第四章污水厌氧生物处理MicrosoftWord文档

1第四章污水厌氧生物处理第一节：厌氧生物处理基本原理第二节：污水厌氧生物处理方法第三节：影响厌氧生物处理的因素第四节：厌氧生物处理工艺设计第一节：厌氧生物处理的基本原理一、基本原理二、厌氧过程的三个阶段三、反应器内的微生物四、微生物群体之间的关系一、厌氧生物处理的基本原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，将废水中复杂的有机物分解、转化成CH4和CO2等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobicdigestion)。与好氧过程的区别：不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。有机物的甲烷发酵不是单一的甲烷菌所能完成的。甲烷发酵至少分三个阶段，各阶段均有不同的微生物参与。参与的微生物大部分是兼性厌氧细菌和少量的原生动物、霉菌和酵母。主要依靠三类细菌：即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。二、厌氧过程的三个阶段1、水解阶段由水解和发酵性细菌，将废水中的有机物分解为脂肪酸、醇类、二氧化碳、氨和氢等。主要由厌氧微生物分泌的胞外酶，水解有机污染物。细菌的种类和数量，按分解的物质分为三类：纤维素分解菌；（多糖水解成单糖）脂肪分解菌；（脂肪分解成甘油和脂肪酸）蛋白质分解菌；（蛋白质分解成多肽和氨基酸）。2、酸化阶段利用乙酸细菌和芽胞杆菌等：将第一阶段的脂肪酸等，进一步转化为乙酸和氢；降解较高级的脂肪酸，如长链硬脂酸；降解芳香族酸，如苯基醋酸，产生乙酸和氢。3、产甲烷化阶段由产甲烷菌：利用CO2、CO、H2合成CH4。利用甲酸、乙酸、甲醇等生成CH4。厌氧生化过程分为三个阶段，但在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种动态平衡；这种平衡受到环境的pH值、温度、有机负荷等因素所约束。三、反应器内的微生物21、不产甲烷，分解有机物的微生物不产甲烷的微生物：包括细菌、真菌和原生动物。有厌氧菌和兼性厌氧菌。原生动物数量不多，在消化器中，有鞭毛虫、纤毛虫和变形虫等18种原生动物。细菌：起着最重要的作用。将复杂有机物，转化为简单的小分子物质。参与分解有机物过程，并产生小分子有机酸。2、产甲烷的微生物是甲烷菌。甲烷菌的特性：（1）、易中毒：氧和氧化剂对甲烷菌具有很强的毒性。（2）、对pH值敏感：甲烷菌所需最佳pH值为6.7～7.2。（3）、各种甲烷菌都能利用氢作为生长和产甲烷的电子供体。（4）、世代时间比较长：甲烷菌世代时间可达4～6d。四、微生物群体之间的关系是协同和抑制关系。1、协同产酸菌的代谢产物是甲烷菌的营养物质，甲烷菌利用这些物质进行生命活动和转化成甲烷。在正常情况下，两大类微生物的代谢水平处于平衡状态。2、抑制如果产酸菌的数量急增，有机酸的积累增多，发酵介质的pH会明显下降，甲烷菌的生命活动将受到抑制。第二节污水的厌氧生物处理方法一、普通厌氧消化池二、厌氧生物滤池三、厌氧接触法四、上流式厌氧污泥床反应器五、分段厌氧处理法一、普通厌氧消化池有机固体污染物浓度较高的废水，常用普通厌氧消化处理。1、处理工艺废水定期或连续进入池中，消化后的废水从消化池上部排出；产生的沼气则由顶部排出；污泥从底部排出。必须定期搅拌池内的消化液，以利于整个反应进行。中温消化的负荷：为2～3KgCOD／(m3•d)；高温消化的负荷：为5～6kgCOD／(m3•d)。2、池的结构池体：采用密闭的圆柱形。池径：从几米到三四十米，柱体部分的高度约为池径的1/2。底部：呈圆锥形，以利于排泥。3顶部：设有顶盖，以保证良好的厌氧条件，便于收集沼气。3、普通消化池的优点可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液；消化反应和固液分离在同一个池中进行，结构简单。4、普通消化池的缺点无法保持或补充活性污泥，池内难以保持大量的微生物；出现料液分层现象，微生物不能与料液均匀接触，消化效果较差。解决方法：即搅拌。5、消化池的搅拌搅拌方式有3种：（1）机械搅拌；（2）沼气搅拌：即用压缩机将沼气从顶部抽出，再从池底充入，进行循环；（3）循环消化液搅拌：即在池内安装射流器，池外设置水泵，将消化液经射流器重新打入消化池内。6、消化池加热方式有3种（1）废水在消化池外，先经热交换器预热到一定温度，再进入消化池；（2）用蒸汽直接在消化池进行加热；（3）在消化池内安装热交换器。分析：普通消化池消化效率不高的主要原因在消化池内，酸化和产甲烷两个阶段的不同类型的微生物混合生长，无法保证各自的最佳生长条件。微生物的流失，使消化池内微生物浓度较低，影响了消化分解能力。解决方法之一：在消化池后设一沉淀池。二、厌氧接触法在普通消化池后段设一沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。1、优点通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；消化池的容积负荷较普通消化池高；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15-30天，而接触法小于10天；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；混合液经沉降后，出水水质较好。2、缺点需增加沉淀池和污泥回流设备。存在混合液在沉淀池中固液分离困难的缺点。3、混合液固液分离困难的原因由于混合液中污泥上附着大量的微小沼气泡，易引起污泥上浮；混合液中的污泥仍具有产甲烷活性，在沉淀过程中仍能继续产气，从而妨碍污泥颗粒的沉降和压缩。4因此，混合液在进入沉淀池前要进行脱气预处理。常用的脱气预处理方法有三种(1)、真空脱气:由消化池排出的混合液经真空脱气器脱气(真空度为O.005MPa)。(2)、热交换器急冷法脱气:将混合液进行急速冷却。如将中温混合液从35℃急冷却到15-25℃，以控制污泥继续产气，从而使厌氧污泥有效地沉淀。(3)、絮凝沉淀法：向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥凝聚成大颗粒，以加速沉降。三、厌氧生物滤池厌氧滤池，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。挂膜：将生物膜引入新投入运行的填料上，称为挂膜。厌氧生物滤池的特点：滤池中的微生物量较高，可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强；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；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；启动或停止运行后再启动,比普通消化池时间短。缺点：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。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。改进：出水回流；部分充填载体；采用软性填料。四、上流式厌氧污泥床反应器也称厌氧流化床反应器。床内填充细小的固体颗粒作为载体。常用石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，粒径一般为0.2～1mm。工艺流程：废水从底部流人，向上流动。填料层膨胀或流化，用泵将部分水回流，以增加上升流速。膨胀床：床内载体保持互相接触的反应器。流化床：上升流速增大到使载体在床内自由运动，而互不接触的反应器。通常，膨胀床与流化床有很多共同特点，其区分界限不十分清楚。两者均称为流化床。由反应区、沉淀区和气室三部分组成。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5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3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构，主要特点1、介质的流态化，保证了厌氧生物与被处理的介质充分接触；2、由于形成的生物量大，生物膜较薄，传质好，反应速度快；3、克服了厌氧生物滤池的堵塞和沟流问题；4、反应器负荷高，高径比大，可减少占地面积；5、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，一般无污泥回流设备；6、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。缺点1、载体流化耗能较大；系统的设计、运行要求高。2、为保证流态化，流化床反应器需要大量的回流水。3、流化床三相分离，特别是固液分离比较困难。4、反应器内有短流现象，影响处理能力。5、运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。以上原因，流化床反应器至今没有在生产上得到大规模应用。五、分段厌氧处理法将水解酸化过程和甲烷化过程分别在两个反应器内进行。第一段：完成水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质；并截留难降解的固态物质。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。第二段：保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较高的消化气。反应器：则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。其它厌氧处理法接触消化池-上流式污泥床两步消化工艺。纤维填料厌氧滤池和上流式厌氧污泥床复合工艺。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。6厌氧生物转盘：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，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧挡板反应器：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。同时，厌氧挡板反应器实质上是一系列升流式厌氧污泥床，但不设三相分离器。特点：微生物浓度高勿需处理水回流生物膜经常保持较高的活性耐冲击负荷，处理过程稳定性强可采用多级串连，各级微生物处于最佳生存条件运行管理方便盘片成本较高特点：反应器启动期短。实验表明接种一个月，就有颗粒污泥形成，两个月可稳定运行。避免厌氧滤池等堵塞问题避免UASB因污泥膨胀而发生污泥流失问题不需要搅拌不需要载体第三节厌氧法的影响因素厌氧生物处理对环境的要求比较严格。一般认为，控制厌氧生物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；一类是环境因素：如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质的含量等。1、温度条件2、pH值3、氧化还原电位4、有机负荷5、厌氧活性污泥6、搅拌和混合7、废水的营养比8、有毒物质1、温度对厌氧消化过程的影响起消化作用的微生物中：一种是嗜温性微生物，在15～43℃范围内存活，最适温度为32～35℃；另一种嗜热性微生物，适宜温度为49-54.5℃。因此、生物发酵，根据温度不同，分为：7中温发酵：35～38℃；高温发酵：52～55℃。采用高温度消化是有利的，因为这可以缩短消化时间。45～60℃消化温度，是最有利的。但温度过高由于热损失高，还产生臭味，实际上较少采用。比较适宜的温度约为35℃，即中温消化。在不加热的池中发酵，周期长，池容量要比在35℃时增加4～5倍。高温与中低温消化法的单位容积处理能力比值为2.5:0.2～O.25。处理高浓度的有机废水，消化池进行加热和保温，缩小厌氧发酵设备体积。2、pH值产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0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7.0-7.2，pH6.6-7.4较为适宜。在厌氧法处理废水中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，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6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范围内。消化过程的缓冲作用运行正常的消化系统可以在消化的最终产物中产生缓冲剂，例如有机物--→CO2+H20+NH3+CH4CO2+H20+NH3+CH4--→NH4HCO3(缓冲剂)因此，废水在处理前，可利用出水回流所具有的缓冲能力，对其无机酸和碱进行中和处理，适当调整进水pH值，减少中和污水时所需的化学药品数量，降低成本。但是，由于产酸菌繁殖的倍增时间是以分钟或小时计；而甲烷菌却长达4～6d。当消化过程中有机酸积累时，要大量消耗碳酸氢根(HCO3-)，使