(水体污染处理课件)第10章-厌氧生物处理技术

第10章污水的厌氧生物处理南京师范大学地理科学学院环境系n第一节厌氧生物处理技术简介n第二节污水厌氧生物处理的基本原理n第三节污水的厌氧生物处理方法n第四节厌氧生物处理法的设计n第五节厌氧和好氧技术的联合运用1.1厌氧-生物-发现-发展沼气（MarshGas）发现有机污染物降解1.2厌氧技术应用举例--污泥消化1.2厌氧技术应用举例—普通消化池1.2厌氧技术应用举例—沼气发酵池1.2厌氧技术应用举例—接触氧化池1.3厌氧生物处理技术发展历程n早期历史(摸索期)–1776：Volta发现湖泊、池塘底泥生成可燃气体–1856：Reist发现有机物分解并产生甲烷气–1860s：化粪池之雏型开始应用于家庭污水处理–1881：首次出现化粪池之记载–1890：Moncrieff建造厌氧消化槽及厌氧滤床之雏型–1895：Cameron建造处理量30m3/d之化粪池并取得专利–1901：首座厌氧滤床法运转成功–1904：Travis发明具固液分离功能之二段式化粪池–1905：Imhoff发明改良式化粪池–1914：美国75城市使用Imhoff式化粪池n中期发展(成熟期)–1920s：Buswell开始用厌氧消化槽处理工业废水及农业废弃物–1927：Ruhrverband厂开始使用有加热装置之污泥厌氧消化槽，并回收沼气用于发电–1950s：工业废水厌氧处理中污泥停留时间等控制参数受到重视–1957年Coulter开发新式厌氧固定滤床法–1972年厌氧固定滤床法应用于工业废水处理–1974年Jeris开发厌氧流体化床法–1976：上流式厌氧污泥床法(UASB)应用于甜菜废水处理1.3厌氧生物处理技术发展历程n近期发展(创新期)–1979：Lettinga首次发表上流式厌氧污泥床法–1984：Dranco厌氧生物处理程序应用于有机性废弃物处理–1987：UASB法应用马铃薯淀粉及屠宰场废水处理–1988：Valorga厌氧生物处理程序应用于有机性废弃物处理–1990s：UASB法应用造纸、脂肪酸及城市废水处理–1990s：Dranco程序设置共10厂–2000s：Valorga程序设置共12厂1.3厌氧生物处理技术发展历程Originally:污泥消化：剩余污泥处置60to80’s:农产品加工业酵母,制酒,食品加工排水90’s:化工及石油化工：对苯二甲酸,酚等90to00’s:厌氧生物修复：PCP（五氯酚）,BTEX（苯系物）80to90’s:轻工及制药业造纸废水、发酵废水、制药废水等厌氧处理技术推广应用发展过程厌氧新技术（ANAMMOX反硝化等）1.4厌氧生物处理技术的进步厌氧生物处理技术污泥与废水相分离废水与污泥间传质完成由处理污泥向处理污水间的转化颗粒化技术强化传质完成由处理高浓度污水处理低浓度污水的转化降解机理研究微生物学研究新技术及工艺厌氧生物修复以前通常能不用厌氧法处理的就不用，不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后处理，现在厌氧反应器发展迅速逐渐成为水处理的新的主力设备。厌氧生物处理典型工艺流程其中：厌氧微生物活性及反应器是工艺的核心废水调节池热交换器↑37℃厌氧反应器气柜沉淀池出水回流污泥剩余污泥1．产生的沼气可用于发电或作为能源沼气中的主要成分是甲烷，含量50-75%之间，是一种生物清洁燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度。1.5厌氧生物处理技术的优、缺点2．对营养物的需求量少好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350-500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。3．产生的污泥量少，运行费用低繁殖慢；不需要曝气基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点。1.5厌氧生物处理技术的优、缺点厌氧与好氧COD平衡图厌氧与好氧COD平衡图1．出水的有机物浓度高于好氧处理；发酵分解有机物不完全；2．对温度变化较为敏感；工业中需要设置进水的控温装置，37℃。3．厌氧微生物对有毒物质较为敏感；但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。1.5厌氧生物处理技术的优、缺点4.初次启动过程缓慢,处理时间长好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8-12周才可以培育成功。5．处理过程中产生臭气和有色物质是什么？臭气主要是SRB（脱硫弧菌）形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后处理设施，进一步脱色脱臭。1.5厌氧生物处理技术的优、缺点第一节厌氧生物处理技术简介第二节污水厌氧生物处理的基本原理第三节污水的厌氧生物处理方法第四节厌氧生物处理法的设计第五节厌氧和好氧技术的联合运用2.1厌氧生物处理的原理早期厌氧生物处理主要针对污泥消化，即在无氧条件下，由兼性厌氧细菌及专性厌氧细菌降解有机物使污泥得到稳定，最终产物是二氧化碳和甲烷。消化过程液化(酸化)液态污泥的pH迅速下降，转化产物中有机酸是主体气化(甲烷化)产生消化气，主体是CH4两阶段理论:复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、产乙酸阶段、产甲烷阶段1．水解阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物2．发酵阶段小分子有机物被梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等四阶段理论:3.产氢产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。4．产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。复杂有机物1水解2发酵脂肪酸乙酸H2+CO23产乙酸CH4+CO2H2S+CO2硫酸盐还原硫酸盐还原4产甲烷4产甲烷硫酸盐还原2.2厌氧生物处理的影响因素（1）pH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pH值4.5～8.0之间。产甲烷菌要求环境介质pH值中性附近，最适的pH值为6.8～7.2，pH值为6.6～7.4较为适宜。pH值变化将直接影响产甲烷菌的生存与活动，厌氧池pH值应维持在6.5～7.8之间，最佳范围在6.8～7.5左右。厌氧池具有一定的缓冲能力，正常运行时，进水pH值可略低于上述值。当厌氧池出水pH＜6.5时应增加进水中的碱量，要及时对pH进行检测。2.2厌氧生物处理的影响因素（2）温度一般产甲烷菌的温度范围是5～60℃，在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率。各种产甲烷菌的适宜范围不一致，而且最适的温度范围较小。大多数产甲烷菌的适宜温度在中温35～38℃之间，中温条件下，产甲烷菌种类多，易培养驯化、活性高。也可在高温下（52～55℃）进行。应控制厌氧池温度波动范围一般1d不宜超过±2℃，避免温度超过42℃。2.2厌氧生物处理的影响因素（3）生物固体停留时间厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。产甲烷菌的世代时间为4-6天。因此，厌氧生物处理要获得稳定的处理效果就需要保持较长的污泥泥龄。2.2厌氧生物处理的影响因素（4）搅拌和混合混合搅拌也是提高消化效率的工艺条件之一。通过搅拌可消除池内的浓度梯度，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，显著地提高消化的效率；使溶液充分混合，温度均一，避免酸的积累。但过于激烈的搅拌会破坏产乙酸菌和产甲烷菌的共生关系。2.2厌氧生物处理的影响因素（5）氧化还原电位（ORP）系统的氧化还原电位是多种氧化物质与还原物质进行氧化还原反应的综合结果。厌氧菌体内存在着容易被氧化剂破坏的化学物质，并且菌体内缺乏抗氧化的酶系统。氧以及其它一些氧化剂或氧化态物质的存在（如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等），都能使体系中的氧化还原电位升高。当其浓度达到一定程度时，会危害厌氧消化过程的进行。2.2厌氧生物处理的影响因素（5）氧化还原电位（ORP）高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500-600mV；中温厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100~-100mV的兼性条件下生长繁殖；甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-300mV～-350mV或更低。2.2厌氧生物处理的影响因素（6）营养与C/N比废水、污泥及废料中的有机物种类繁多，只要未达到抑制浓度，都可连续进行厌氧生物处理。对生物可降解性有机物的浓度并无严格限制，但若浓度太低，比耗热量高，经济上不合算；水力停留时间短，生物污泥易流失，难以实现稳定的运行。一般要求COD大于1000mg/L。COD∶N∶P=（350-500）∶5∶1。2.2厌氧生物处理的影响因素（7）有毒物质重金属通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等相结合，而使酶失活，或者通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。金属离子对产甲烷菌的影响按Cr＞Cu＞Zn＞Cd＞Ni的顺序减少。脱硫弧菌（ＳＲＢ）和产甲烷菌竞争同一种电子供体。在硫酸盐缺乏或耗尽的生态系统中，主要是甲烷菌占优势，利用氢和乙酸盐。在富含硫酸盐的情况下，ＳＲＢ占优势，产甲烷菌受到抑制，因为ＳＲＢ对底物氢和乙酸盐的亲和力要大于产甲烷菌。第一节厌氧生物处理技术简介第二节污水厌氧生物处理的基本原理第三节污水的厌氧生物处理方法第四节厌氧生物处理法的设计第五节厌氧和好氧技术的联合运用3.1厌氧反应器的性能评价基准反应器中维持高浓度生物量(污泥）生物膜填料颗粒污泥反应器中生物与废水充分接触合理的布水系统适宜的液体表面上升流速大量沼气(高浓度有机物)12微生物的固定及活性维持反应器传质3.2厌氧反应器的发展第一代厌氧反应器：20世纪50年代以前，包括普通消化池和厌氧接触法。第二代厌氧反应器：20世纪50年代以后，包括厌氧滤池(AF)，上流式厌氧污泥床(UASB)，厌氧流化床(AFB)，厌氧附着膜膨胀床(AAFEB)，厌氧折流板反应器(ABR)。第三代厌氧反应器：20世纪90年代以后，包括膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)和内循环厌氧反应器(IC)。第一代厌氧反应器以消化池和厌氧接触法为代表，属于低负荷系统。普通厌氧消化池，又称传统或常规消化池，已有百余年的历史，最早出现的消化池依次是化粪池和双层沉淀他。它们的共同特点是废水分别由沉淀池底和中层排出，所产的沼气从池顶排出。优点：结构简单，可以直接处理悬浮物、固体含量较高或颗粒较大的废液。缺点：缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化池中难以保持大量的活性微生物，水力停留时间长，管理不便。工作原理2级(平流沉淀+厌氧污泥消化)全国各地使用广泛，为生活污水的预处理——液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌第一代厌氧反应器——化粪池缺点：污泥量少、易被带出，静态消化厌氧接触法：也称厌氧活性污泥法，是在消化池后设置沉淀分离装置，不需要曝气而需要脱气，用于悬浮固体较高的污水处理。经消化池厌氧消化后的混合液排至沉淀池分离装置进行泥水分离、澄清水由上部排出，污泥回流至厌氧消化池：这样做既避免了污泥流失又可提高消化池容积负荷，从而大大缩短了水力停留时间。优点：容积负荷高，水力停留时间较普通厌氧池短，易启动，耐冲击负荷。缺点：需污泥回流；污泥附着大量气泡，易被出水带走；沉淀污泥产生沼气，固液分离有时较困难。厌氧生物滤池(AF)：是一种内部装微生物载体（拳状碎石