当代给水与废水处理原理(第二版)第10章b

dM dX a / dt/ X a a
dt a
Ya
Ya
（10－28）
dM dX s / dt/ X s s
dt s
Ys
Ys
（10－29）
式中，μa、μs分别为生物膜和悬浮生长微生物 的比增殖率。将式（10－28）式（10－29）代入式
（10－25）式，并考虑稳态条件，即（－dρ/dt）
先对厌氧流化床作如下假定：
(1)厌氧反应器中的流态为完全混合型（CSTR）； (2)填料上生长的生物膜为均质增长，其密度ρa不变； (3)填料为均质球体，直径为d，自然堆积孔隙率为m； (4)进水微生物浓度为零。
如图10－12所示，流化床内底物的物料衡算方程为
d
dt
V
Qi
dM dt
a
X aV
1.厌氧处理的原理
厌氧处理技术是一种有效去除有机污染物并使 其矿化的技术，它将有机化合物转变为甲烷和二 氧化碳。
有机物的厌氧降解过程：在厌氧条件下，将 污水中的复杂物质转化为沼气，需要多种不同微 生物种群的作用。
a. 生物多聚物的水解； b. 发酵氨基酸和糖转化为氢、乙酸、短链 VFA和乙醇； c. 厌氧氧化长链脂肪酸和乙醇； d. 厌氧氧化中间产物挥发酸； e. 由乙酸型甲烷将乙酸转化为甲烷； f. 由产氢甲烷菌将氢转化为甲烷（二氧化炭 还原）。
有机物式负中荷：，ρ和单ρe位为为进k、gC出O水D/的m有3.d机；物k为C去OD除浓有度机；物L的为 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
e exp( k / L) 1 k / L i
（10－23）
缺点：动力消耗大，占地大，盘片造价高。 厌氧生物转盘的基本方程式与9－4式（9－37）相同。 在应用上也可按式（10－35）进行设计，只是填料 的表面面积在这里按盘片浸水的表面面积Wd计算。
Wd 2 n R12 R22 （10－39）
§10－5厌氧处理法的运行与管理
厌氧生物处理是在没有游离氧存在的条件下， 兼性细菌与厌氧细菌降解和稳定有机物的生物处 理方法。在厌氧生物处理过程中，复杂的有机化 合物被降解、转化为简单的化合物，同时释放能 量。在这个过程中，有机物的转化分为三部分进 行：部分转化为甲烷，这是一种可燃气体，可回 收利用；还有部分被分解为 二氧化碳、水、氨气、 硫化氢等无机物，并为细胞合成提供能量；少量 有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。 由于仅少量有机物用于合成，故相对于好氧生物 处理法，其污泥增长率小得多。
1.厌氧填充床
厌氧填充床又称厌氧滤池或厌氧固定床。在厌 氧填充床中，废水流可以从下向上，称上流式厌氧 填充床，如图10－4（d）所示；也可象给水滤池那 样，废水从上至下流动，称下流式厌氧填充床 (downflow anaerobic packed bed)。厌氧填充床的 发展和水处理中所有滤池的发展一样，和填料的开 发与发展有十分密切的关系。从截污的角度讲，要 求填料具有足够大的截污能力而不致被堵塞。所以 开发具有大比表面积av而又不易堵塞的轻质填料， 一直是给水和废水处理中一个重要的研究课题。
⑴厌氧流化床原理
在流化床系统中依靠在惰性载体微粒表面形成的生物 膜来截留厌氧污泥。液体与污泥的混合、物质的传递是依 靠使这些带有生物膜的微粒形成流态化来实现。厌氧流化
床反应器是固体颗粒流态化技术在废水处理中的应用，
是一种厌氧固定膜反应器。70年代初，为了解决厌氧滤池 中生物载体的结块，床层堵塞以及最大程度减少压力损失， 提高有机负荷率等工艺问题。Jerris于 1974年提出了厌 氧流化床工艺。在现有文献中，尚没有清楚地被学术界公 认的流化床定义。一般认为，床层体积膨胀率大于25％为 流化床。
Wm
6a1
de
m V
（10－38）
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。
这样便可以按8－2中求式（8－32）的斜率和
截距的方法一样来求定式（10－37）中的（Lw）max 和K值。
3.厌氧生物转盘
厌氧生物转盘是与好氧生物转盘相类似的装置， 其净化机理与厌氧生物滤池基本相同。迄今尚处于 实验室试验阶段。厌氧生物转盘的一般负荷： 20gTOC/m3.d 。 其优点：容积负荷高，无堵塞，可处理高浓度，高 悬浮物有机废水，耐冲击负荷，运行稳定。
dM dt
a
X aV
Qe
（10－25）
式中,(－dρ/dt)为流化床底 物浓度变化速率，单位为 kgCOD/m3.d;ρi、ρe分别为进、 出水底物浓度，单位为 kgCOD/m3;(-d M/d t)a为单位 质量的生物膜对底物质量的降 解速率，单位kgCOD/(kg.d)； Xa为流化床的生物膜浓度，单 位为kg/m3;(-dM/dt)a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)。
第十章 厌氧生物处理法
§10－4厌氧生物膜法
厌氧处理比起需氧处理来，由于产甲烷细菌的 增代时间较长，需要有较长的污泥停留时间。有无 回流的厌氧活性污泥中，就不得不加大水力停留时 间来获得较长的污泥停留时间；在有回流的厌氧活 性污泥法中，虽然可通过回流来减短水力停留时间 并增大污泥停留时间，但由于受污泥的沉降和浓缩 性能的限制，也不可能获得太长的污泥停留时间。 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力停留时间条件下，获得很长 的、甚至长达100d以上的污泥停留时间，加之厌氧 处理中不存在传氧的限制，因此可以预料，厌氧生 物膜法将具有十分广泛的应用和发展前景。
根据式（8－6）有
dX Y d
dt dt
（8－6）
式中，X=Xa+Xs。比照式（8－6）可列出
dX a dt
Ya
dM dt
a
• Xa
（10－26）
dX s dt
Ys
dM dt
s
•
Xa
（10－27）
式中，Ya、Ys分别为生物膜和悬浮生长微生物的 表现产率因数。
由式（10－26）和式（10－27）得
厌氧填充床常用式（10－22）即所谓负荷模型进行 设计，因为污泥产量难于测定，用θc设计并不方便。 和负荷进行设计时应进行水力停留时间的校核。水 力停留时间反映了废水中有机物与微生物的接触和 反应时间，具体数值可按表10－1选用或通过可处理 性试验确定。
2.厌氧膨胀床/流化床
前已述及，在厌氧填充床的研究中发现，污泥 量和COD去除量主要发生在进水端。为防止堵塞，填 料的粒径不能太小，一般采用１0－25mm，这就限制 了厌氧填充床的有机物负荷不能太高。厌氧膨胀床/ 流化床以及上流式厌氧污泥床都是为解决这一问题 而开发的新型厌氧反应器。厌氧膨胀床/流化床是使 1mm左右粒径的填料处于流化状态来处理废水；上流 式厌氧污泥床用自然培养的0.5～2.0mm左右的颗粒 污泥处于流化状态来处理废水。这样，既避免了堵 塞，又大大增加了微生物固定生长的表面积，提高 了反应器中的微生物浓度，从而大幅度提高了有机 物体积负荷。
=0，则可得
Qi
e
a
Ya
X aV
s
Ys
X sV
(10－30)
根据第二节的介绍，用Monod方程描述厌氧微生 物的生长具有足够的准确性，因此μa和μs可分别 表示成
a
max a • e Ka e
（10－31）
s
max s • e
K se
式(10－30)中的第二项可以忽略，故可以不考 虑式(10－32)。这是因为厌氧流化床中填料的表面 面积很大，生物膜量远远大于悬浮生物量，同时， 镜检也发现流化床中悬浮物主要是一些从填料上脱 落的老化生物膜，活性差。因此可以认为，流化床 中对底物降解起主要作用的是填料上生长的生物膜， 故可只用式(10－31)代入式(10－30)得出
与其它高效厌氧反应器相比，厌氧流化床反应 器有如下一些基本优点：
1．生物量浓度高，活性好；
2．处理速率快，效率高；
3．运行稳定性好；
4．启动和再启动较容易。
此外 AFB基本上解决了床层堵塞问题且具有对各 种废水适应性强和结构紧凑、占地少等优点。当 然 AFB反应器也存在一些不足之处：主要是对载 体性能要求高，设备成本较高，能耗较大，运行 管理较复杂等。尽管存在这些不足，厌氧流化床 的研究开发和应用仍是十分有前途的。
⑶基本方程式 厌氧膨胀床/流化床的基本方程也与第九章
所介绍的一样，具体设计时目前仍多采用有机 物体积负荷法。但是，由于填料粒径和膨胀率 的差别，使反应器中微生物的差别很大，因而 使有机物容积负荷也差别很大，这样既不便于 比较，也不便于设计时应用。因此目前试图根 据填料的表面面积推导出有机物面积负荷来进 行设计。下面介绍厌氧流化床有机物面积负荷 的方程式。
从上式可看出，k的物理意义为被去除的有机物负
荷。对厌氧填充床的研究发现，ρe/ρi与θc间也存 在类似式（10－22）形式的相关性
e i
exp( k '•c )
（10－24）
式中k’的单位为d-1。
图10－10为按式（10－22）、式（10－24）整理的许多 试验者的数据。图中用下标1表示负荷高于1.5kg/m3.d即 1/L=0.6m3.d/kgCOD, 或θc大于6d时的k和k’值；CODnf和 CODf分别为未过滤和过滤后的COD值。从图10－10可看出，厌 氧填充床中的COD去除率以1.5kgCOD/ m3.d为界限，在高、 低负荷时具有各自的规律,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以上。 对于分子结构较简单的底物，例如糖类，根据Plummer等人 的研究，不存在图10－10中的折点，如图10－11所示。