环境工程学(王玉恒)第3章-第4节

11第四节厌氧生物处理技术是指在无氧的条件下，利用兼性菌和厌氧菌分解有机物的一种生物处理法。2污水厌氧生物处理的发展过程第一代厌氧生物反应器1881~1950年，化粪池、厌氧消化池；第二代厌氧反应器上世纪50~70年代年代，开发了厌氧接触法新工艺、厌氧滤池（AF）、厌氧折流板反应器（ABR)、上流式厌氧污泥反应器（UASB）等，标志着现代厌氧反应器的开端。第三代厌氧反应器上世纪八十年代，推出了颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）、厌氧内循环（IC）反应器。33厌氧生物处理的特征优点：①能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；②污泥产量很低；③应用范围广，可处理中、高浓度有机废水，含有难降解有机物的废水等；④负荷高，占地少；⑤氮、磷营养需要量较少；⑥有杀菌作用；⑦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44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。55厌氧生物处理与好氧生物处理的比较好氧处理工艺厌氧处理工艺容积负荷（kgCOD/（m3·d）0.7～1.210～60污泥产率(kgVSS/kgCOD)0.3~0.450.04～0.15营养物需要量BOD:N:P100:5:1100:2.5:1最适宜温度℃20~3035~40耗电量(kW·h/kgCOD)10.0756一、厌氧生物处理的基本原理污泥的厌氧处理针对的是固态有机物，所以称为消化。微生物学上将厌氧消化机理大致分为两种：两段消化和三段消化7大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）水解细菌的胞外酶简单溶解性有机物酸化产酸菌有机酸、醇类、醛类等乙酸化产氢产乙酸菌乙酸、H2、CO2甲烷化产甲烷菌a产甲烷菌bCH4（占2/3）CH4（占1/3）※三阶段:水解酸化产氢、产乙酸产甲烷8三阶段理论：水解酸化阶段（水解产酸细菌，兼性或专性厌氧菌，如梭菌属，双歧杆菌属等）；产氢产乙酸阶段（产氢产乙酸菌，兼性或专性厌氧菌，互营单胞菌属、互营杆菌属）；产甲烷阶段（产甲烷菌，专性厌氧菌，如产甲烷八叠球菌属、产甲烷丝状菌属等，世代周期长，对环境条件要求严格）。一、厌氧生物处理的基本原理注意：在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦被外加因素所破坏，则首先使产甲烷阶段受到抑制，从而影响厌氧消化反应的进行。9二、厌氧生物处理的影响因素产甲烷阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应器的各项影响因素也以对产甲烷细菌的影响因素为准。1、温度：根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，可分为三种类型。（1）常温消化（10～20℃）（2）中温消化（30～35℃，大多数甲烷菌适宜）（3）高温厌氧消化（50～55℃）※注意：反应速率随着温度的升高而增大；产甲烷菌对温度的突变也十分敏感，要求日波动范围在±2℃之内，温度突变幅度太大，会导致系统的停止产气。10※2、pH和酸碱度：产甲烷菌对pH值变化适应性很差，其最佳范围为6.8～7.2。在厌氧法处理废水的应用中，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，避免过多的挥发性有机酸(VFA)积累，常保持反应器内的pH值在6.5～7.5(最好在6.8～7.2)的范围内，或保持碱度2000-3000mg/L(以碳酸钙计）。二、厌氧消化的影响因素113、营养与C/N比※一般要求C/N比达到（10~20）：1为宜。C/N比太高，氮量不足，消化液缓冲能力低，pH容易降低；C/N太低，氮量过多，铵盐容易积累，pH过高，会影响消化进程。就污泥消化而言：初沉池污泥C/N为10：1；二沉池活性污泥C/N为5：1（太低），需投加高C/N的原料，如粪便、植物茎干等。二、厌氧消化的影响因素124、有机负荷（kgCOD/m3·d）或投配率（%）污泥消化池的投配率是每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积的百分数。有机负荷或投配率过高，反应器内脂肪酸可能积累，pH值下降，产气率下降；过低，消化完全，产气率高，但消化池容积大，基建费用高。常规厌氧消化工艺：处理高浓度工业废水的有机负荷为2～3kgCOD/m3·d，在高温下为4～6kgCOD/m3·d；处理污泥时，投配率以5~8%为宜。二、厌氧消化的影响因素135、有毒物质包括有毒有机物、重金属离子、H2S、氨等。有毒有机物：带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。重金属离子：破坏酶的活性，对甲烷消化产生抑制作用；氨的毒害作用：当NH4+浓度超过150mg/L时，消化受到抑制。二、厌氧消化的影响因素147、有毒物质H2S的影响：含硫无机物（SO42-、SO32-）过高时，由于硫酸盐还原作用优先进行，产生H2S，产甲烷过程受到抑制。要求进入系统的底物中硫酸盐浓度要小于5000mg/L。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。二、厌氧消化的影响因素15厌氧工艺和设备的分类按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厌氧生物膜法(anaerobicslime)；按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)；根据厌氧消化中物质转化反应的总过程（是否在同一反应器中），又可分为一段厌氧消化(onestagedigestion)与分段厌氧消化(twostagedigestion)等※厌氧活性污泥法包括厌氧消化池、厌氧接触工艺、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、厌氧生物转盘。16厌氧工艺的有关术语（1）上流速度（表面速度或表面负荷，m/h或m3/(m2·h)）（2）水力停留时间（HRT）（3）反应器中的污泥量（gSS/L或gVSS/L）（4）反应器的负荷：分为容积负荷（VLR，kgCOD/m3·d）、污泥负荷（SLR，kgCOD/kgMLSS·d）和投配率。（5）污泥体积指数（SVI）（6）反应器内的污泥停留时间（SRT）：亦称泥龄。17三、污泥的厌氧消化污泥厌氧消化池的分类：按其形状分为：圆柱形（最常用）、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；按其运行方式的不同分为：传统（低负荷）消化池和高速（高负荷）消化池。AnaerobicDigester18用于处理城市污水厂的剩余污泥时，它的主要作用是实现“四化”（补充）：①将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；（稳定化）②将大量有机物转化为沼气；（资源化）③减少污泥体积（减少1/2以上），提高污泥的脱水性能；（减量化）④杀灭病原菌、病毒、寄生虫卵等，有利于污泥的进一步处理和利用。（无害化）作用常规厌氧消化池19传统低负荷厌氧消化池常规厌氧消化池1、传统低负荷厌氧消化池缺点：分层明显，消化时间长（30~90d）、负荷低、产气量小；容易形成浮渣层，池的有效容积减少，而且造成操作上的困难。202、高速厌氧消化池：池顶为圆拱形顶盖，分固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩；常用搅拌方式有池内机械搅拌、沼气搅拌和循环消化液搅拌（※搅拌的作用？）；消化时间缩短(10~20d），产气率提高。构造螺旋桨(机械)搅拌的高速消化池（间歇式的搅拌）常规厌氧消化池21搅拌的作用：通过搅拌可消除池内梯度，使底物与微生物充分接触，避免产生分层，使池内温度及碱度分布均匀，促进沼气分离。搅拌方法包括：泵加水射器搅拌法、消化气循环搅拌法和机械搅拌法。22沼气搅拌消化池循环消化液式搅拌消化池常规厌氧消化池23加热方式主要有：①池内加热：蒸汽直接加热或池内安装热交换器②池外加热（常用）：利用热交换器将污泥或废水预热后再投配到消化池中。※加热：是提高厌氧消化池负荷，缩短消化时间的重要措施之一。常规厌氧消化池24排泥浮盖式消化池消化池排泥管设在池底，依靠消化池内的静水压力将熟污泥排至污泥后续处理装置。浮盖式消化池：顶盖可随池内气压变化或污泥面的高低变化而升降，运行比较安全，不用另设贮气罐；但构造复杂，建设费用高。常规厌氧消化池25蛋形厌氧消化池（新型）特点：搅拌充分均匀;池容相等的条件下，池子总面积比圆柱形小，故散热面积小，易于保温；结构与受力条件好；聚集沼气效果好。常规厌氧消化池26大型厌氧消化池27卵形厌氧消化池28运行与管理1、厌氧活性污泥的培养与驯化：30~40d；一次培养法和逐步培养法；成熟的厌氧污泥呈深黑色，带焦油气味，无硫化氢臭味，pH值在7.0~7.5之间。2、正常运行的化验指标：产气率、投配污泥含水率、有机物含量、pH、总碱度、沼气成分等；3、正常运行的控制参数：搅拌时间（30min）和间歇时间（1.5~2h）；正常工作沼气气压应保持在1.2~2kPa之间。常规厌氧消化池29运行与管理4、容易出现的问题：厌氧消化作用欠平衡，即产酸量和耗酸量不平衡。产生原因：有机负荷过高；反应温应急剧波动；池内有溶解氧及氧化剂存在；进水pH值过低或过高；碱度过低．缓冲能力差；有毒物质抑制；导致后果：挥发性有机酸（VFA）积累、产气量下降、沼气中甲烷含量低、有机物去除率降低等。预防为主：监测挥发性有机酸浓度、严格控制运行参数。常规厌氧消化池30特点1）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。2）厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。3）难以保持大量的厌氧微生物，消化时间长，消化效率低。常规厌氧消化池31四、有机废水的厌氧生物处理32厌氧接触法※亦称厌氧活性污泥法，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（AnaerobicContactProcess)。现代高速厌氧反应器33※特点（与普通厌氧消化池相比）:优点：污泥浓度较高，耐冲击能力强，容积负荷较高，消化时间大大缩短。缺点：增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；沉淀池中固液分离有一定困难。厌氧接触法现代高速厌氧反应器34改进方法(a)真空脱气；(b)热交换器急冷法；(c)投加混凝剂；(d)用膜过滤代替沉淀池厌氧接触法现代高速厌氧反应器35厌氧生物滤池又称厌氧固定膜反应器；滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。对填料的要求与好氧生物滤池类似。（AnaerobicFilter）现代高速厌氧反应器36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。厌氧生物滤池现代高速厌氧反应器37特点（a）容积负荷高（2~16kgCOD/m3·d），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；（c）生物膜体停留时间长，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（d）滤料费用较贵，且容易堵塞，不宜处理含悬浮物浓度高的有机废水。厌氧生物滤池现代高速厌氧反应器38（a）出水回流；（b）部分充填载体（复合式生物滤池）；（c）采用软性填料。厌氧生物滤池改进方式39上流式厌氧污泥床反应器※※是由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。反应器内微生物以自身聚集生长，以颗粒污泥状态存在，能达到高生物量和高负荷运行。是目前应用最广泛的高效厌氧反应器之一。概述UpflowAnaerobicSludgeBlanket，UASB现代高速厌氧反应器40现代高速厌氧反应器上流式厌氧污泥床反应器气固液三相分离器※简述工作原理污泥床沉淀区41池体有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，则一般为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构。UASB反应器的构造上流式厌氧污泥床反应器现代高速厌氧反应器42上流式厌氧污泥床反应器大型UASB反应器构造剖面图4344集气罩45※UASB反应器运行的三个重要前提1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；2）底部设置均匀布水系统；3）设计合理