厌氧处理

1本章重点：厌氧过程动力学第十章厌氧生物处理法20世纪70年代以来，由于城市的扩大和工业的迅速发展，有机废.如仍用需氧法处理则需要消耗大量的能量。随着全球性能源问题的日益突出，在废水处理领域内，人们便逐渐对厌氧生物处理工艺产生了新的认识和估价。厌氧生物处理法的主要优点有：能耗低；可回收生物能源(沼气)；每去除单位质量底物产生的微生物(污泥)量少；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。其缺点是处理后出水的COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等。§10.1厌氧生物处理法的基本原理和流程1.基本原理可将有机物在厌氧条件下的降解过程分成三个反应阶段。第一阶段是，废水中的溶性大分子有机物和不溶性有机物水解为溶性小分子有机物。反应的第二阶段为产酸和脱氢阶段。水解形成的溶性小分子有机物被产酸细菌作为碳源和能源，最终产生短链的挥发酸，如乙酸等。在废水的厌氧生物处理过程中，有机物的真正稳定发生在反应的第三阶段，即产甲烷阶段。产甲烷的反应由严格的专一性厌氧细菌来完成，这类细菌将产酸阶段产生的短链挥发酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。2图10-1厌氧处理的连续反应过程2.甲烷的产生与形成途径产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段，这一阶段产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2，可能反应如下：4H2+CO2CH4+2H2O（10-1）4H2+CH3COOH2CH4+2H2O（10-2）CH3COOHCH4+CO2（10-3）因为氧化氢形成甲烷的细菌可从二氧化碳中获得碳源，所以这些细菌带有自养性，其生长速率很慢，虽然它们与分解乙酸的细菌在厌氧反应器中有共生关系，但其数量较少，在厌氧反应过程中，生成的甲院大部分来自乙酸的分解。主要参与微生物统称为产甲烷菌；其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。3.基本流程不溶性有机物和大分子溶性有机物水解阶段（胞外酶作用）简单溶性有机物产酸脱氢阶段（产酸细菌作用）细菌细胞其它产物挥发酸CO2+H2产甲烷阶段（产甲烷细菌作用）细菌细胞CH4+CO23图10-3为废水厌氧处理的基本流程图，图中以虚线框标出厌氧处理单元，主要由六部分组成，简单说明如下：⑴厌氧反应器厌氧处理中的发生生物氧化反应的主体设备。⑵促使反应器中主体液体与进水充分混合的设备或手段。⑶保持反应器中主体液体达到所需温度的设备。⑷pH值调节剂投加设备。⑸沼气的排放、贮存和利用设备。⑹废弃厌氧生物污泥的贮存和处理设备。厌氧生物处理工艺的发展简史：①上述的厌氧过程广泛地存在于自然界中；②人类第一次利用厌氧消化处理废弃物，是始于1881年——LouisMouras的“自动净化器”；③随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）；——长的HRT、低的处理效率、浓臭的气味等；④50、60年代，特别是70年代中后期，随着能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理；——HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大提高；——厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；——HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。⑤最近（90年代以后），随着UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了EGSB4和IC反应器；——EGSB反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废水；——IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，可以达到更高的有机负荷。在厌氧反应器构型的开发研究过程中，可以认为，在消化池出现之前，人们主要集中于设法将废水中悬浮物的沉淀和污泥的厌氧发酵分开；而在消化池出现之后，则主要集中于将消化池中的水力停留时间和厌氧生物污泥的停留时间分开。由于产甲烷细菌的增殖率很低，消化池不得不采用很长的水力停留时间，一般为10—25d，这就使池子的体积很大，而容积负荷很低。为解决这一问题，近年来国内外进行了广泛的研究，出现了不少新的厌氧工艺和新型的厌氧反应器，其中包括：⑴两相厌氧法(two-phaseanaerobictreatmentprocess)这种工艺也称两段(twostage)厌氧法，是根据产甲烷细菌与其它非产甲烷细菌在生长特性方面的差异建立起来的，如图10-4（a）。①工艺流程与特点：这是70年代随着厌氧微生物学的研究不断深入应运而生的；着重于工艺流程的变革，而不是着重于反应器构造变革；在单相反应器中，存在着脂肪酸的产生与被利用之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的；两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足两类不同细菌的最适生长条件；反应器可以采用前述任一种反应器，二者可以相同也可以不同。两相工艺最本质的特征是实现相的分离，方法主要有：①化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；②物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；③动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌无法在产酸相中生长；实际上，很难做到相的完全分离。主要优点：有机负荷比单相工艺明显提高；产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；对于复杂有机物（如纤维素等），可以提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。②应用情况Ⅰ荷兰：淀粉废水产酸相产甲烷相出水进水5项目沉淀池产酸相产甲烷相容积(m3)70017005000HRT(h)3.259.520温度(C)333335pH6.26.27.5项目沉淀池进料产酸相产甲烷相进水出水进水出水COD(mg/l)17,500~18,00017,80016,40011,7003,000TKN(mmol)7577745246氨氮(mmol)329473342硫酸盐(mmol)3．33．01．30．70．1硫化物(mmol)0．10．11．91．31．4Ⅱ我国首都师范大学：豆制品废水反应器名称HRT(h)出水pH有机负荷(kgCOD/m3.d)COD去除率(%)产气率(m3/m3.d)出水挥发酸(mg/l)沼气中CH4(%)产酸相1.84.7~5.584.46.4180012产甲烷相(UASB)13.87.0~7.212.092.35.9565全系统15.67.0~7.210.593.25.265Ⅲ其它国家废水性质规模进水COD(mg/l)COD去除率(%)UASB反应器的有机负荷(kgCOD/m3.d)处理能力(kgCOD/d)投入运行年份比利时酶和酒精中试7500~1000079~84141801977德国甜菜制糖中试6000~700090~9220451980比利时酵母、酒精中试28200~3200067~72211351980德国柠檬酸中试4257470~8015~201201981比利时亚麻处理生产规模6500~700085~909~123501980德国淀粉、葡萄糖生产规模200001982德国甜菜制糖生产规模320001982德国甜菜制糖生产规模1500019826⑵厌氧接触法(anaerobiccontactprocess)这种工艺也称厌氧活性话泥法，像需氧活性污泥法那样，在消化池出水端设置污泥沉淀池，将沉淀的厌氧生物污泥回流入消化池中，以此来提高消化池中的污泥停留时间，如图10-4（b）；也可在消化池出水部位安装固体分离膜以提高污泥停留时间，如图10-4（c）。与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有：①污泥浓度高，一般为5~10gVSS/l，抗冲击负荷能力强；②有机容积负荷高，中温时，COD负荷1~6kgCOD/m3.d，去除率为70~80%；BOD负荷0.5~2.5kgBOD/m3.d，去除率80~90%；③出水水质较好；④增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂；⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。最大的问题是污泥的沉淀：污泥上附着有小气泡；污泥在二沉池中还有活性，还会产生气体，导致已下沉的污泥上浮。改进措施：真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。⑶生物膜反应器采用生物膜反应器提高污泥的停留时间及污泥浓度，这类反应器有厌氧填充床(anaerobicpackedbed)、厌氧膨胀床/流化床(anaerobicexpanded/fluidizedbed)、厌氧生物转盘(anaetobicrotating)等,如图10—4(d)、(e)⑷上流式厌氧污泥床反应器(upflowanaerobicsludgeblanketreactor)如图10—4(f)所示，这种反应器是在上流式厌氧填充休的基础上发展起来的。7附：表10-1各类厌氧处理过程的技术性能技术指标传统消化池两相厌氧法上流式污泥床填充床膨胀床流化床厌氧接触法产酸相产甲烷相处理对象废水厂污泥工业废水工业废水工业废水工业废水工业废水工业废水运行温度/℃30~3530~3530~3520~2520~3020~3020~3020~30水力停留时间/h10~25(d)05~1.01.5~3.08~488~488~488~488~48COD负荷Kg.m-3.d-11~660~9010~205~151~61~201~201~6COD去除率/%80~9580~8570~9070~9570~9570~9565~90回流比2~1005~500流速(包括回流)m.h-10.05~0.300.01~0.12~106~20MLSS/kg.m-35~155~1510~3010~205~158抽水功率(包括时间)/W.m-315~3020~4020~100075~30005~10搅拌功率/W.m-35~810~30§10-2厌氧过程动力学厌氧过程动力学涉及底物的降解、微生物的生长和甲烷的生成等三个方面的关系式。1.底物降解和微生物生长动力学厌氧处理过程中底物降解和微生物生长动力学都建立在Monod方程的基础上，这两个方面的动力学模型形式及其导出公式形式，与第八、九章需氧处理过程中同类型反应器的完全一样，只是动力学常数有些变动，如表10-2。可以看出，与需氧处理过程比较，厌氧处理中的µmax一般小一至两个数量级，而K值一般则较大。表10-2厌氧过程动力学常数底物温度℃μmaxl/dYGMgVSS/mgCODbl/dKMgCOD/L生活废水污泥250.250.040.0152000250.170.040.0153720200.140.040.0154620硬脂酸(C-18)370.100.110.010417棕酸(C-16)370.120.110.010143十四烷酸(C-14)370.110.110.010105乙酸350.34~0.050.04~0.050.015165~250丙酸350.310.0420.01060丁酸350.370.0470.027132.甲烷生成动力学在厌氧处理中，COD减小的途径主要是生成甲烷和微生物的细胞，其它途径有生成氢气、通过硫酸盐的还原生成硫化氢气体等。目前通用COD、甲烷、微生物三者间的平衡，并根据化学计量学的方法来计算甲烷的生成量，甲烷的氧当量可按下式计算：CH4+2H2CO2+2H2O（10-4）9式（10-4）表明1mol(16g)甲烷需2mol(64g)的氧，这相当于2mol(64g)的COD生成1mol甲烷。在标准条件(0℃和0.1MPa)下，1mol甲烷的体积为22.4L，这样，1gCOD在标准状态下可生成的甲烷体积为22.4/64=0.35L。如果令G