厌氧生物处理技术进展

厌氧生物处理技术及研究进展一、厌氧生物处理技术基础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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：化粪池的雏型开始用于家庭生物污水处理–1881：首次出现化粪池的记载–1890：Moncrieff建造厌氧消化槽及厌氧滤床–1895：Cameron建造处理量30m3/d化粪池并取得专利–1901：首座厌氧滤床成功投入运行–1904：Travis发明具固液分离功能的二段式化粪池–1905：Imhoff发明改良式化粪池–1914：美国75城市使用Imhoff改良式化粪池中期发展(成熟期)–1920s：Buswell开始用厌氧消化池处理工业废水和农业废弃物–1927：Ruhrverband厂开始使用有加热装置的污泥厌氧消化槽，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–1972年厌氧固定滤床应用于工业废水处理–1974年Jeris开发厌氧流体化床–1976：上流式厌氧污泥床(UASB)应用于甜菜废水处理1.3厌氧生物处理技术发展历程近期发展(创新期)–1979：Lettinga首次发表上流式厌氧污泥床–1984：Dranco厌氧生物处理法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厌氧生物处理法用于有机废弃物处理–1990s：UASB法应用造纸、脂肪酸及城市废水处理–1990s：Dranco法得到应用(10家)–2000s：Valorga法得到应用(12家）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,BTEX80to90’s:轻工及制药业造纸废水、发酵废水、制药废水等1.3厌氧处理技术推广应用发展过程厌氧新技术（AMMONIX反硝化等）1.3厌氧与好氧生物处理技术的关系图1.4厌氧与好氧COD平衡图1.4厌氧与好氧COD平衡图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。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。4．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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1.6厌氧微生物净化废水的作用机理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框图表示见下图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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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。1.6厌氧微生物净化废水的作用机理1.7厌氧消化过程中的碱度1.9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1.9厌氧工艺流程PH变化二、厌氧生物处理反应器类型2.1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2.2厌氧生物反应器的发展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The2ndgenerationanaerobicbioreactors(since1970’s)biogasAAFEBorAFBbiogasAFbiofilmcarriersupportInf.Inf.eff.eff.2.2厌氧生物反应器的发展biogasDSFFeff.The2ndgenerationanaerobicbioreactors(since1970’s)Inf.biogasUASBeff.granularsludgebiofilmfabricInf.2.2厌氧生物反应器的发展2.2厌氧生物反应器的发展厌氧折流板反应器（ABR）厌氧UASB反应器工作原理influentSludgebed污泥沉降沼气阻挡收集effluent2.2厌氧生物反应器的发展UASB(UpflowAnaerobicSludgeBlanket)反应器2.2厌氧生物反应器的发展(2)AnaerobicFilter厌氧滤床(AF)(3)Anaerobicfluidizedbedbiofilmreactor厌氧流化床生物膜反应器（AFB)①流化床原理②炉灰等载体，生物颗粒流化③出水外回流2.2厌氧生物反应器的发展具有相当高的有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统装置减少90%以上；在不利的条件下(低温、冲击负荷、存在抑制物)仍具有很高的稳定性；反应器投资小，适合各种规模和可被结合在整体的处理技术中；是能源净生产过程。第二代厌氧生物反应器特点2.2厌氧生物反应器的发展NumberFullScaleHigh-RateAnaerobicBioreactors高效厌氧反应器处理工业废水应用情况2.2厌氧生物反应器的发展MostImportantMarketsforHighRateAnaerobicTreatment啤酒及饮料工业废水酒精及发酵工业废水处理食品生产及加工业废水处理造纸工业废水Thesefourwastewatertypesaccountfor87%market2.2厌氧生物反应器的发展NewandEmergingMarketsforHighRateAnaerobicTreatment化工及制药工业废水纺织印染工业废水垃圾渗液硫酸盐还原(去除及回收硫）硫酸盐还原(沉淀重金属)2.2厌氧生物反应器的发展UASB占所有厌氧反应器总数的65%.UASB+EGSB约占72%UASB反应器完全混合型EGSB反应器厌氧滤池厌氧塘流化床-复合床65％2.2厌氧生物反应器的发展2.3第二代废水厌氧生物反应器应用2.3第二代废水厌氧生物反应器应用2.3第二代废水厌氧生物反应器应用2.3第二代废水厌氧生物反应器应用2.3第二代废水厌氧生物反应器应用2.4UASB反应器的缺点高径比小，占地面积大；增加截面积的放大方式难实现均匀布水；三相分离器难以实现稳定操作。启动时间较长；液体上升流速较小，液固混合较差（特别在低温、低浓度条件下）；负荷较高时，污泥易流失；易造成有毒难降解化合物、非活性物质的吸附和积累。1231234结构设计方面操作控制方面3rdgenerationanaerobicreactors(1990’s)2ndgenerationanaerobicreactors(1970’s)biogasUASBInf.eff.ICbiogaseff.Inf.强化废水与污泥接触2.5第三代厌氧生物反应器第三代反应器均是在第二代厌氧反应器，特别是在UASB的基础上发展起来的，共同特点包括：微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高；能承受更高的水力负荷，并具有较高有机污染物净化效能；具有较大的高径比，一般在5～10以上；占地面积小，动力消耗少。2.6第三代厌氧生物反应器2.7第三代厌氧生物反应器的原理图厌氧膨胀颗粒污泥床内循环反应器升流式污泥床过滤器填料EGSBICUBF厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器特点液体表面上升流速大(2.5～6m/h)，有机负荷高(UASB的2-5倍）。高径比大，污泥床处于膨胀状态；适合于处理含有悬浮性固体和有毒物质废水；颗粒污泥活性高，沉降性能好，粒径较大，强度较好；1234在低温、处理低浓度有机废水时有明显优势。52.8第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用2.8第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用2.8第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用EGSB(ExpandedGranularSludgeBed)reactor参数EGSBUASB高度(m)上升流速(m/h)循环比生物量(gSS/l)出水SS12-162.5-1220-30050-10010-602-60.05-1.5--5-4520-1002.8第三代厌氧生物反应器的应用DesignLoadsFullScaleUASB&EGSBreactornaveragedesignloadUASBEGSB68219810kgCOD/m3.d20kgCOD/m3.dRemovalEfficiencyofBiodegradableCOD85to90%InternalCirculation(IC)AnaerobicReactor●Oneof3rdgenerationanaerobicreactors●DevelopedbyPAQUESCo.,theNetherlands●Thefirstreportin19942.8第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用2.8第三代厌氧生物反应器-IC的应用2.8第三代厌氧生物反应器-IC的应用三、厌氧颗粒污泥及形成机制3.1厌氧颗粒污泥的形成机制及性质3.2厌氧颗粒污泥的基本结构1厌氧活性污泥的性质和组成由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。呈灰色至黑色