厌氧生物法.ppt

第七章 厌氧生物法,主要内容,7.1厌氧生物处理原理 L 7.2厌氧法的影响因素 L 7.3厌氧反应器 L 7.4污泥消化 L 7.5废水的厌氧处理 L,7.1 厌氧生物处理原理,7.1.1定义： 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。 7.1.2厌氧消化过程 厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。 第一阶段为水解酸化阶段。复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2、碳酸以及新的细胞物质。 第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。,7.1.3 厌氧消化的三个阶段和COD转化率 此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。 上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为速度限制步骤； 简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷易成为限速阶段。 厌氧消化的三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。,7.2 厌氧法的影响因素,厌氧法对环境条件的要求比好氧法更严格。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)、营养比、混合接触状况、有机负荷等； 另一类是环境因素，如温度、pH值、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和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。,7.2.1 温度条件 各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为560。 在35和53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为4045时，厌氧消化效率较低。 据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。 （1）常温消化（1030 ） （2）中温消化（3538 ） （3）高温厌氧消化（5055 ）,温度对厌氧消化过程的影响,7.2.2 pH值 每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.58.0之间。 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.07.2，pH6.67.4较为适宜。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.57.5(最好在6.87.2)的范围内。,pH值对产甲烷菌活性的影响,7.2.3 氧化还原电位 无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。 氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素，但不是唯一因素。 挥发性有机酸的增减、pH值的升降以及铵离子浓度的高低等因素均影响系统的还原强度。如pH值低，氧化还原电位高；pH值高，氧化还原电位低。,7.2.4 有毒物质 包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。 有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。,7.3 厌氧反应器,7.3.1厌氧工艺的有关术语 （1）上流速度（表面速度或表面负荷）：反应器单位横截面面积上的向上流动的进液流体流量，（m/h）。 （2）水力停留时间（HRT）：进入反应器的废水在反应器内的平均停留时间。HRTV/Q H/u （h） （3）反应器中的污泥量：反应器中的污泥量通常以悬浮物（TSS）或挥发性悬浮物（VSS）的平均浓度来表示，单位为gVSS/L或gTSS/L。VSS和TSS的比之也被用来评价污泥的品质。 （4）反应器的有机负荷（OLR）：分为容积负荷（VLR）和污泥负荷（SLR）。 VLR表示单位反应器容积每日接受的废水中总有机污染物的量，其单位为kgCOD/（m3·d）或 kgBOD/( m3·d). (5)污泥体积指数（SVI）：表示污泥沉降性能的参数。 （6）污泥的比产甲烷活性：在一定条件下，单位治理的厌氧污泥产甲烷的最大速率，单位为mLCH4/（gVSS·d）或 m3CH4/（kgVSS·d）。 （7）反应器内的污泥停留时间（SRT）:亦称泥龄。,7.3.2 厌氧反应器 按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法； 按投料、出料及运行方式分为分批式、连续式和半连续式； 根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化与两步厌氧消化等 。 厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。 厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。,一、普通厌氧消化池 普通消化池又称传统或常规消化池。 消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。 池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。 为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。,螺旋浆搅拌的消化池,循环消化液搅拌式消化池,普通消化池的特点是: 可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。 厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。 对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。 温度不均匀，消化效率低,二、厌氧接触法 为了克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池侯设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。 厌氧接触氧化法的工艺流程为：,厌氧接触法的特点: （a）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10 15g/L，耐冲击能力强 （b）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2 l0kgCOD/m3·d，水力停留时间比普通消化池大大缩短， 如常温下，普通消化池为1530天，而接触法小于10天； （c）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在 堵塞问题； （d）混合液经沉降后，出水水质好； （e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备； （f）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺 点。,几种脱气方法: (a)真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器(真空度为0.005 MPa)，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉降性能； (b)热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却。 (c)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降； (d)用超滤器代替沉淀池，以改善固液分离效果。,三、上流式厌氧污泥床反应器 上流式厌氧污泥床反应器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，简称UASB反应器，是由荷兰的G. Lettnga等人在70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。 由反应区(reaction region) 、沉淀区(settling region)和气室(gas collection dome)三部分组成。 上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。 大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般为矩形，高度一般为38m，其中污泥床12m，污泥悬浮层24m，多用钢结构或钢筋混凝土结构， 上流式厌氧污泥床反应器的特点：,（a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为3040g/L，其中底部污泥床污泥浓度6080g/L，污泥悬浮层污泥浓度57g/L；污泥床中的污泥由活性生物量占7080的高度发展的颗粒污泥组成，颗粒的直径一般在0.55.0mm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。 （b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为1020kg COD/m3·d）； （c）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设； （d）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动； （e）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。,（f）反应器内有短流现象，影响处理能力。进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积，甚至引起堵塞； （g）运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。,四、厌氧滤池 厌氧滤池，又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。 滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。 厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。 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。,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：,厌氧生物滤池的特点及改进： 在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。 厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的，在池进水部位高，相应的有机物去除速度快。 当废水中有机物浓度高时，特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。,对厌氧生物滤池采取如下改进： （a）出水回流； （b）部分充填载体； （c）采用软性填料。 厌氧生物滤池的特点是： （a）由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为216 kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强； （b）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快； （c）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备； （d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。 （e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。,五、厌氧流化床 厌氧流化床的基本原理： 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0.21mm。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。,厌氧流化床的特点： （a）载体颗粒细，比表面积大，可高达20003000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为1040kgCOD/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定； （b）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能； （c）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度； （d）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少； （e）结构紧凑、占地少以及基建投资省等。 （f）但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。,为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取如下措施： （a）间歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，呈流化床运行； （b）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径2030m、相对密度1.051.2g/cm3的载体。保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态化。,六、厌氧生物转盘和挡板反应器 厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分 (70以上)或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。 厌氧挡板反应器是从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。 挡板反应器与生物转盘相比，可减少盘的片数和省去转动装置。,厌氧生物转盘示意图,厌氧生物转盘的特点： （a）厌氧生物转盘内微生物浓度高，因此有机物容积负荷高，水力停留时间短； （b）无堵塞问题，可处理较高浓度的有机废水； （c）一般不需回流，所以动力消耗低； （d）耐冲击能力强，运行稳定，运转管理方便。但盘片造价高。,七、两步厌氧法和复合厌氧法 厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应，比如一为产酸阶段，另一为产甲烷阶段，故又称两段式厌氧消化法。 按照所处理的废水水质情况，两步可以采用同类型或不同类型的消化反应器。 第一步反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行；第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。,接触消化池上流式污泥床两步消化工艺流程,两步厌氧法具有如下特点: （a）耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺陷； （b）两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件 （c）消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水 （d）但两步法设备较多，流程和操作复杂。,7.4 污泥消化,污泥消化目的：是改善污泥的卫生条件和使污泥易于脱水（因污泥 气的上升可使污泥具有较大的空隙，因而易于脱水）。 主要内容 7.4.1 消化设备L 7.4.2 影响消化的因素L 7.4.3 污泥的好氧消化L,7.4.1 消化设备 消化污泥的主要构筑物称为消化池或沼气池。,7.4.2 影响消化的因素 影响消化的主要因素有： 温度 碳氮比 生、熟污泥配比 有毒物质 酸碱度 搅拌,（1）温度 细菌的活动与温度有关，一般可根据不听的温度将发酵过程分为三个类型： 温度为5 15，称为低温发酵； 温度为30 35，称为中温发酵； 温度为50 55，称为高温发酵。 温度的高低决定消化过程的快慢。例如，高温条件下只需要10d就能完成的消化过程，中温条件下需要2030d，温度降低10 ，消化过程就要延长34个月。 一般采用中温发酵进行污泥消化。,（2）碳氮比 碳氮比太高，细菌的氮量不足，消化液缓冲能力低，pH值容易降低。碳氮比太低，含氮量过多，pH值可能上升到8.0以上，脂肪酸的铵盐要积累，使有机物分解受到抑制。对于污泥处理来说，碳氮比以（1020）:1较合适。 （3）生熟污泥配比 正常运行的消化池是处于碱性发酵阶段，如加入的生污泥多，产酸率则大于用酸率，挥发酸将累积起来而破坏酸性发酵；加入的生污泥少，分解速度虽可加入，但池子容积将增大，所以消化池的投配率须恰当。 （4）有毒物质含量 主要的有毒物质是重金属和某些阴离子。因此必须严格控制排入城市排水系统的工业废水中的重金属离子含量。,（5）酸碱度 甲烷细菌生长最适宜的pH值范围约为 6.87.2之间，如果pH值低于6或者高于8，生长繁殖将大受影响。 （6）搅拌 搅拌可使新鲜有机物与腐熟有机物均匀接触，加速热传导；均匀地供给细菌以养料；打碎发酵池液面上的浮渣层，使整个池子处于消化发酵活跃状态，以提高发酵池的负荷。20世纪40年代的发酵池没有搅拌设备，称标准发酵池，发酵时间长，约需3060天。有搅拌设备的发酵池（分连续搅拌与间歇搅拌），发酵时间约为1015天。,7.4.3 污泥好氧消化 污泥的好氧消化即污泥的好氧生物处理是近十年来在延时曝气活性污泥法的基础上发展起来的。通过好氧处理，产生CO2和H2O以及NO2、SO42-、PO43-。 好氧消化的主要优点： （1）消化温度相同时，所需要较短，生活污水污 泥在15时经20d左右，挥发性固体即能降低4050，好氧消化一般不需要加热； （2）污泥水中BOD5浓度较低； （3）无臭气； （4）好氧消化后污泥的脱水性能较好； （5）运行较方便； （6）设备费较少。,好氧消化法的缺点是： （1）需要供应空气，动力费用高； （2）无甲烷气体产生； （3）除去寄生虫卵和病原微生物的效果较差。,7.5 废水的厌氧处理,