厌氧生物处理ppt课件

第六章 厌氧生物处理,北京市环境保护科学研究院 刘晓剑,教学内容,一、基本知识点 1 厌氧生物处理法的基本原理 2 厌氧微生物处理的影响因素 3 厌氧生物处理的特点 4 掌握厌氧生物处理的分类（UASB、水解酸化法） 5上流式厌氧污泥床反应器（UASB）结构组成、运行原理 6 厌氧微生物的培养和驯化 7 掌握厌氧生物处理的运行管理（UASB） 水质分析的项目、运行控制指标 UASB反应器的初次启动、二次启动 厌氧消化过程控制参数 水质异常现象及对策 二、重点与难点 厌氧反应机理，工艺特点，上流式厌氧污泥床（UASB）概念，结构组成。,主要内容,四.厌氧生物处理的运行管理,三.厌氧微生物的培养和驯化,二.上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,一.概述,第一节 概述,（一）厌氧生物处理技术的发展 （二）厌氧生物处理法的基本原理 （三）厌氧生物处理的特点 （四）厌氧生物处理的分类,第一节 （一）厌氧生物处理技术的发展,时间： 1896英国第一座用于处理生活污水的厌氧消化池，至今已有100多年的历史。 处理对象：有机污泥高浓度有机废水低浓度有机废水（城市污水） 反应器：普通厌氧池Imhoff双层沉淀池UASB高效厌氧反应器IC/EGSB等 反应条件：从常温条件下 到 精确控温（中温或高温），从简易池体 到 专业集成化的厌氧反应器 管理：从粗放管理 到 精细化管理 认识：从简单认知 到 厌氧微生物种群在有序调控下完成厌氧处理过程。 关键人物与时间：Imhoff（1906），Lettinga（20世纪70年代）等,第一节 （二）厌氧生物处理法的基本原理,1厌氧生物处理的净化机理,第一节 （二）厌氧生物处理法的基本原理,1厌氧生物处理的净化机理,第一节 （二）厌氧生物处理法的基本原理,2厌氧微生物影响因素,温度低温（1030）、中温（3035 ）、高温（5060 ） 在056甲烷细菌对温度并没有特定的温度限制，但经过在一定温度范围内的驯化后的产甲烷菌对温度变化敏感，特别是高温菌。温度相对恒定对厌氧过程很重要。 pH 6.87.2（6.57.5） (甲烷细菌6.87.2 ，产酸细菌4.58 ） 正常消化池挥发酸200800mg/L，超过2000mg/L严重酸化 有毒物质重金属和某些阳离子（见Pg258表61） 营养物质的配比厌氧微生物正常繁殖生长所需的营养比例= 碳：氮：磷=200300： 5：1，厌氧微生物生长率低（0.020.1kg污泥/去除1kgCOD)，自身合成量少，利用的碳大部分转化为甲烷。 搅拌使温度、底物和甲烷菌分布均匀。对消化池而言，搅拌尤为重要。,第一节 （三）厌氧生物处理法的特点,应用范围广各种浓度的有机废水及某些难降解有机物 能耗低不需充氧，产生沼气，回收生物质能 负荷高有机负荷 210 kgBOD/(m3d) 剩余污泥少碳源转化为甲烷，用于合成细胞的很少 氮磷营养需要量较少C:N:P=（200300）:5:1 杀菌效果好(寄生虫卵和病毒) 启动处理时间长 出水难于直接达标排放 操作复杂,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,厌氧接触法 厌氧生物滤池 UASB法 厌氧流化床 两相厌氧法 水解酸化法,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,1、厌氧接触法,脱气,厌氧接触法又称厌氧活性污泥法,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,1、厌氧接触法,优点： 能适应悬浮固体较多的废水处理要求 泥水接触充分 （因为有污泥回流） 缺点： 污泥沉降困难（污泥以絮状污泥形式存在，气泡粘附在污泥上，影响污泥沉降，需要脱气） 负荷较低：中温运行时，有机负荷 25kgCOD/(m3d), 属于中低负荷 适用性： 适用于处理悬浮物浓度较高的有机废水,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,2厌氧生物滤池,厌氧生物滤池的结构 厌氧生物滤池类似于好氧生物滤池，池内放置填料，但池顶密封,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,2厌氧生物滤池,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,2厌氧生物滤池,滤料,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,2厌氧生物滤池,优点： 处理能力较大，出水SS低。(兼有滤料截留悬浮物的作用) 设备简单，操作方便。 无搅拌设备和泥水分离设备。（微生物附着生长） 二次启动时间短。 缺点： 滤料费用贵，滤料易堵塞且无较好的清洗方法。 适用性： 适用于处理悬浮物浓度低的有机废水。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,3 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,上流式厌氧污泥床反应器，简称UASB反应器，它是国内外发展最快的一种厌氧处理技术。由荷兰传入，80年代起国内大量应用。固定床和悬浮床,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,3 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,工艺特点： 1运行费用低，投资省， 2耐冲击负荷，适应PH和温度变化 3结构简单，便于操作 4形成颗粒污泥，污泥浓度高，缩短水力停留时间 5三相分离器无需沉淀池，无需其它设备 6处理有机废水，范围广泛，具有一定抗毒性,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,4厌氧流化床,1、工艺流程 厌氧流化床工艺是借鉴流态化技术的一种生物反应装置，它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质，当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生沼气，于床顶部排出。厌氧流化床工艺流程如右图所示,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,4厌氧流化床,2、厌氧流化床工艺特点： 载体颗粒细，比表面积大，可高达20003000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为1040kgCOD/m3d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定 载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能 载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时二者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,4厌氧流化床,床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少 结构紧凑、占地少以及基建投资省等。 但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高 为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取： （1）间歇性流化床工艺，即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时，不需回流，在一定时间间歇后，又启动回流泵，回到流化床状态运行； （2）尽可能采用质轻、粒细的载体，如粒径2030m、相对密度1.051.2g/cm3的载体，保持低的回流量，甚至免除回流就可实现床层流态化。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,5两相厌氧法,1、原理与工艺过程 原理：两相厌氧是将水解酸化和甲烷化分开，在两个独立的反应器中完成，从而使这两类微生物在各自最佳的条件下生长繁殖，顺次完成厌氧消化全过程。故又称两段厌氧消化法。 过程：一级产酸，同时缓冲进水负荷的冲击。二级严格厌氧，培养产甲烷菌产甲烷。 反应器形式：按照所处理的废水本质情况，两步可以采用同类型或不同类型的厌氧反应器。如对悬浮固体含量多的高浓度有机废水，第一步反应器可选不易堵塞、效率稍低的反应装置，经水解产酸阶段后的上清液中悬浮固体浓度降低，第二步反应器可采用新型高效厌氧反应器。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,5两相厌氧法,根据不产甲烷菌与产甲烷菌代谢特性及适应环境条件不同，第一步反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行；第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,5两相厌氧法,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,5两相厌氧法,耐冲击负荷能力强，运行稳定。 两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件； 消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水。 缺点是：设备较多，流程和操作复杂。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,6水解酸化法,1、工艺原理与特征: 水解是指有机物（底物）在进入微生物细胞前，在胞外进行的生物化学反应。这一阶段的基本特征是生物化学反应发生在细胞外，微生物通过释放胞外酶或连接在细胞外壁上的固定酶来完成生物催化反应。生物催化反应主要表现为大分子物质的断链和水溶。自然界中许多物质（如蛋白质、糖类、脂肪等）能在好氧、缺氧或厌氧条件进行水解。 酸化是一类典型的发酵过程，微生物的代谢产物主要为各种有机酸（如乙酸、丙酸、丁酸等）。,第一节 （四）厌氧生物处理的分类,6水解酸化法,pH：最佳5.56.5 水温：1020 反应速度影响不大 底物的种类和形态：多糖蛋白质脂肪 ；对同类有机物，分子量愈大水解愈困难；颗粒有机物，粒径愈大，水解速度愈小；溶解性有机物愈多，水解愈快。 污泥生物固体停留时间：适当。因污泥需更新。 水力停留时间：停留时间愈长，水解愈彻底。,第二节上流式厌氧污泥床（UASB）反应器,（一）UASB反应器结构 总体结构及运行流程 、污泥床、污泥悬浮层、沉淀区、三相分离器 、布水系统 （二）UASB设计参数 、有机负荷、配水系统、三相分离器、沉淀区、浮渣清除、水封 、材料与防腐、臭气防护、排泥、保温、沼气利用,第二节 （一）UASB反应器结构,1总体结构及运行流程,污泥区、悬浮区、分离区、配水系统、三相分离器,第二节 （一）UASB反应器结构,1总体结构及运行流程,第二节 （一）UASB反应器结构,2污泥床,污泥浓度高，4000-8000mg/L。 70%-80%为颗粒污泥，具有优良的沉降性能，SVI10-20mL/g 微生物组成复杂，杆菌，球菌和丝状菌，产甲烷八叠球菌等 体积比占30%，降解率为70%-90%。 产生沼气，对床层搅拌促进反应。,第二节 （一）UASB反应器结构,2污泥床,第二节 （一）UASB反应器结构,3污泥悬浮层,污泥浓度，15000-30000mg/L，自下而上逐渐减小。 高度絮凝污泥，非颗粒状，沉降性较差，SVI30-40mL/g 体积比占70%，降解率为10%-30%。 产生沼气，对床层搅拌促进反应。,第二节 （一）UASB反应器结构,沉淀区安装三相分离器，L，S，G 完成三相分离，将附着于颗粒污泥上的气体分离，收集反应区产生的沼气，通过集气室排出反应器，污泥经分离器挡板阻挡后落回反应区，避免污泥流失，确保污泥浓度，降低SS，水从缝隙流出。,4沉淀区与三相分离器,第二节 （一）UASB反应器结构,4沉淀区与三相分离器,图片,第二节 （一）UASB反应器结构,4沉淀区与三相分离器,第二节 （一）UASB反应器结构,5布水系统,上流式厌氧污泥床的搅拌是靠上升的水流和消化过程中产生的沼气气泡，这两个途径完成的。大量沼气的产生，也依赖于布水的均匀、合理。 布水的基本要求：结构简单，耐腐蚀；配水均匀；布水管道不堵塞且易清理。 堵塞的原因： 进水中有杂质 反应过程中产生的反应物或钙镁盐的积累 反应器停止运行后，污泥回灌，淤积在布水器里,第二节 （一）UASB反应器结构,5布水系统,一般采用多点进水，使进水较均匀地分布在污泥床断面上。常采用穿孔管布水和脉冲进水。 （1）一管一点（pg266） （2）一管多点（pg266） 每个区域都有单独的布水点和布水管道，对进水流量和流动状态，可在反应器外部监测、控制。 保证布水均匀性，维护管理方便,图片,第二节 （一）UASB反应器结构,5布水系统,第二节（二）UASB主要设计参数,1池体设计,有机负荷通常指容积负荷，单位有效容积单位时间内可接受的有机物的量。kgCOD/（m3.d） V=QS/N=tQ=AH 可根据有机负荷或停留时间确定容积，根据高径比和上升流速确定反应器尺寸。 浓度低时，t计算，浓度高时，容积负荷计算，然后彼此校核 容积负荷参考P267，技术规范,第二节（二）UASB主要设计参数,满足条件： 1反应器底部配水，服务面积相同，防治断流 2考虑水力搅拌，防治局部酸化 布水器形式：树枝式、穿孔管式、多点多管 计算参考表6-2或技术规范,2 配水系统设计,第二节（二）UASB主要设计参数,3三相分离器,设计目标达到GLS最好分离效果 设计分为沉淀区、回流缝隙、气液分离设计，具体考虑间隙和出水面的截面积、分离器相对于出水液面的位置、倾角、气液界面面积， 根据流速确定参数，参照表6-3,6-4 设计要点： 1沉降斜面与水平面的夹角45-60 2间隙面积与反应器总面积之比15%-20% 3根据反应器高度校核分离器高度。 4出气管管径，避免憋气 5出水堰设浮渣挡板 6浮渣严重时及时清渣,第二节（二）UASB主要设计参数,出水堰出水，根据堰口负荷计算长度，悬浮物高，可加挡渣板，与三相分离器集成一体，有助于实现设备化。,4出水系统,第二节（二）UASB主要设计参数,集气室浮渣集气室排出或搅拌使浮渣下沉 挡板外浮渣根据需要拆除挡板，人工清渣和机械清渣。,5浮渣清除,第二节（二）UASB主要设计参数,定期排泥，其值等于该期间反应器内增值的污泥量 多点排泥，保证污泥浓度均匀 中下部排泥，保证污泥界面高度,6排泥,第二节（二）UASB主要设计参数,蒸汽换热加热和蒸汽直接加热；罐外和罐内加热，内热式，在罐体里面设置盘管，通蒸汽或者热水；外热式，对进水直接进行加热后，进入罐体，罐体保温 总之，保证厌氧反应过程在中温或高温条件下运行，会获得比较高的效率。,7加热保温,第二节（二）UASB主要设计参数,沼气产量：0.25g甲烷/gBOD=0.35L/gBOD 沼气浓度：甲烷50%-70%，二氧化碳20%-30%，氢气，氮气，硫化氢 沼气贮存：气柜，设计容积按平均气量的25%-40% 沼气利用：发电，民用,8沼气利用,第二节（二）UASB主要设计参数,8沼气利用,第三节 厌氧微生物的培养和驯化,（一）准备工作 （二）培菌方法 （三）注意事项 （四）驯化,第三节 （一）准备工作,厌氧消化系统的启动，就是要完成厌氧活性污泥的培养，或更具体而言就是甲烷菌的培养。当厌氧池经过满水试验和气密性试验后，便可开始甲烷菌的培养。 （1）人员准备 （2）设备准备和其他准备工作,第三节 （二）培菌方法,厌氧微生物培养和驯化方法 接种培养法 从外界直接获取厌氧污泥用于接种 逐步培养法 利用自身环境和条件培养厌氧污泥 培菌的目的：就是培养厌氧消化所需要的甲烷细菌和产酸菌，当两菌种达到动态平衡时，有机质才能不断地转化为甲烷，即厌氧沼气,第三节 （二）培菌方法,接种培养法（适用于小型消化池） 接种污泥的来源，有以下几种： 有厌氧消化过程的城市污水处理厂的消化污泥 废坑塘中腐化的有机底泥 人粪、牛粪、猪粪、酒糟或初沉污泥 大型厌氧装置需接种量大时，可分组分别启动,第三节 （二）培菌方法,接种步骤： （1） 接种污泥 污泥接种量：1020g/L，或厌氧反应器容积1030%的厌氧污泥（含固率35%，相当于浓缩污泥）； （2） 缓慢升温至消化温度(升温速度1 /h)，并保持温度 （3）调整pH至6.57.5 初期启动时，要注意pH的调节，因为容易出现酸化。水质的适应性、污泥的活性、产酸相和产甲烷相不平衡时，往往会导致酸化。 （4）再投入新鲜废水，转入正式运行,第三节 （二）培菌方法,逐步培养法 指向厌氧池内逐步投入废水或生污泥（好氧污泥），使生污泥自行从好氧污泥逐渐转化为厌氧活性污泥的过程。 一般需610个月，才能完成甲烷菌的培养。,第三节 （三）培菌注意事项,（1）加温，加快启动过程 （2）逐步提高负荷。 （3）一般无需加入营养物 （4）沼气安全问题投泥前用氮气（不活泼气体）将输气管路系统中的空气置换出去，以免爆炸。,第三节 （四）驯化,驯化的目的是选择适应实际处理水质的微生物，淘汰无用微生物。对于厌氧过程而言，是通过驯化使厌氧菌成为优势菌群。 具体做法： 保持工艺正常运转，严格控制工艺参数 DO0.1mg/L，外回流50%-100%，内回流200%-300%,每天排除30%-50%剩余污泥 每天监测水质指标，出水达标。,第四节 厌氧生物处理的运行管理（UASB）,（一）水质分析项目与运行指标 （二）UASB反应器的启动 （三）厌氧消化过程的控制参数 （四）水质异常现象 （五）水质异常时的对策,第四节 厌氧生物处理的运行管理（UASB）,（1）反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥 （2）由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用 （3）设计合理的三相分离器，使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内 以上是管理厌氧反应器的三个基础条件。我们只有在一定的前提条件下，才能良好的管理厌氧生物处理装置。,UASB运行的三个重要前提,第四节 （一）水质分析项目与运行控制指标,1水质分析项目 （1）反映处理效果的项目：进出水可溶解性COD、BOD，挥发酸(VFA)、进出水SS、进出水的有毒物质（对应工业废水） （2）反映污泥性状的项目：污泥沉降比(SV%)、 污泥浓度(MLSS)、活性污泥浓度(MLVSS)、污泥指数(SVI)等、溶解氧、微生物观察 （3）反映污泥营养和环境条件的项目：氮磷、pH、水温等,1 水质分析项目,第四节 （一）水质分析项目与运行控制指标,2水质测定频次,2、测定频次 SV和溶解氧每2-4h一次 进出水COD、进出水SS 每天一次 氮、磷、污泥浓度MLSS、污泥指数SVI 定期测定 每天记录进水量、回流污泥量、剩余污泥量 分析频次，依据我们的管理要求和项目严格的程度设定,第四节 （一）水质分析项目与运行控制指标,3运行控制指标,3运行控制指标,第四节（二）UASB反应器的启动,1、污泥颗粒化过程和优点 （1）絮状污泥和颗粒污泥（粒径0.56mm)的差异 （2）颗粒污泥特点：极好的沉降性能，它能在很高的产气量和很高的上流速度下保留在反应器内，使UASB反应器有更高的有机负荷和水力负荷。一般絮状污泥的UASB反应器负荷最高为10 kgCOD/(m3d)，而颗粒污泥的UASB反应器负荷在3050 kgCOD/(m3d)。 （3）厌氧反应器的启动目的和成功标志：絮状污泥污泥颗粒化。,第四节（二）UASB反应器的启动,2、UASB反应器的初次启动 初次启动通常指对一个新建的UASB系统以未经驯化的非颗粒污泥（例如污水厂污泥消化池的消化污泥）接种，使反应器到达设计负荷和有机物去除率的过程，通常这一过程伴随着颗粒化的完成，因此也称之为污泥的颗粒化。,第四节（二）UASB反应器的启动,UASB反应器初次启动的若干认识 1、洗出的污泥不再返回 2、当进水COD浓度大于5000mg/L时，采用出水循环或稀释进水 3、逐步增加有机负荷。有机负荷增加的判据是：COD去除率达到80%，且稳定一段时间后，再提负荷 4、保持乙酸浓度始终低于1000mg/L ；(通常应低于100mg/L) 5、启动时，污泥的接种量大约为1015g/L 6、低浓度的废水有利于颗粒化的形成，但废水浓度也应当足够维持良好的细菌生长条件，COD浓度至少应大于1000mg/L；,第四节（二）UASB反应器的启动,7、过量的悬浮物会阻碍颗粒化的形成； 8、溶解性碳水化合物为主要底物的废水、VFA为主的废水颗粒化过程快，当废水含有蛋白质时，应使蛋白质尽可能降解； 9、高的离子浓度（例如Ca2+、Mg2+）能引起化学沉淀（CaCO3、CaHPO4、MgNH4PO4），由此导致形成灰分含量高的颗粒污泥； 10、在反应器内pH应始终保持在6.2以上； 11、营养物质和微量元素应当满足微生物生长的需要； 12、毒性化合物应当低于抑制浓度或给予污泥足够的驯化时间。,第四节（二）UASB反应器的启动,初次启动过程 UASB反应器的初次启动和颗粒化过程分为三个阶段： 阶段1：启动的初始阶段，负荷2kgCOD/(m3d) 。这个阶段主要是污泥增生和适应水质，进水量较小，产气量较低，处理效率较低，需要时间较长。这一阶段洗出的污泥仅限于非常细小的分散污泥，主要由于上升水流和少量沼气带出。 阶段2：反应器负荷提至25kgCOD/(m3d) 。这个阶段是颗粒污泥开始生成、成长。这阶段洗出污泥量增大，其中大多为絮状污泥。洗出原因是产气和上流速度增加引起的污泥床膨胀。大量污泥洗出的结果是在留下的污泥中开始产生颗粒状污泥。后期由于颗粒污泥形成，洗出污泥减少。 阶段3：反应器负荷超过5kgCOD/(m3d)以后。这个阶段是污泥颗粒化的阶段。絮状污泥迅速减