厌氧生物滤池

厌氧生物滤池(anaerobic biological filtration process)是利用附着在填料(滤料)表面的厌氧微生物膜，并在厌氧的条件下降解污水中有机污染物的一种生物处理方法。厌氧生物滤池是世界上使用最早的废水厌氧生物处理技术之一，但最初在应用上并没得到重视，直到20世纪50年代，美国的Young和McCarty为开发厌氧生物滤池的工艺进行了大量的工作，使得厌氧生物滤池作为厌氧生物膜法的代表性工艺之一而受到重视。

一、厌氧生物膜的形成及其作用

当一种载体(填料成滤料)浸没于有机污水中，在污水流动的前提下，其载体表面就会附着生长一些微生物，微生物不断繁殖而会在载体表面最终形成一层薄膜状的微生物群体，称为微生物膜。微生物膜的生长必须要有供其新陈代谢的营养物质，这些营养物质主要来源于污水中的有机物。同时构成微生物膜的微生物群体在新陈代谢中有的是需要呼吸氧气而生存的，称之为好氧微生物膜；有的是不需要氧气而生存的，称之为厌氧微生物膜。
关于微生物附着于载体表面的机理比较复杂，有人认为微生物在载体表面附着的原因主要是静电斥力和范德华力的综合效应，以及微生物胞外聚合物的作用；也有人利用界面自由能系统理论定性地解释附着机理，认为微生物细胞与载体表面的接触降低了系统的总自由能。
徽生物膜可在塑料、金属、陶瓷和其他情性材料的表面形成，并不断生长、脱落、再生和更新。微生物膜的脱落是由于微生物的老化或环境条件发生变化，使得微生物在载体表面的附着力变小，并在水力的剪切作用下而脱落。微生物脱落后裸露的载体表面可重新形成微生物膜
同好氧微生物膜一样，厌氧微生物膜对污水中的有机物起到吸附降解的作用，其降解有机污染物的过程主要包括有机物的传质、有机物的厌氧降解和产物的传质三个过程。其降解有机物的过程见图1-8。

二、厌氧生物膜法和厌氧生物滤池的特点

在厌氧生物滤池内都填充着足以提供厌氧微生物附着生长的载体。这些载体的比表面积很大。使得附着生长的厌氧微生物膜的表面积也很大。足够大的表面积不仅提高了单位容积反应器内的微生物数量，而且也为提高反应器的处理效率创造了良好的条件。同时，由于具有较大的比表面积，因而也增大了传质面积，使传质过程得以加强，在负荷相同的条件下，厌氧生物滤池一般较其他厌氧处理法的有机物去除率高得多。
由于厌氧生物滤池中的厌氧微生物是以膜状附着于载体表面存在，不易随水流失，所以对于增殖速度较慢的厌氧微生物特别有利。厌氧微生物膜的泥龄长，一般其生物固体停留时间(SRT)在20d以上，有的高达100 --200d。厌氧微生物膜中的微生物大多被截留在浓稠的胞外多聚物残留物中，微生物膜的结构具有保护微生物、抵抗外部环境干扰的作用，因此厌氧微生物膜可以承受相对较高的毒物冲击负荷及相对较大的温度变化，工艺稳定性较好，不但能处理高浓度有机废水，而且可以在常温下处理大量的低浓度有机废水或污水。虽然厌氧微生物膜的泥龄很长，但一般不需要设置专门的生物滞留装理，产生的沼气易于气液分离，无需设置专门的气体分离装置。
厌氧生物滤池具有以下特点：①由于厌氧微生物在厌氧生物滤池中以附着于载体表面形成生物膜和截留在滤料空隙间的形态存在，可以积累大量的厌氧活性生物体。以保持较高的微生物浓度。因此对有机物的去除率较高；②由于厌氧生物滤池有较长的固体停留时间，因此生成的剩余污泥量少，同时不需要气、水、泥三相分离设施，且出水SS较低；③厌氧生物滤池承受冲击负荷能力较强，适用的废水有机物浓度范围宽，同时无需搅拌和回流措施，运行能耗低，系统运行稳定、运行管理简便；④存在的主要问题是进水分配不易均匀，滤料易堵塞。
采用厌氧微生物膜处理污水的装置除了厌氧生物滤池外，还包括厌氧生物转盘、厌氧附着膜彭胀床、厌氧流化床等。

三、厌氧生物滤池的结构与工作原理

厌氧生物滤池与前面所述的普通生物滤池、塔式生物滤池的主要区别在于，它是一种装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，污水淹没地通过滤料，在微生物膜的吸附、代谢和滤料截留的共同作用下，污水中的有机污染物得以分解与去除。为了分离处理出水中携带的生物膜，一般在滤池后需设二沉池。厌氧生物滤池中的滤料常用的主要有碎石、卵石、焦炭和各种形式的塑料滤料。对于以碎石和卵石等块状物质作为滤料的生物滤池，滤料层厚度都不超过1.2m，因滤料的比表面积仅有40-50m2/m3，孔隙率为50%~60%，形成的生物膜量较少或生物固体浓度不高，因而承受的有机负荷较低，运行中容易发生堵塞和短流现象，对于以塑料作为滤料的滤池来讲，滤料层的厚度可达5m以上，由于其比表面积和孔隙率均较大，因此有机负荷可大为提高。
根据厌氧生物滤池滤床内水流方向的不同，厌氧生物滤池可分为升流式和降流式两种。在升流式厌氧滤池中，污水由底部进入向上流动通过滤料层，处理水则从滤池顶部旁侧流出，在降流式厌氧滤池中。污水由上部进入向下流动通过滤料层，处理水则从滤池底部旁侧流出。由于这两种滤池操作方式的差异，使得升流式厌氧生物滤池中大部分的生物量均以生物膜的形式附着生长在近滤池底部的滤料表面，少部分生物量以厌氧污泥的形式存在于滤料间隙中，但总的生物量比降流式厌氧生物滤池为高。
无论哪种类型的厌氧生物滤池，其结构类似于一般的好氧生物滤池，由池体、滤料、布水设备及排水排泥设备等组成，但厌氧生物滤池的池顶应予密封，以利于沼气的收集。厌氧生物滤池也可根据其功能区的不同分为布水区、滤料区、出水区和集气区等部分。同好氧生物滤池一样，厌氧生物滤池的核心部分是滤料，滤料的形态、性能及其装填方式对滤池的运行效率起这决定性的作用。作为庆氧微生物载体的滤料，不但要求其结构坚固、耐腐蚀，而且其形状系数和比表面积都是重要的性能指标，同时要求滤料的表面比较粗糙，便于厌氧微生物附着生长，还要具有合适的孔隙率以便于污水均匀流动。过去的研究和运行中只强调滤料的比表面积和孔隙率，但近年来大型厌氧生物滤池的运行结果表明，滤料的形状及其在生物滤池中的装填方式等也对运行性能有很大的影响。厌氧生物滤池最早使用的填料是碎石或卵石，其后出现了其他各种类型的滤料，从材质上看有塑料、陶土、聚酯纤维，从形状上看有块状、波纹状、板状等。厌氧生物滤池常用滤料见图1-9。
厌氧生物滤池运行时，其工作过程为：有机污(废)水进入滤池后(升流式或降流式)，连续通过附着生长有厌氧微生物膜的载体，污(废)水中的有机物扩散到厌氧微生物膜的表面，并被生物膜中的微生物吸收，在缺氧的条件下通过新陈代谢将有机物转化为生物气，净化后的出水通过排水设施排出池体，所产生的生物气被收集利用。

四、厌氧生物滤池中的微生物

微生物存在形态
厌氧微生物以附着于滤料表面的生物膜和生息于滤料空隙之间的悬浮微生物两种形态存在于厌氧生物滤池中。在降流式厌氧生物滤池内，厌氧微生物几乎全部以附着于反应器边壁和滤料表面的生物膜形态生长，也有一小部分以截留于滤料空隙之间的悬浮微生物形态生息。升流式厌氧生物滤池内两种生息状态都存在，一般附着于滤料表面的生物膜量约占厌氧生物滤池中总生物量的1/4~1/2。
微生物相
在厌氧生物滤池中存在着大量兼性厌氧菌和专性厌氧菌，除此之外还存在不少厌氧原生动物。在厌氧生物滤池中存在的厌氧原生动物主要有Mrtopus,Saprodinium,Urozonu,Trim yema及微小的鞭毛虫等，厌氧原生动物约占厌氧生物滤池中生物总量的20%。厌氧原生动物的作用主要是捕食分散细菌，这样不但可以提高出水水质，而且能够减少污泥量。
厌氧生物滤池内的生物量
厌氧生物滤池运行方式不同，其生物量的分布也不尽相同，在升流式厌氧生物滤池中，反应器内有明显的有机物浓度梯度，在反应器内不同高度有不同的生物相和生物浓度，滤池内有明显的微生物分层现象；在降流式厌氧生物滤池中，由于其流态接近于完全混合状态，滤池内生物量在上、中、下部基本接近，微生物分层现象不明显。
有人经过研究认为，升流式厌氧生物滤池内各类细菌群在垂直方向的浓度梯度非常明显，且与COD、挥发性脂肪酸浓度密切相关，其中以发酵细菌最为明显。一般滤层底部各类细菌比顶层处高2-3个数量级。由于底部富集了大量细菌，以致该区域的COD、乙酸、丙酸、丁酸的去除率非常高在不同层次的消化液中，各类细菌数及其组成也有不同，底部细菌种类相对少些。
厌氧生物滤池中的生物膜厚度对有机物的去除率有较大影响，厌氧生物滤池中的生物膜厚度一般在1-4mm范围内。研究认为，当生物膜厚度较薄时，有机物的去除率防生物膜厚度的增加而增加。当生物膜厚度增加至一定值时，有机物的去除率增至最大。而随后生物膜厚度再增加时，有机物的去除率不再增加，反而会略有下降。

五、厌氧生物滤池的主要影响因素

水力停留时间的影响
水力停留时间(HRT)是厌氧生物滤池的设计和运行过程中最主要的影响因素之一。美国的Young和McCarty曾于1968年提出了HRT和溶解性COD去除率E之间的经脸公式：E=100(1-Sk*HRT^-m)
式中，E为溶解性COD去除率，%；HRT为水力停留时间，Sk、m为系统参数，与滤料的种类有关。Young提出了比表面积间为98m2/m3的交叉流管状滤料和鲍尔环的Sk和m值：交叉流管状滤料，Sk=1.0，m=0.55；鲍尔环，Sk=1.0，m=0.40。
图1-10为Young提出的HRT和COD去除率的关系曲线，上式和图1-10反映了厌氧生物滤池运行中水力停留时间和溶解性COD去除率之间的关系。
有机负荷率的影响
在污水生物处理中，系统的有机负荷率与系统中存在的微生物量呈正比关系，微生物量越多，可以承受的COD负荷率越高。由于厌氧生物滤池具有较高的COD负荷率，因而也提高了对有机负荷变化的适应性。
在厌氧生物滤池中，引起有机负荷率变化的原因有两种：一种是进水中的COD不变，但流量增大，引起了HRT的减小，从而使有机负荷率增大，这种情况下有机负荷率的变化对COD的去除率的影响实际上表现为HRT对COD去除率的影响，随着有机负荷率的增大，HRT缩短，COD的去除率明显下降。另一种情况是进水流量不变，但进水中的COD增大引起有机负荷率增大，这种情况实际上是进水COD浓度对COD去除率的影晌。实际上对于厌氧生物滤池来说，有机负荷率增加虽使COD去除率下降，但COD总的去除能力却是提高的。
温度的影响
任何污水的生化处理过程都受温度的影响，主要是微生物的活性与温度密切相关，所以温度是影响生化处理的一个重要因素。上式是Young给出的在某一温度下COD去除率与30℃时COD去除率的关系：Et=E30*θ^T-30
式中，Et为温度T下运行的COD去除率，%；E30为30℃下运行的COD去除率，%。θ为温度系数，一般取1.01-1.02。
经验表明，温度在25-38℃之间，厌氧生物滤池的运行效果良好；温度在50-60℃范围内的运行效果也较好。
进水COD、SS的影响
进水中有机物浓度在3000-12000mg/L范围内对升流式厌氧生物滤池的处理效果影响不大。在COD低于3000mg/L时，若采用比较低的负荷也能取得较好的COD去除率。对于COD在12000mg/L以上时，应当采用回流措施。
为防止进水中过高的SS造成滤池堵塞，如果进水中的SS浓度较高，应考虑原水的预处理措施。
其他影响因素
厌氧生物滤池的运行，要求pH值在6.5以上，如果碱度不够往往异致运行失败，因此在碱度不够的情况下，必须投加喊性物质以维持pH值在6.5以上。如果进水中含有足够量的蛋白质，当其在降解过程中形成的氨足以维持其碱度时，可以不投加碱性物质。
在厌氧生物滤池的运行过程中，必须要有足够的营养物质来维持微生物的正常代谢，如果进水中缺少N、P等基本营养物质时，可以投加化肥等物质来补充。
另外，在进行污水的厌氧处理时，还必须对进水先做毒性试脸，因为有些有毒物质对微生物具有抑制作用，会影响厌氧生物滤池的正常运行。

六、厌氧生物滤池的工艺设计

厌氧生物滤池的工艺设计内容主要包括滤池的容积计算及各部分尺寸的确定、回流比的计算、滤料的选择及填装方式的确定、布水系统及排泥系统的设计等。

滤池容积的计算
厌氧生物滤池有效容积的计算有两种方法：水力停留时间法和有机负荷率法。
(1)水力停留时间法
采用水力停留时间法计算时，滤池有效容积可采用下式计算：V=Q*HRT
式中，V为滤池有效容积，m3。Q为进入滤池的污水流量，m3/h；HRT为水力停留时间，h。
采用上式计算有效容积时，关键是如何确定HRT，HRT可采用式参考。
类似污水的实际运行验确定。
(2)有机负荷率法
采用有机负荷率法计算时，滤料的有效体积可采用下式什算：V=QS0/q
式中，V为滤池有效容积，m3；Q为进入滤池的污水流量，m3/d；S0为进水COD浓度，kg/m3； q为有机负荷率，kgCOD/(m3滤料·d)。
一般厌氧生物滤池的有机负荷率为2-16kgCOD/(m3滤料·d)，对高浓度有机污水一般选较高值，对低浓度有机污水一般选较低值。确定有机负荷率的最好办法是通过试验确定。采用有机负荷率法计算有效容积后，要求用水力停留时间进行校核。
回流比的确定
对于升流式厌氧生物滤池，一般认为废水的COD浓度大于8000mg/L时，必须采用回流。小于8000mg/L时，也可以采用回流。Young提出升流式厌氧生物滤池采用的最小回流比按下式计算：
rmin=Sv/1200
式中，rmin为最小回流比，为回流水量(R)与原废水水量(Q)之比，S0为进水COD浓度，kg/m3。对于降流式厌氧生物滤池，一般要求采用更大的回流水量。
滤料的选择及填装方式
滤料对厌氧生物滤池运行的影响因素除滤料的比表面积外，还应考虑其强度、滤料间空隙率等。大型厌氧生物滤池常用的滤料有波纹板、管式、交叉流管式及鲍尔环、轻质陶粒等。对滤料的要求除了能生长大量的厌氧生物膜外，还要使池内水流流向能够曲折多变地流过滤料层，起到良好的混合接触和截留作用效果。滤料在厌氧生物滤池中的填装高度一般不低于滤池高度的2/3，且要求滤料装填高度不低于2m。
布水系统
进水布水系统的布水均匀性对厌氧生物滤池的正常运行起着重要作用，一般进水布水系统采用穿孔管布水的方式。采用穿孔管布水在设计时，一般管内流速不低于0.7m/s，太低的流速易造成SS在管内沉积，过高的流速会造成能耗的浪费，一般孔口流速为1.5-2m/s。孔口一般呈交叉状设于布水管的下部两侧。孔口直径应不小于10mm，以免堵塞孔眼。
排泥系统
厌氧生物滤池中的生物体净产率计算公式如下：
Yn=Y0*1+0.2Kd*SRT/1+1.2Kd*SRT
式中，Yn为稳态下的净生物体产率，即每去除1g的COD所转化产生的净生物量，gvSS/gCOD； Y0为生物体实际产率，gVSS/gCOD；Kd为生物体自身分解系数，1/d；SRT为生物体停留时间，d。
虽然厌氧生物滤池内的生物体净产率低，但生物体还是有部分积累，而且进水中的SS也可能在系统中积累，因此在设计厌氧生物滤池时必须考虑设置排泥系统。由于所排剩余污泥为絮状态，同时为了在整个池截面排泥均匀，所以排泥较多的还是采用穿孔管或多点均匀排泥，一般排泥管径不小于DN50mm。

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