废水厌氧生物处理工程.ppt

废水厌氧生物处理工程,2.1 厌氧生物处理的基本原理 2.2 厌氧消化池 2.3 厌氧接触法 2.4 厌氧滤池 2.5 升流式厌氧污泥床 2.6 厌氧膨胀床和厌氧流化床 2.7 厌氧生物转盘 2.8 厌氧挡板反应器 2.9 两相厌氧消化工艺,厌氧生物处理与好氧生物处理的区别, 起分解作用的微生物类群不同。 对环境要求不同。 好氧处理所需时间比厌氧处理短，没有臭气产生。 厌氧法的降解不彻底，放热少，反应速度低，处理的有机物负荷低。 处理对象不同: 厌氧生物处理多用于处理沉降的有机污泥和高浓度的有机废水；好氧生物处理则多用于处理有机污染浓度较低或适中的废水。,2.1厌氧生物处理的基本原理,在缺氧条件下利用厌氧微生物(包括兼性厌氧微生物)分解污水中有机物的方法，也称厌氧消化法。 其代谢产物沼气主要成分是甲烷，故又称作沼气发酵法或甲烷发酵法。,人工沼气发酵研究已有100多年的历史，从19世纪末到20世纪初，许多国家的微生物学者对纤维素的发酵进行研究。 前苏联微生物学者奥梅梁斯基发现奥氏甲烷杆菌，提出沼气发酵理论，并为开辟沼气应用的途径奠定了基础。,厌氧消化的生化阶段,厌氧生物处理的四阶段理论 （1967年，Bryant),有机物质 发酵细菌 长链脂肪酸、醇类 产氢产乙酸细菌 乙酸 H2/CO2 产甲烷细菌 CH4,厌氧生物处理的三阶段理论（1979年）,第阶段水解产酸阶段,水解和发酵性细菌群将复杂有机物转化成有机酸： 纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙酮酸； 将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨； 脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。,微生物群落是水解、发酵性细菌群，有专性厌氧的: 梭菌属(Clostridium) 拟杆菌属(Bacteriodes) 丁酸弧菌属(Butyrivibrio) 真杆菌(Eubacterium) 双歧杆菌属(Bifidobacterium) 革兰氏阴性杆菌 兼性厌氧的有: 链球菌 肠道菌,据研究，每mL下水污泥中含有水解、发酵性细菌108109个，每克挥发性固体含10101011个，其中蛋白质水解菌有107个，纤维素水解菌有105个。,第二阶段：乙酸和氢气的产生,产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶段的产物分解为乙酸和氢气； 将第一阶段发酵的有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和氢气。 微生物群落： 互营单胞菌属(Syntrophomonas)、互营杆菌属(Syntrophobacter) 、梭菌属(Clostridium) 、暗杆菌属(Pelobacter)等。只有少数被分离出来。,第三阶段：甲烷的产生,微生物：两组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群 一组将H2和CO2合成CH4或CO和H2合成CH4； 另一组将乙酸脱羧生成CH4和CO2；或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为CH4。,有28的甲烷来自H2的氧化和CO2的还原。72的甲烷来自乙酸盐的裂解。 由于大部分甲烷和二氧化碳逸出，氨(NH3)以亚硝酸铵(NH4NO2)、碳酸氢铵(NH4HCO3)形式留在污泥中，它们可中和第一阶段产生的酸，为产甲烷菌创造了生存所需的弱碱性环境。氨可被产甲烷菌用作氮源。,研究表明：,有机物厌氧分解生成甲烷的过程 1)发酵性细菌 (2)产氢产乙酸细菌 (3)利用H2和CO2产甲烷菌（30%） (4)分解乙酸的产甲烷菌（70%）,4H2+C02CH42H20 CH3C00HCH4+C02,产甲烷化学过程,厌氧生物处理中的微生物类型,非产甲烷菌 发酵细菌 产氢产乙酸菌 同型产乙酸菌 产甲烷菌,（一） 发酵细菌（产酸细菌),属别包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属和双歧杆菌属。 大多数为专性厌氧菌，也有大量兼性厌氧菌。 功能 通过胞外酶将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。,（二）产氢产乙酸细菌,属别 包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属。 为绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌。 功能 把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸、H2，反应如下： 乙醇：CH3CH2OH + H2O CH3COOH + 2H2 丙酸：CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + 3H2 +CO2 丁酸：CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2,(三）产甲烷细菌,最常见的是：产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产 甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和产甲烷丝菌等。 绝对厌氧菌，在分类学上属于古细菌。 可分为两类： （1）利用乙酸产生甲烷 CH3COOH CH4 + CO2 (2) 利用H2和CO2合成CH4 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O,甲烷细菌一般性质,杆状、球状、螺旋状 碳源：有机酸、醇类 氮源：NH4+ 通气：严格厌气 温度：多为中温性 酸碱性：中性或微碱性,厌氧生物处理微生物群体间的关系,（一） 不产甲烷细菌（包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌）为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质。 （二）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜的氧化还原条件。 （三）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒物质。,（四）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除反馈抑制。 （五）不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值。 在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条件，但又互相制约。,厌氧生物处理的影响因素,一）温度,高温消化（55 左右）的反应速率为中温消化（35 左右）的1.51.9倍，产气率较高，但甲烷含量较低。 新型反应器处理废水的厌氧消化反应在常温（2025 ）下进行。,二）pH值,产甲烷菌的最适pH值范围为6.87.2 厌氧发酵体系中的pH值除受进水pH的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡。有机负荷太大，水解和酸化过程的生化速率大大超过产气速率，将导致水解产物有机酸的积累使pH下降，抑制甲烷菌的生理机能，使气化速率锐减。 HCO3-及NH3是形成厌氧处理系统碱度的主要原因。,（三）氧化还原电位 严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，用氧化还原电位来表示反应器的含氧浓度。 不产甲烷菌: +100 100mV 产甲烷菌: 150 400mV 氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高，对厌氧消化不利。,(四）营养,厌氧要求有机物浓度较高，一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥。 好氧细菌增殖快，有机物有5060%用于细菌增殖，故对N、P要求高；而厌氧增殖慢，BOD仅有510%用于合成菌体，对N、P要求低。 CODNP20051或CN1216 （好氧CODNP10051）,对C、N等营养物质的要求略低于好氧微生物。但由于不能合成某些必要的维生素或氨基酸，故需补充钾、钠、钙等金属盐类，以及镍、铝、钴和钼等微量金属。,（五）有机物负荷 以向每立方米消化池中，在1日内可投加的有机物量或BOD量来表示（kg（m3.d),（六）有毒物质 有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。 抑制性物质：硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。 2氯丙醇、1氯丙烷、2氯丙烷、丙烯醛和甲醛等对厌氧微生物有毒害作用。 厌氧微生物可降解蒽醌类燃料、偶氮燃料、含氯的有机杀虫剂等在好氧条件下难以降解的合成有机物。,主要类型,常规消化池或普通消化池（conventional digester） 厌氧接触消化池(anaerobic contact digester) 厌氧滤池(anaerobic filter, AF) 升流式厌氧污泥床(upflow anaerobic sludge blanket，UASB),2.2 厌氧消化池,厌氧消化池主要用于处理城市废水厂的污泥，也用于处理固体含量很高的有机废水。 污水间歇地或连续地进入消化池，上部排水，顶部排沼气，水力或机械搅拌装置充分混合，水力停留时间等于固体停留时间，无污泥回流。 活性污泥浓度不高，一般5。停留时间2530d。,（一）消化池的分类,根据消化池顶结构不同分为： 固定盖消化池 浮动盖消化池 根据消化池运行方式的不同分为： 传统消化池 高速消化池,传统消化池 又称低速消化池，池内不设加热和搅拌装置，有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程进行。 消化反应速率很低，消化时间长， 一般为3090天， 只有在规模小的废水处理厂才采用。,高速消化池 设有加热和搅拌装置，厌氧微生物与有机物得到充分的接触，缩短了有机物稳定所需的时间，提高了沼气产量，消化速率高，消化期一般为15天，被废水处理厂广泛采用。 但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。,（二）消化池的构造,由池顶、池底和池体三部分组成。 池顶有固定盖和浮动盖两种。池顶中央有集气罩。,普通消化池,7.活动盖板,1.进料口,2.出料间,3.隔墙,4.发酵间,5.贮气箱,6.导气管,圆形消化池的结构,搅拌设备： 机械搅拌：泵搅拌 螺旋桨式搅拌 喷射泵搅拌 沼气搅拌：气提式搅拌 竖管式搅拌 气体扩散式搅拌,加热设备： 池内蒸汽直接加热 设备简单，局部污泥易过热，影响微生物的正常活动，增加污泥的含水率，从而增加消化池容积。 池外加热 污泥预热后投配到消化池中，易于控制，有利于杀死寄生虫卵，不会对厌氧微生物产生不利影响。但加热设备较复杂。,2.3 厌氧接触消化池 (anaerobic contact digester),在常规消化池的基础上增设了污泥回流装置， 污泥浓度增至10甚至20左右，效率较高，停留时间约为110d。,对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法。废水先进入混合接触池（消化池）与回流的厌氧污泥相混合，然后经真空脱气器而流入沉淀池。 接触池中的污泥浓度要求很高，在1200015000mg/L左右，因此污泥回流量很大，一般是废水流量的23倍。,厌氧接触法对悬浮物高的有机废水（如肉类加工废水等）效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。 据报道，肉类加工废水（BOD5约10001800mg/L）在中温消化时，经过6-12h（以废水人流量计）消化，BOD5去除率可达90%以上。,厌氧接触法的特点, 污泥浓度高，一般为510 gVSS/l，抗冲击负荷能力强； 有机容积负荷高，中温时，COD负荷16 kgCOD/m3.d，去除率为7080%；BOD负荷0.52.5 kgBOD/m3.d，去除率8090%； 出水水质较好； 增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂； 适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。,在厌氧接触法工艺中，最大的问题是污泥的沉淀，因为厌氧污泥上一般总是附着有小的气泡，且由于污泥在二沉池中还具有活性，还会继续产生沼气，有可能导致已下沉的污泥上浮。,2.4 厌氧滤池(anaerobic filter, AF),是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或向下流动时，废水中的有机物被截留、吸附及分解转化为甲烷和二氧化碳等。,60年代末，美国的Young和McCarty首先开发出厌氧生物滤池； 1972年以后，一批生产规模的厌氧生物滤池投入运行，它们所处理的废水的COD浓度范围较宽，约在30085000mg/l之间，处理效果良好，运行管理方便；, 厌氧生物滤池的组成,厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的，即：滤料、布水系统、沼气收集系统。,布水系统,在厌氧生物滤池中布水系统的作用是将进水均匀分配于全池，因此在设计计算时，应特别注意孔口的大小和流速。 因为需要收集所产生的沼气，厌氧生物滤池多是封闭式的，即其内部的水位应高于滤料层，将滤料层完全淹没。,根据废水在厌氧生物滤池中流向的不同，分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式：,升流式厌氧生物滤池的布水系统应设置在滤池底部，这种形式在实际应用中较为广泛，一般滤池的直径为626m，高为313m； 降流式厌氧生物滤池的水流方向正好与之相反； 升流式混合型厌氧生物滤池的特点是减小了滤料层的厚度，留出了一定空间，以便悬浮状态的颗粒污泥在其中生长和累积。,厌氧生物滤池特点, 厌氧生物膜的厚度约为14mm； 其生物量浓度沿滤料层高度而有变化； 降流式较升流式厌氧生物滤池中的生物量浓度的分布更均匀； 厌氧生物滤池适合于处理多种类型、浓度的有机废水，其有机负荷为0.216 kgCOD/m3.d； 当进水COD浓度过高(8000或12000mg/l)时，应采用出水回流的措施：减少碱度的要求；降低进水COD浓度；增大进水流量，改善进水分布。,厌氧滤池的突出优点是： 生物量浓度高，有机负荷高； 微生物菌体停留时间长，可缩短水力停留时间，耐冲击负荷能力强； 启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易； 无需回流污泥，运行管理方便； 运行稳定性较好。 主要缺点是易堵塞，会给运行造成困难。,2.5 升流式厌氧污泥床 (upflow anaerobic sludge blanket，UASB),反应器是一个无填料的空容器，运行时污水以一定流速自下进入反应器，通过一个悬浮的污泥层，料液和污泥菌体接触反应并产生沼气小气泡，气泡托起使污泥上升，在上部有一个关键装置气液固三相分离器，使污泥下沉，气水分离。,UASB反应器具有如下的主要工艺特征： 在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器； 在反应器底部设置了均匀布水系统； 反应器内的污泥能形成颗粒污泥，颗粒污泥的特点是：直径为0.10.5cm，湿比重为1.041.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。,UASB反应器的组成,UASB反应器的主要组成部分包括： 进水配水系统、反应区、三相分离器、出水系统、气室、浮渣收集系统、排泥系统等，,1) 进水配水系统： 主要功能： 将废水均匀地分配到整个反应器的底部； 水力搅拌； 是保证UASB反应器高效运行的关键之一。,2) 反应区： 是UASB反应器中生化反应发生的主要场所，又分为污泥床区和污泥悬浮区，其中的污泥床区主要集中了大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所；而污泥悬浮区则是絮状污泥集中的区域。,3) 三相分离器： 三相分离器由沉淀区、回流缝和气封等组成； 主要功能有： 将气体(沼气)、固体(污泥)、和液体(出水)分开； 保证出水水质； 保证反应器内污泥量； 有利于污泥颗粒化。,4) 出水系统： 出水系统的主要作用是将经过沉淀区后的出水均匀收集，并排出反应器。 5) 气室： 也称集气罩，其主要作用是收集沼气。,6) 浮渣收集系统： 清除沉淀区液面和气室液面的浮渣。 7) 排泥系统： 均匀地排除反应器内的剩余污泥。,UASB反应器主要特点, 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上； 反应器的水力停留时间相应较短； 反应器具有很高的容积负荷； 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水； 集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑； 一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起到搅拌的作用；,UASB反应器的型式,1) 开敞式UASB反应器 开敞式UASB反应器的顶部不加密封，或仅加一层不太密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；其构造较简单，易于施工安装和维修。,2) 封闭式UASB反应器 封闭式UASB反应器的顶部加盖密封，在UASB反应器内的液面与池顶之间形成气室；主要适用于高浓度有机废水的处理； 与传统的厌氧消化池有一定的类似，其池顶也可以做成浮动盖式。,实际工程中，UASB的断面形状一般可做成圆形或矩形，矩形断面便于三相分离器的设计和施工； 反应器的主体常为钢结构或钢筋混凝土结构； 一般不在反应器内部直接加热，而是将进入反应器的废水预先加热，而UASB反应器本身多采用保温措施。 反应器内壁必须采取防腐措施，在厌氧反应过程中肯定会有较多的硫化氢或其它具有强腐蚀性的物质产生。,UASB反应器中的颗粒污泥,能在反应器内形成沉降性能良好、活性高的颗粒污泥是UASB反应器的重要特征， 颗粒污泥的形成与成熟，也是保证UASB反应器高效稳定运行的前提，因此有许多研究者都对UASB反应器中的颗粒污泥进行多方面的研究。,颗粒污泥中的细菌是成层分布的，即外层中占优势的细菌是水解发酵菌，而内层则是产甲烷菌； 颗粒污泥实际上是一种生物与环境条件相互依存和优化的生态系统，各种细菌形成了一条很完整的食物链，有利于种间氢和种间乙酸的传递，因此其活性很高。,2.6 厌氧膨胀床和厌氧流化床 Anaerobic (Attached Film) Expanded Bed & Anaerobic Fluidized Bed Reactors,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。,固体颗粒载体（石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等），粒径一般为0.21mm。 载体颗粒在反应器内膨胀或形成流化状态； 床体内载体略有松动，载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器称为膨胀床反应器； 上升流速增大到可以使载体在床体内自由运动而互不接触的反应器称为流化床反应器。,厌氧流化床工艺流程,主要特点,载体为微生物的附着生长提供了较大的比表面积，使床内的微生物浓度很高； 有机容积负荷高（1040kgCOD/m3.d），水力停留时间较短； 具有较好的耐冲击负荷的能力，运行较稳定； 载体处于膨胀或流化状态，可防止载体堵塞； 床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量较少；,既可用于高浓度有机废水的处理，也用于低浓度城市废水的处理。 主要缺点：载体的流化耗能较大；系统设计运行的要求也较高。,为了降低动力消耗和防止床层堵塞，可采取如下措施 （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，呈流化床运行； （2）尽可能取质轻、粒细的载体，如粒径20-30m、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。,2.7 厌氧生物转盘,基本原理与好氧生物转盘类似，只是在厌氧生物转盘中，所有转盘盘片均完全浸没在废水之中，处于厌氧状态。 为保证厌氧条件和收集沼气，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。,(1) 构造 由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成。 (2) 运行 废水的净化靠盘片表面的生物膜和悬浮在反应槽中的厌氧菌完成，产生的沼气从反应槽顶排出。由于盘片的转动，作用在生物膜上的剪力可将老化的生物膜剥落，在水中呈悬浮状态，随水流出槽外。,2) 主要特点： 微生物浓度高，有机负荷高，水力停留时间短； 废水沿水平方向流动，反应槽高度小，节省了提升高度； 一般不需回流；不会发生堵塞，可处理含较高悬浮固体的有机废水； 多采用多级串联，厌氧微生物在各级中分级，处理效果更好；运行管理方便；但盘片的造价较高。,2.8 厌氧挡板反应器,厌氧挡板反应器是从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。 挡板反应器与生物转盘相比，可减少盘的片数和省去转动装置。,1) 基本原理： 在反应器中设置多个垂直挡板，将反应器分隔为数个上向流和下向流的小室，使废水循序流过这些小室； 厌氧挡板式反应器相当于多个UASB反应器的串联；当废水浓度过高时，可将处理后的出水回流。,在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来维持较高的污泥浓度。 挡板把反应器分为若干上向流和下向流室，上向流室比下向流室宽，便于污泥的聚集。通往上向流的挡板下部边缘处加50的导流板，便于将水送至上向流室的中心，使泥水充分混合。因而无需混合搅拌装置，避免了厌氧滤池和厌氧流化床的堵塞问题和能耗大的缺点，启动期比上流式厌氧污泥床短。,2) 主要特点： 与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置； 与UASB相比，可不设三相分离器而截流污泥； 反应器启动运行时间较短，远行较稳定； 不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。,2.9 两相厌氧消化工艺,厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应，比如一为产酸阶段，另一为产甲烷阶段，故又称两段式厌氧消化法。,它着重于工艺流程的变革，而不是着重于反应器构造变革； 在单相反应器中存在着脂肪酸的产生与被利用之间的平衡，维持两类微生物之间的协调与平衡十分不易；两相厌氧消化工艺就是为了克服单相厌氧消化工艺的上述缺点而提出的； 两个反应器中分别培养发酵细菌和产甲烷菌，并控制不同的运行参数，使其分别满足两类不同细菌的最适生长条件。,两步厌氧消化法是一种由上述厌氧反应