第四节厌氧生物处理0511

第四节厌氧生物处理什么是厌氧生物处理？在无氧的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。为什么要进行厌氧生物处理？厌氧生物处理的基本功能有二：（1）减量化、稳定化污泥消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的（2）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。厌氧与缺氧的区别•可以用DO、也可以用氧化还原电位来衡量好氧池一般情况下，DO控制在2mg/L以上。•DO0.2mg/l为厌氧厌氧是厌氧菌参与的生化处理过程，厌氧菌不需要氧气（是有毒物质）•0.2DO0.5mg/l为缺氧缺氧反应是兼性菌参与的生化反应，兼性菌可以在好氧也可以在厌氧的情况下反应，要求系统的溶解氧在0.5mg/L以下好氧法和厌氧处理的区别与好氧不同之处在于厌氧过程不以分子氧为受氢体。kJOHCOOOHC28806662226126好氧过程厌氧过程厌氧过程的受氢体可以是有机物（厌氧状态），也可以是含氧有机物（NO3-，SO42-，CO2等，缺氧状态）。kJKNOOHCOKNOOHC179612661222236126kJCOOHCHCHOHC226222236126好氧法和厌氧处理的区别•负荷高好氧法的有机容积负荷为2-4kgBOD/(m3•d)，而厌氧法为2-10kgBOD/(m3•d)，高的可达50kgBOD/(m3•d)。•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大而增加，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，沼气所产生的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。•剩余污泥量少且易于处理好氧法每去除1kgBOD将产生0.4-0.6kg生物量，而厌氧法除去1kgBOD只产生0.02-0.1kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％-20％。同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。•营养物质需要量较少好氧法一般要求BOD:N:P为100:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为100:2.5:0.5，在处理氮、磷缺乏的工业废水时所需投加的营养盐量较少。•有杀菌作用可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。•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。分为厌氧悬浮生长系统处理技术和厌氧附着生长系统处理技术。厌氧接触法普通消化池厌氧生物滤池厌氧流化床厌氧生物转盘厌氧污泥层工艺UASB工艺厌氧隔板反应器厌氧移动层反应器厌氧处理工艺类型厌氧生物处理原理厌氧消化过程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（稳定处理）、动植物残体及粪便等。厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。特点：最终产物是以甲烷为主的可燃性气体（沼气）剩余污泥量小且易于脱水浓缩，并可以作为肥料能耗低、运转费用低厌氧生物处理原理一、厌氧消化的生化阶段复杂有机物的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同的细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化，可分三个阶段（表1）。表1有机物厌氧消化过程生化阶段ⅠⅡⅢ物态变化液化（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I、II两类产物II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厌氧生物处理概况简图厌氧生物处理是复杂的微生物化学过程，由三大主要类群的细菌完成。水解产酸细菌产氢产乙酸细菌产甲烷细菌含纤维素，半纤维素，果胶和脂类的污水中，水解成为速度限制；简单的糖类，淀粉，氨基酸的废水中，产甲烷成为限制步骤。环境条件和影响因素二、发酵的控制条件（以下重点讨论甲烷发酵的控制条件。）（一）营养与环境条件废水、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碳/氮比：10-20：1消化效果较好。过高，导致pH缓冲能力不足，pH易下降；过低，pH升高到8以上，造成脂肪酸的铵盐积累都对甲烷菌产生毒害作用。环境条件和影响因素•氧化还原电位（ORP或Eh）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，可以由体系中的氧化还原电位来反映。氧化还原电位？——某物质与氢电极构成原电池时的电压高低,反映该物质氧化性强弱。不同细菌适宜的氧化还原电位(mv)好氧细菌兼性厌氧细菌厌氧细菌＋300～＋400100好氧呼吸-100无氧呼吸—200～—250影响水样氧化还原电位的因素有哪些？氧化性物质（主要是氧浓度）与还原性物质（有机物、H2S等）的种类和含量氧的溶入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。但是其它一些氧化剂或氧化态物质（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。还原物质主要是有机物环境条件和影响因素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。环境条件和影响因素（2）温度甲烷细菌对温度变化十分敏感，繁殖速度慢，专一性强。常温消化中温消化高温消化水温5～15℃水温30～35℃水温50～55℃（3）pH和酸碱度甲烷细菌对pH的要求很严格产酸菌要求环境介质pH在4.5～8。产甲烷菌要求在中性附近。在6.8～7.8较适宜。适宜范围6.8-7.2,保持2000-3000mg/L碱度以提供足够的缓冲能力。实测值应在7.2-7.4之间。（4）毒物重金属、其他对厌氧过程起抑制或毒害作用的物质运行和管理要点（1）生物量一般为10-30g/L减少生物量流失的措施：安装分离器挂膜降低水流速度调节回流污泥量等（2）负荷率表示消化装置处理能力的指标容积负荷率、污泥负荷率、投配率（6-8%）厌氧消化适合的负荷率重要原则：在酸化和气化速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。厌氧消化微生物进行酸化转化的能力强，速率快，对环境条件的适应能力也强；而进行气化转化的能力相对较弱，速率也较慢，对环境的适应能力也较脆弱。这种前强后弱的特征使两个转化速率保持稳定平衡颇为困难，形成了三种发酵状态。当有机物负荷率很高，酸性发酵状态，是一种低效而又不稳定的发酵状态，应尽量避免。pH7当有机负荷率适中，最佳状态pH在7~7.5当有机负荷率较低，稳定但低效pH7.5消化池的设计•消化池的有效容积V根据投配率或有机物负荷设计V=Wi/PV消化池的有效容积Wi湿污泥投入量P污泥投配率，％中温6～8％、高温10～16％•按有机物负荷设计更合理V=BOD*Q/qQ为流量q为BOD容积负荷，中温1.6～6.5kg/m3*d主要构筑物及工艺1、普通消化池，主要用于处理城市污水的沉淀污泥。普通消化池多建成加顶盖的筒状。生污泥从池顶进入，通过搅拌与池内污泥混合，进行厌氧消化。分解后的污泥从池底排出。产生的生物气从池顶收集。普通消化池需要加热，以维持高的生化速率。通常每天加排料各1-2次，并进行数小时搅拌混合。h4h3h2h1Dd2d1圆筒形厌氧消化池蛋形厌氧消化池主要构筑物及工艺2、厌氧接触系统普通消化池用于处理高浓度有机废水时，为了强化有机物与池内厌氧污泥的充分接触，必须连续搅拌；同时为了提高处理效率，必须改间断进水排水为连续进水排水。但会造成厌氧污泥的大量流失。为了克服这一缺点，可在消化池后串联一个沉淀池，将沉淀下的污泥又送回消化池，因此组成了厌氧接触系统。污泥回流量约为进水流量的2-3倍。消化池内的MLVSS为6-10g/L。主要构筑物及工艺3、厌氧生物滤池和厌氧生物转盘为了防止消化池的污泥流失，可在池内设置挂膜介质，使厌氧微生物生长在上面，由此出现了厌氧生物滤池和厌氧生物转盘。主要构筑物及工艺4、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）这种反应器是目前应用最为广泛的一种厌氧生物处理装置。UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高厌氧生物处理法缺点:•厌氧微生物增殖缓慢，处理过程反应速度较慢；为培养必需的的生物污泥总量，起动时间较长．•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；•厌氧处理系统操作控制因素较为复杂，需要调控碱度。•不能除磷水的深度处理---脱氮除磷污水经二级处理后，虽然绝大部分悬浮固体和有机物被去除，但还残留微量的悬浮固体和溶解的有害物，如氮和磷等的化合物。•脱氮•除磷•脱氮除磷•废水处理工艺的选择生物脱氮除磷工艺•水体富营养化是世界性问题，已经证明，氮和磷是导致受纳水体富营养化的主要原因之一。•常规的污水处理技术主要去除有机物和悬浮固体，对氮和磷的去处效率较低。•许多发达国家对排放污水中的氮和磷含量都做了限定，并要求污水处理厂达到除氮除磷的要求。•污水脱氮除磷的技术可分为物理法、化学法和生物法。相对而言，生物脱氮除磷技术投资少、运行操作简单、无二次污染而被广泛应用。•常用的生物脱氮除磷工艺有：缺氧-好氧脱氮工艺；厌氧-好氧除磷工艺；厌氧-缺氧-好氧生物脱氮除磷工艺等。氮循环一、氮的去除废水中氮的存在形式以有机氮、氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮四种。1.化学法除氮(1)吹脱法:废水中，NH3与NH4+以如下的平衡状态共存：OHNHOHNH423这一平衡受pH的影响，pH为10.5~11.5时，因废水中的氮呈饱和状态而逸出，所以吹脱法常需加石灰。吹脱过程包括将废水的pH提高至10.5~11.5，然后曝气，这一过程在吹脱塔中进行。通过适当的控制，可完全去除水中的氨氮。为减少氯的投加量，常与生物硝化联用，先硝化再除微量的残留氨氮。(2)折点加氯法:含氨氮的水加氯时，有下列反应：ClHHOClOHCl22OHHClNHHOClNH224O2HHNHCl2HOClNH224O3H3Cl5HN3HOCl2NH224O3HHNCl3HOClNH234O3H3Cl5HN3HOCl2NH2242.生物法脱氮(1)生物脱氮机理生物脱氮是在微生物的作用下，将有机氮和氨态氮转化为N2的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。同化作用去除的氮依运行条件和水质而定，如果微生物细胞中氮含量以12.5%计算，同化氮去除占原污水BOD的2%~5%，氮去除率在8%~20%。有机氮（蛋白质、尿素）细菌分解和水解氨氮同化有机氮有机氮（NH3-N）（细菌细胞）（净增长）O2硝化自溶和自身氧化亚硝态氮反硝化（NO2-）O2有机碳硝化硝态氮反硝化氮气（NO3-）（N2）有机碳氨化反应：新鲜污水中，含氮化合物主要是以有机氮，如蛋白质、氨基酸、胺类化合物以及尿素等形式存在的，此外也含有少数的氨态氮如NH3及NH4+等。微生物分解有机氮化合物产生氨的过程称为氨化作用，很多细菌、真菌和放线菌都能分解蛋白质及其含氮衍生物，其中分解能力强并释放出氨的微生物称为氨化微生物，在氨化微生物的作用下，有机氮化合物分解、转化为氨态氮，以氨基酸为例：322NHRCOHCOOHOHCOOHRCHNH3222NHCORCOCOOHOCOOHRCHNH硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和N