水质工程学课件4

第15章厌氧生物处理重点：厌氧生物处理机理、两级厌氧生物处理与两相厌氧生物处理、升流式厌氧污泥床（UASB法)、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。难点：生物接触氧化法，厌氧生物处理机理、UASB法、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。15.7固着生长厌氧生物处理法15.1概述15.2厌氧生物处理的基本原理15.3厌氧微生物生态学15.4升流式厌氧污泥层工艺15.5两相厌氧生物处理15.6悬浮生长厌氧生物处理法15.8厌氧生物处理工艺的运行管理15.1概述厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过程。厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理最早的厌氧生物处理15.1.1厌氧生物处理的发展进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：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；③HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。处理法最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处理高浓度有机废水。普通厌氧生物处理法的主要缺点是水力停留时间长，一般需要20～30d。发展的厌氧生物处理现代的厌氧生物处理进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。早期的厌氧生物反应器①1881年法国Mouras的自动净化器：②1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；④1905，德Imhoff池（称隐化池、双层沉淀池）特点有：①处理废水同时，也处理从废水沉淀下来的污泥；②前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；④停留时间很长，出水水质也较⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用15.1.2厌氧生物处理的特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能耗降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。②污泥产量很低；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。③厌氧微生物可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；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。主要优点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。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。③厌氧生物处理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，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。主要缺点我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前高浓度有机工业废水的处理特点是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高。①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等；厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。我国的厌氧技术特点我国的厌氧工艺技术特点15.1.3厌氧生物处理的发展趋势开发厌氧生物处理新工艺用来治理有机污水的污染，无疑是一种具有良好经济效益的方法。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物池、厌氧膨胀床和流化床、厌氧生物转盘等。大家都在为提高生物处理能力和稳定性的途径努力着：1.提高生物的持有量2.利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离。返回15.2厌氧生物处理的基本原理15.2.1复杂有机物的厌氧降解传统观念－－两阶段理论1.酸性发酵阶段——脂肪酸；2.稳定发酵阶段——甲烷和CO23.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。4.产生有还原性的有机物；CH3COCOOH→2CO2+CH3CHO2CH3COOH→2CH4+2CO2发展中观点－－三阶段理论1.水解阶段：碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；2.产酸产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸CH3CH2COOH→CO2+CH3COOH+H23.产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物4H2+CO2→CH4+2H2O（1/3）CO2还原2CH3COOH→2CH4+2CO2（2/3）乙酸脱羧复杂有机物较高级有机酸H2乙酸CH44%76%28%72%生成甲烷生成乙酸与脱氢水解与发酵20%最新观点－－四阶段厌氧生物代谢过程1.酸性发酵阶段——脂肪酸；2.稳定发酵阶段——甲烷和CO23.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。4.产生有还原性的有机物；CH3COCOOH→2CO2+CH3CHO2CH3COOH→2CH4+2CO215.2.2水解阶段定义复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。影响因素温度，水力停留时间，有机物质的组成成分，有机物质颗粒的大小；pH值；氨的浓度；水解产物浓度。15.2.3产酸发酵阶段微生物细菌、原生生物和真菌→微絮凝、发酵细菌重要的微生物纤维素分解菌——最重要的一步；产物CO2，H2，已醇；碳水化合物分解菌——丙酮乙醇，乙酸（杆状菌生化絮凝）；蛋白质水解-----生成氨基酸、（棱菌生化絮凝）脂肪分解菌→脂肪酸（弧菌生化絮凝）15.2.4产氢产乙酸阶段主要微生物：产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌产物：乙酸、甲烷、CO2、H215.2.5产甲烷阶段在厌氧消化产甲烷菌时：C2H3O2Na+2O2→NaHCO3+CH4+29.3kj/mol主要微生物：产甲烷菌产物：甲烷特征：细胞的增殖很少，（甲烷细菌不繁殖，数量少，消化时间长）；食物不足；产生能量仅为好氧1/20-1/30。反应方程式：理论产生甲烷量：1、糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：2、理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。42248248224CHbanCObanOHbanOHCban15.2.6其他厌氧生物处理过程硫酸盐还原过程：又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用1.定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物的过程2.硫酸盐在处理中的危害：（1）与产甲烷菌竞争底物，一直产甲烷菌的生成。（2）H2S对产甲烷菌和其他厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。3.解决办法：用两相厌氧生物处理工艺中的产酸相先期还原硫酸菌。反硝化与厌氧氨氧化：1.无氧条件下存在：NH4+和NO2-化能异养型硫酸菌2.定义：在厌氧条件下，过程为厌氧氨氧化3.有氧条件：NH4+→NH2OH→NO2-→NO3－4.厌氧条件：NO3-→NO2-→NO→N2O→N2返回15.3厌氧微生物生态学15.3.1影响产酸细菌的主要生态因子1.pH值：影响代谢速度及生长速度，并且影响发酵类型。最适范围6—7，2.氧化还原电位(ORP):影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比例，最适范围－200mV至－300mV3.碱度:保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH过低而导致某些厌氧细菌受到抑制4.温度：厌氧微生物的生长及代谢速率，最佳35摄氏度。5.水力停留时间和有机负荷：影响不是很大。甲烷阶段是厌氧消化速率的控制阶段，以甲烷菌的影响因素为主15.3.2影响甲烷细菌的主要生态因子温度因素1、中温（30-36℃）2、高温（50-53℃）接触与搅拌1.搅拌作用：加速热传→均匀底物供给→将底物传质到细菌表面→提高负荷2.搅拌与不搅拌：产气量增加30%3.方法：泵+水射器消化气循环混合搅拌法4.接触的作用：提高传质速率，厌氧污泥与介质间的液膜厚度，布水系统。生物固体停留时间（污泥龄）与负荷1.停留时间θc=Mr/Фe其中：Mr－－消化池内总生物量Фe=Me/t－－消化池每日排出的生物量；Me－－－排出的生物总量，t－－－排泥时间2.投配率——每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积的百分数营养物与C/N比C5H7NO3→即细胞合成C/N=5：1，要求C/N=（10-20）：1C/N高，细胞的氮不足，水中缓冲能力下降，PH下降C/N低，氮量上升，铵盐积累，抑制消化有毒物质例如：重金属Cu2+、Hg2+1.重金属对甲烷消化的抑制①与酶结合，使酶的作用消失R—SH+Me+→R—S—Me+H+②Me及氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀2.阴离子的毒害作用如S2-的毒害作用pH1.产甲烷菌6.6-7.52.缓冲剂:CO2和NH3（NH3、NH4+）H++HCO3-→H2CO3组成缓冲液电离常数：K+=[H+][HCO3-]/[H2CO3]pH=-lgK+lg([HCO3-]/[CH2CO3])应保持2000mg/l的碱度，防止pH下降，缓冲能力弱，脂肪酸是甲烷发酵的产物，其浓度也应该在2000mgl左右；15.3.3影响硫酸盐还原菌的主要生态子温度和产甲烷相同，中温段和高温段最活跃。pH值适应范围较广，在6.5---8.0。条件严格的厌氧菌，好氧生物器内不可能生存。碳硫比：不应该小于1.5盐度：分为嗜盐性的硫酸盐还原菌和非嗜盐性的硫酸盐还原菌。15.3.4厌氧生化反应动力学反应方程式其中：-dS/dt——底物去除速率，质量/体积.时间；k——单位质量底物的最大利用速率，质量/细菌质量；S——可降解的底物，质量/体积；Ks——半速度常数，质量/底物体积，即在生长速率等于最大生长速率1/2时的底物浓度；X——细菌浓度，质量/体积；dx/dt——细菌增长速率，质量/体积·时间；Y——细菌产率，细菌质量/底物质量；b——细菌衰亡速率系数，d-1甲烷阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化动力学是以该阶段作为基础建立的厌氧反应方程式的进一步推导1/θ=μ（细菌净化增殖速率）1/d代入dx/dt的公式