第三章废水厌氧处理

废水厌氧生物处理工程厌氧生物处理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等

厌氧生物处理阶段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1、水解酸化阶段〔产酸或酸化细菌〕碳水化合物、脂肪和蛋白质的水解酸化过程2、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段甲烷化阶段产氢产乙酸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。这个阶段主要产生较高级脂肪酸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产甲烷阶段产甲烷细菌将乙酸、乙酸胺、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胺产生甲烷，前者约占总量的1/3，后者约占2/3厌氧生物处理的根本原理厌氧生物处理厌氧生物处理的方法和根本功能酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高厌氧工艺的突出优点是：①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面优点：既适用于高浓度废水，又适用于中低浓度废水能耗低，厌氧法产生的沼气可作为能源有机负荷高，厌氧法为2～10kgCOD/m3·d剩余污泥量少，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多氮、磷营养需要量少：厌氧法的C:N:P为100:2.1:0.5厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或局部降解厌氧活性污泥可以长期贮存缺点：反响过程较为复杂，厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长出水往往达不到排放标准，需要进一步处理对温度、pH等环境因素较敏感厌氧生化法与好氧生化法相比的优缺点厌氧消化过程中的主要微生物发酵细菌〔产酸细菌〕主要功能：水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，并受多种因素影响〔pH、细胞平均停留时间等〕，有时会成为厌氧反响的限速步骤；产酸反响的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。厌氧消化过程中的主要微生物产氢产乙酸菌主要功能：将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；主要反响：乙醇：丙酸：丁酸：注意：上述反响只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低时才能顺利进行。主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌厌氧消化过程中的主要微生物产甲烷菌60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术主要功能：将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行一般可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝菌，但在厌氧反响器中，有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解厌氧生物处理的影响因素-温度温度主要影响微生物的生化反响速度，与有机物的分解速率有关工程上：中温消化温度为30~38℃〔以33~35℃为多〕高温消化温度为50~55℃厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于±2℃。温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气产甲烷菌对pH值的变化敏感，其最适pH值范围为6.8~7.2，在<6.5或>8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制厌氧体系中的pH值受多种因素的影响：进水pH值、进水水质〔有机物浓度、有机物种类等〕、生化反响、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止厌氧生物处理的影响因素-pH无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最根本条件之一，厌氧环境主要以体系中的氧化复原电位反映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复原电位不能高于-330mV,相当于2.36×1056L水中有1mol氧氧气和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在〔如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等〕，同样能使体系中的氧化复原电位升高。当其浓度到达一定程度时，同样会危害厌氧消化过程的进行厌氧生物处理的影响因素-氧化复原电位厌氧生物处理的影响因素-营养厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等厌氧生物处理的影响因素-

F/M比厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80kgCOD/m3.d；无传氧的限制可以积聚更高的生物量产酸阶段的反响速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷高的有机容积负荷的前提是高的生物量，而相应较低的污泥负荷高的有机容积负荷可以缩短HRT，减少反响器容积厌氧生物处理的影响因素-有毒物质常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物；硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫的氧化物很容易在厌氧消化过程中被复原成硫化物可溶的硫化物到达一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用投加某些金属如Fe可以去除S2-，或从系统中吹脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。氨氮：氨氮是厌氧消化的缓冲剂但浓度过高，那么会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为50~200mg/l，但驯化后，适应能力回得到加强重金属—使厌氧细菌的酶系统受到破坏抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500厌氧生物处理的影响因素-有毒物质厌氧消化装置的负荷率是怎样确定的呢？一个重要的原那么是：在两个转化〔酸化和气化〕速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标〔最大处理量或最大产气量〕。一般而言，厌氧消化微生物进行酸化转化的能力强，速率快，对环境条件的适应能力也强；而进行气化转化的能力相对较弱，速率也较慢，对环境的适应能力也较脆弱。这种前强后弱的特征使两个转化速率保持稳定平衡颇为困难，因而形成了三种发酵状态。厌氧消化装置负荷率确实定三种发酵状态-酸性发酵状态当有机物负荷率很高时，由于供给产酸菌的食物相当充分，致使作为其代谢产物的有机物酸产量很大，超过了甲烷细菌的吸收利用能力，导致有机酸在消化液中的积累和pH值〔以下均指大气压条件下的实测值〕下降，其结果是使消化液显酸性〔pH<7〕。这种在酸性条件下进行的厌氧消化过程称为酸性发酵状态，它是一种低效而又不稳定的发酵状态，应尽量防止。三种发酵状态-弱碱性发酵状态当有机负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸根本上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值维持在7~7.5之间，溶液呈弱碱性。这种在弱碱性条件下进行的厌氧消化过程称之为弱碱性发酵状态，它是一种高效而又稳定的发酵状态，最正确负荷率应达此状态。三种发酵状态-碱性发酵状态当有机物负荷率偏小时，供给产酸细菌的食物缺乏，产酸量偏少，不能满足甲烷细菌的需要。此时，消化液中的有机酸残存量很少，pH值偏高，在pH值偏高〔大于7.5〕的条件下进行的厌氧消化过程，称为碱性发酵状态。如前所述，由于负荷偏低，因而是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态。厌氧生物处理工艺厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；1881年法国Mouras的自动净化器：1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反响器：1895年，英国设计的化粪池〔SepticTank〕1905年，德国的Imhoff池〔又称隐化池、双层沉淀池〕早期的厌氧生物反响器双层沉淀池一个矩形密闭的池子，用隔墙分为两室或三室，各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入，通过各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行缓慢的厌氧发酵。各室的顶盖上设有孔，可定期〔数月〕将消化后的污泥挖出，供作农肥。通常设于独立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步处理粪便废水。双层沉淀池分为两层，上层为沉淀池，下层为消化池。池上部有一个流槽，槽底呈V形。废水沿槽缓慢流过时，悬浮物便沉降下来，并从V形槽底缝滑落于大圆形池底，在那里进行厌氧消化。厌氧消化池厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水主要作用一局部有机物转变为沼气一局部有机物形成稳定性良好的腐殖质提高了污泥的脱水性能污泥体积可减少1/2以上致病微生物也得到了一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用传统厌氧消化池传统厌氧消化池又称低速消化池，无加热和搅拌装置；有分层现象：只有局部容积有效消化速率很低，HRT很长〔30~90天〕高速厌氧消化池设有加热和搅拌装置缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温〔30~35C〕条件下，一般消化时间为15天左右，运行稳定但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液不能别离，污泥易随水流带走两级消化池两级串联，第一极是高速消化池，第二级那么不设搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能别离上清液厌氧消化池搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌加热方式有三种：废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；热蒸汽直接在消化器内加热；在消化池内部安装热交换管特点总结：可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液；厌氧消化反响与固液别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，消化效率低等缺点厌氧接触法也称厌氧活性污泥法，像好氧活性污泥法那样，在消化池出水端设置污泥沉淀池，将沉淀的厌氧生物污泥回流入消化池中，以此来提高消化池中的污泥停留时间；也可在消化池出水部位安装固体别离膜以提高污泥停留时间厌氧接触法的优点通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10～15g/L，耐冲击能力强消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2～10kgCOD/m3·d，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15～30天，而接触法小于10天可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题混合液经沉淀后，出水水质好厌氧接触法存在的问题混合液难于在沉淀池中进行固液别离，即污泥难以沉淀原因：污泥上附着有小气泡，且污泥在二沉池中还有活性，还会产生气体，导致已下沉的污泥上浮解决方法：脱气真空脱气，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15～25℃，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降用超滤器代替沉淀池，以改善固液分高效果升流式厌氧污泥层反响器(UASB)反响流程废水自下而上地通过厌氧污泥床反响器，在反响器的底部有一个高浓度〔可达60-80g/L〕、高活性的污泥层，大局部的有机物在这里被转化为CH4和C02。由于气态产物〔消化气〕的搅动和气泡粘附污泥，在污泥层之上形成一个污泥悬浮层。反响器的上部设有三相别离器，完成气、液、泥三相的别离。被别离的沼气从上部导出，被别离的污泥那么自动滑落到悬浮污泥层。出水那么从澄清区流出升流式厌氧污泥层反响器的优点反响器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30～40g/L有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10～20kgCOD/m3·d反响器内设三相别离器，被沉淀区别离的污泥能自动回流到反响区，一般无污泥回流设备无混合搅拌设备，投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动污泥床内不填载体，节省造价及防止堵塞问题升流式厌氧污泥层反响器的缺点反响器内有短流现象，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厌氧生物滤池处理水

原废水

处理水

沼气沼气滤料原废水

滤料图19-10厌氧生物滤池反响流程厌氧微生物附着于填料的外表生长，当废水通过填料层时，在填料外表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由于填料为微生物附着生长提供广较大的外表积，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2～16kgCOD/m3·d，且耐冲击负荷能力强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启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短缺点：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厌氧生物转盘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局部(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