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第六章水的厌氧生物处理 教学目的 1 理解厌氧消化的机理 厌氧生物处理的影响控制因素 2 了解污泥 污水厌氧消化的工艺方法 教学内容 第一节基本原理与概念第二节厌氧处理的工艺构造及运行管理 第一节基本原理与概念 厌氧生物处理法定义 在断绝与空气接触 无分子氧 的条件下 依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用 对复杂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 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 一 厌氧生物处理的机理 厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程 依靠三大类主要细菌 即水解产酸细菌 产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成 因而根据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化 粗略地将厌氧消化过程分为三个连续的阶段 即水解酸化阶段 产氢产乙酸阶段 产甲烷阶段 第一阶段为水解酸化阶段 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 这个阶段主要产生高级脂肪酸 第二阶段为产氢产乙酸阶段 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 和CO2 第三阶段为产甲烷阶段 产甲烷细菌将乙酸 乙酸盐 H2和CO2转化为甲烷 此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成 有机物厌氧分解产甲烷过程 1 产酸细菌 2 产氢产乙酸细菌 3 同型产乙酸细菌 4 利用H2和CO2产甲烷菌 5 分解乙酸的产甲烷菌 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 温度因素有机负荷搅拌营养比氨氮有毒物质酸碱度 pH值 温度因素 厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感 温度的突然变化 对沼气产量有明显影响 温度突变超过一定范围时 则会停止产气 根据采用消化温度的高低 可以分为低温消化 20 以下 中温消化 35 左右 和高温消化 54 左右 有机负荷 负荷率是表示消化装置处理能力的一个参数 负荷率有三种表示方法 容积负荷率 污泥负荷率 投配率 反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量 称为容积负荷率 单位为kg m3 d或g L d 有机物量可用COD BOD SS和VSS表示 反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量 称为污泥负荷率 单位为kg kg d或g g d 每天向单位有效容积投加的新料的体积 称为投配率 单位为m3 m3 d 投配率的倒数为平均停留时间或消化时间 单位为d 搅拌 搅拌可使消化物料分布均匀 增加微生物与物料的接触 并使消化产物及时分离 从而提高消化效率 增加产气量 同时 对消化池进行搅拌 可使池内温度均匀 加快消化速度 提高产气量 消化池在不搅拌的情况下 消化料液明显地分成结壳层 清液层 沉渣层 严重影响消化效果 营养比 在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素 原料C N比过高 碳素多 氮素养料相对缺乏 细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制 有机物的分解速度就慢 发酵过程就长 若C N比过低 可供消耗的碳素少 氮素养料相对过剩 则容易造成系统中氨氮浓度过高 出现氨中毒 各种废物的碳氮比 C N 氨氮 厌氧消化系统中 由于细胞的增殖很少 故只有很少的氮转化为细胞 大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮 因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度 实验研究表明 氨氮以NH4 及NH3等形式存在于消化液中 氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性 有毒物质 有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动 这类物质被称为抑制剂 抑制剂的种类也很多 包括部分气态物质 重金属离子 酸类 醇类 苯 氰化物及去垢剂等 对厌氧消化具有抑制作用的物质 酸碱度 pH值 在厌氧处理中 pH值除受进水的pH影响外 主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡 取决于挥发酸 碱度 CO2 氨氮 氢之间的平衡 所以在生产运转中常把挥发酸浓度及碱度作为管理指标 由于发酵系统中的CO2分压很高 20 3 40 5kPa 发酵液的实际pH值比在大气条件下的实测值为低 一般认为 厌氧装置宜在中性或稍偏碱性的条件下运行 实测值应在7 2 7 4之间为好 第二节厌氧处理的工艺构造及运行管理 一 厌氧处理的工艺构造 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升流式厌氧污泥床 UASB 两相厌氧法厌氧折流板式反应器 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 圆柱形厌氧消化池 蛋形厌氧消化池 1 投配 排泥与溢流系统1 污泥投配 生污泥需先排入消化池的污泥投配池 然后用污泥泵抽送至消化池 2 排泥 消化池的排泥管设在池底 依靠消化池内的静水压力将熟污泥排至污泥的后续处理装置 3 溢流装置 用以保持沼气室压力恒定 溢流装置必须绝对避免集气罩与大气相通 溢流装置常用形式有倒虹管式 大气压式及水封式等3种 2 沼气的收集与贮存设备由于产气量与用气量常常不平衡 所以必须设贮气柜进行调节 沼气从集气罩通过沼气管输送倒贮气柜 贮气柜有低压浮盖式与高压球形罐两种 3 搅拌设备搅拌的目的是使池内污泥温度与浓度均匀 防止污泥分层或形成浮渣层 缓冲池内碱度 从而提高污泥分解速度 当消化池内各处污泥浓度相差不超过10 时 被认为混合均匀 消化池的搅拌方法有沼气搅拌 泵加水射器搅拌及联合搅拌等3种可用连续搅拌 也可用间歇搅拌 在5 10h内将全池污泥搅拌一次 4 加温消化池加温目的在于 维持消化池的消化温度 中温或高温 使消化能有效地进行 加温方法有两种 1 用热水或蒸汽直接通入消化池或通入设在消化池内的盘管进行间接加热 缺点 使污泥的含水率增加 局部污泥受热过高及在盘管外壁结壳等 2 池外间接加温 即把生污泥加温到足以达到消化温度 补偿消化池壳体及管道的热损失 优点 壳有效地杀灭生污泥中的寄生虫卵 池外间接加温用套管式泥 水热交换器或热交换器兼混合器完成 加温设备 1 污泥入口 2 污泥出口3 热媒进口 4 热媒出口 厌氧接触工艺 主要特征 在厌氧反应器后设沉淀池 污泥进行回流 使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度 厌氧生物滤池 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 厌氧生物转盘构造图 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 升流式厌氧污泥床 UASB UASB在构造上的特点 集生物反应与沉淀与一体 是一种结构紧凑的厌氧反应器 主要由下列几部分组成 进水配水系统 起均匀布水和搅拌作用 是UASB高效运行的关键环节 反应区 是UASB的主要部位 包括颗粒污泥区和悬浮污泥区三相分离器 由沉淀区 回流缝和气封组成 其功能是将气体 固体和液体三相进行分离 气室 也称集气罩 其功能是收集产生的沼气 并降其导出气室 处理水排出系统 升流式厌氧污泥床反应器 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 勿需设沉淀池和污泥回流装置 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 两相厌氧法 两相厌氧流化床流程图 特点 1 两段的反应条件较易分别控制在最佳条件2 酸化反应器承担着对进水负荷的一定缓冲作用 给产甲烷阶段保持一个相对稳定的环境 3 负荷率高4 硫酸盐还原作用主要在产酸相反应器中进行 避免了硫化物对甲烷菌的毒害 且沼气中H2S含量较小 便于利用 厌氧折流板式反应器 特点 1 反应器启动时间短2 无堵塞问题和污泥流失问题3 无载体和搅拌装置 二 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 1 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 2 新鲜污泥投到消化池 应充分搅拌 并应保持消化温度恒定 3 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 4 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 5 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 6 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 1 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 2 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 3 消化池排泥时 应将沼气管道与贮气柜联通 4 消化池内压力超过设计值时 应停止搅拌 5 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 6 操作人员检