第三章++有机污染微生物治理的一般3

第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 四 厌氧处理法厌氧处理 anaerobictreatment 也称厌氧消化 anaerobicdigestion 或厌氧发酵 anaerobicfermentation 是在缺氧条件下 利用厌氧性微生物 包括兼性微生物 分解废水中有机污染物的方法 早期的厌氧消化 主要处理BOD浓度10000mg L以上 或固体含量为2 7 的污水 污泥 粪尿等 随着厌氧微生物和厌氧工艺的不断发展 在近20年 对各种低浓度污水 以及有机固体含量高达40 的麦秆 作物残渣等 都可采用厌氧工艺进行处理 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 1 厌氧处理的特点采用厌氧消化工艺处理污水或污泥具有以下的优缺点 优点 由于微生物代谢合成的污泥比好氧处理少 达到了一步消化 故可降低污泥处理费用 与好氧处理相比 所需的氮 磷营养物较少 且不需充氧 故耗电也少 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 一般情况下 去除1kgCOD可产生0 3 0 5m3的沼气 可作能源加以回收利用 沼气是一种可燃性气体 其主要成分是甲烷 CH4 含量约占沼气的60 70 其余是二氧化碳和少量的氢 氨 硫化氢等气体 能季节性或间歇性运行 厌氧污泥可以长期存放 可以直接处理浓度很高的废水或污泥 其运行负荷也较高 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 与好氧处理相比 可以在较高温度下运行 当利用高温厌氧消化时 其处理效果会更好 沼气发酵对温度极其敏感 2 3 的变化就会影响产气量 污水的最适发酵温度 中温型发酵为20 40 最佳37 38 高温型发酵以53 54 为宜 高温发酵比中温发酵效果好 无论是有机物的处理量或沼气产生量 均高出2 2 5倍 如果营养条件合适 其至可提高4 5倍 运行成本低 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 缺点 厌氧污泥增长很慢 故系统启动时间较长 对温度的变化比较敏感 温度的波动对去除效果影响很大 往往只能作为预处理工艺来使用 厌氧出水还需进一步处理 对负荷的变化也较敏感 尤其对可能存在的毒性物质 运行中需特别小心 停留时间长 处理构筑物庞大 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 2 厌氧处理工艺流程厌氧处理的基本工艺流程见下图 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 3 厌氧处理构筑物 厌氧反应器 厌氧处理的核心是厌氧反应器 目前已经开发出多种厌氧反应器 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 1 化粪池最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池 流行于20世纪初 在我国的一些城市现在还在使用 化粪池主要用于居住房屋及公用建筑的生活污水的预处理 仅对生活污水中的悬浮固体加以截留并消化 而对溶解性和胶态的有机物的去除率则很低 处理水远不能达到国家规定的有关城市污水的排放标准 化粪池分为两室 污水于第一室中进行固液分离 悬浮物沉于池底或浮于池面 可得到初步的澄清和厌氧处理 进入第二室中进一步进行澄清和厌氧处理 处理后的水经出水管排出 污水在池内的停留时间一般为12 24h 污泥在池底进行厌氧消化 一般在半年左右清除一次 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 2 普通厌氧反应器 AP 普通厌氧反应器也称普通厌氧消化池 污水 污泥定期或连续进入消化池 经消化后的污泥和污水分别由消化池底部和上部排出 产生的沼气则由顶部排出 为了使污水与微生物充分接触 消化池中设搅拌装置 定时搅拌 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 3 厌氧接触反应器 ACP 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 厌氧接触反应器工艺类似于好氧的传统活性污泥法工艺 废水先进入混合接触池 消化池 与回流的厌氧污泥相混合 废水中的有机物被厌氧污泥所吸附 分解 厌氧反应所产生的消化气由顶部排出 消化池出水于沉淀池中完成固液分离 上清液由沉淀池排出 部分污泥回流至消化池 另一部分作为剩余污泥处置 在消化池中 搅拌可以用机械方法 也可以用泵循环方式 厌氧接触反应器对于悬浮物含量较高的有机废水的效果较好 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 4 厌氧污泥床反应器 ASB 反应器内没有载体 絮状污泥在上升水流和气泡的作用下处于悬浮状态 絮状污泥的直径为1mm 5mm的颗粒 上流式厌氧污泥床反应器 UASB 是厌氧污泥床反应器中有代表性的一种形式 已在许多废水处理厂中得到应用 下图为上流式厌氧污泥床反应器 UASB 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 在这种反应器中 废水从底部均匀进入 向上运动 反应器下部是浓度较高的污泥层 中部是浓度较低的悬浮污泥层 有机物在污泥床中转化为甲烷和二氧化碳等 反应器顶部设置一个专门的气 液 固三相分离器 使污泥回到下面的反应区内 上清液从上部排出 气体则在三相分离器下面进人气室而排出 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 5 厌氧固定膜反应器 SFF 厌氧固定膜反应器 SFF 也称厌氧过滤器 AF 厌氧生物滤池 下图为厌氧固定膜反应器 SFF 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 厌氧固定膜反应器 SFF 是一种装有固定填料的反应器 根据进水的方向将厌氧固定膜反应器分为上流式 USFF 下流式 DSFF 和平流式 LSFF 三种 根据填料填充的程度分为全充填型和部分充填型 适用于处理含悬浮物很低的溶解性有机废水 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 6 厌氧流化床反应器 AFB 厌氧流化床反应器 AFB 与好氧流化床相似 但它不供氧 为内部封闭 隔氧 的水力循环式流化床 反应池内填有比表面积很大的粒径约为500um的惰性载体 其上升流速应不使载体和附着在载体上的生物膜流失到池外 并使生物膜与污水有良好的接触反应机会 它的一部分出水回流 与进水混合后 进人池内向上流动 使载体颗粒在整个反应器内均匀分布 下图为厌氧流化床反应器 AFB 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 根据流速大小和颗粒膨胀程度可分为膨胀床和流化床 为了减少能耗 膨胀床运行流速控制在略高于初始流化速度 相应的膨胀率为5 20 流化床一般按20 40 的膨胀率运行 这样颗粒不致流失并且生物膜与废水又充分接触 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 厌氧流化床的特点是流体与微颗粒之间的接触时间长 液膜扩散阻力小 没有固定床中产生的沟流 堵塞 短路问题 其生物量多 污泥龄长 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 7 两相厌氧消化法根据厌氧消化分阶段进行的理论 研究开发了二段式厌氧消化法 即将水解酸化的过程和甲烷化过程分开在两个反应器内进行 以使两类微生物都能在各自的最佳条件下生长繁殖 第一段的功能是 水解酸化有机底物使之成为可被甲烷菌利用的有机酸 第二段的功能是 保持严格的厌氧条件和合适的pH值 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 截留悬浮固体 以保证出水水质 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 二段厌氧消化法按照所处理的废水水质情况 可以采用不同的方法进行组合 例如对悬浮物含量较高的高浓度工业废水 采用厌氧接触法的酸化池和上流式厌氧污泥床串联的方法已经有成功的经验 其工艺流程如下图所示 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 而对悬浮物含量较低 进水浓度不高的废水则可以采用操作简单的厌氧生物滤池作为酸化池 串联厌氧污泥床作为甲烷发酵池 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 二段厌氧消化法具有运行稳定可靠 能承受pH值 毒物等的冲击 有机负荷高 消化气中甲烷含量高等特点 但这种方法设备较多 流程较复杂 在带来运转灵活性的同时 也使得操作管理变得比较复杂 同时 二段式并不是对各种废水都能提高负荷 例如 对于容易降解的废水 不论是用一段法或二段法 负荷和效果都差不多 但二段法的运行较稳定而设备和操作管理较复杂 因此 采用何种反应器以及如何进行组合 要根据具体的水质等情况而定 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 8 厌氧折流板反应器 ABR ABR AnaerobicBaffledReactor 反应器是Bachman和McCarty等人于1982年前后提出的一种具有SMPA工艺思想的新型高效厌氧反应器 是在反应器内设置一系列垂直放置的折流挡板使废水在反应器内沿折流挡板上下折流运动 依次通过每个格室的污泥床直至出口 在此过程中废水中的有机物质与厌氧活性污泥充分接触而得到去除 如下图所示 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 图3 33ABR反应器结构示意图 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 ABR反应器的特点是 1 内置一系列垂直放置的折流挡板将反应器分隔成串联的几个反应室 每个反应室都是一个相对独立的上流式污泥床 UASB 系统 其中的污泥可以是以颗粒化形式或以絮状形式存在 2 结构简单 整体上更接近于推流式 不需要填料和结构复杂的三相分离器 3 垂直折流板的加入使得ABR的物理结构具有了搅拌功能 多次的上下折流 加强了厌氧活性污泥与基质的接触 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 4 在容积不变的条件下增大了废水的流程 使基质与污泥的接触机会和接触时间增多 提高了反应器的处理效率 5 反应器内的厌氧活性污泥借助于废水的流动特点和降解过程中的产气作用而升起和下沉 但由于折流板的阻挡和污泥自身的沉降性 污泥沿着反应器水平方向的移动速度很慢 加之各上下向格室的宽度不等 故大量的厌氧活性污泥被留在反应器内 6 可在不同格室中驯化培养出与流经该格室的污水水质及环境条件相适应的微生物群落 使反应器的运行更为稳定 灵活而有效 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 SMPA StagedMulti PhaseAnaerobicReactor 分阶段多相厌氧反应器技术 SMPA的理论思路是 1 在各级分隔的单体中培养出合适的厌氧细菌群落 以适应相应的底物组分及环境因子 pH H2分压值等 2 防止在各个单体中独立发展形成的污泥互相混合 3 各个单体内的产气互相隔开 4 工艺流程更接近于推流式 系统因而拥有更高的去除率 出水水质更好 第二节有机废水的微生物处理厌氧处理法 厌氧处理法除以上消化工艺外 还有地下排水管道厌氧消化工艺和厌氧生物转盘等 各种工艺各有特点 我们要根据废水的水质 出水要求和基建费用的大小 结合设计者的经验选择适合的厌氧处理工艺 第二节有机废水的微生物处理光合细菌法 五 光合细菌法光合细菌 PhotosyntheticBacteria 略作PSB 是一大类能进行光合作用的原核生物的总称 除蓝细菌外 都能在厌氧光照条件下进行不产氧的光合作用 蓝细菌是具有放氧性光合作用的原核生物 1 PSB的特性用于有机废水处理的PSB主要是红螺菌科的细菌群 它们不仅能进行光能异养生长 而且也能进行好氧异养生长 光合细菌无沦在好氧还是在厌氧 有光或无光状态都能生长 它具有能耐受高浓度 高负荷 高盐分和低温时处理效果稳定的特点 第二节有机废水的微生物处理光合细菌法 2 PSB法的一般工艺流程 第二节有机废水的微生物处理光合细菌法 该工艺第一步是高浓度高分子有机物在异养菌作用下降解为低级脂肪酸等小分子有机物 即所谓 可溶化处理 过程 第二步由光合细菌将小分子脂肪酸等进一步降解 有机物浓度大幅度降低 第三步用藻类或好氧处理法使废水达到排放标准 PSB法的关键在第一步的可溶化处理和保持系统中PSB为优势菌群这二方面 第二节有机废水的微生物处理光合细菌法 3 PSB法处理有机废水与资源化实例华东师范大学利用PSB法处理豆制品废水上海交通大学利用PSB法处理柠檬酸发酵废水 第三节固体废弃物的微生物处理 固体废弃物按其性状可分为有机废物和无机废物或固体废物和泥状废物 按其来源可分为矿业废物 工业废物 城市垃圾 污水处理厂污泥 农业废弃物和放射性废物等 在这一节里主要介绍了城市垃圾 污水处理厂污泥和农业废弃物的微生物处理问题 第三节固体废弃物的微生物处理 城市垃圾数量增长非常快 但几乎95 的垃圾未经处理 一般堆积于城郊或倒入江河 到1988年为止 我国垃圾堆放量已达66 108t之多 占地面积536平方公里 我国城市污水处理厂每年产生的干污泥约20 104t 以湿污泥计约为380 104t 500 104t 并以每年20 的速度递增 污泥中含有丰富的氮 磷 钾等营养物质 农业废弃物主要包括作物桔杆 树木茎叶 人畜粪便等等 主要指含有纤维素 半纤维素的废弃物 以上三大类固体废弃物都含有大量的有机物 通过微生物的活动 可以使之稳定化 无害化 减量化和资源化 其主要的处理方法有卫生填埋 堆肥 沼气发酵和纤维素废物的糖化 蛋白质化 产乙醇等等 第三节固体废弃物的微生物处理 一 堆肥堆肥化就是依靠自然界广泛分布的细菌 放线菌 真菌等微生物 有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程 堆肥化的产物称为堆肥 腐殖质是一系列由次生反应所形成的相对分子质量较高 棕至黑色的物质 它是陆地和海洋中最主要的有机碳库 在环境中起着重要作用 它的结构尚不清楚 但经检测可知腐殖质含有一些含氧功能团 如羧基 酚羟基 醇羟基 甲氧基 羰基和醌基等 第三节固体废弃物的微生物处理 腐殖质根据其溶解性质可以分为3个级分 胡敏酸 只溶于碱而不溶于酸 富里酸 既溶于酸又溶于碱 胡敏素 既不溶于酸又不溶于碱 一般来说 在不成熟堆肥中富里酸含量高而胡敏酸含量低 随着堆制过程的推进 富里酸含量下降或保持不变 而胡敏酸含量增加 堆肥可作为肥料加以利用 根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同 堆肥可分为好氧堆肥法 高温堆肥 和厌氧堆肥二种 第三节固体废弃物的微生物处理 1 好氧堆肥法好氧堆肥法是在有氧的条件下 通过好氧微生物的作用使有机废弃物达到稳定化 转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法 堆肥的微生物学过程如下 1 发热阶段堆肥堆制初期 主要由中温好氧的细菌和真菌 利用堆肥中容易分解的有机物 如淀粉 糖类等迅速增殖 释放出热量 使堆肥温度不断升高 第三节固体废弃物的微生物处理 2 高温阶段堆肥温度上升到50 以上 进入了高温阶段 这时好热性的纤维素分解菌逐渐代替了中温微生物 一些复杂的有机物如纤维素 半纤维素等也开始迅速分解 在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程 并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质 3 降温和腐熟保肥阶段当高温持续一段时间以后 易于分解或较易分解的有机物 包括纤维素等 已大部分分解 剩下的是木质素等较难分解的有机物以及新形成的腐殖质 这时 好热性微生物活动减弱 产热量减少 温度逐渐下降 中温性微生物又渐渐成为优势菌群 残余物质进一步分解 腐殖质继续不断地积累 堆肥进入了腐熟阶段 第三节固体废弃物的微生物处理 2 厌氧堆肥法在不通气的条件下 将有机废弃物 包括城市垃圾 人畜粪便 植物秸秆 污水处理厂的剩余污泥等 进行厌氧发酵 制成有机肥料 使固体废弃物无害化的过程 堆肥方式与好氧堆肥法相同 但堆内不设通气系统 堆温低 腐熟及无害化所需时间较长 然而 厌氧堆肥法简便 省工 在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用 一般厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次 以利于微生物活动使堆料腐熟 第三节固体废弃物的微生物处理 二 卫生填埋卫生填埋是将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋 卫生填埋法始于60年代 它是在传统的堆放基础上 从环境免受二次污染的角度出发而发展起来的一种较好的固体废弃物处理法 其优点是投资少 容量大 见效快 因此广为各国采用 卫生填埋主要有厌氧 好氧和半好氧三种 厌氧填埋操作简单 施工费用低 同时还可回收甲烷气体 而被广泛采用 好氧和半好氧填埋分解速度快 垃圾稳定化时间短 也日益受到各国的重视 但其工艺要求较复杂 费用较高 第三节固体废弃物的微生物处理 填埋坑中微生物的活动过程 厌氧填埋 1 好氧分解阶段随着垃圾填埋 垃圾孔隙中存在着大量空气也同样被埋入其中 因此开始阶段垃圾只是好氧分解 此阶段时间的长短取决于分解速度 可以由几天到几个月 好氧分解将填埋层中氧耗尽以后进入第二阶段 2 厌氧分解不产甲烷阶段在此阶段 微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源 产生硫化物 氮气和二氧化碳 硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌 3 厌氧分解产甲烷阶段此阶段甲烷气的产量逐渐增加 当坑内温度达到55 左右时 便进入稳定产气阶段 4 稳定产气阶段此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷 第三节固体废弃物的微生物处理 三 厌氧发酵 消化 在厌氧发酵过程中 废物得到处理 同时获得能源 在我国农村 沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节 处理各类废弃物来制成农家肥 而且获得生物质能用来照明或作为燃料 城市污水处理厂的污泥厌氧消化使污泥体积减少 产生的甲烷用来发电 降低处理厂的运行费用 第三节固体废弃物的微生物处理 固体废弃物厌氧发酵 消化 过程的影响因素如下 1 有机物投人量根据菌体的性质 发酵温度和搅拌时液体的流动性控制适宜的有机物投入量2 营养控制适宜的碳氮比和碳磷比3 粒度粒度小4 温度厌氧发酵分为中温发酵和高温发酵 中温发酵控制在30 37 高温发酵控制在50 58 必要时须加温 第三节固体废弃物的微生物处理 5 搅拌为了使发酵槽内充分混合并使浮渣充分破碎 在发酵罐内必须进行适当的搅拌 6 厌氧状态发酵槽须完全密闭 7 平均滞留时间平均滞留时间大于菌体的最小世代时间 8 pH的影响控制适宜的pH 第四节大气污染的微生物处理 废气的微生物处理是利用微生物的生物化学作用 使大气中所含的污染物分解 转化为无害或少害的物质 废气的微生物处理具有设备简单 能耗低 不消耗有用的原料 安全可靠 无二次污染等优点 但不能回收利用污染物 废气的微生物处理须经过两个阶段 一是污染物由气相转入液相或固相表面的液膜中 二是污染物在液