《农业生物环境工程》第6章畜禽废弃物处理与利.ppt

,第六章 畜禽废弃物处理与利用,6-1 畜禽粪便环境危害与特性 6-2 畜禽粪便收集、输送 6-3 畜禽粪便处理工艺方法 6-4 厌氧生物处理 6-5 好氧生物处理 6-6 堆肥,主要污染项目： 臭气 污水 粪便,集约化畜禽养殖高强度排污，超过周围环境系统纳污能力，使环境系统自净能力丧失，生态系统失衡进入恶性循环状态。,6-1 畜禽粪便环境危害与特性,SH2 NH3,6.1.1 污染物质与环境危害,可降解有机污染物 动植物性废弃物，几乎所有的非人工合成有机物，主要为碳水化合物，蛋白质、脂肪和木质素等。可在微生物作用下最终分解为简单的无机物。 难降解物质 指那些人工合成的、难于被微生物分解的废弃物。比如化学农药、抗生素等,3 .植物营养物（富营养物） 主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包钾、硫等植物生长所必需的元素。 水体生态的严重失衡 污泥积累、湖水退化。 蓝细菌的蛋白类毒素富集 食物链中毒 供水质量下降、成本升高 化合态氮毒害作用,4、有毒物质 汞、镉、铬、砷、铅都是毒性较大的重金属，还有铜、钴、锡、锌也有一定的毒性。隔取代骨中的钙引起骨痛病；氟可因起软骨病；长期饮用含铬水可致口角糜烂、腹泻和消化道机能紊乱。闻名于世的水俣病是受汞污染的水体通过藻类、浮游生物、贝类、鱼类食物链不断富集放大后最终进入人体的典型的生物放大事例。,有毒重金属,污泥积累,长期危害,某些生物同化作用后毒性增加。,食物链的生物富集放大,此外常见的有毒物质还有工业污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多环芳烃等等。,甲基汞(Methyl Mercury CH3Hg ),甲基化：,食物链富集： 汞被水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内，再经过“浮游生物小鱼大鱼”等食物链的富集，使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的几万倍,正常人即使在生活和工作中从未接触过汞，其体内及尿中仍可检出少量汞存在。据估计，自然界的汞循环量每年可达25至150万吨。,甲基汞（有机态）,微生物,短链烷基汞易渗入细胞 烷基汞与-SH基等的亲和力使其毒性比可溶性无机汞高10100倍 汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。,（无机态）汞,酸碱及无机盐类 冶金、加工业的酸洗废水，冶金、矿山的硫化物氧化产生的酸性废水，二氧化硫形成的酸雨，造纸、纺织、纤维、制革、洗涤剂、染料、制碱等工业排水。直接污染土壤、表面水体、地下水体，一旦污染影响长久，不易治理。 色度 破坏景观、影响水质。 病原微生物 生活、畜禽、养殖、食品、屠宰等。,6.1.2 自净化作用与纳污容量,污染,自然污染,人为污染,自然地理因素等原因,人类活动原因,污染物在物系循环流动过程中发生演变，自然地减少消失或无害化，称为物系的自净。,污染物浓度自然降低的能力称为自净能力,环境系每年允许的最大纳污量称为该环境系的纳污容量 环境容量,自净,物理作用,化学作用,稀释，沉淀，挥发，凝聚，吸附，过滤,生物作用,分解与化合，氧化与还原，酸碱反应等使污染物浓度降低或毒性丧失。,微生物代谢活动使污染物分解转化成无害物质,物理污染,化学污染,生物污染,污染物分类,来源特性,点源：主要指工业废水与都市生活排水，均有固定的排放口,面源：主要指来源于流域广大面积上的降雨径流污染，如农药化肥,细菌群载体,水底固形物,氧气,有机物污染水,有机物被各种微生物菌群分解代谢,细菌群载体,水底固形物,虫,有机物污染水,微生物菌群被微小动物消耗，水体透明度好转,细菌浓度升高,水底固形物,氧气,水中有机物污染被细菌系分解净化,水体透明度下降,生物作用下的水体自净化过程举例,有毒重金属、难降解物质,特别加以处理,水质净化良性循环与生化处理方法原理,6.1.3 畜禽粪便特性,一 物理学特性 1、颗粒尺寸 新收集畜禽粪便颗粒尺寸分布见表6-1（p274）,直径m,m,0.003,0.3,溶解固体,胶质体,悬浮体,氯离子，乙酸、乙醇,病毒,细菌,0.510 m,砂,201000 m,沉降分离,超滤分子筛,离心,膜过滤,生物、化学方法,请参考废水工程处理及回顾p31,2、TS、VS、灰分,105，,105，,24小时,TS,600，,600 2小时,TS,灰分,VS（挥发性固体）,总固体,水,悬浮液,3、含水率、容重,（鸡粪除外）一般鲜粪含水率高于80%，实际收集到的粪便含水率与收集方式有关。,悬浮固体物与TS的区别？,二 生物化学特性,生物化学需氧量（BOD) BOD是指1L污水中的有机物在耗氧微生物的作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量(mg/L) 。废水中有机物数量繁多，但大多数有机物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有机物数量同耗氧量成正比。 实际测定时常采用BOD5，即水样在20 的条件下培养5天的生化需氧量。,BOD5=NBOD+CBOD NBOD是还原态氮氧化成硝态氮或亚硝态氮的需氧量，通常较CBOD小得多。 实验研究表明：第一阶段中有机物在各个时刻的好氧速度与该时刻的污水中有机物浓度成正比关系。,30,20,9,day,5,10,20,30,40,50,BOD(mg/L),50,100,200,300,第一阶段,第二阶段,污水的有机物浓度指标和可生化性指标,更详细的讨论请参考废水工程处理及回顾p56,有机物 O2 能量 CO2 + H2O + NH3,好氧菌,第一阶段,第二阶段,NH3 3O2 2HNO2 + 2H2O,亚硝化菌,2HNO2 O2 2HNO3,硝化菌,第一阶段常温下一般需要20天接近完成,第二阶段常温下一般需要近百天才能完成,（1）降解： 有机物 O2 CO2 + H2O + NH3,微生物,第一阶段的三部分BOD,（2）合成： 有机物 O2 能量 新细胞,（3）内源呼吸：老细胞 O2 CO2 + H2O + NH3,BOD表示有机污染物参数时存在明显的缺陷，即使衡量耗氧量时也是如此。因为内源呼吸耗氧量与硝化耗氧量可能引起很大误差。 当进口BOD200mg/L,出口BOD无硝化时20mg/L，有硝化时40mg/L，则去除率分别为90%、80%，实际上有机物去除率应该是一样的。,进口 BOD=200mg/L,出口 BOD=NBOD+CBOD =0+20mg/L =20mg/L,污水含氮极低,进口 BOD=200mg/L,出口 BOD=NBOD+CBOD =20+20mg/L =40mg/L,污水含氮很高,去除BOD系统,去除BOD系统,BOD去除率=90%,BOD去除率=80%,一般污水的BOD5=NBOD+CBODCBOD5，与含氮量无关。假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。,化学需氧量（COD) COD是指在酸性条件下，用强氧化剂使1L被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量(mg/L) 。 COD越高表明废水的有机物越多，目前常用的氧化剂为重铬酸甲（K2Cr2O7)和高锰酸钾（KMnO4)。 KMnO4 氧化力较弱，文献中COD未加注明时，大多是指重铬酸甲法的CODcr。COD一般较BOD为高，其差值表示不能被微生物降解的有机物含量。,据Ademoroti(1986)研究认为，COD与BOD常有一定的相关关系，大多为线性关系。 COD = a BOD5 + b,废水生物处理，上海环保局，同济大学出版社，1999，P21,BOD5,COD,0.3,适宜生物处理,三 化学特性,肥料元素：N、P、K 金属元素：Cu、Zn、Fe、B、As 酸碱度: 鸡粪偏酸pH=67；猪、羊、牛、马粪为弱碱性pH=7.38.6。,鸡粪、猪粪、牛粪相比较，鸡消化道很短未经彻底消化残留于粪中的营养物最多，含有大量的粗蛋白等，猪粪次之，牛粪有较高的粗纤维，含营养物最少，鸡粪还含较高的磷与硫。不同畜禽粪便沼气发酵等生物处理时，应注意C、N、P、S比例与含水率等特点。,牛粪：C/N/P比是否过高，某些微量元素是否欠缺，含沙量高 猪粪：氨氮是否过高，抑制微生物发酵、BOD5误差问题等 鸡粪：氨氮是否过高，是否含硫过高，腐蚀、臭气、抑制、硫酸盐还原菌竞争等问题，高含沙量问题,SO42- NO3-,酸雨,酸雨 是自然污染吗,2、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源,3、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气体污染物吗？,1、请举例说出水系的自净能力、纳污容量点源与面源污染。,4、“最优方法”这种概念起码在理论上几乎没有价值。更应该关注的是特征，而不是一味追求理论上的普遍性。你同意以上观点吗？请发表你的观点。,5、BOD5作为有机物参数有那些不足,6-2 畜禽粪便收集,6.2.1 粪便收集方式,分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水冲式清粪为主,清粪方法与设备,刮板式: 自落积存式 自流式 水冲式,自落积存式,更换鸡群时一次性清理,1.72.0m,自流式清粪,缝隙地板,水冲式清粪,表6-4 每日最少冲洗量,最小用水量主要根据经验资料得到,畜禽粪便产量 （p274 表6-2）,可参考设施农业工程工艺及建筑设计教材p216的计算公式以及表8-18-4。,注意：,养殖畜禽工艺设计-小 粪污处理工艺设计-大,工艺设计中常见到的取值偏差现象的原因,思考问题：,6.2.2 粪便输送方式,固态： 低于70% 车 半固态 ： 70%-80% 输送带、螺旋输送机械 半液态： 80%-90% 管道、污泥泵 液态： 高于90%,6-3 畜禽粪便处理工艺方法,6.3.1 物理处理,一级处理 大尺寸固形物，砂泥,格栅,二沉池,污泥,超滤,沉降分离,固液分离,机械分离（离心、压滤、筛分）,干燥（常温干燥、高温干燥、微波干燥）,工艺与设备设计（专业课程：化工原理或单元操作过程）,6.3.1 物理处理,主要用于一级处理,6.3.2 化学处理,氧化法 （臭氧氧化；次氯酸、氯气消毒等等） 絮凝沉淀法 （明矾、硫酸铝、硫酸亚铁等絮凝剂） 酸碱中和法,主要用于预处理或后期处理,6.3.3 生物化学处理,二级处理的主体。成本低，应用广泛，技术成熟,微生物适宜的环境特点分类,好氧（微生物）法 兼氧（微生物）法 厌氧（微生物）法,比如实践常见的,好氧 兼氧 厌氧,生物塘、反应器,废水微生物处理方法很多，若根据微生物的呼吸类型，可分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：,粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几种：,第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿分离分别进行处理。 第二种方式是猪粪尿直接进行厌氧发酵处理后排放或利用。 第三种方式是将猪粪尿通过自然沉淀而分离为浓稠物和稀液分别进行处理。 第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，然后分别处理。,“能源生态型”工艺（ Process of “energy ecological” disposing and using） 畜禽养殖场污水经厌氧消化处理后作为农田水肥利用的处理利用工艺。,“能源环保型”处理利用工艺一般在厌氧处理后需再经好氧工艺处理以使排水达到国家标准。,“能源环保型”工艺 （Process of “energy environment” disposing and using） 畜禽养殖场的畜禽污水处理后达标排放或以回用为最终目标的处理工艺。,厌氧处理,沼气,沼渣、沼液作为肥料利用,厌氧处理,沼气,达标排放,好氧处理等,沼气池高产出率（小型高速产气）指标,沼气池排水高净化（高度降解率）指标,反应器设计无法同时获得高指标。,qmax称为基质最大比消耗速率。,Monod方程,该方程描述了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，是由现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年提出的经验方程。 为细胞比生长速率(1/s)；max 为最大细胞比生长速率； cs为限制性基质浓度（g/L）； ks为饱和常数（g/L） ，其值等于比生长速率恰等于最大比生长速率的一半时的限制性基质浓度。,沉降分离,剩余污泥,净化水,气体产物（CO2，N2，H2S等）,污物+水,污染物 +水,气体产物 + 生物污泥 + 水,沉降分离性能必须给以足够的重视！,处理净化系统,净化水,污泥,污水,一级处理 大尺寸固形物，砂泥,二级处理 悬浮物、胶质体、溶解有机物,格栅,初沉池,生物降解,二沉池,有机废水生物处理特点,厌氧处理,好氧处理,废水浓度,滞留時間,BOD除去率,动力,主要副产物,5-20日,3-10時間,80-95%,低,高质燃料,高浓度,低浓度,80-99%,高出十倍,待处理污泥,厌氧处理能量产出多少与原水温度、COD浓度、发酵温度有关。 为了达到排放标准往往需要好氧处理工艺等进一步处理, 耗氧菌呼吸 CH3COONa2O2NaHCO3H2OCO2 Go-848.08 KJ/mol 反硝化菌呼吸 5CH3COONa8NaNO34N27NaHCO33Na2CO34H2O Go-782.78 KJ/mol 硫酸塩还原菌呼吸 CH3COONaNa2SO42NaHCO3NaHS Go-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 KJ/mol,以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能,以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能,好氧菌,反硝化菌,硫酸还原菌,甲烷菌,能量收支衡算表明：20 原水，30 发酵，100m3/d，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常规参数，1270CODmg/L时厌氧与好氧处理能量投入相同。COD小于1270mg/L时，厌氧处理更消耗能量。,6.4 畜禽粪便沼气工程,复杂有机物 碳水化合物，蛋白质，脂类,简单溶解性有机物,1,水解,1,发酵,脂肪酸、醇类,1,1,H2 ，CO2,CH3COOH,2,2,产氢产乙酸菌,3,同型产乙酸菌,5 产甲烷菌,CH4+ CO2,产甲烷菌4,甲烷产量的70%,甲烷产量的30%,6.4.1沼气发酵原理,水解发酵阶段,产酸产氢阶段,产甲烷阶段,液化阶段,酸化阶段,气化阶段,按降解机理分段：,按物性变化分段：,1. 厌氧消化三阶段,2.厌氧发酵中重要菌群之间的生态关系,产酸、产氢菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌、甲烷菌等菌群间形成了食物链似的生态关系。 甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很低的水平，象丙酸分解成醋酸、氢气的反应,只有在氢气分压低于10-4atm时，自由能变化才小于零。 这种必须与其它菌共存的关系叫共生关系（syntrophic association）,硫酸还原,硝酸还原,产甲烷,O2,好氧菌类,硝酸还原菌,硫酸还原菌,产甲烷菌,NO3-,SO4-2,氧化还原电位降低,CO2，H2，C2O2H4,空气,反应器中菌群协作关系：适宜氧化还原电位形成,菌群的协作、共生、竞争关系,水解,产酸产氢菌,硫酸还原菌,产甲烷菌,降解，液化,CO2，H2，C2O2H4,H2,醋酸、H2生成菌的生存要求极低的H2分压,竞争,共生,协作, 硫酸塩还原菌呼吸 CH3COONaNa2SO42NaHCO3NaHS Go-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 KJ/mol,产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中 十分重要。 如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很 小，醋酸、H2生成菌无法生存， 甲烷菌的共生菌与硫酸还原菌的共生菌相比较，产乙酸产 氢速度较慢，这是因为通过共生系可获得的自由能较少。,3. 厌氧消化微生物,1）主要发酵细菌 羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物， 产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。 似杆菌属（Bacteroides） 降解纤维素或半纤维素。 丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白质等 真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解 双歧杆菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。,发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。,参考（徐亚同、史家梁、张明，污染控制微生物工程，化工出版社，2001，pp41-47；永井史朗、嫌気性微生物、1993）修改,主要功能,胞外酶作用,固形有机物,溶解有机物,水解,2）主要产氢产乙酸菌 互营单细胞菌属（Syntrophomonas） 互营杆菌属（Syntrophobacter） 羧菌属（Clostridium） 暗杆菌属（Pelobacter）等。,这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。,2CH3CH2COOH + 2H2O,3CH3COOH + 2 H2,主要功能,胞内酶作用,挥发性脂肪酸,乙酸和H2,降解,产甲烷菌是自然界中最古老（36亿年左右），分布最广的一种微生物。 不但土壤、湖沼、动物消化道、水田、海水等普通环境，高浓度盐湖、深海、温泉等极限环境中都有甲烷菌生存。 例如，已发现有可在4M NaCl浓度条件下生存的甲烷菌，可在110高温水体中生存的甲烷菌，甚至适宜生长温度高达85的甲烷菌。 产甲烷菌在厌氧水系生态碳链中，使处于最底层的一类微生物。 氢气是大多数甲烷菌种共同可以利用的基质，也是在厌氧条件下，最普遍存在的能源物质。 甲烷菌在400nM光源照射下，发出蓝绿色荧光。利用这一特点，在荧光显微镜下，容易识别区分于其他细菌。甲烷菌的荧光来源于甲烷菌体内的辅酶F420( Methanothrix属细菌的F420含量较低，荧光不易观察),3) 产甲烷细菌,4H2 + CO2 CH4 + H2O,3CH3COOH,CO2 + CH4,4H2 + CO2 CH4 + H2O,3CH3COOH,CO2 + CH4,氧化还原电位在 -400 -150mV 之间 （另有说法认为必须小于-330mV）,1升30 、pH7.0的水在-330mV时，与大气平衡的含氧浓度为1.48x10-56分子/升。可见通过除氧来获取低电位十分困难。这使得甲烷菌的纯分离培养有一定的难度。,产甲烷菌的研究，70年代后期才越来越受到重视，并取得了较快的进展。比如80年时研究发现的甲烷菌共有4属11种，世代时间最快的为3小时；到1992年正式发表的甲烷菌就增加到了19属59种，世代时间最快的仅为26分钟。 甲烷菌中可代谢乙酸的甲烷菌不过两属。大多数甲烷菌是利用氢气和二氧化碳生成甲烷。,八叠球菌,Methanothrix属细菌,Methanothrix属细菌在厌氧处理反应器中是最重要的细菌，尤其在上流式污泥床反应器中大量存在。它只能代谢醋酸，其增长速度很慢，世代时间为3-7天。,4. 厌氧消化降解的甲烷化,1）碳水化合物 碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用(C6H10O5)x表示。这是污水中常见的有机物，其消化过程如下：,(C6H10O5)x,+ （x-1)H2O,xC6H12O6,xC6H12O6,酶,发酵,有机酸+醇类,有机酸 醇类,CH3COOH + H2,第1阶段,第2阶段,这两阶段综合反应为,C6H12O6,+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2,第3阶段,2CH3COOH 2CH4 + 2CO2,4H2 + CO2 CH4 + 2H2O,上两阶段综合反应为,C6H12O6,+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2,第3阶段,2CH3COOH 2CH4 + 2CO2,4H2 + CO2 CH4 + 2H2O,净反应为,C6H12O6 3CH4 + 3CO2,由乙酸分解产生的甲烷约占甲烷总产量的2/3。,2）脂类 包括脂肪和油类，也是污水中常见的有机物。其消化过程如下：,第1阶段,第2阶段,脂肪 油类,+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH,酶,脂肪酸,甘油,CH3(CH2)16COOH = 16H2O 9CH3COOH + 16H2,脂肪酸氧化成乙酸和氢气。例如,第3阶段,9CH3COOH 9CH4 + 9CO2 16H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O,净反应为,CH3(CH2)16COOH + 8H2O 13CH4 + 5CO2,可见，以脂质为基质时，最终甲烷化气体中的甲烷含量为72%，其中69%是由乙酸分解产生的。,3）蛋白质 蛋白质是由氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：,第1阶段,第2阶段,蛋白质,+ H2O 氨基酸（R）,酶,有机酸 CH3COOH + H2,第3阶段,CH3COOH CH4 + CO2 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O,蛋白质水解产生的NH4和CO2可生成NH4HCO3， 这可提高消化液的碱度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生H2S、形成臭味和一定的腐蚀性。,氨基酸通式为,发酵,有机酸 + NH4HCO3,据蛋白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为73%，且72%来自乙酸。,当废水中有机物浓度较高时，一般BOD5超过1500mg/L时，就不宜用好氧处理，而应该采用厌氧处理的方法。 厌氧处理1kgCOD能产生0.35m3的甲烷；单位容积负荷远高于好氧系统，产生的污泥量少，运行费用低。因此厌氧处理在畜禽养殖等废弃物处理中得到广泛运用。,6.4.2 厌氧生物处理基本工艺方法,1）氧化还原电位（ORP） 由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常是厌氧消化过程的控制阶段。应重点满足产甲烷菌的环境要求。 产甲烷菌一般要求氧化还原电位低于-330nV，此参数可用于常温或中温反应器的设计。在高温反应器中适宜的氧化还原电位要低得多，一般应低于-500mV。,6.4.3 影响厌氧反应器处理效果的主要因素,一般溶氧是系统氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。,2）温度 温度是影响微生物生命活动的重要因素之一，也是动力学的重要影响因素。 好氧生物处理只有一个最适宜温度，而厌氧生物处理一般存在两个最适宜温度。分别为35 附近和55 附近。 是以产甲烷菌的适宜温度为主要因素所决定的，而一般厌氧反应器中的甲烷菌以只能分解乙酸的Methanothrix属为主，其适宜温度分为35 40 和55 65 两类。 工程上的厌氧反应器有常温、中温、高温三种方式。中温处理一般为33 38 ，高温处理为50 60 。突然的温度变化可使甲烷化严重受阻。 温度影响倍增时间,3）pH值 产甲烷菌适宜的pH值为7.0左右，大体在 6.8 7.4之间。 厌氧反应器中的pH值，取决于进水的pH值，有机物浓度和三阶段微生物群的生命活动过程建立的平衡及缓冲能力。 反应器的pH值过低，常表现为挥发酸浓度过高； pH值过高，常见于NH4-浓度过高。 微环境的pH,4）有机负荷 在厌氧法中，有机负荷通常是指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量kgCOD/m3.d。此外也有用污泥负荷表达的，即kgCOD/kgVSS.d。 厌氧消化过程中，产酸阶段反应速率比产甲烷阶段反应速率快得多，必须十分谨慎的选择有机负荷，使挥发性脂肪酸的生成和消耗不致失调，形成挥发酸的积累。为保持系统的平衡，有机负荷不能过高。 厌氧生物处理可采用比好氧生物处理高得多的有机负荷，一般在510 kgCOD/m3.d,甚至可达50 kgCOD/m3.d。,5）搅拌和混合 混合搅拌是提高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化器内，常有料液分层现象。搅拌可消除分层，促进基质与微生物间的传质速度和甲烷、二氧化碳等产物的逸出速度。 有些研究认为,搅拌强度不能过大；对于搅拌的频度，则有完全不同的观点，即频频搅拌为好，还是间歇的适当搅拌为好，存在两种研究结果与观点。反对频频搅拌的观点认为，甲烷菌的生长需要相对较宁静的环境。,6）重金属,重金属对厌氧系统的毒性作用有较多的研究。金属毒性作用主要有两种方式，一是通过与微生物酶的巯基、氨基、羧基等相结合，而使酶失去活性；二是通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。,HS-CH2CH2-SO3H, 辅酶M (HS-CoM) Mg (S-CoM)2,乙巯基乙烷磺酸,近年来的一些研究表明，Fe、Ni 、Co、 W 、Mo、 Se等金属元素对厌氧发酵有促进作用，而且Fe、Ni、 Co 等元素不足时，会使一些重要的合成酶无法形成，从而使厌氧反应受到严重影响。,厌氧微生物的生长繁殖，需要按一定的比例摄取碳、氢、氧、氮、磷及其他微量元素。一般工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般认为，厌氧法中的碳、氢、磷的比例应控制在200 -300：5：1为宜。其中以碳氮比的控制较为重要。碳氮比过高，不仅厌氧菌增值缓慢，而且消化液的缓冲能力较低，在有机负荷较高等情况下，pH容易下降。相反，若氮源过多，即碳氮比太低，反硝化过程将产生大量的氨，使值升高。当值升高到7.9以上时，会抑制产甲烷菌的活性，使消化效率降低。,7）营养比,当无辅助搅拌时，固体停留时间为30d60d，有机负荷为1.6kgVS（挥发性固体）/m3d；当有辅助搅拌装置时，水力停留时间一般为6d30d，有机负荷为8kgVS/m3d。,6.4.4 厌氧反应器,消化池的特点是在一个池内完成厌氧消化和液体与污泥的分离。,沼气,出水,排泥,污水或污泥,普通厌氧反应器（AP）,1 普通厌氧反应器（AP）,厌氧接触反应器排出的混合液在沉淀池中分离后再回流到反应器中。与普通消化池相比，它不需要很长的水力停留时间或很大的反应器容积。有效处理的关键在于污泥沉淀性能和污泥分离效率。该法适用于处理BOD5大于1500mg/L的废水，出水的BOD5在200mg/L1000mg/L之间。运行温度大多数是在中温范围，有机负荷为2.1kg（BOD）/m3d5.0kg（BOD）/m3d或12.5kg（COD）/m3d30.0kg（COD）/m3d。,2厌氧接触工艺,真空脱气器,沉淀池,出水,回流污泥,絮状污泥在上升水流和气泡的作用下处于悬浮状态。絮状污泥是直径为1mm5mm的颗粒，水流均匀分布，避免进水短流。,3 厌氧污泥床反应器（ASB）,其中上流式厌氧污泥床反应器（UASB）应用普及很快。 UASB由反应区、沉淀区和气室区组成。废水从底部经配水器均匀分布进入。反应器下部是浓度较高的污泥层，称为污泥床，污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层。污泥床和悬浮污泥层常统称为反应区。,入水,三相分离器,沼气,上流式厌氧污泥床（USAB),沉淀区,反应区,出水,悬浮区,污泥层,6.4.5 沼气发酵池设计计算,306页的设计的“一般要求” 沼气池容积计算 1 根据有机负荷计算：V = QS0/Nv V 有效容积，m3 Q 设计流量，m3 d-1 Nv 容积负荷，kg m-3 d-1 （BOD或COD） S0 料液浓度，kg m-3 （BOD或COD） 2 根据水力滞留时间计算：V = Qt t 水力滞留时间，d,P310页：工艺参数设计中的问题,按每头猪排粪5kg, TS（干物质含量）= 25% 计算 以你们已有的知识能否判断5kg/头天与TS=25%是否相互矛盾，造成的误差如何？ 作业：试依据p274 表6-2的数据计算1200头猪粪便的TS量，并与教材310页的计算相比较,6.5 污水好氧处理,活性污泥法是利用微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团，大量絮凝和吸附废水中悬浮的胶体或溶解的污染物，并将这些物质摄入细胞体内，在氧的作用下，将这些物质同化为菌体组分，或完全氧化为二氧化碳、水等物质。这种具有活性的微生物菌胶团或絮状泥粒状的微生物群体即称为活性污泥。以活性污泥为主体的废水处理法就叫活性污泥法。,6.5.1 活性污泥法,活性污泥的微生物有细菌、霉菌和原生动物等组成。细菌是活性污泥中最重要的成员，除一般的球菌、杆菌、螺旋菌外，还有许多比较高级的丝状细菌。 细菌的种类随污水性质变化,一活性污泥中的微生物,污泥性状不好时出现的一种原生动物（草履虫）,污泥状态良好时常见到的一种原生动物,正常发育的微生物细胞内，存在有蛋白质、碳水化合物和核酸所组成的生物聚合物，这些聚合物是带有电荷的电解质，所以微生物形成的生物絮凝体，都具有生物特有的物理化学吸附作用和凝聚、沉淀作用，在生物絮凝体与悬浮或胶体状有机物接触后，可使后者失稳、凝聚，并被吸附在活性污泥表面。,1活性污泥生长曲线与净化作用,菌体很小，只有结合成絮凝体后，才可能有效分离。产碱杆菌、无色杆菌、假单胞菌、黄杆菌都易形成絮凝体。但营养水平高时，细菌活性高，不易结合成絮凝体。相反，细菌活力弱，运动能力差时才较易形成絮凝体。,对数增殖期，营养丰富，活性高，但由于细菌趋于以最大表面积的游离单体的形式存在，污泥沉降性不好，不易分离。常见于高有机负荷处理。,增殖期,衰减期,内源呼吸期,活性污泥生长曲线,增殖衰减阶段的活性污泥具有较好的凝聚沉降性能。,内源呼吸阶段，微生物开始代谢菌胶团多糖体或自身原生质，处于饥饿状态。,活性污泥来源于废水有机物质，只有将其分离处理才能达到净化目的。,活性污泥法废水处理，主要运行于增殖衰减阶段。为了保证高稳定的出水，可进行内源呼吸阶段运行。,与纯细菌生长曲线的不同点？何故？,评价活性污泥的工作状态，除了根据其中微生物种类、数量来判断外，还主要根据以下参数来分析控制活性污泥的处理过程。 （1）混合液悬浮固体（MLSS） MLSS为1L曝气池混合液中所含悬浮固体的干重，单位为g/L或mg/L，一般活性污泥的MLSS控制在2g/L4g/L。 MLSS = Ma + Me + Mi + Mii Ma: 活性污泥中具有活性的细胞部分 Me：微生物代谢残留物，这部分物质无活性难于生物降解。 Mi：难于降解的有机物 Mii:附着在活性污泥上的无机物 （2）混合液挥发性悬浮固体（MLVSS） 为1L混合液中所含挥发性悬浮固体（指能被完全燃烧的物质）的重量，单位用g/L表示，为MLSS 中的有机物部分。一般城市污水的MLVSS与MLSS之比在0.750.85左右。,2活性污泥的重要参数,有机物,无机物,MLVSS和MLSS是主要用来表示说明微生物量的指标,（3）污泥沉降比（SV） SV是指一定量的混合液静置30min以后，沉降的污泥体积与原混合液体积之比，以百分数表示。 正常的污泥在静置30分钟后，可达到最大密度，所以SV反映了曝气池正常运行的污泥量。 SV易测且便于说明问题，是评价活性污泥特征的重要指标。一般城市污水的SV值在15%30%左右。 SV应用1000mL量筒测定，用100mL量筒测定值因沉降阻力较大而偏高。 沉降5分钟的污泥的体积差异最大，又可节省时间，所以有学者建议采用SV5min,SV = f(污泥浓度,污泥絮粒大小，絮粒性状）,SV 与 污泥浓度成正比关系。SV 与污泥絮粒大小的关系如右图所示，因为沉降过程中小颗粒会不断结合成大颗粒，最终压缩相连成大绒团下降，最终体积趋于相同。污泥絮粒性状主要指形状、结构、密度及污泥中丝状菌数量,60,120min,100%,0.1mm,0.2mm,0.3mm,SV,SVI又称污泥指数，指曝气池出口处混合液经30min静置沉降后污泥的体积与干重之比。,（4）污泥容积系数（SVI）,它反映活性污泥的凝聚性和沉降性，一般SVI控制在50150之间为好。 SVI 100时，沉降性能好、泥水分离好，吸附性能差；SVI 200时相反，而且表明污泥已发生膨胀。,SVI = f(污泥絮粒大小，污泥絮粒性状，污泥负荷）,污泥絮粒大小与污泥絮粒性状对SVI的影响与对SV的影响相似。,污泥负荷过低时,污泥负荷造成SVI升高的常见类型：,比表面大的丝状菌生长快、占主要优势,菌胶团的多糖基质被作为营养消耗，絮粒小,污泥负荷过高时,营养丰富，游离菌生长有利，菌胶团细菌趋于解絮成单体游离菌，以增加比表面。,（5）污泥负荷（Ls） Ls指单位时间内，单位重量的活性污泥所处理的有机物数量，用kg（BOD）/kg（MLSS）d表示。污泥负荷有时也可称为食物与微生物比值，用F/M表示。Ls在活性污泥处理法的设计中是一个重要指标，Ls过高会引起污泥膨胀，一般Ls取值在0.3d-10.6d-1之间。,Ts,=,V X,(Q-Qw)Xe + Qw Xr,V 曝气池容积m3 X 曝气池的MLSS浓度 kg/m3 Q 废水流量 m3/d Qw 污泥排出量 m3/d Xr排放污泥浓度kg/ m3 Xe 净化水的污泥浓度kg/ m3 (很小）,(d),V X,Qw Xr,（6）污泥平均停留时间（Ts）,除了上述的一些指标外，为了更好地设计或运行，有时还需掌握活性污泥的另一些参数，如：溶氧量，污泥回流比，污泥灰分，出水悬浮物(ESS)，污泥耗氧速率（OUR）等等。,Ts值高，意味着F/M低、池容积大，效率低。但由于必须考虑细菌世代时间、排放污泥量和出水质量，也不能过小。一般Ts为3-10天，为较好的除去可溶性有机物应采用较小的Ts，为使污泥有较好的沉降性应采用中等大小的Ts ，为减少污泥排放量应采用较长的Ts。对处于稳定运行的系统，出水水质是泥龄Ts的单值函数。,二 活性污泥的性质特征及有关组成,性质特征 正常工作的活性污泥一般呈黄褐色絮绒状颗粒 有机物占75-85%，主要为微生物， 无机物占15-25%,粒径： 0.02-0.2mm 较大比表面积： 20-200cm2/ml 含水率较高： 99% 比重： 1.002-1.006(一般随含水率变化) 固体物质： 1%,活性污泥法一般工艺见下图。废水先通过初沉淀池，预先将一些悬浮固体去除掉，然后进入一个有曝气装置的容器或构筑物，活性污泥就在这种装置中将废水中BOD降解了，并产生新的活性污泥。当BOD降到一定程度时，混合液一齐流入二次沉淀池，进行固液分离，上清液排放，沉淀下来的污泥一部分回流到曝气池中，一部分作为剩余污泥而排放。 普通活性污泥法的曝气池就像一段河道，池内均匀曝气，水流为推流式。二降池中有机物很少，污泥微生物处于内源代谢期，回流污泥进入曝气池与新鲜废水混合后很快增值，处于对数增长期后期或稳定期。,三活性污泥法基本工艺,Complex-mix activated sludge reactor with surface aeration,表面曝气的完全混合活性污泥反应池,四活性污泥的主要特性,（1）具有很强的吸附能力 生活污泥在10-30分钟内可因吸附作用除去85-90的BOD; 废水中的金属离子，有大约30-90能被活性污泥通过吸附除去。 （2）具有很强的分解氧化有机物的能力 （3）具有良好的沉降能力 以上特点从污水处理的角度来看，是十分可贵的。,五活性污泥法的主要优点,（1）效率高，效果好 （2）适用范围广 （3）方法成熟,6.5.2 活性污泥法的主要工艺技术,曝气池,2沉池,进水,回流污泥,剩余污泥,空气,1. 渐减曝气活性污泥法,需氧量,废水推进距离,供氧量,为了克服供氧与需氧的不平衡，对普通法的另一种改进方法。该方法将供氧量沿着废水推进方向渐渐减少，从而与同方向逐渐减少的有机物浓度和需氧量相对应。,渐减曝气活性污泥法工艺流程,2. 吸附再生活性污泥法,2沉池,剩余污泥,吸附曝气池,再生曝气池,进水,出水,吸附再生活性污泥法是根据废水净化机理、污泥对有机污染物的初期高速吸附作用，对普通法改进而成。,充分接触、吸附,为了更好的吸附污染物，回流污泥用量比普通法多，一般大于50%。 此法的再生池仅对回流污泥曝气（剩余污泥不必再生），故节约空气量，可缩小容积。占地少、水负荷变化的适应性强，此法还利于避免丝状菌大量繁殖和污泥膨胀。缺点是去除率比普通法低，对溶解性有机物较多的工业废水处理效果下降。,氧化分解、恢复活性,再生曝气池,吸附曝气池,二沉池,废水,出水,合建式吸附再生活性污泥法工艺流程图,3. 完全混合活性污泥法,合建式圆形曝气沉淀池,特点： 混合液在反应灌中充分混合对流流动，曝气池内各处投机物浓度为均匀一致。可通过对F/M值的调整，控制出水水质等指标。,2沉池,剩余污泥,出水,初沉池,进水,初沉污泥,优点：对污水负荷变化适应性强，适于处理较高浓度废水。克服了普通法供氧需求不均的缺点。,缺点：出水水质比普通法差，回流比调节不方便，操作性能不好。,进水期,反应期,沉降期,排水期,闲置期,4. 批式活性污泥法,批式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor, 简称SBR）是国内外近年来新开发的一种活性污泥法。特点是曝气池和沉降池合二为一，分批处理废水。基本工作周期如下所示有5个阶段。 特点：结构简单、投资小；控制灵活、可满足多种处理要求；活性污泥性状好、沉降效率高、污泥产率低（尤其有充分的闲置期时，内源呼吸将减少污泥量）；脱氮效果好。,5. 生物吸附氧化法（AB法),本世纪70年代提出该工艺, 具有总池容小、造价低、耐冲击负荷性好、出水水质稳定等优点。在运行控制与工艺流程方面主要有如下特点： 属于两段活性污泥法范畴，但通常不设初沉池 A、B池的回流污泥截然分开, 各级具有组成和功能完全不同的微生物种群。A段繁殖快、世代时间短微生物占优势；B段泥龄长，可生化性、硝化性好。 A级为高负荷运行，污泥负荷率达2-60kgBOD/kgMLSSd, 平均泥龄较短（0.3-0.5d），对不同进水水质，A级可选用好氧或缺氧方式运行。 B级则以低负荷运行，污泥负荷率小于0.3kgBOD/kgMLSSd，泥龄为15-20d。,属于延时曝气法（完全氧化活性污泥法）。既长时间曝气的活性污泥法。通常在断续地延时曝气方式下使用低负荷运行，污水停留时间长，污泥负荷低。,5 氧化沟工艺,污水在氧化沟渠道内循环流动。曝气装置分区段设置，起推动水流、维持紊流状态和曝气作用。,氧化沟为连续循环式反应池，是活性污泥法的改型，延时曝气的特殊形式。,3 间断曝气方式，存在好氧缺氧和厌氧区段，具有脱氮的功能。 动力消耗低。 污泥沉降性能好； 污泥产量少；,氧化沟的特点,完全混合式模型反应器, 同时具有推流式特点。 耐冲击负荷好,运行负荷低，处理深度大，去除率高、处理效果稳定。,活性污泥法设计的主要内容,曝气池,污泥回流部分,污泥沉淀部分,曝气池体积 需氧量与供气量：由污泥负荷与曝气设备决定 曝气设备系统选择：由充氧量和供气量选取,回流污泥量 剩余污泥量 回流系统的确定,池型选定 工艺计算,6.5.3 活性污泥法曝气池容积计算基本方法,Q BOD,V=,LsN,=,Q BOD,Lv,Ls污泥负荷，kgBOD/kgMLSSd Q设计水量.m3/d N曝气池中的污泥浓度，mg(ML(V)SS)/L BOD 去除的BOD，即进出水的BOD5之差， mg/L Lv 反应器容积负荷， kgBOD/m3d,曝气池体积V,曝气池主要参数设计计算,Ts,=,V X,(Q-Qw)Xe + Qw Xr,V 曝气池容积m3 X 曝气池的MLSS浓度 kg/m3 Q 废水流量 m3/d Qw 污泥排出量 m3/d Xr排放污泥浓度kg/ m3 Xe 净化水的污泥浓度kg/ m3 (很小）,(d),V X,Qw Xr,污泥平均停留时间龄（Ts）,Ts,=,1,a Ls -b,或者：,a污泥增殖系数，0.5-0.7 b污泥自身氧化率，0.04-0.1,曝气池需氧量,O,=,A Q BOD + B V N,A一般为0.42-0.53，与水质有关 B一般为0.11-0.18，与污泥性质有关 N为MLSS浓度，kg/m3,如果不是生活污水，最好实验确定A与B值，,新型曝气器,转碟（或转盘）曝气器 盘式曝气器 管式曝气器,hf1=hfAB+ hfBC+ hfC1 hf2=hfAB+ hfB2 hf3=hfA3 需要曝气均匀 令hf1 =hf2 =hf3,简单方法：未端分流起点与最远端曝气器间