《环境工程学》污水的厌氧生物处.ppt

污水的厌氧生物处理污水的厌氧生物处理 第一节第一节 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理 第二节第二节 污水的厌氧生物处理方法污水的厌氧生物处理方法 第三节第三节 厌氧生物处理法的设计厌氧生物处理法的设计 第四节第四节 厌氧和好氧技术的联合运用厌氧和好氧技术的联合运用 第一节第一节 厌氧生物处理的基本原理厌氧生物处理的基本原理 好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的好氧呼吸、无氧呼吸、发酵三种呼吸方式，获得的 能量水平不同，能量水平不同， 如下表所示。如下表所示。 呼吸方式呼吸方式受氢体受氢体化学反应式化学反应式 好氧呼吸好氧呼吸 能量利用率能量利用率4242 分子氧分子氧 C C6 6 HH12 12O O 6 6 +6O+6O 2 2 6CO 6CO 2 2 +6H+6H 2 2 O+2817.3kJO+2817.3kJ 无氧呼吸无氧呼吸无机物无机物 C C6 6 HH12 12 C C6 6 +4NO+4NO 3 3 - - 6CO6CO 2 2 +6H+6H 2 2 O+2NO+2N 2 2 +1755.6kJ+1755.6kJ 发酵发酵 能量利用率能量利用率2626 有机物有机物 C C6 6 HH12 12O O 6 6 2CO2CO 2 2 +2CH+2CH 3 3 CHCH 2 2 OH+92.0kJOH+92.0kJ 问题：在废水的生物处理中如何利用微生物的呼吸类型问题：在废水的生物处理中如何利用微生物的呼吸类型 厌氧呼吸是在无分子氧（厌氧呼吸是在无分子氧（OO 2 2 ）的情况下进行的生物氧化。）的情况下进行的生物氧化。 厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过 程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅 酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。 厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物 氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来 底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放 能量较少。能量较少。 厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵厌氧呼吸按反应过程中的最终受氢体的不同，可分为发酵 和无氧呼吸。和无氧呼吸。 厌 氧 呼 吸 发酵发酵 指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用，指供氢体和受氢体都参与有机化合物的生物氧化作用， 最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。最终受氢体无需外加，就是供氢体的分解产物（有机物）。 这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是这种生物氧化作用不彻底，最终形成的还原性产物，是 比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较比原来底物简单的有机物，在反应过程中，释放的自由能较 少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的少，故厌氧微生物在进行生命活动过程中，为了满足能量的 需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。需要，消耗的底物要比好氧微生物的多。 例如，葡萄糖的发酵过程：例如，葡萄糖的发酵过程： 总反应式：总反应式： 厌氧生物处理是有机污染物在无氧的条件厌氧生物处理是有机污染物在无氧的条件 下，借助专性厌氧细菌和兼性厌氧细菌的作用下下，借助专性厌氧细菌和兼性厌氧细菌的作用下 ，将大部分有机污染物转化为甲烷、二氧化碳、，将大部分有机污染物转化为甲烷、二氧化碳、 水以及简单小分子有机物等的一种生物处理方法水以及简单小分子有机物等的一种生物处理方法 。 经厌氧生物处理以后，多数有机物被分解和经厌氧生物处理以后，多数有机物被分解和 稳定，厌氧处理以后的污泥（熟污泥）或消化液稳定，厌氧处理以后的污泥（熟污泥）或消化液 可回用于农田作为肥料，因而目前已经受到普遍可回用于农田作为肥料，因而目前已经受到普遍 重视。重视。 早期的厌氧生物处理主要面对的是固态有机物 （包括有机污泥或粪便等），所以称为消化。 消化 过程 液化(酸化) 污泥的pH迅速下降，大分 子有机物转化为小分子有机 酸、醇、醛等液态产物和 CO2、H2、NH3、H2S等 气化(甲烷化 ) 产生消化气，主体是CH4 ，以及部分CO2等 两阶段: 四阶段: 大分子有机物( 碳水化合物，蛋 白质，脂肪等) 水解 细菌的胞外 酶 水解的和溶 解的有机物 酸化 产酸细菌 有机酸 醇 类 醛类等 H2，CO2 乙酸化 乙酸细菌 乙酸 甲烷化 甲烷细菌 CH4 甲烷细菌 CH4 大分子有机物（碳水化合物 、蛋白质、脂肪等） 简单有机物（单糖、氨基酸等） 有机酸（丙酸、丁酸、戊酸等 ）、醇、醛等 H2/CO2 乙酸 CHCH 4 4 水解(胞外酶) 酸化（产酸细菌） 乙酸化（乙酸细菌） 甲烷化 （甲烷细菌） 甲烷化 （甲烷细菌） 厌氧生物处理的特点 优点: 1 1、需要的能量少，产生甲烷是一种潜在的能源；、需要的能量少，产生甲烷是一种潜在的能源； 2 2、产生的剩余生物污泥较少；、产生的剩余生物污泥较少； 3 3、容积负荷较高，可处理高浓度、难降解的有机废水；、容积负荷较高，可处理高浓度、难降解的有机废水； 4 4、需要的营养物较少；、需要的营养物较少； 1 1、处理过程的反应复杂，反应速度较慢，起动时间较长；、处理过程的反应复杂，反应速度较慢，起动时间较长； 2 2、对温度、对温度、pHpH等环境因素更为敏感；等环境因素更为敏感； 3 3、出水水质较差，需要进一步处理；、出水水质较差，需要进一步处理； 缺点: 一般来说，对于废水中有机物浓度较低、温度较低、出水水质要求较高，并要一般来说，对于废水中有机物浓度较低、温度较低、出水水质要求较高，并要 求去除营养物的场合倾向于采用好氧生物处理技术。而对于有机物浓度较高、温度较求去除营养物的场合倾向于采用好氧生物处理技术。而对于有机物浓度较高、温度较 高的工业废水，厌氧处理可能更为经济。高的工业废水，厌氧处理可能更为经济。 随着对厌氧生物处理工艺的进一步了解，厌氧处理作为好氧处理的预处理手段已随着对厌氧生物处理工艺的进一步了解，厌氧处理作为好氧处理的预处理手段已 经成为目前较为广泛采用的一种方法。经成为目前较为广泛采用的一种方法。 厌氧生物处理的微生物 发酵细菌群（产酸细菌） 多为兼性厌氧或专性厌氧细菌，主要参与复杂有机物的水多为兼性厌氧或专性厌氧细菌，主要参与复杂有机物的水 解，其主要功能是：解，其主要功能是： 首先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物；首先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物； 将可溶性有机物转化为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等有机酸及乙将可溶性有机物转化为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等有机酸及乙 醇、醇、COCO 2 2 、H H 2 2 等。等。 研究表明，该类细菌对有机物的水解比较缓慢，但产酸反研究表明，该类细菌对有机物的水解比较缓慢，但产酸反 应速率较快应速率较快。 厌氧生物处理的微生物 产氢产乙酸菌群 绝对厌氧或兼性厌氧细菌，可将前面步骤产生的挥发性有绝对厌氧或兼性厌氧细菌，可将前面步骤产生的挥发性有 机酸转化为乙酸、机酸转化为乙酸、H H 2 2 /CO/CO 2 2 。 厌氧生物处理的微生物 产甲烷细菌 产甲烷细菌是严格专性厌氧细菌，其生存环境要求绝对无氧；产甲烷细菌是严格专性厌氧细菌，其生存环境要求绝对无氧； 产甲烷细菌属古细菌，一类可利用乙酸转化为甲烷和产甲烷细菌属古细菌，一类可利用乙酸转化为甲烷和CO2CO2，另，另 一类利用一类利用H2H2还原还原CO2CO2合成甲烷；合成甲烷； 对环境影响非常敏感，氧和氧化剂有毒害作用；对环境影响非常敏感，氧和氧化剂有毒害作用； 生长特别缓慢；生长特别缓慢； 影响厌氧生物处理的主要因素 1. pH和碱度 最佳为 7.07.3 厌氧 产生有机酸 pH 甲烷菌分解有机酸时产生的重碳酸盐不断增加 2. 温度 中温：3335C 高温：5055C 3. 负荷 厌氧反应池的容积决定于厌氧反应的负荷率。 表 达 方 式 容积负荷参数为投配率 日进入的有机物量与池子容积之比，在一定 程度上反映了污染物在消化池中的停留时间 有机物负荷参数为有机负荷率 4. 消化池的搅拌 在有机物的厌氧发酵过程中，让反应器中的微 生物和营养物质(有机物)搅拌混合，充分接触，将 使得整个反应器中的物质传递、转化过程加快。 5. 有毒有害物质 作用 使池内污泥浓度分布均匀，利于 微生物生长繁殖 释放有害气体 使环境因素在反应器内保持均匀 甲烷菌专性厌氧，且处理系统中不能含有浓度过甲烷菌专性厌氧，且处理系统中不能含有浓度过 高的高的SOSO 4 4 2-2-， ，SOSO 3 3 2-2-。 。 污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱 度中和有机酸，其度中和有机酸，其pHpH有可能维持在有可能维持在6.86.8以上，酸化和甲以上，酸化和甲 烷化两大类细菌就可以共存，从而消除分阶段现象。烷化两大类细菌就可以共存，从而消除分阶段现象。 厌氧法与好氧法相比，降解较不彻底，放出的热厌氧法与好氧法相比，降解较不彻底，放出的热 量少，反应速度低。量少，反应速度低。 主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高 的有机工业废水的处理。的有机工业废水的处理。 影响甲烷菌影响甲烷菌 生长的因素生长的因素 pHpH：6.87.26.87.2 温度：温度：3538C3538C和和5255C5255C 第二节第二节 污水的厌氧生物处理方法污水的厌氧生物处理方法 一、化粪池 化粪池例图 用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不 设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅 式建筑。式建筑。 二、厌氧生物滤池二、厌氧生物滤池 优点：处理能力高优点：处理能力高 ；滤池内可以保持很高；滤池内可以保持很高 的微生物浓度；不需另的微生物浓度；不需另 设泥水分离设备，出水设泥水分离设备，出水 SSSS较低；设备简单、操较低；设备简单、操 作方便。作方便。 缺点：滤料费用较缺点：滤料费用较 高；滤料易堵塞，尤其高；滤料易堵塞，尤其 是下部，生物膜很厚；是下部，生物膜很厚； 堵塞后，没有简单有效堵塞后，没有简单有效 的清洗方法。因此，悬的清洗方法。因此，悬 浮物高的废水不适用。浮物高的废水不适用。 三、厌氧接触法三、厌氧接触法 对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接 触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而 需要脱气。需要脱气。 四、上流式厌氧污泥床反应器四、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)(UASB) 上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器 良好的厌氧污泥床良好的厌氧污泥床 污泥形成颗粒状，污泥污泥形成颗粒状，污泥 浓度高（浓度高（606080g/l80g/l） ，有机负荷率和去除率，有机负荷率和去除率 均较高，不需要搅拌，均较高，不需要搅拌， 能适应负荷冲击和温度能适应负荷冲击和温度 与与pHpH的变化。的变化。 UASBUASB是一种有发是一种有发 展前途的厌氧处理设备展前途的厌氧处理设备 。 五、分段厌氧处理法五、分段厌氧处理法 第一段：水解和液化有机物为有机酸；缓冲和第一段：水解和液化有机物为有机酸；缓冲和 稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态 物质。一般停留时间物质。一般停留时间0.81.50.81.5天，天，pH3.64.0pH3.64.0。 第二段：保持严格的厌氧条件和第二段：保持严格的厌氧条件和pHpH，以利于甲，以利于甲 烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多 的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。的消化气，并截留悬浮固体，以改善出水水质。 第三节第三节 厌氧生物处理法的设计厌氧生物处理法的设计 一、流程和设备的选择一、流程和设备的选择 处理工艺的选择（见表处理工艺的选择（见表15154 4） 消化温度消化温度 采用单级或两级采用单级或两级( (段段) )消化消化 内容内容 二、厌氧反应器的设计二、厌氧反应器的设计 计算确定反应器容积的常用参数是负荷率计算确定反应器容积的常用参数是负荷率N N和和 消化时间消化时间t t，公式为，公式为： 产气量一般可按产气量一般可按0.40.5m0.40.5m 3 3 /kg(COD)/kg(COD)进行估算。进行估算。 三、三、 消化池的热量计算消化池的热量计算 包括将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、包括将废水提高到池温所需的热量和补偿池壁、 池盖所散失的热量。池盖所散失的热量。 提高废水温度所需的热量为提高废水温度所需的热量为Q Q 1 1 ： 通过池壁、池盖等散失的热量通过池壁、池盖等散失的热量Q Q 2 2 与池子构造和材与池子构造和材 料有关，可用下式估算：料有关，可用下式估算： 第四节第四节 厌氧和好氧技术的厌氧和好氧技术的 联合运用联合运用 有些废水含有很多复杂的有机物，对于好氧有些废水含有很多复杂的有机物，对于好氧 生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的，生物处理而言是属于难生物降解或不能降解的， 但这些有机物往往可以通过厌氧菌分解