第18章厌氧生物处理.

第十八章厌氧生物处理教学目的与要求了解厌氧生物处理基本原理；熟悉厌氧生物处理工艺；掌握工业废水厌氧生物处理设备的构造与设计要点。教学重点工业废水厌氧生物处理工艺教学难点工业废水的厌氧生物处理工艺课程内容18.1厌氧生物处理的发展18.2厌氧生物处理的主要特征18.3厌氧生物处理基本原理18.4厌氧消化的影响因素与控制要求18.5两级厌氧与两相厌氧处理18.6厌氧生物处理工艺与反应器18.1厌氧生物处理的发展“自动净化器（1881年法国人LouisMouras）第一代厌氧生物反应器如化粪池、双层沉淀池（处理城市污水）厌氧消化池（剩余污泥）特点：①水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果不理想；③具有浓臭的气味第二代厌氧生物反应器（上世纪50、60年代）特点：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。第三代厌氧生物反应器UASB反应器、EGSB反应器、IC反应器颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器：利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应机会，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；IC反应器：则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。缺点厌氧生物处理法主要优点主要优点：⑴能耗低；可回收生物能源(沼气)⑵每去除单位质量底物产生的微生物(污泥)量少；⑶而且由于处理过程不需要氧，所以不受传氧能力的限制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。厌氧生物处理法的缺点：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18.2厌氧生物处理的主要特征厌氧生物处理——概述在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。18.3厌氧生物处理基本原理厌氧消化三阶段理论废水处理工艺中的厌氧微生物厌氧消化机理和厌氧处理技术厌氧消化三阶段理论根据厌氧消化三阶段理论，复杂有机物的厌氧消化过程主要包括液化、产酸和产甲烷三个阶段，由多种相互依存的细菌群来完成复杂的基质混合物最终转化为甲烷和二氧化碳，并合成自身细胞物质。每一阶段各有其独特的微生物类群，液化阶段起作用的细菌主要包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌；产酸阶段起作用的细菌主要是菌产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢气和二氧化碳等；产甲烷阶段是甲烷菌利用乙酸、丙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和H2/CO2是其主要基质。Bryant认为厌氧消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶水解；第二阶段是酸化；第三阶段是在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。废水处理工艺中的厌氧微生物在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷细菌（menthanogens）。表19-1产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh-350mv(中温)，-560mv(高温)-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃厌氧消化机理和厌氧处理技术图19-1产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）乙酸CH4CO228%72%长链脂肪酸（丙酸、丁酸等）简单有机化合物（糖、氨基酸、肽）复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、类脂类）13%10%5%20%35%17%水解产酸H2CO218.4厌氧消化的影响因素与控制要求1.影响因素甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。温度因素生物固体停留时间（污泥龄）与负荷搅拌和混合营养与C/N比氨氮有毒物质酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用温度因素温度与有机物负荷、产气量关系见图消化温度与消化时间的关系见图厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化（10~30℃）、中温消化（35℃左右）和高温消化（54℃左右）。温度与有机物负荷、产气量关系温度（C）0555045403530251213425637840产气量（m/m·d）有机物负荷（kg/m·d）图19-2温度与有机物负荷、产气量关系图消化温度与消化时间的关系T（C）6050403020100120105907560453015消化时间t（d）图19-3温度与消化时间的关系曲线生物固体停留时间（污泥龄）与负荷00102030400.20.40.60.81.0水力停留时间t（d）有机物浓度%4%6%8%有机负荷（X16.21kgvs/m·d）图19-4容积负荷和水力停留时间关系①当有机物负荷很高时，甲烷菌处于是低效不稳定状态。②负荷适中，pH＝7～7.2，呈弱碱性，是高效稳定发酵状态。③当有机负荷小，供给养料不足，产酸量偏少，pH＞7.2是碱性发酵状态，是低效发酵状态。在厌氧消化中，负荷常以投配率表示。投配率指每天加入消化池的生污泥或有机废水的容积与消化池容积的比例。搅拌和混合搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。营养与C/N比厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。各种废物的碳氮比（C/N）原料碳氮比原料碳氮比大便(6~10):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪29:1鲜猪粪13:1氨氮厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。有毒物质挥发性脂肪酸（VFA是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切的关系，pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH值，过高或过低的pH对微生物是不利的，表现在：1．由于pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收；2．pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；3．pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的pH值时才能发挥最大活性，不适宜的pH值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。2.厌氧消化过程中沼气产量的估算沼气（Biogas）：糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体。估算（产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成）实际的产气量要比理论产气量小。理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，3.厌氧消化动力学在厌氧消化条件下，BOD5去除属于一级反应：底物去除速率：细菌增殖速率：细菌净比增殖速率μ(d-1)：细菌增殖速率与生物固体平均停留时间（θc）的关系：SKsSXkdtdsSKsSXkdtdsSKsSXkdtdsbXdtdsYdtdXbSKsYkSdtdXX1bSKsYkSdtdXX1bSKsYkSdtdXXc11由上式得S=Ks(1+bθc)/[θc(Yk-b)-1]式中k——单位质量细菌对底物的最大利用速率：质量/细菌质量S——可降解的底物量：质量/体积X——细菌浓度：质量/体积；dx/dt——细菌增殖速率：质量/体积·时间Ks——半速度常数：质量/底物体积；Y——细菌产率：细菌质量/底物质量-ds/dt——底物去除速率：质量/（体积·时间）b——细菌衰亡速率系数：d-1底物降解速率E：E=(Sa-Se)/Sa×100%式中Sa——原污泥可生物降解底物浓度mg/LSe——剩余的可生物降解底物浓度mg/L18.5两级厌氧与两相厌氧处理两级厌氧生物处理两相厌氧生物处理18.5.1两级厌氧生物处理两级消化：根据沼气产生的规律（图）设计。目的：节省能量（节省污泥加温与搅拌的部分能量）特点：第一级：加热（33～35℃）、搅拌；第二级：不加热（20～26℃）、不搅拌（可视为污泥浓缩池用）。消化时间与产气率关系曲线消化时间（d)048121620242830102030405060708090100产气率（%）30C图19-5消化时间与产气率关系18.5.2两相厌氧生物处理两相厌氧消化：根据消化机理设计。目的：改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。特点：第一相：n=100%；t停=1d处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二阶段）。需加热、搅拌。第二相：n=（15～17）%；；处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。优点：（1）总容积小（2）加热耗热量少，搅拌能耗少（3）运行管理方便18.6厌氧生物处理工艺与反应器普通厌氧消化池厌氧接触工艺厌氧生物滤池厌氧生物转盘UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器厌氧折流板式反应器