流程类别分析②厌氧动力学③厌氧污泥原理及动力学设计④厌氧生物膜法原理及动力学设计③厌氧运行管理2.2本章节重点本章节重点：厌氧处理作用机制、厌氧动力学分析、厌氧污泥、生物膜法原理及动力学设计本章节难点：厌氧机制、厌氧动力学模型2.3本章节教学内容本章教学内容如下10.厌氧生物处理法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4.4本章节教学方法1.情景导入从排水箱涵、啤酒酿造情景入手，引出厌氧作用及机制，提出动力学设计的概念。2.双案例关联厌氧处理基础研究方面的应用（案例二十）厌氧处理工程设计方面的应用（案例二十一）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这1

1 研究生精品课程建设教案 第十章 厌氧生物处理法 （一）教学设计 2.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①厌氧处理作用机制、主要工艺流程类别分析 ②厌氧动力学 ③厌氧污泥原理及动力学设计 ④厌氧生物膜法原理及动力学设计 ⑤厌氧运行管理 2.2本章节重点 本章节重点：厌氧处理作用机制、厌氧动力学分析、厌氧污泥、生物膜法原 理及动力学设计 本章节难点：厌氧机制、厌氧动力学模型 2.3本章节教学内容 本章教学内容如下 10.厌氧生物处理法 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 4.4 本章节教学方法 1. 情景导入 从排水箱涵、啤酒酿造情景入手，引出厌氧作用及机制，提出动力学设计 的概念。 2.双案例关联 厌氧处理基础研究方面的应用（案例二十） 厌氧处理工程设计方面的应用（案例二十一） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这

类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：①厌氧在水处理中的应用、②厌氧的阶段学说、③水解酸化及工程意义、④厌氧污泥法原理及动力学设计、③厌氧生物膜法及动力学设计（二）教学内容1.厌氧生物处理法的基本原理和流程厌氧处理阶段学说及机制、工艺流程及进展2.厌氧过程动力学厌氧动力学参数、甲烷产生动力学3.厌氧活性污泥法传统消化池、厌氧接触法的动力学设计4.厌氧生物膜法厌氧固定床、厌氧膨胀床/流化床、厌氧生物转盘动力学设计5.厌氧处理法的运行与管理主要运行性能指标及参数管理第十章厌氧生物处理法厌氧生物处理法的主要优点有：能耗低；可回收生物能源（沼气）；每去除单位质量底物产生的微生物（污泥)量少；而且由于处理过程不需要氧，所以不受系统传氧能力的限制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。其缺点是处理后出水的COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等。s10.1厌氧生物处理法的基本原理和流程1.基本原理阶段学说回顾2.甲烷的产生与形成途径碱性发酵阶段分析，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。3.基本流程2

2 类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握 情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分， 主要问题有：①厌氧在水处理中的应用、②厌氧的阶段学说、③水解酸化及工程 意义、④厌氧污泥法原理及动力学设计、⑤厌氧生物膜法及动力学设计 （二）教学内容 1. 厌氧生物处理法的基本原理和流程 厌氧处理阶段学说及机制、工艺流程及进展 2. 厌氧过程动力学 厌氧动力学参数、甲烷产生动力学 3. 厌氧活性污泥法 传统消化池、厌氧接触法的动力学设计 4. 厌氧生物膜法 厌氧固定床、厌氧膨胀床/流化床、厌氧生物转盘动力学设计 5. 厌氧处理法的运行与管理 主要运行性能指标及参数管理 第十章 厌氧生物处理法 厌氧生物处理法的主要优点有：能耗低；可回收生物能源(沼气)；每去除单 位质量底物产生的微生物(污泥)量少；而且由于处理过程不需要氧，所以不受系 统传氧能力的限制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。其缺点是处理后出水的 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 1.基本原理 阶段学说回顾 2.甲烷的产生与形成途径 碱性发酵阶段分析，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。 3.基本流程

主要由六部分组成，简单说明如下：(1)厌氧反应器(2)促使反应器中主体液体与进水充分混合的设备或手段。(3)保持反应器中主体液体达到所需温度的设备。(4)pH值调节剂投加设备。(5)沼气的排放、贮存和利用设备。(6)废弃厌氧生物污泥的贮存和处理设备。厌氧生物处理工艺的发展简史回顾。1881年-LouisMouras的“自动净化器”-化粪池-双层沉淀池等）-厌氧消化池一厌氧接触法-AF-UASB-AFB-AAFEB-ARBC-挡板式厌氧反应器-UASB-EGSB-IC反应器；(1)两相厌氧法(two-phaseanaerobictreatmentprocess）分析机制(2)厌氧接触法(anaerobiccontactprocess)分析机制(3)生物膜反应器分析机制(4)上流式厌氧污泥床反应器分析机制S10-2厌氧过程动力学厌氧过程动力学涉及底物的降解、微生物的生长和甲烷的生成等三个方面的关系式。1.底物降解和微生物生长动力学厌氧处理过程动力学常数与需氧处理过程比较，厌氧处理中的umax一般小一至两个数量级，而K值一般则较大。2.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。目前通用COD、甲烷、微生物三者间的平衡，并根据化学计量学的方法来计算甲烷的生成量，甲烷的氧当量可按下式计算：(10-1)CH4+2H2→CO2+2H2O3

3 主要由六部分组成，简单说明如下： ⑴厌氧反应器 ⑵促使反应器中主体液体与进水充分混合的设备或手段。 ⑶保持反应器中主体液体达到所需温度的设备。 ⑷pH 值调节剂投加设备。 ⑸沼气的排放、贮存和利用设备。 ⑹废弃厌氧生物污泥的贮存和处理设备。 厌氧生物处理工艺的发展简史回顾。 1881 年-Louis Mouras 的“自动净化器”-化粪池-双层沉淀池等）-厌氧消化池— 厌氧接触法-AF-UASB-AFB-AAFEB-ARBC-挡板式厌氧反应器-UASB-EGSB-IC 反应器； ⑴两相厌氧法(two-phase anaerobic treatment process) 分析机制 ⑵厌氧接触法(anaerobic contact process) 分析机制 ⑶生物膜反应器 分析机制 ⑷上流式厌氧污泥床反应器 分析机制 §10-2 厌氧过程动力学 厌氧过程动力学涉及底物的降解、微生物的生长和甲烷的生成等三个方面的 关系式。 1.底物降解和微生物生长动力学 厌氧处理过程动力学常数与需氧处理过程比较，厌氧处理中的 µmax 一般小 一至两个数量级，而 K 值一般则较大。 2.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。目前通用 COD、甲烷、 微生物三者间的平衡，并根据化学计量学的方法来计算甲烷的生成量，甲烷的氧 当量可按下式计算： CH4+2H2 CO2+2H2O （10-1）

式（10-4）表明1mol(16g)甲烷需2mol(64g)的氧，这相当于2mol(64g)的COD生成1mol甲烷。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。如果令Go为甲烷的产率系数，则在理论上Go=0.35L/Gcod，在非标准状态下的产率系数(Go)rp可按Boyle-Charles定律计算：1=1.28×10-21(10-2)(Go)m = Go 273° Pp算厌氧处理的甲烷生成率：G =(Go), Ro(I-1.41Y)=1.28 x10-2 TR(1-1.41Y)(10-3)P式中，G为甲烷的产率，单位L/d；Ro为COD的减少速率，单位为g/d；Y为产率系数，g干细菌/gCOD。S10-3厌氧活性污泥法厌氧活性污泥法通常包括传统的消化池和厌氧接触法。1.传统消化池传统消化池一般采用无回流完全混合方式运行，采用CSTR型活性污泥法方程式完全适用于传统消化池的设计，但因无回流，水力停留时间等于污泥停留时间，即③等于污泥龄6，因此得下列方程式：YeY=-(10-4)1+bo.K(1+bo.)(10-4)p=Yck.0.-(1+bo.)X =Y P=Y(p - P)(10-5)1+bo.V=00.(10-6)R-i(10-7)ga=0.935μ03x0.298(10-8)上述各式中的动力学参数Yc、k、K和b一般可采用试验装置进行测定，在厌4

4 式（10-4）表明 1mol(16g)甲烷需 2mol(64g)的氧，这相当于 2mol(64g)的 COD 生成 1mol 甲烷。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。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： p T p T GO Tp GO 2 1.28 10 1 273 ( ) − = • =  （10-2） 算厌氧处理的甲烷生成率： ( ) ( ) (1 1.41Y) P T R G G R 1 1.41Y 1.28 10 2 0 0 T 0 p = − =  − − (10-3) 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。 §10-3 厌氧活性污泥法 厌氧活性污泥法通常包括传统的消化池和厌氧接触法。 1.传统消化池 传统消化池一般采用无回流完全混合方式运行，采用 CSTR 型活性污泥法方 程式完全适用于传统消化池的设计，但因无回流，水力停留时间  等于污泥停留 时间，即  等于污泥龄 c ，因此得下列方程式： c C b Y Y +  = 1 （10-4） (1 ) (1 ) C 0 c c c Y k b K b     − + + = （10-4） ( ) 1      = − + − = i c i C Y b X Y (10-5) V = Qc (10-6) c u Y X R  = (10-7) 0.3 0.298  d = 0.935 X (10-8) 上述各式中的动力学参数 YC 、 0 k 、 K 和 b 一般可采用试验装置进行测定，在厌

氧处理中，温度是一个重要的影响因素，O'Rourke得出城市废水污泥厌氧处理时的k.和K与温度t的下列关系：kg = 6.67×10-0.015(35-1)(10-9)K = 2224 ×100.046(35-1)(10-10)式中k以1/d为单位，K以mgCOD/L为单位。2.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6m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e.值较大，一般取为eemin的2~10倍，在p>>K和b可忽略时可得到r，与Gcmm的下列关系：gmaxP(10-11)K+p1(10-12)=rgmaxe0K+p(10-13)OcminYckop-b(K+p)1(10-14)Oemin'gmaxYko在厌氧处理常用温度和pH基本控制在中性附近的条件下，K,和K，值都比K,值小5至7个数量级，因此，可以只按式（10-16）来估计厌氧反应器的pH值，即：[HCO,-]pH = pK, +lg(10-15)[Co,.] 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/LCaCO3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5

5 氧处理中，温度是一个重要的影响因素，O`Rourke 得出城市废水污泥厌氧处理 时的 0 k 和 K 与温度 t 的下列关系： 0.015(35 ) 0 6.67 10 t k − − =  (10-9) 0.046(35 ) 2224 10 t K − =  (10-10) 式中 0 k 以 1/d 为单位，K 以 mgCOD/L 为单位。 2. 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 cmin 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 c 值较大，一般取为 cmin 的 2~10 倍，在   K 和 b 可忽略时可得到 g r 与 cmin 的下列关系： g max g r r K   = + (10-11) max 1 g g c r r  = = （10-12） min 0 ( ) c G K Y k b K     + = − + （10-13） min max 0 1 1 c g G r Y k  = = （10-14） 在厌氧处理常用温度和 pH 基本控制在中性附近的条件下， K2 和 K w 值都比 K1 值小 5 至 7 个数量级，因此，可以只按式（10-16）来估计厌氧反应器的 pH 值，即：   3 1 2 lg HCO pH pK CO −     = + （10-15） 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。当反应器处于不平衡状态时，挥发性有机酸将按下式消耗碳酸氢盐的碱度：(10-16)HCO,+HACH,O+CO,+ACS10-4厌氧生物膜法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。1.厌氧填充床Eckenfelder公式的形式：Pe = exp(-k/L)(10-17)Pi式中，pi和pe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)可按级数展开后略去高次项得下列简化式：Pe = exp(-k/L)=1-k/L(10-18)Pi从上式可看出，k的物理意义为被去除的有机物负荷。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。2.厌氧膨胀床/流化床流化床内底物的物料衡算方程为(-) - 0-[-) x. +(-) x- +00](10-19)式中，（-dp/dt）为流化床底物浓度变化速率，单位为kgCOD/m·d：V为流化床反应区的容积，单位为m；Q为进、出水流量，单位为m/d；pi、ps分别为进、出水底物浓度，单位为kgCOD/m；（-dM/dt）为单位质量的生物膜对底物质量的降解速率，单位为kgCOD/（kgd)；Xa为流化床的生物膜浓度，单位为kg/m(-dM/dt)为单位质量的悬浮生长微生物对底物的质量降解速率，kgCOD/(kg?d)。6

6 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。 当反应器处于不平衡状态时，挥发性有机酸将按下式消耗碳酸氢盐的碱度： HCO HAC H O CO AC 3 2 2 − + + + (10-16) §10-4 厌氧生物膜法 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。 1.厌氧填充床 Eckenfelder 公式的形式： exp( k / L) i e = −   （10-17） 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)可按级数展开 后略去高次项得下列简化式： exp( k /L) 1 k /L i e = − = −   （10-18） 从上式可看出，k 的物理意义为被去除的有机物负荷。 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。 2.厌氧膨胀床/流化床 流化床内底物的物料衡算方程为：          +        + −       =  − −       − s e s a a i X V Q dt dM X V dt dM V Q dt d （10-19） 式中，（-dρ/dt）为流化床底物浓度变化速率，单位为 kgCOD/m3 •d；V 为流 化床反应区的容积，单位为 m 3；Q 为进、出水流量，单位为 m 3 /d；ρi、ρs 分别为 进、出水底物浓度，单位为 kgCOD/m3； ( )a −dM/dt 为单位质量的生物膜对底物质量 的降解速率，单位为 kgCOD/(kg•d)；Xa 为流化床的生物膜浓度，单位为 kg/m3； ( )s −dM/dt 为单位质量的悬浮生长微生物对底物的质量降解速率，kgCOD/(kg•d)

Xa(10-20)a:ItdX=Y(10-21)dt.式中，Y。、Y.分别为生物膜和悬浮生长微生物的表现产率系数。考虑稳态条件，即(-dp/dt)=0，则可得：Q(pi-e)v(10-22)YaYsumrhxa.V.P.(10-23)Qe.-p.)YaK,+Pe引入生物膜密度Qbp-P)-l,X._P(10-24)YaPaKa+PeX.V-Va=W.D(10-25)Pa将上式代入式（10-34）得：Q(p; -P.) _ (μmax )a, P,WD,.Pe(10-26)4WKa+peYa厌氧流化床生物膜表面面积底物降解动力学关系式：p(10-27)Lw=(Lw)mxK+p在厌氧流化床中，因D值小，可以用填料的表面面积W.代替生物膜的表面面积W：_ 6α(1m) .βVWm(10-28)de式中：d为填料的当量直径：α为填料的形状系数：β为流化床中填料所占的分数，以流化床体积V计；m为填料的孔隙率。3.厌氧生物转盘填料的表面面积按盘片浸水的表面面积W，计算：Wa =2元n(R2-R2)(10-29)式中：n为盘片数；R1和R2分别为盘片总的和与未浸水部分的半径。S10-5厌氧处理法的运行与管理7

7          •      = − a a a a X dt dM Y dt dX （10-20）          •      = − s s s s X dt dM Y dt dX （10-21） 式中，Ya、Ys分别为生物膜和悬浮生长微生物的表现产率系数。 考虑稳态条件，即 (−d/ dt) = 0 ，则可得： ( ) X V Y X V Y Q s s s a a a i e  −   −  = （10-22） ( ) ( ) a e e a a max a K X V Y Q i e +   • •   −  = （10-23） 引入生物膜密度 ( ) ( ) a e e a a a max a a K X V Y Q i e +   •  •    −  = （10-24） V W D X V a a a = = •  （10-25） 将上式代入式（10-34）得： ( ) ( ) a e a e a i e max a W K WD W Y Q +   •  •  =  −  （10-26） 厌氧流化床生物膜表面面积底物降解动力学关系式： ( ) +   = K L L w w max （10-27） 在厌氧流化床中，因 D 值小，可以用填料的表面面积 Wm代替生物膜的表面 面积 W： V d 6 (1 m) W e m •  − = （10-28） 式中：de为填料的当量直径；α 为填料的形状系数；β 为流化床中填料所占 的分数，以流化床体积 V 计；m 为填料的孔隙率。 3.厌氧生物转盘 填料的表面面积按盘片浸水的表面面积 Wd 计算： ( ) 2 2 1 2 2 W n R R d = −  (10-29) 式中：n 为盘片数；R1 和 R2 分别为盘片总的和与未浸水部分的半径。 §10-5 厌氧处理法的运行与管理

(1) pH 值(2)挥发性有机酸和碳酸氢盐碱度一般地说，正常运行的厌氧反应器中，挥发性有机酸都低于1000mg/L，一般为300~500mg/L，碳酸氢盐碱度斗高于2000mg/L，一般为1000~5000mg/L。(3)甲烷产率甲烷产率又称甲烷转化率，理论上甲烷产率为0.35L/gCOD。(4)其它指标包括废水处理中所需的一些常用指标，例如有机物去除率、负荷、温度等。80

8 ⑴ pH 值 ⑵挥发性有机酸和碳酸氢盐碱度 一般地说，正常运行的厌氧反应器中，挥发性有机酸都低于 1000mg/L，一 般为 300～500 mg/L，碳酸氢盐碱度斗高于 2000 mg/L，一般为 1000～5000 mg/L。 ⑶甲烷产率 甲烷产率又称甲烷转化率，理论上甲烷产率为 0.35L/gCOD。 ⑷其它指标 包括废水处理中所需的一些常用指标，例如有机物去除率、负荷、温度等