水污染控制工程15.ppt

第十五章 厌氧生化法,第一节 厌氧法的基本原理 第二节 厌氧法的影响因素 第三节 厌氧法的工艺和设备 第四节 厌氧消化过程动力学 第五节 厌氧产气量的计算 第六节 厌氧反应器的设计 第七节 厌氧设备的运行管理,厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点： （1）既适用于高浓度废水，又适用于中低浓度废水。 （2）能耗低：厌氧法产生的沼气可作为能源。 （3）负荷高：厌氧法为210kgCOD/m3d。 （4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好。 （5）氮、磷营养需要量少：厌氧法的C:N:P为100:2.1:0.5 （6）厌氧处理过程有一定的杀菌作用。 （7）厌氧活性污泥可以长期贮存。 厌氧生物处理法也存在下列缺点： （1）厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长。 （2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理。 （3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。,第一节 厌氧法的基本原理,废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氢等为受氢体。,厌氧生物处理是一个依靠三大主要类群的细菌完成的复杂的微生物学过程。将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段： 第一阶段为水解酸化阶段 第二阶段为产氢产乙酸阶段 第三阶段为产甲烷阶段,第一阶段 水解酸化阶段 复杂的大分子、不溶性有机物先在细胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物，然后渗入细胞体内，分解产生挥发性有机酸、醇类、醛类等。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。,碳水化合物、脂肪和蛋白质的水解酸化过程,第二阶段 产氢产乙酸阶段 在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。 第三阶段 产甲烷阶段 产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱控产生甲烷，前者约占总量的1/3，后者约占2/3。,第二节 厌氧法的影响因素,甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。 一、温度条件 温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌的温度范围为560，在35和53上下可以分别获得较高的消化效率，温度为4045时，氧消化效率较低。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降5，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中的甲烷含量，此其高温消化对温度变化更为敏感。,二、pH值,pH值条件失常首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能被正常地代谢降解，从而使整个消化过程的各阶段间的协调平衡丧失。若pH值降到5以下，对产甲烷菌毒性较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞。即使pH值恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力仍不易恢复；而在稍高pH值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快地恢复活性。所以厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。最适pH值为7.07.2，pH6.67.4较为适宜。,三、氧化还原电位,无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一，产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感。产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV, 相当于2.361056L水中有1mol氧。 在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3-0.35V（中温消化）与-0.560.6V（高温消化），常温消化与中温相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。,四、有机负荷,在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。 若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使pH值下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停顿，系统失败，并难以调整复苏。此外，有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率。若有机负荷过低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器容积将增大，使消化设备利用效率降低，投资和运行费用提高。,五、厌氧活性污泥,厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。厌氧活性污泥的性质主要表现为它的作用效能与沉淀性能，前者主要取决于活微生物的比例及其对废物的适应性和活微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能与污泥的凝聚性有关、与好氧处理一样，厌氧活性污泥的沉淀性能也以SVI衡量。,六、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池，池内料液常有分层现象。通过搅拌可消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。 搅拌的方法有:（1）机械搅拌器搅拌法；（2）消化液循环搅拌法；（3）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量。,七、废水的营养比,一般认为，厌氧法中碳:氮:磷控制为20O300:5:1为宜。此比值大于好氧法中100:5:1，这与厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。 在厌氧处理时提供氮源，除满足合成菌体所需之外，还有利于提高反应器的缓冲能力。若氮源不足，不仅厌氧菌增殖缓慢，而且消化液缓冲能力降低。相反，若氮源过剩，氮不能被充分利用，将导致系统中氨的过分积累，抑制产甲烷菌的生长繁殖，使消化效率降低。,八、有毒物质,第三节 厌氧法的工艺和设备,一、普通厌氧消化池 废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。 为了使进料和厌氧污泥充分接触、使所产的沼气气泡及时逸出而设有搅拌装置，常用搅拌方式有三种：（1）池内机械搅拌；（2）沼气搅拌；（3）循环消化液搅拌。,常用加热方式有三种：（1）废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；（2）热蒸汽直接在消化器内加热；（3）在消化池内部安装热交换管。 普通消化池一般的负荷，中温为23kgCOD/m3d,高温为56kgCOD/m3d。 普通消化池的特点是可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。但缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞；对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触，温度也不均匀，消化效率低等缺点。,二、厌氧接触法,为克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，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，其工艺流程如右图所示。该系统既使污泥不流失、出水水质稳定，又可提高消化池内污泥浓度，从而提高设备的有机负荷和处理效率。,为了提高沉淀池中混合液的固液分离效果，目前采用以下几种方法脱气：（1）真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉淀性能；（2）热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却，如中温消化液35冷到1525，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；上页图是设真空脱气器和热交换器的厌氧接触法工艺流程；（3）絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降；（4）用超滤器代替沉淀他，以改善固液分高效果。,厌氧接触法的特点：（1）通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为1015g/L,耐冲击能力强；（2）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为210kgCOD/m3d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为1530天，而接触法小于10天；（3）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；（4）混合液经沉淀后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。厌氧接触法还存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。,三、上流式厌氧污泥床应应器,废水从污泥床底部进入，与污泥 床中的污泥进行混合接触，微生物分 解废水中的有机物产生沼气，微小沼 气泡在上升过程中，不断合并逐渐形 成较大的气泡。由于气泡上升产生较 强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮 污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜壁返回到反应区内。,上流式厌氧污泥床反应器的特点是：（1）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为3040g/L；（2）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为1020kgCOD/m2d；（3）反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；（4）无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；（5）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高；运行启动时间长，对水质和负荷变化比较敏感。,四、厌氧生物滤池,厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解并产生沼气，沼气从池顶部排出。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水流出池外。,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，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。,厌氧生物滤池的特点是：（1）由于填料为微生物附着生长提供广较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为216kgCOD/m3d，且耐冲击负荷能力强；（2）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；（3）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（4）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。,五、厌氧流化床,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。,流化床操作的首要满足条件是：上升流速即操作速度必须大于临界流态化速度，而小于最大流态化速度。上升流速应控制在1.21.5倍临界流化速度。,厌氧流化床特点：（1）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；（2）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；（3）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；（4）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；（5）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。,六、厌氧转盘和挡板反应器,厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似。不同之处在于盘片大部分(70以上)或全部浸没在废水中，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。厌氧生物转盘由盘片，密封的反应槽、转轴瓦驱动装置等组成，其构造如图所示。对废水的净化靠盘片 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 应橹顶排出。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。,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。其工艺流程如图15-24所示。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 问题和能耗较大的缺点，启动期比 上流式厌氧污泥床短。,七、两步厌氧法和复合厌氧发,七、两步厌氧法和复合厌氧法 两步厌氧消化法是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；复合厌氧法是在一个反应器内由两种厌氧法组合而成。如上流式厌氧污泥床与厌氧滤池组成的复合厌氧法 。,第四节 厌氧消化过程动力学,一、稳态的完全混合反应器 稳态的完全混合反应器的工作条 件如图15-27所示，传统的厌氧消化 系统的运行方式与此相似。同中Q为 废水流量，V为反应器容积，S0、S 和Se分别为进水中、反应器内和出水 中的废物浓度，x0、x和xe分别为进水中、反应器内和出水中的微生物（污泥）浓度。对稳态的完全混合反应器，xe=x，Se=S。如果假设进水中不含活性微生物，即x00。,反应器的水力停留时间为： 微生物固体的停留时间c泥龄）为： 即泥龄与水力停留时间相等。 由系统污泥的物料平衡，可导出污泥浓度的计算式： 为了在反应器中保持高的微生物浓度，应使c尽量大。由于反应器的容积有机负荷，则，故在一定的容积有机负荷下，为了增大，就必须提高进水中的有机物浓度。,为了提高污泥浓度, 在普通消化池的实际运行中, 一般采用间歇操作，当从反应器中排出消化液之前，停止搅拌，使污泥沉淀；或在消化池上部加设分离器，即使连续进出水，也可以达到分离生物污泥的目的，此时出水中xex。 全混合反应器的底物去除速率R为： 由此可见，若c减小，则R增大，但如果c接近最小值cmin，则系统失去降解有机物的能力， , 在ccmin后，R迅速上升至最大值Rmax，继后则随c增大而缓慢下降。,为了取得一定的处理效率，c必须大于与比生长率u0对应的cmin值，即 对xxe的系统，有机负荷LV可从下式求得： 当S0一定时，LV除了与动力学参数umax、Ks有关之外，还直接与r有关.随着r值增大，所允许的LV增大。,二、有回流的完全混合反应器,如果该系统只从沉淀池上清液 中带走污泥，即xW=QW=SW=0,则可将 消化池与沉淀池视为整体（如图中 虚框所示），上述无回流条件下推 导的动力学方程均可适用。如用式 (15-10)分析厌氧接触系统，由于 加设沉淀池后，xe减小，x增大，则 r也增大，放在相同的S0和条件下，能使系统承担的有机负荷提高，工作稳定性增大。,如果定期从沉淀池底排出部分剩余污泥则仿照式（13-22）和（13-25）作厌氧系统的物料衡算，可推出：,三、厌氧生物膜反应器,现假设厌氧生物膜反应器是一个全混均质系统，如图15-31所示。对系统内的废物作物料衡算，有 变化率=进入-出流-降解速率 悬浮的生物降解的底物量与生物膜去除的底物量相比，可以忽略，则式（15-16）简化为,如果忽略内源代谢的污泥量，则生物膜增长与底物利用的关系为： 对生物膜的Monod方程可写为： 由上述两式可得：,将式（15-20）代入式（15-17），已在稳态条件下，即dS/dt=0，得到： 如果用代表生物膜平均活性深度，即生物膜厚度；Am代表填料比表面积，即单位体积填料表面积；Vm代表填料体积， 则 上式左端表示填料生物膜单位表面积的底物降解速率，以 代表；右端的 表示填料生物膜单位表面积的最大底物降解速率，以 代表。,四、厌氧消化动力学常数的测定,为了应用动力学方程于工程设计，必须确定方程中的有关常数。这些常数值可以在实验室测定，也可以通过整理废水处理厂实际运行数据得到。 表15-2给出了几种废物厌氧消化的动力学常数，可供设计时参考。,第五节 厌氧产气量计算,一、理论产气量的计算 1.根据废水有机物化学组成计算产气量 当废水中有机组分一定时，可以利用第一节中所介绍的化学经验方程式（15-1）计算产气量，对不含氮的有机物也可用以下巴斯维尔（Buswell和Mueller）通式计算: 2根据COD与产气量关系计算 在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1gCOD相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。,二、实际产气率分析,在厌氧消化工艺中，实际产气率受物料的性质、工艺条件以及管理技术水平等多种因素的影响，在不同的场合，实际产气率与理论值会有不同程度的差异。 1.物料的性质 就厌氧分解等当量COD的不同有机物而言，脂类（类脂物）的产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高；碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；从脂肪酸厌氧消化产气情况表明，随着碳键的增加，去除单位重量有机物的产气量增加，而去除单位重量COD的产气量则下降。,2废水COD浓度 废水的COD浓度越低，单位有机物的甲烷产率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在实际工程中，高浓度有机废水的产气率接近理论值，而低浓度有机废水的产气率则低于理论值。 3沼气中的甲烷含量 沼气中的甲烷含量越高，其在水中的溶解度越大。故甲烷的实际产气率越低。 4生物相的影响 产气率还与系统中硫酸盐还原菌及反硝化细菌等的活动有关。若系统中上述菌较多，则由于这些菌会与产甲烷菌争夺碳源，从而使产气率下降。,5工艺条件影响 对同种废水，在不同的工艺条件下，其去除单位重量COD的产气量不同。详细讨论参阅本章第二节。 6去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例 对于等当量COD的不同有机物，厌氧消化时用于细菌细胞合成的系数有一定的差异，故产气率不是常量。去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例越大，则分解用以产生甲烷的比例将越小，从而去除1kgCOD的甲烷产量越低。一般情况下，变幅小于10。,第六节 厌氧反应器的设计,厌氧反应器的设计包括工艺设备的选型、反应器容积的计算和设备构造的确定等。本节主要介绍容积的计算，关于设备的构造参见本章第三节。 厌氧处理装置的选择，在很大程度上取决于废水中的悬浮物含量、粒度和厌氧可降解性。如上流式厌氧污泥床反应器和厌氧生物滤池等新型厌氧反应器虽消化效能高，但在处理含悬浮固体物较多的污水财，却不宜采用。随着污水中悬浮物的增加，厌氧滤池的处理能力下降，逐渐接近其他工艺的处理能力，不仅如此，它还易于引起填料的堵塞；,厌氧反应器的容积是一个很重要的设计参数，计算厌氧反应器容积的方法很多，普遍采用的方法有有机物容积负荷法、水力停留时间法和动力学计算方法。 1按有机物容积负荷和水力停留时间计算 2根据动力学模式计算,第七节 厌氧设备的运行管理,一、厌氧设备的启动 厌氧设备在进入正常运行之前应进行污泥的培养和驯化。厌氧活性污泥可以取自正在工作的厌氧处理构筑物或江河湖泊沼泽底，下水道及