厌氧生物处理第四章

第四章废水与污泥的厌氧生物处理工艺废水与污泥的厌氧生物处理第一节概述与好氧生物处理工艺相同，废水与污泥的厌氧生物处理工艺也可以分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法。两种方法没有根本性的差别，主要差别在于微生物在反应器内的生长状态。在厌氧活性污泥法处理工艺中，微生物悬浮生长在反应器内的混合液中，外观为絮状污泥。在厌氧生物膜法处理工艺中，微生物附着生长在人为提供的填料（载体）表面，外观为膜状覆盖。第一节概述长期以来，厌氧生物处理工艺一直以厌氧活性污泥法为主，特别是在处理污泥和含大量悬浮物的污水时，一般均采用厌氧活性污泥法。厌氧活性污泥法经历了较长的发展历程，从历史悠久的普通厌氧消化池，衍生出厌氧接触工艺、升流式厌氧污泥床（UASB）、厌氧挡板式反应器（ABR）等多种处理工艺。由于厌氧微生物处于悬浮生长状态，容易随出水带出反应器。因此，在厌氧活性污泥法处理工艺的研究、设计过程中，把很大的注意力放在了气、液、固三相分离上。所以，三相分离器是厌氧活性污泥法处理工艺的主要工艺特征之一。第一节概述在反应器内，充填各种不同类型的供微生物附着生长的填料（载体）是生物膜法处理工艺的主要工艺特征之一。厌氧生物膜法的典型处理工艺：厌氧生物滤池（AF）厌氧生物流化床（AFB）厌氧膨胀颗粒污泥床（AEGSB）厌氧生物转盘（ARBC）第一节概述与传统的厌氧活性污泥法相比，厌氧生物膜法具有很多特点：1.由于填料（载体）的比表面积很大，单位容积反应器中的微生物量增大，容积负荷率比普通消化池高2－3倍。2.污水通过反应器时，液膜与生物膜处于相对运动状态，强化了相间的传质效果，去除效率高。3.微生物在反应器内固着生长，不易随水流失，泥龄长，出水悬浮物少，不存在浮渣问题，运转管理方便。4.不需设置特别设计的三相分离器，结构简单。5.可处理浓度很低的有机污水，适用范围广。6.污水中悬浮物含量高，或填料（载体）选择运用不当时，易堵塞。第二节普通消化池工作原理：普通消化池（ConventionalAnaerobicDigester）常用于污泥和高浓度有机污水处理。污泥（或污水）间歇投配到消化池内进行厌氧消化。经消化的污泥（或污水）分别由消化池底部和上部排出，进入后续处理构筑物。产生的沼气由消化池顶部排出，进入沼气罐储存。为了使微生物与营养料均匀接触，必须设置搅拌设备，定期对混合液进行搅拌。进行中温或高温厌氧消化时，需对发酵料液进行加热。一般采用间接加热方式。普通消化池的特点是在一个池内实现厌氧发酵反应和三相分离过程。第二节普通消化池工作原理：普通消化池（ConventionalAnaerobicDigester）常用于污泥和高浓度有机污水处理。污泥（或污水）间歇投配到消化池内进行厌氧消化。经消化的污泥（或污水）分别由消化池底部和上部排出，进入后续处理构筑物。产生的沼气由消化池顶部排出，进入沼气罐储存。为了使微生物与营养料均匀接触，必须设置搅拌设备，定期对混合液进行搅拌。进行中温或高温厌氧消化时，需对发酵料液进行加热。一般采用间接加热方式。普通消化池的特点是在一个池内实现厌氧发酵反应和三相分离过程。第二节普通消化池消化池的搅拌：循环搅拌：水泵循环消化液进行搅拌，为了强化搅拌效果，可在池内设射流器。循环搅拌设备简单，维修方便。与池外间接加热结合，在循环管路上设加热套管。低扬程，大流量。能耗：0.005kW/m3。机械搅拌：池内设搅拌叶轮，由防爆电机、减速器驱动。密封、防爆要求严格，加工精度要求高，维修困难。能耗：0.0065kW/m3。第二节普通消化池消化池的搅拌：沼气搅拌：沼气压缩机循环沼气进行搅拌，为了强化搅拌效果，可在池内设扩散、混流装置。沼气搅拌效果好，可提高沼气产量。沼气压缩机防爆要求严格，国产设备不过关。能耗：0.005－0.008kW/m3。联合搅拌：循环搅拌与沼气搅拌联合使用，常见搭配方式。三种搅拌方式同时使用，保证搅拌效果。能耗高，设备多，维修量大。第二节普通消化池消化池的种类：池体外形：圆柱型：传统池型。卵型：新型消化池，设计合理，特点突出，建造困难。池体容积：小型：2500m3。中型：2500~5000m3。大型：5000m3。池顶结构：固定盖式：普通池型，防止沼气压力过大损坏顶盖。浮动盖式：沼气压力恒定，水封是关键。第二节普通消化池消化池的缺点：效率低：负荷低，水力停留时间（HRT）长。池子容积大。能耗大：加热。搅拌。操作管理复杂：工艺条件控制要求苛刻。微生物增殖缓慢。设备多，隐患大，防火、防爆要求高。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：根据中温消化的运行经验，在消化的前8天，产生的沼气量占全部产气量的80%左右，而一般中温消化的水力停留时间为20天左右，在整个消化过程中，为维持产甲烷细菌所需的适宜温度（33~35℃），则需耗费大量的热能。因此，目前污泥中温消化常按两级消化进行设计，即在消化池总容积不变的前提下，将消化池按容积比例（1:1,2:1,3:2）分为两级。第一级消化池按普通消化池设计，采用加热和搅拌设备。第二级消化池不加热，不搅拌，依靠剩余热量继续消化。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：1)总容积不增加，且第二级消化池被简化，建设费用大幅度降低。2)第二级消化池不加热，不搅拌，能耗和运行费用大幅度降低。3)第二级消化池沼气产量低，可不设沼气收集设施。4)第二级消化池不搅拌，可兼作污泥后浓缩池。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：如前所述，厌氧消化过程可分为水解发酵、产氢产乙酸和甲烷发酵三个阶段，各阶段的菌种、对环境的要求、分解过程、分解速度及最终产物都不相同，造成运行管理方面的诸多不便。近来出现的两相厌氧消化工艺是根据消化机理，将消化过程的第一、第二阶段与第三阶段分别在两个消化池中进行。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：1)厌氧消化分阶段在最佳环境条件下进行，消化速度快，效果好。2)由于效率提高，水力停留时间缩短（第一相约1d，第二相6－6.5d），消化池总容积可减少一半，建设费用大幅度降低。3)由于消化池容积小，加热、搅拌等能耗和运行费用大幅度降低。4)两相环境条件互不干扰，便于运行管理。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：Schroepter(1955)认识到在厌氧处理设备内保持大量污泥的重要性，他仿照好氧活性污泥法，在消化池后增设沉淀池回收污泥。污泥回流到消化池，使池内污泥量提高，设备处理效率提高，称为厌氧接触工艺。第二节普通消化池消化池的改进：两级消化工艺：基本原理：主要特点：两相消化工艺：基本原理：主要特点：厌氧接触工艺：基本原理：主要特点：1)厌氧接触工艺只是普通消化池的简单改进，易于改造实施。2)由于消化池内污泥浓度增大，效率提高，水力停留时间缩短，消化池总容积可大幅度减少，建设费用和运行费用相应降低。3)可以间断运行，操作简便。4)厌氧污泥沉淀效果差。而且，由于污泥产气过程仍在继续，工作环境较差。第三节升流式厌氧污泥床升流式厌氧污泥床（UpflowAnaerobicSludgeBed，简称UASB）反应器是荷兰农业大学1974－1978年间研制出来的一种高效厌氧生物反应器。据1993年的报道，国外至少已有300多座生产规模处理装置在运行，其中设备最大容积达15600m3。第三节升流式厌氧污泥床UASB反应器的工作原理工作原理示意图：反应区分离区反应器运行的三个重要前提：反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能够保留在反应器内第三节升流式厌氧污泥床UASB反应器的工作原理工作原理示意图：反应区分离区反应器运行的三个重要前提：反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能够保留在反应器内第三节升流式厌氧污泥床UASB反应器的主要特点：UASB产生的剩余颗粒污泥在常温下可保存很长时间而不损失活性，因此，UASB采用剩余污泥接种，可使反应器启动时间缩短到几天之内。产气的搅拌作用使污泥床不断运动而与废水良好混合，因此，UASB一般不易形成沟流。由于没有填料，UASB有更大的空间容纳污泥，容积负荷比其它厌氧处理工艺更高。由于没有填料，UASB在投资和运行成本上更节省，能耗低，操作维护相对简易。第四节厌氧生物滤池厌氧滤池（AnaerobicFilter，简称AF）是世界上最早使用的污水生物处理构筑物之一。1891年，Scott-Moncrieff在英格兰建成了第一座使用石质载体的池子，池子上部是滤层，污水自下而上通过滤层，使污水得到净化。虽然这座池子只供处理10人生活污水，也未冠以厌氧生物滤池之名，但实质上可以称作厌氧生物滤池的首次应用实例。到20世纪60年代，美国的McCarty等人将厌氧生物滤池发展成为第一个高速厌氧反应器，容积负荷可达10-15kgCOD/m3.d。第四节厌氧生物滤池厌氧生物滤池的工作原理工作原理示意图：填料生物固定化技术反应器运行的主要工艺特征：填料固定，微生物附着生长，不随水流失，不需回流。生物相沿填料高度分布，各自有优势菌群生长。生物浓度高，抗冲击负荷及抗毒物负荷能力强。填料会造成堵塞、沟流问题，且使工艺造价增高。污水处理水沼气填料厌氧滤池第四节厌氧生物滤池厌氧生物滤池的工作原理工作原理示意图：填料生物固定化技术反应器运行的主要工艺特征：填料固定，微生物附着生长，不随水流失，不需回流。生物相沿填料高度分布，各自有优势菌群生长。生物浓度高，抗冲击负荷及抗毒物负荷能力强。填料会造成堵塞、沟流问题，且使工艺造价增高。第五节厌氧生物流化床厌氧流化床反应器（AnaerobicFludizedBedReactor，简称AFBR）是借鉴流态化技术的一种生物反应装置。它以小粒径载体（石英砂、活性炭、沸石、塑料颗粒等，粒径多在0.2－0.7mm）为流化粒料，污水作为流化介质，当污水以升流式通过粒料床体时，污水上升流速使颗粒载体呈流化状态，污水与表面生长厌氧生物膜的颗粒载体不断接触反应，达到厌氧生物反应处理污水的目的。第五节厌氧生物流化床厌氧流化床的主要特点：流态化能够最大程度使厌氧污泥与污水接触颗粒与流体相对运动速度高，液膜扩散阻力小。此外，颗粒表面生物膜厚度小，传质作用强。因此，生物化学过程进行较快，污水在反应器内的水力停留时间短，处理效率高。克服了厌氧生物滤池存在的堵塞和沟流问题。高容积负荷使反应器体积减小，同时，由于其高度与直径比例大于其它厌氧反应器，因此，厌氧生物流化床占地面积小。第五节厌氧生物流化床厌氧流化床存在的主要问题：为了实现良好的流态化并使污泥与填料不致从反应器流失，必须使生物膜颗粒保持均匀的形状、大小和密度，但这在工程上是难以实现的，因此，稳定的流态化液难以保证。为了获得高的水流速度以保证流态化，流化床需要大量的回流水，导致能耗增大，成本提高。流化床设计中的一个重要问题是底部进水的均匀分布，尽管出现了多种布水方式，但在生产规模的设备中，均匀布水是非常困难的。第六节水解（酸化）工艺水解（