第七章污水的厌氧生物处理

第七章污水的厌氧生物处理•早期，被称为厌氧消化、厌氧发酵；•指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性厌氧）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。主要优点：•能耗低，且还可回收生物能（沼气）；•污泥产量低；——厌氧微生物的增殖速率低，——产酸菌的产率系数Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，——产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，——好氧微生物的产率系数约为0.5~0.6kgVSS/kgCOD。•厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的某些有机物进行降解或部分降解；主要缺点：•反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；•对温度、pH等环境因素较敏感；•出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；•气味较大；•对氨氮的去除效果不好；等第一节污水厌氧生物处理的基本原理①两阶段理论②三阶段理论③四类群理论厌氧消化的两阶段理论水解细菌产酸菌有机物小分子有机物酸性发酵阶段产甲烷菌脂肪酸、醇类、H2、CO2CO2、CH4碱性发酵阶段发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能：水解和酸化，主要产物：脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要的微生物：统称为发酵细菌或产酸细菌；主要特点有：1）生长快，2）适应性（温度、pH等）强。产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与微生物统称为产甲烷细菌；其特点有：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感。厌氧消化的三阶段理论两阶段理论的问题：研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成的，一种细菌首先把长链脂肪酸和醇氧化为乙酸和H2，另一种细菌利用H2和CO2产生CH4；因而，提出了“三阶段理论”厌氧消化的三阶段理论说明：1）I、II、III为三阶段理论，2）I、II、III、IV为四类群理论；产氢产乙酸菌II乙酸H2+CO2同型产乙酸菌IV脂肪酸、醇类有机物发酵性细菌ICH4+CO2III产甲烷菌和四类群理论厌氧消化的三阶段理论水解、发酵阶段：产生小分子脂肪酸、醇类；产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。厌氧消化的四类群理论l同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。l实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。l三阶段、四类群理论是目前认为的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。二厌氧消化的影响因素产甲烷反应是厌氧消化过程的控制阶段，因此，一般来说，在讨论厌氧生物处理的影响因素时主要讨论影响产甲烷菌的各项因素；主要因素有：温度pH值氧化还原电位营养物质F/M比有毒物质SRT搅拌和混合1、温度：温度对厌氧微生物的影响十分显著：厌氧细菌可分为嗜热菌（高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（52-55C）和中温消化（35-38C左右）；高温消化的反应速率约为中温消化的1.5~1.9倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，高温消化可取得较好的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好；随着新型厌氧反应器的开发研究和应用，温度对厌氧消化的影响不再非常重要（新型反应器内的生物量很大），因此可以在常温条件下（20~25C）进行，以节省能量和运行费用。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。2、pH值和碱度：lpH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素；l产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，最适pH值范围为6.8~7.2，在6.5或8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，并可能导致整个厌氧消化过程的恶化；l厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质（有机物浓度、种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等；l厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制；l系统中脂肪酸含量的增加，将消耗HCO3-，使pH下降；但产甲烷菌的作用可消耗脂肪酸，且还会产生HCO3-，使系统的pH值回升；l碱度的作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持pH值；l厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长的时间才能恢复。控制反应器pH的方法投加碱性物质(石灰、碳酸钠、碳酸氢钠等)出水回流（回流比：5~20）需要较高的回流比，导致动力费增加，且水力负荷的增大可能导致污泥流失CO2吹脱固定化细胞3、氧化还原电位：l严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；l非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~-100mv的环境正常生长和活动；l产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~-400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv；4、营养要求：厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求BOD：N：P=（200~400）：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。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13:15、有毒物质：——抑制性物质硫化物或硫酸盐氨氮重金属氰化物某些有机物抑制物质浓度/(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+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500①硫化物和硫酸盐：l硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；l可溶的硫化物达到一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；l投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。②氨氮：l氨氮是厌氧消化的缓冲剂；l但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；l抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。其它抑制物:③重金属：——使厌氧细菌的酶系统受到破坏。④氰化物：⑤有毒有机物：6、SRT（污泥龄）rceeemmtθc:污泥龄，dmr：消化池内的总生物量，kgφe：消化池内每天排出的生物量，kg/dme：排出消化池的总生物量，kgt：排泥时间，d消化池的HRT与SRT相等；产甲烷细菌的增殖速率较慢，对环境条件变化比较敏感，需保持较长的污泥龄以获得稳定的处理效果。7、搅拌和混合混合：使微生物酶与底物充分接触反应。剧烈的搅拌会破坏厌氧系统中产乙酸菌和产甲烷菌之间的共生关系。采用低速搅拌：水射搅拌器、消化气循环搅拌、混合搅拌第二节污水的厌氧处理工艺一、化粪池二、厌氧生物滤池三、厌氧接触法四、上流式厌氧污泥床反应器五、两段（相）厌氧处理法六、厌氧膨胀床和厌氧流化床七、厌氧生物转盘一、化粪池用于处理来自厕所的粪便污水，曾广泛应用于不设污水处理厂的合流制排水管道。结构特点：第一厌氧消化室：去除污水中部分的SS，一般分为三层（浮渣层、水流层、污泥层）。第二厌氧消化室：污水进一步进行厌氧降解。水力停留时间：12-24h。污泥清除：半年一次。出水：不直接排入水体，一般在绿地下设渗水措施，排除化粪池污水。二、厌氧生物滤池除无需供氧外，与好氧生物接触氧化(淹没生物滤池)的原理相同，其构造类似一般的生物滤池，但池顶密封。升流式厌氧生物滤池进水沼气出水填料布水系统降流式厌氧生物滤池进水沼气出水填料布水系统厌氧生物滤池的运行特征：•生物膜厚度约为1~4mm；生物固体浓度沿滤料层高度而有变化；•适合于处理多种类型、浓度的有机废水，•有机负荷为0.2~16kgCOD/m3.d；•当进水浓度过高时，应采用出水回流的措施：①减少碱度的要求；②降低进水COD浓度；③增大进水流量，改善进水分布条件。厌氧生物滤池的优缺点：优点：•生物固体浓度高，有机负荷高；•SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；•启动时间较短，停止运行后的再启动较容易；•无需回流污泥，运行管理方便；•运行稳定性较好。缺点：体积利用率较低，滤料易堵塞；滤料费用较贵。三、厌氧接触法•实质是厌氧活性污泥法厌氧接触法的特点有：①污泥浓度高，一般为5~10gVSS/l；②有机容积负荷高，中温，COD负荷1~6kgCOD/m3.d，去除率为70~80%；BOD5负荷0.5~2.5kgBOD/m3.d，去除率80~90%；③水力停留时间短，耐冲击负荷，出水水质较好；④流程较复杂；⑤适合于处理悬浮物和有机物浓度很高的废水。厌氧接触法存在的问题最大的问题是污泥的沉淀问题：•污泥上附着有小气泡；•二沉池中污泥易上浮（产甲烷菌的活动）。改进措施：•真空脱气设备（真空度为500mmH2O）；•增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性；•投加混凝剂；•用膜过滤代替沉淀池。四、上流式厌氧污泥床反应器•UpflowAnaerobicSludgeBedReactor,简称UASB反应器；•70年代，荷兰Wageningen农业大学，Lettinga教授CSTR10%AF8%UASB59%EGSB11%FB2%HYBR4%LAG6%世界范围内厌氧工艺的应用情况（截止1999年3月共1303个项目）UASB58%全混29%AF+UASB1%UBF1%AF1%其它10%国内厌氧反应器的应用（共219个项目）UASB反应器的工作原理与构造UASB反应器的工艺特征：•在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；•在反应器底部设置了均匀布水系统；•反应器内的污泥能形成颗粒污泥：——直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；——具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。——污泥浓度可达50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；•水力停留时间大大缩短，具有很高的容积负荷；•将生物反应与沉淀分离集中在一个反应器内，结构紧凑；•无需设置填料，节省费用，提高容积利用率；•适于处理高、中浓度有机工业废水，也可以处理低浓度城市污水。五、两段（相）厌氧处理法产酸相产甲烷相出水进水•70年代后，随着厌氧微生物学研究不断深入应运而生的；•着重于工艺流程的变革，而非反应器构造的变革；•在单相反应器中，存在着脂肪酸的产生与被利用之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；•两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的；•两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足各自的最适生长条件；•可采用任一种反应器，二者可相同也可不同。两相工艺最本质的特征是实现相的分离，方法主要有：①化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产酸相中的生长；②物理法：采用选择性的半透膜使进入两个反应器的基质有显著的差别，以实现相的分离；③动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异，控制两个反应器的水力停留时间不同，使产甲烷菌无法在产酸相中生长。特点•有机负荷比单相工艺明显提高；•产甲烷相中的产甲烷菌活性得到提高，产气量增加；•运行更加稳定，承受冲击负荷的能力较强；•当废水中含有SO42-等抑制物质时，其对产甲烷菌的影响由于相的分离而减弱；•对于复杂有机物（如纤维素等），可提高其水解反应速率，因而提高了其厌氧消化的效果。六、厌氧膨胀床和厌氧流化床AnaerobicAttachedFilmExpandedBed&AnaerobicFlui