第15章 厌氧生物处理.ppt

第十五章厌氧生物处理 课程内容 1 厌氧生物处理基本原理2 厌氧消化的影响因素与控制要求3 两级厌氧与两相厌氧处理4 厌氧生物处理工艺与反应器5 厌氧生物处理的运行管理6 思考题7 习题 人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百年的历史 传统的厌氧法不足 水力停留时间长 有机负荷低等 在过去很长一段时间里 仅限于处理污水厂的污泥 粪便等 没有得到广泛采用 在污水处理方面 几乎都是采用好氧处理 概述 厌氧生物处理的特点 优点 1 需要的能量少 产生甲烷是一种潜在的能源 2 产生的剩余生物污泥较少 3 容积负荷较高 可处理高浓度 难降解的有机废水 4 需要的营养物较少 1 处理过程的反应复杂 反应速度较慢 起动时间较长 2 对温度 pH等环境因素更为敏感 3 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 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 概述 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 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 CO2 H2等 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 概述 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机酸转化为乙酸 H2 CO2 概述 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 产甲烷细菌属古细菌 一类可利用乙酸转化为甲烷和CO2 另一类利用H2还原CO2合成甲烷 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 概述 厌氧生物处理基本原理 厌氧消化三阶段理论废水处理工艺中的厌氧微生物厌氧消化机理和厌氧处理技术 2 1厌氧消化机理 早期的厌氧生物处理研究都针对污泥消化污泥消化 即在无氧条件下 由兼性厌氧细菌及专性厌氧细菌降解有机物使污泥得到稳定 其最终产物是二氧化碳和甲烷气 或称污泥气 消化气 等 所以也称为污泥生物稳定过程 污泥的厌氧处理对象 固态有机物 所以称消化 对批量污泥静置考察 可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段 液化阶段 固态有机物先是液化 最主要特征 液态污泥的pH迅速下降 不到10d即可降低到最低值 原因 污泥中的固态有机物主要是天然高分子化合物 如淀粉 纤维素 油脂 蛋白质等 在无氧环境中降解时 转化为有机酸 醇 醛 水分子等液态产物和CO2 H2 NH3 H2S等气体分子 由于转化产物中的有机酸是主体 因此才会发生pH迅速下降的现象 所以 此阶段常被称为 酸化阶段 参与消化的细菌 产酸或酸化细菌气化阶段 降解产物气化特征 产生 消化气 主要成分是CH4 因此气化阶段常被称为 甲烷化阶段 产生的CO2也相当多 还有微量H2S 参与消化的细菌 甲烷菌液化和气化阶段整个过程历时半年以上 厌氧消化两阶段示意图 1979年 Bryant根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果 认为两阶段理论不够完善 提出了三阶段理论 该理论认为产甲烷菌不能利用除乙酸 H2 CO2和甲醇等以外的有机酸和醇类 长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸 H2和CO2等后 才能被产甲烷菌利用 第一阶段 水解发酵阶段 在该阶段 复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下 首先被分解成简单的有机物 继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸 丙酸 丁酸等脂肪酸和醇类等 参与这个阶段的水解发酵菌 主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌 第二阶段 产氢产乙酸阶段 在该阶段 产氢产乙酸菌把除乙酸 甲烷 甲醇以外的第一阶段产生的中间产物转化成乙酸和氢 并有CO2产生 第三阶段 产甲烷阶段 在该阶段中 产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸 H2和CO2等转化为甲烷 复杂有机物 有机酸和醇类 H2 CO2 乙酸 甲烷 第一阶段水解和发酵 第二阶段产氢产乙酸 第三阶段产甲烷 图15 1三阶段厌氧消化过程示意图 废水处理工艺中的厌氧微生物 在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类 非产甲烷菌 non menthanogens 和产甲烷细菌 menthanogens 表15 1产酸菌和产甲烷菌的特性参数 厌氧消化机理和厌氧处理技术 厌氧消化的影响因素 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 产甲烷菌适宜的pH应在6 8 7 2之间 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pH有可能维持在6 8以上 酸化和甲烷化两大类细菌就有可能共存 从而消除分阶段现象 此外 消化池池液的充分混合对调整pH也是有必要的 1 pH 3 生物固体停留时间 厌氧消化的效果与污泥泥龄有直接关系 污泥泥龄的表达式为 式中 污泥泥龄 SRT d 消化池内的总生物量 kg 消化池每日排出的生物量 其中mc为排出消化池的总生物量 kg t为排泥时间 d 4 搅拌和混合 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 搅拌的方法一般有 水射器搅拌法 消化气循环搅拌法 混合搅拌法 5 营养与C N比 基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长 但与好氧法相比 厌氧处理对污水中N P的含量要求低 有资料报导 只要达到COD N P 800 5 1即可满足厌氧处理的营养要求 但一般来讲 要求C N比达到 10 20 1为宜 如C N比太高 细胞的氮量不足 消化液的缓冲能力低 pH容易降低 C N比太低 氮量过多 pH可能上升铵盐容易积累 会抑制消化过程 6 有毒物质 1 重金属离子的毒害作用 重金属离子对甲烷消化的抑制有两个方面 与酶结合 产生变性物质 使酶的作用消失 重金属离子及氢氧化物的絮凝作用 使酶沉淀 2 H2S的毒害作用 厌氧处理系统中SO42 和SO32 浓度过高时 产甲烷过程就会受到抑制 原因 脱硫弧菌 属于硫酸盐还原菌 能将乳酸 冰酮酸和乙醇转化为H2 CO2和乙酸 但在含硫无机物 SO42 SO32 存在时 它将优先还原SO42 和SO32 产生H2S 形成与产甲烷菌对基质的竞争 消化气中CO2成分提高 并含有较多的H2S H2S的存在降低消化气的质量并腐蚀金属设备 管道 锅炉等 其对产甲烷菌的毒害作用更进一步一向调整整个系统的正常工作 3 氨的毒害作用 当有机酸积累时 pH降低 此时NH3转变为NH4 当NH4 浓度超过150mg L时 消化受到抑制 两级厌氧与两相厌氧处理 两级厌氧生物处理两相厌氧生物处理 两级厌氧生物处理 两级消化 根据沼气产生的规律 图15 6 设计 目的 节省能量 节省污泥加温与搅拌的部分能量 特点 第一级 加热 33 35 搅拌 第二级 不加热 20 26 不搅拌 可视为污泥浓缩池用 消化时间与产气率关系曲线 两相厌氧生物处理 两相厌氧消化 根据消化机理设计 目的 改善厌氧消化条件 从而减少池容与能耗 特点 第一相 n 100 t停 1d处于水解与发酵 产氢产乙酸阶段 即消化的第一 二阶段 不需加热 搅拌 第二相 n 15 17 处于产甲烷阶段 即消化的第三阶段 需加热 搅拌 优点 1 总容积小 2 加热耗热量少 搅拌能耗少 3 运行管理方便 厌氧生物处理工艺与反应器 普通厌氧消化池厌氧接触工艺厌氧生物滤池厌氧生物转盘UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器厌氧折流板式反应器高温厌氧处理工艺 普通厌氧消化池 池形 圆柱形和蛋形两种 构造 主要包括污泥的投配 排泥及溢流系统 沼气排出 收集与贮气设备 搅拌设备及加温设备等 溢流系统 贮气设备 加温设备 厌氧接触工艺 流程 图15 10 主要特征 在厌氧反应器后设沉淀池 污泥进行回流 结果使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度 可大大降低水力停留时间 厌氧生物接触法 厌氧生物滤池 是装填滤料的厌氧反应器 厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面 废水淹没地通过滤料 在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下 废水中有机污染物被去除 产生的沼气则聚集于池顶部罩内 并从顶部引出 处理水则由旁侧流出 为了分离处理水挟出的生物膜 一般在滤池后需设沉淀池 可分为升流式和降流式两种形式 升流式和降流式厌氧生物滤池 厌氧生物转盘 由盘片 密封的反应槽 转轴及驱动装置等组成特点 1 微生物浓度高 可承受高的有机物负荷 2 废水在反应器内按水平方向流动 勿需提升废水 节能 3 勿需处理水回流 与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作 4 处理含悬浮固体较高的废水 不存在堵塞问题 5 由于转盘转动 不断使老化生物膜脱落 使生物膜经常保持较高的活性 6 有承受冲击负荷的能力 处理过程稳定性较强 7 可采用多级串联 各级微生物处于最佳生存条件下 8 便于运行管理 厌氧生物转盘构造图 厌氧生物转盘构造 特点 1 污泥床内生物量多 折合浓度可达20 30g L 2 容积负荷率高 在中温发酵条件下 一般情况下可达10kgCOD m3 d 左右甚至能够高达15 40kgCOD m3 d 废水在反应器内的水力停留时间较短 因此所需池容大大缩小 3 设备简单 运行方便 勿需设沉淀池呵污泥回流装置 不需填充填料 也不需在反应区内设机械搅拌装置 造价相对较低 便于管理 而且不存在堵塞问题 升流式厌氧污泥床在构造 上流式厌氧污泥床反应器 良好的厌氧污泥床污泥形成颗粒状 污泥浓度高 60 80g l 有机负荷率和去除率均较高 不需要搅拌 能适应负荷冲击和温度与pH的变化 UASB是一种有发展前途的厌氧处理设备 UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器 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0 8 1 5天 pH3 6 4 0 第二段 保持严格的厌氧条件和pH 以利于甲烷菌的生长 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 升流式厌氧污泥床在构造 厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器 两相厌氧流化床工艺流程 如图15 13所示 特点 1 细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积 使床内具有很高的微生物浓度 一般为30gVSS L左右 因此有机物容积负荷较高 一般为10 40kgCOD m3 d 水力停留时间短 耐冲击负荷能力强 运行稳定 2 载体处于膨胀状态 能防止载体堵塞 3 床内生物固体停留时间较长 运行稳定 剩余污泥量少 4 既可用于高浓度有机废水的厌氧处理 也可用于低浓度的城市污水处理 缺点 1 载体流化能耗较大 2 系统的设计要求高 两相厌氧流化床工艺流程 厌氧折流板式反应器 厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程 如图15 14所示 特点 1 反应器启动期短 试验表明 接种一个月后 就有颗粒污泥形成 两个月就可以投入稳定运行 2 避免了厌氧滤池 厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题 3 避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失问题 4 不需要混合搅拌装置 5 不需载体 厌氧折流板式反应器工艺流程 高温厌氧处理工艺 优点 细菌生长速率高 通常细菌在55 时的生长速率是30 时的2 3倍 即其产甲烷活性较高 病原菌的去除率较高 经高温厌氧消化的污泥和出水可用于灌溉和施肥 剩余污泥产率低 虽然高温下细菌的生长速率高 但其衰亡速率也高 所以净污泥产率低 高温时水的黏度低 有利于处理时的混合及污泥沉降 主要影响因素 温度和pH值 有机负荷 挥发性脂肪酸 微生物载体实例 某糟液废水高温厌氧处理工艺 某糟液废水高温厌氧处理工艺 沼气 厌氧生物处理的运行管理 运行管理安全操作事项维护保养技术指标 运行管理 消化池内 应按一定投配率投加新鲜污泥 并定时排放消化污泥 池外加温且为循环搅拌的消化池 投泥和循环搅拌应同时进行 新鲜污泥投到消化池 应充分搅拌 并应保持消化温度恒定 用沼气搅拌污泥宜采用单池进行 在产气量不足或在启动期间搅拌无法充分进行时 应采用辅助措施搅拌 消化池污泥必须在2 5h之内充分混合一次 消化池中的搅拌不得与排泥同时进行 应监测产气量 pH值 脂肪酸 总碱度和沼气成分等数据 并根据监测数据调整消化池运行工况 热交换器长期停止使用时 必须关闭通往消化池的进泥闸阀 并将热交换器中的污泥放空 二级消化池的上清液应按设计要求定时排放 消化池前栅筛上的杂物 必须及时清捞并外运 消化池溢流管必须通畅 并保持其水封高度 环境温度低于0 时 应防止水封结冰 消化池启动初期 搅拌时间和次数可适当减少 运行数年的消化池的搅拌次数和时间可适当增多和延长 安全操作事项 在投配污泥 搅拌 加热及排放等项操作前 应首先检查各种工艺管路闸阀的启闭是否正确 严禁跑泥 漏气 漏水 每次蒸汽加热前 应排放蒸汽管道内的冷凝水 沼气管道内的冷凝水应定期排放 消化池排泥时 应将沼气管道与贮气柜联通 消化池内压力超过设计值时 应停止搅拌 消化池放空清理应采取防护措施 池内有害气体和可燃气体含量应符合规定 操作人员检修和维护加热 搅拌等设施时 应采取安全防护措施 应每班检查一次消化池和沼气管道闸