第6章厌氧生物处理

第六章厌氧生物处理第一节厌氧生物处理的基本原理第二节厌氧生物处理的影响因素及其工艺特点第三节厌氧生物处理工艺和设备第一节厌氧生物处理的基本原理一、废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。二、厌氧消化过程厌氧消化过程可分为三个连续的阶段：第一阶段为水解酸化阶段。复杂的大分子、不溶性有机物先在兼氧的产酸细菌胞外酶作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在厌氧的产氢产乙酸细菌作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸、H2、CO2等。第三阶段为产甲烷阶段。厌氧的产甲烷细菌将乙酸、CO2和H2等转化为甲烷、二氧化碳等。厌氧消化的三个阶段图解甲酸、甲醇、甲胺、乙酸、CO2、H2等废水或污泥中大分子有机物（简单糖类、氨基酸、甘油、脂肪酸等）———————CH4等丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等酸化I酸化II产酸细菌可溶性小分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂类等）有机酸、醇类、醛类等产酸细菌产氢产乙酸细菌产甲烷细菌乙酸、CO2、H2等—水解阶段产甲烷阶段（气化阶段）产氢产乙酸阶段水解酸化阶段第二节厌氧生物处理的影响因素及其工艺特点厌氧法对环境条件的要求比好氧法更严格。影响厌氧生物处理效果的主要因素有两类。一类是基础因素，包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等；另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。一、影响厌氧生物处理效果的主要因素1、温度根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。（1）常温消化：10～30℃；（2）中温消化：35～38℃；（3）高温消化：52～55℃。在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率，故一般使用中温消化和高温消化，以中温消化更常用。2、pH值产酸细菌的适宜pH值范围较广，为4.5～8.0；产甲烷菌的适宜pH值在中性附近，以6.8～7.2最适。在厌氧处理中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累对产甲烷菌的抑制，常控制反应器内的pH值在6.8～7.2的范围内。3、氧化还原电位产甲烷菌严格厌氧，要求低氧化还原电位。对氧和氧化剂非常敏感，无氧环境是产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。4、有毒物质有毒物质包括有毒有机物、重金属离子和某些阴离子等，对厌氧消化具有抑制作用。☆重金属离子是使厌氧过程失效的最主要因素。☆阴离子中，硫化物的阻抑作用最大。硫化物浓度超过100mg/L时，对产甲烷菌有抑制作用。硫化物是由SO42-还原形成，厌氧消化中SO42-浓度应不超过5000mg/L。☆有机物中，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构的物质往往具有抑制性。5、营养比与好氧法相比，厌氧法对废水中N、P含量要求低，C/N比好氧法要求高。☆关于厌氧处理要求的营养比，不同资料上的报道不同，如：COD：N：P=800：5：1；BOD5：N：P=350~500：5：1BOD5：N：P=200~300：5：1C/N=20~30：16、混合接触状况搅拌混合能显著提高厌氧消化的效率。常用的搅拌方式有：1、机械搅拌器搅拌。2、消化液循环搅拌。3、沼气循环搅拌。7、有机负荷有机负荷随工艺类型、运行条件以及废水种类和浓度而异。如，常规的普通消化池中温消化的有机负荷为2~3kgCOD/m3·d，高温消化为5~6kgCOD/m3·d。其他消化工艺的有机负荷更高。二、厌氧生物处理的特点（一）优点1、应用范围广：厌氧法既适用于高浓度有机废水和污泥消化，也可用于中、低浓度有机废水。厌氧法还能降解好氧法难降解的某些有机物。2、能耗低：厌氧法不需要曝气，产生的沼气还可作为能源使用。3、有机容积负荷高：厌氧法的容积负荷比好氧法高，一般为2~10kgCOD/m3·d或更高。厌氧生物处理的特点4、剩余污泥量少：厌氧法的剩余污泥量只有好氧法的5~20%，5、N、P的营养需要少：厌氧法对缺乏N、P的工业废水所需投加的营养盐量较少。6、处理温度的范围广：厌氧法有常温消化(10～30℃)、中温消化（35～38℃）和高温消化（52～55℃）之分，高温消化还有杀灭寄生虫卵、病毒等作用。7、厌氧污泥的贮存时间长：有利于季节性或间隙性运转。厌氧生物处理的特点（二）缺点1、厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧生物处理的启动和处理时间长。2、厌氧分解不彻底，出水黑、臭，往往达不到排放标准，故一般需要在厌氧处理后串联好氧处理。3、操作中的控制因素较为复杂和严格，对有毒有害物质的影响也较敏感。第三节厌氧生物处理工艺和设备按微生物生长状态分：厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法。厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触消化池、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。按投料、出料及运行方式分：分批式、连续式和半连续式。按厌氧消化是否在同一反应器、同一工艺条件下完成分：一步厌氧消化与两步（两段、两相）厌氧消化等。厌氧生物处理一、厌氧工艺的有关术语1、表面负荷（表面速度或上流速度，m3/m2·h）：反应器单位横截面面积上向上流动的进液流体流量。2、反应器污泥浓度（gVSS/L或gTSS/L）：表示反应器中的悬浮物（TSS）或挥发性悬浮物（VSS）的平均浓度。VSS/TSS也被用来评价污泥的品质。3、污泥的比产甲烷活性（m3CH4/kgVSS·d）：在一定条件下，单位质量的厌氧污泥产甲烷的最大速率。4、废水有机物的产气率（m3/kgCOD）：表示废水中含有1kgCOD的有机物经厌氧消化后产生沼气的量。有机负荷、污泥体积指数、泥龄、水力停留时间等其他术语的意义与活性污泥法相同。三、常见的厌氧生物处理工艺和设备为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用的搅拌方式有三种：机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。（一）普通厌氧消化池1、普通消化池的结构消化池为密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。普通厌氧消化池反应器及搅拌方式2、普通消化池的特点A、可直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。B、消化反应与固液分离在同一池内实现，结构简单。（1）优点：（2）缺点：A、无法保持或补充厌氧活性污泥（微生物细胞）。B、对无搅拌的消化器，料液分层的现象严重，微生物不能与料液均匀接触。C、温度不均匀，消化效率低。（二）厌氧接触消化池1、厌氧接触法的工艺流程为克服普通消化池不能保持或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。2、厌氧接触法的特点（1）通过污泥回流，消化池内污泥浓度较高，一般为10～15g/L，耐冲击能力强。（2）容积负荷高于普通消化池（中温消化时，一般为2～l0kgCOD/m3·d，普通消化池为2～3kgCOD/m3·d）；水力停留时间比普通消化池大大缩短（如常温下，普通消化池为15～30天，而接触法小于10天）。（3）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；（4）混合液经沉降后，出水水质好。优点：缺点：需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。3、常用的脱气方法(1)真空脱气：由消化池排出的混合液经真空脱气器（真空度为0.005MPa），将污泥絮体上的气泡除去。(2)热交换器急冷法脱气：将从消化池排出的混合液进行急速冷却。如中温混合液从35℃冷却到15~25℃。(3)絮凝沉降：向混合液中投加絮凝剂，使污泥凝聚沉降。(4)用超滤器代替沉淀池，改善固液分离效果。由于混合液中的污泥附着大量沼气微气泡，且污泥在沉淀池中仍能产气，因此在沉淀池中进行固液分离较困难，混合液在沉淀池前需要进行脱气处理。（三）上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor，UASB反应器）反应器池形有圆形、矩形，多用钢结构或钢筋混凝土结构。大型装置高度一般为3～8m，其中污泥床1～2m，污泥悬浮层2～4m。1、UASB反应器的结构UASB反应器是一种悬浮生长型的消化器，由反应区（污泥床和悬浮污泥层）、沉淀区和气室组成。2、上流式厌氧污泥床反应器的特点（1）反应器上部设气、固、液三相分离器，无需污泥回流：被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区。（2）污泥颗粒化，污泥浓度高：污泥颗粒化，直径一般在1～2mm，沉降性能及产甲烷活性高；污泥浓度平均可达为50gVSS/L，其中底部污泥床达60～80g/L，污泥悬浮层5～7g/L；污泥龄在30d以上。（3）采用上流式进水，利用产生的沼气和进水来搅动，无需混合搅拌设备。（4）有机负荷高，水力停留时间较短：中温消化时，COD容积负荷一般为10～20kgCOD/m3·d）。（四）厌氧生物滤池1、厌氧生物滤池的结构：厌氧滤池，又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。厌氧生物滤池主要由滤料、布水系统、沼气收集系统等部分组成。根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为：升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式。2、厌氧生物滤池的形式3、厌氧生物滤池的特点A、厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中。由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，因此池内微生物量较高，又因生物膜停留时间长（长达100天左右），因而可承受的有机容积负荷高（2～16kgCOD/m3·d），且耐冲击负荷能力强。B、废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快，处理能力较高。C、微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备。D、启动或停止运行后再启动的时间比厌氧接触消化池、UASB反应器等厌氧工艺法短。（1）优点（2）缺点及改进缺点：A、滤料费用较贵。B、处理含悬浮物浓度高的有机废水易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗还没有简单有效的方法。防止厌氧滤池堵塞的改进方法：A、出水回流；B、仅在滤池上部和中部设置填料(滤料)薄层，增加空隙率；C、底部设置排泥口；D、采用软性填料。（五）厌氧流化床1、厌氧流化床的结构及工艺流程：见右下图。反应器内添加固体颗粒载体(石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等)，粒径0.2~1mm。一般需要采用出水回流的方法使载体颗粒在反应器内膨胀或形成流化状态。膨胀床反应器：床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器。流化床反应器：上升流速增大到可以使载体在床体内自由运动而互不接触的反应器。2、厌氧流化床的特点A、载体颗粒化，比表面积大（可达2000～3000m2/m3左右），使床内微生物浓度高（一般为30VSS/L左右），因此有机物容积负荷大（一般为10～40kgCOD/m3·d），水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；B、载体膨胀或流化后可防止堵塞，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（1）优点：厌氧流化床的特点C、载体流化时，废水与微生物之间接触面大，两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；D、床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；E、结构紧凑、占地少、基建投资省。（2）缺点：A、载体流化耗能较大。B、对系统的运行要求较高。（六）厌氧生物转盘和挡板反应器1、厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分(70％以上)或全部浸没在废水中，为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。2、厌氧挡板反应器：是从厌氧生物转盘发展而来，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。挡板反应器与生物转盘相比，可减少盘的片数和省去转动装置。3、厌氧生物转盘的特点A、厌氧生物转盘内