污水的厌氧生物处理

100第十五章污水的厌氧生物处理§15-1概述厌氧生物处理法，是在无氧的条件下由兼性厌氧菌和专性厌氧菌来降解有机污染物的处理方法。它是环境工程与能源工程中的一项重要技术，是有机废水强有力的处理方法之一。厌氧生物过程广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的LouisMouras所发明的“自动净化器”开始的。该法的应用已有二百多年历史，但由于其与好氧法相比，存在着处理时间长、出水水质差、对低浓度有机废水处理效率低等缺点，从而使其应用受到限制，发展缓慢。从70年代起，出现了世界性能源紧张，促使污水处理向节能和实现能源化方向发展。厌氧处理最大的特点是既节能又产能，对缓和污水处理厂“建得起，养不起”的矛盾有较好的客观效果。因此，厌氧生物处理法引起了人们的注目，其理论研究和实际应用都取得了很大的进展。过去，它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以及部分高浓度有机废水的处理。经过多年的发展，现已成为污水处理的主要方法之一，不但可用于处理高浓度和中等浓度的有机污水及好氧处理过程中所产生的剩余有机污泥，还可以用于低浓度有机污水的处理。一、厌氧生物处理的对象1、有机污泥有机污泥包括废水好氧生物处理过程生成的大量活性污泥和生物膜，初沉池可沉淀的有机固体，以及人畜的粪便等。2、有机废水食品工业，如酒精、味精、制糖、淀粉、屠宰和啤酒等工业排出的废水，不仅数量多，而且浓度也很高。对这些以农牧产品为原料的加工工业排出的高浓度有机废水，是厌氧生物处理的主要对象。3、生物质以专门利用生物质转化为新能源为主要目的的厌氧发酵法，是利用某些植物茎杆和叶子等生物质通过厌氧发酵获得生物能——沼气。二、厌氧生物处理的目的/作用1、杀菌灭卵、防蝇除臭，防止传染病的发生和蔓延。2、去除废水中大量有机物，防止对水体的污染。3、利用污水厂污泥和高浓度有机废水产生沼气可获得可观的生物能源。三、厌氧法的基本原理四阶段发酵理论——Zeikus1979年左右提出(1)第一阶段：水解和发酵性细菌将复杂有机物水解为小分子有机物：如：纤维素、淀粉水解为单糖，再发酵为丙酮酸；蛋白质水解为氨基酸，再脱氨基成有机酸和氨；脂类水解为低级脂肪酸和醇,如乙酸、丙酸、丁酸、乙醇、CO2、H2、NH3和H2S等。微生物群落：水解、发酵性细菌：梭菌属、拟杆菌属、双歧杆菌；链球菌和肠道菌等。(2)第二阶段：产氢和产乙酸菌把第一阶段的产物进一步分解为乙酸和氢气。101024682530354045505560温度（℃）有机物负荷(g/L·d)01234产气量（L/L·d）有机负荷产气量微生物群落：产氢和产乙酸菌，如奥氏甲烷杆菌；将三碳以上有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和H2的细菌和硫酸还原菌。(3)第三阶段：有2组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群。一是将CO2或CO和H2合成CH4；另一组是将乙酸脱羧生成CH4和CO2，或利用甲酸、甲醇及甲基胺裂解为CH4。(4)第四阶段：同型产乙酸阶段，是同型产乙酸细菌将CO2和H2转化为乙酸的过程。其作用目前尚在研究。四、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。一般认为，控制厌氧处理效率的基本因素有2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。由厌氧法的基本原理可知，厌氧过程要通过多种生理上不同的微生物类群联合作用来完成。如果把产甲烷阶段以前的所有微生物统称为不产甲烷菌，则它包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多。与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对pH值、湿度、厌氧条件等外界环境因素的变化具有较强的适应性，且其增殖速度快，而产甲烷菌是—群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对生长环境条件的要求比不产甲烷菌更严格，而且其繁殖的世代期更长。因此，产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物。产甲烷阶段又常是厌氧过程速率的限制步骤。正因为此，在讨论厌氧过程的影响因素时，多以产甲烷菌的生理、生态特征来说明。1、温度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5-60℃。在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40-45℃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常温厌氧消化，指在自然气温或水温下进行废水厌氧处理的工艺，适宜温度范围10～30℃。②中温消化，适宜温度35～38℃，若低于32℃或者高于40℃，厌氧消化的效率即趋向明显地降低。③高温厌氧消化，适宜温度50～55℃。一定范围内，温度提高，有机物去除率提高，产气量提高。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性的破坏，温度一经恢复到原来水平时，处理效率和产气量也随之恢复。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4.5-8.0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102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。在厌氧消化过程中，pH值的升降变化除了外界因素的影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物的增减。(产酸作用产物使有机酸的含量增加，会使pH值下降。含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH值升高。)在厌氧处理中，pH值除受进水的pH影响外，主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡，取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间的平衡。所以，在生产运转中常把挥发酸浓度及碱度作为管理指标。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。4、有机负荷在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3·d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kgCOD/(kg污泥·d)。在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即kgMLVSS/m3·d。有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水中污染物的种类及其浓度而异。在通常的情况下，常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2-3kgCOD/(m3·d)，在高温下为4-6kgCOD/(m3·d)。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15kgCOD/(m3·d)，可高达30kgCOD/(m3·d)。在处理具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。5、厌氧活性污泥厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉降性能。故在一定的范围内，活性污泥浓度愈高，厌氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。6、搅拌和混合通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。在传统厌氧消化工艺中，也将有搅拌的消化器称为高效消化器。搅拌的方法：(a）机械搅拌器搅拌法；（b）消化液循环搅拌法；（c）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量。厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以上流的103方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到一定程度的搅拌作用。7、废水的营养比厌氧微生物的生长繁殖需按一定的比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。厌氧法中碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。8、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。五、厌氧生物处理的主要特征1、优点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：(1)应用范围广既可用于高浓度有机废水处理，又可用于中、低浓度废水处理；厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；因此，对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果，或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后续好氧处理工艺的处理效果。(2)能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；(3)处理负荷高、占地少，反应器体积小；通常好氧法的有机容积负荷为2～4kgBOD/(m3·d)，而厌氧法为2～10kgBOD/(m3·d)，高的可达50kgBOD/(m3·d)；(4)污泥产量很低，且其浓缩性、脱水性能良好；(5)对营养物需求量小，其BOD5∶N∶P＝800∶5∶1；(6)厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等；(7)厌氧方法的菌种沉降性能好，生物活性保存期长，中止营养条件下可保留至少1年以上。(8)密闭系统，臭味对环境影响小。2、主要缺点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水厌氧生物处理工艺也存在着以下的明显缺点：①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术要求；②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；③虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。⑥厌氧反应器初次启动过程缓慢，一般需要8～12周时间。104§15-2厌氧生物处理装置按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厌氧生物膜法(anaerobicslime)；按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)；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(onestagedigestion)与两步厌氧消化(twostagedigestion)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(conventionaldigester)，已有百余年的历史。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