第十五章污水的厌氧生物处理

水污染控制工程第十五章污水的厌氧生物处理化学与环境工程系杨爽目录第一节污水厌氧生物处理的基本原理第二节污水的厌氧生物处理工艺第三节厌氧生物处理法的设计计算厌氧污水污泥处理技术的发展1860年法国的Muras将简易沉淀池改为污泥处理构筑物；1895年英国Cameron进一步改进为腐化池；1903年英国的Travis首先建成了双层沉淀池；1906年德国的Imhoff发明Imhoff双层沉淀池；1912年英国的伯明翰市建了第一个消化池；1920年英国Watson建成最早二级消化池，同时利用了沼气；1925－1926年在德国、美国相继建成较标准的消化池。厌氧生物处理法或厌氧消化法：在无分子氧条件下，通过兼性菌和厌氧菌的代谢作用，降解污泥和废水中有机物的过程。分解的最终产物主要是沼气，可作为能源。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。第一节污水厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的目的1.从环境卫生上讲，通过厌氧生物处理，可杀菌灭卵、防蝇除臭，以防传染病的蔓延；2.从保护环境上来讲，通过厌氧生物处理，可去除废水中的大量有机物，防止对水体的污染；3.从获得生物能源上讲，利用污水厂污泥和高浓度有机物废水产生沼气可获得可观的生物能；4.从运行管理上讲，厌氧发酵后，固体量一般可减少约1/2，并提高了污泥的脱水性能，有利于污泥的运输、利用和处置。厌氧生化法的优点：（1）应用范围广因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。(2)能耗低好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。（3）氮、磷营养需要量较少好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为200:5:1，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。（4）有杀菌作用厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。（5）污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。厌氧生物处理法缺点:（1）厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长；（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理；（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。（4）厌氧过程会产生气味对空气有污染。一、厌氧消化的机理有机物厌氧消化过程生化阶段ⅠⅡⅢ物态变化水解酸化（1）酸化（2）气化生化过程大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物小分子溶解态有机物转化为（H2+CO2）及A、B两类产物B类产物转化为（H2+CO2）及乙酸等CH4、CO2等菌群发酵细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌第一阶段为水解阶段。废水及污泥中不溶性复杂大分子的有机物，如蛋白质、多糖类、脂肪等被细菌的胞外酶水解为小分子的溶解性有机物。有水解作用的发酵细菌将蛋白质分解为氨基酸，将纤维素、淀粉等碳水化合物水解成单糖。第二阶段为酸化阶段（1）。溶解性的有机物由发酵细菌将小分子的有机物转化成两类简单的有机物：一类为能被甲烷细菌直接利用的有机物，如甲酸、甲醇、甲胺、乙酸等；另一类则是不能被甲烷细菌直接利用的有机物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等;酸化阶段（2）。产氢产乙酸细菌将前一阶段产生的不能被甲烷细菌利用的各种有机型中间产物进一步降解成H2和乙酸，有时还有CO2生成。第三阶段为产甲烷阶段或气化阶段。甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲醇以及CO2和H2等基质通过不同路径转化为甲烷。二、厌氧消化的影响因素（1）营养物废水、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=200∶5∶1（2）氧化还原电位（ORP）厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境，主要以体系中的氧化还原电位来反映。一般情况下，氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，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），同样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，同样会危害厌氧消化过程的进行。高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500~-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300~-380mV。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-350mV或更低。（3）温度温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有机物的分解速率有关。工程上：低温消化温度为15~25℃中温消化温度为30~38℃（以33~35℃为多）；高温消化温度为50~55℃。厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于±2℃。温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气。（4）pH值及酸碱度产甲烷的pH值范围在6.8-7.2，最佳的pH值范围在6.5-7.5之间，若超出此界限范围，产甲烷速率将急剧下降；而产酸菌的pH值范围在4.5-8.0之间。因此，当厌氧反应器运行的pH值超出甲烷菌的最佳pH值范围时，系统中的酸性发酵可能超过甲烷发酵，会导致反应器内呈现“酸化”现象。（5）毒物凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用的物质，都可称为毒物。（5）有机负荷率正常处理的厌氧处理装置是处于甲烷发酵阶段，污泥和废水在厌氧反应器内的停留时间是一定的，如果投加生污泥或有机物过多，则产酸速率将超过产甲烷速率，有机酸会积累起来，超过缓冲能力后，反应器会发生酸化，产甲烷细菌将受到抑制。（6）搅拌有利于新投入的新鲜污泥（或废水）与消化污泥的充分接触，使反应器内的温度、有机酸、厌氧菌分布均匀，并能防止消化池表面形成污泥壳，以利于沼气的释放。搅拌可提高沼气产量和缩短消化时间。第二节污水的厌氧生物处理工艺一、化粪池二、厌氧接触法在普通消化池后段设置污泥沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。该系统能够降低污泥流失率，出水水质稳定，水处理效率得以提高。消化池出水进行固液分离较困难。原因：混合液污泥中附着大量沼气泡，引起污泥上浮；另外，混合液中的污泥仍具有产甲烷活性，沉淀池中继续产气。为提高沉淀池固液分离效率，需要在消化池与沉淀池之间设置脱气装置。脱气方法如下:真空脱气：使混合液经过真空器脱除气泡。热交换急冷法：急速冷却混合液，破坏产甲烷细菌的生存温度条件，控制污泥继续产气。絮凝沉淀：投加絮凝剂改善污泥沉降性能。采用过滤装置代替沉淀池。特点：（1）回流使得消化池中污泥浓度增大，为10-15g/L，耐冲击力强；（2）容积负荷高，水力停留时间少；中温消化时，一般为2-10kgCOD/m3d；（3）可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；（4）混合液经沉淀后出水水质较好，但需要增设沉淀池、回流与脱气设施。三、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）主要特点在于无载体，主要由反应区、沉淀区、气室三部分组成。反应区包括底部高浓度的污泥床和污泥床上部浓度较低的悬浮污泥层；反应区上部设置三相分离器。三相分离器的主要作用是将反应过程中产生的气体、污泥固体以及处理废水加以分离，将沼气引入气室、将固体导入反应区，将处理水引入出水区。厌氧污泥床的混合采用进水冲击以及反应产生的沼气搅拌进行，一般采用多点进水。UASB反应器示意图UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高三相分离器特点污泥浓度高，平均为30-40g/L；有机负荷高，水力停留时间小，中温消化；设置三相分离器，无污泥回流设备；无混合搅拌设备；无载体，避免堵塞等问题，也减少造价；反应器存在短流，影响处理能力；难以适应高悬浮物含量污水；运行启动时间长，对水质与负荷突然变化较敏感。四、厌氧生物滤池滤池呈圆柱形，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。废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。填料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，也可使用塑料填料。在滤池中，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。微生物总量沿池高度分布不均匀，在进水部位较高有机质去除速度快。当废水有机物浓度高或进水悬浮物浓度和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞。防止堵塞方法如下：（1）出水回流，进水有机物得以稀释，提高池内水流速，冲刷滤料间的悬浮物。（2）部分充填载体，在滤池底部与中部设置填料薄层，孔隙率增大。（3）采用软性填料，孔隙率增大，可防止堵塞。特点：微生物量大，生物膜停留时间长，可承受有机容积负荷高，耐冲击负荷能力强；污染物质与生物接触面积大，强化传质过程，有机物去除速度快；微生物固着生长为主，不易流失，不需污泥回流以及搅拌设备；启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺时间短。处理悬浮物较高浓度时，易堵塞。滤池清洗无简单有效的方法。五、厌氧生物转盘盘片大部分或全部浸没在废水中，为保障厌氧条件与沼气回收，系统在密闭条件下进行。厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴以及驱动装置组成。净化靠盘片表面的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧菌完成，产生的沼气从顶部排出；盘片的转动，作用在生物膜上的剪力可将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随出水流出反应系统。特点：（1）微生物浓度高，有机容积负荷高，水力停留时间短；（2）无堵塞问题，可处理较高浓度有机废水；（3）一般不需回流，动力消耗低；（4）耐冲击能力强，运行稳定，管理方便；（5）盘片价格高。六、厌氧膨胀床和厌氧流化床废水流经床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触，达到污染物质降解的目的。流化可使得污染物质与生物接触面积增加，流化的实现可增大进水流速。特点：载体颗粒细，比表面积大，使床内具有较高的微生物浓度，水力停留时间短；载体处于流化状态，无床层堵塞现象；载体流化时，废水与微生物之间接触面积大，加快了传质过程，提高处理效率；生物膜停留时间长，生于污泥量少；结构紧凑。流化状态的维持可提高处理效果，但势必增大了处理成本（能耗）；固液分离较困难，很难大规模运用。七、两段厌氧消化法厌氧消化分别在两个独立的反应器中进行。第一阶段反应器控制到产酸阶段，第二阶段反应器控制到产甲烷阶段。第一阶段：选择不宜堵塞、负荷较高的装置，在非密闭装置中，常温，较宽pH。第二阶段：要求严格封闭，严格控制温度和pH。适于处理悬浮位物较高的条件。八、厌氧-好氧联合处理技术有些废水，含有很多复杂的有机物，对于好氧生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的，但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解为较小分子的有机物，而那些较小分子的有机物可以通过好氧菌进一步分解。采用缺氧与好氧工艺相结合的流程，可以达到生物脱氮的目的(A/O法)。厌氧-缺氧-好氧法(A/A/O法)和缺氧-厌氧-好氧法(倒置A/A/O法)，可以在去除BOD，COD的同时，达到脱氮、除磷的效果。习题课1.试述生物膜法净化污水的原理。2.画出UASB反应器结构简图，并结合厌氧反应原理简述其工作过程。3.结合你所学的专业知识，谈谈如何控制水污染？4.已知普通生物滤池滤料体积600m3，滤池高2m，处理水量Q=