第十九章-厌氧生物处理

第十九章厌氧生物处理南华大学建筑工程与资源环境学院给水排水教研室主讲教师：娄金生教授课程内容1、厌氧生物处理基本原理2、厌氧消化的影响因素与控制要求3、两级厌氧与两相厌氧处理4、厌氧生物处理工艺与反应器5、厌氧生物处理的运行管理6、思考题7、习题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。厌氧消化两阶段第一阶段普通厌氧菌碳水化合物、脂肪、蛋白质消化有机酸、乙醇、乙醛第二阶段绝对厌氧菌甲烷二氧化碳消化细胞合成新细胞酶细胞合成厌氧消化两阶段示意图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H2CO2厌氧消化的影响因素与控制要求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19－3消化温度与消化时间的关系见图19－4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。表19-4给出了常用沼气发酵原料的碳氮比。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。两级厌氧与两相厌氧处理两级厌氧生物处理两相厌氧生物处理两级厌氧生物处理两级消化：根据沼气产生的规律（图19-6）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高温厌氧处理工艺普通厌氧消化池池形：圆柱形和蛋形两种。构造：主要包括污泥的投配、排泥及溢流系统，沼气排出、收集与贮气设备、搅拌设备及加温设备等。溢流系统（a）倒虹吸管式；（b）大气压式；（c）水封式排水槽（a）（b）h△h=30～50cm水封管φ200下流管7.007.409.008.50污泥面10.0集气罩顶4.70上清液排水槽常闭溢流管从池盖插入消化池10.0大气（c）图19-7消化池的溢流装置贮气设备（a）低压浮盖式，1-水封柜；2-浮盖；3-外轨；4-滑轮；5-导气管；（b）高压球形罐，1-导气管；2-安全阀（b）（a）512432安全阀1进出气管图19-8贮气柜加温设备1-污泥入口；2-污泥出口；3-热媒进口；4-热媒出口水泥图19-8套管式热交换器厌氧接触工艺流程（图19－10）主要特征：在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时间。厌氧生物接触法回流污泥沉淀池真空脱气器消化池废水图19-9厌氧生物接触法厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没地通过滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。产生的沼气则聚集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水则由旁侧流出。为了分离处理水挟出的生物膜，一般在滤池后需设沉淀池。可分为升流式和降流式两种形式升流式和降流式厌氧生物滤池处理水原废水处理水沼气沼气滤料原废水滤料图19-10厌氧生物滤池厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成特点：1）微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；2）废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；3）勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；4）处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；5）由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性；6）有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；7）可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；8）便于运行管理。厌氧生物转盘构造图厌氧生物转盘构造反应槽转轴转动盘片沼气固定盘片进水图19-11厌氧生物转盘构造图UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器特点：1）污泥床内生物量多，折合浓度可达20～30g/L；2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况下可达10kgCOD/(m3·d)左右甚至能够高达15～40kgCOD/(m3·d)，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池呵污泥回流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。升流式厌氧污泥床在构造升流式厌氧污泥床在构造配水系统污泥处理水沼气三相分离器出水堰水沼气污泥颗粒污泥区悬浮污泥区图19-12升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床反应器厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器两相厌氧流化床工艺流程（如图19－13所示）特点：1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度，一般为30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，一般为10～40kgCOD/(m3·d)，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定；2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处理。缺点：1）载体流化能耗较大；2）系统的设计要求高。两相厌氧流化床工艺流程沼气至锅炉出水相甲烷相产酸废水图19-13二相厌氧流化床流程图厌氧折流板式反应器厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程（如图19-14所示）特点：1）反应器启动期短。试验表明，接种一个月后，就有颗粒污泥形成，两个月就可以投入