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第六章厌氧生物处理 第一节厌氧生物处理原理第二节厌氧法影响因素第三节厌氧反应器第四节污泥消化 论文 高浓度有机废水厌氧生物处理研究 第一节厌氧生物处理原理 活性污泥法与生物膜法是在有氧的条件下 由好氧微生物降解污水中的有机物 最终产物是水和二氧化碳 污泥中的有机物一般采用厌氧消化法 即在无氧的条件下 由兼性菌及专性厌氧细菌降解有机物 最终产物是二氧化碳和甲烷气 或称污泥气 消化气 使污泥得到稳定 所以污泥厌氧消化过程也称为污泥生物稳定过程 污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程 多年来厌氧消化被概括为两阶段过程 第一阶段是酸性发酵阶段 有机物在产酸细菌的作用下 分解成脂肪酸及其他产物 并合成新细胞 第二阶段是甲烷发酵阶段 脂肪酸在专性厌氧菌 产甲烷菌的作用下转化成CH4和CO2 厌氧消化的机理 四阶段说 消化经历四个阶段 先是水解阶段 固态有机物被细菌的胞外酶所水解 第二阶段是酸化 在进入甲烷化阶段之前 代谢中间液态产物都要乙酸化 称乙酸化阶段 第四阶段是甲烷化阶段 三阶段理论 厌氧消化三阶段理论 是当前较为公认的理论模式 三阶段消化突出了产氢产乙酸细菌的作用 并把其独立地划分为一个阶段 三阶段消化的第一阶段 是在水解与发酵细菌作用下 使碳水化合物 蛋白质与脂肪水解与发酵转化成单糖 氨基酸 脂肪酸 甘油及二氧化碳 氢等 第二阶段 是在产氢产乙酸菌的作用下 把第一阶段的产物转化成氢 二氧化碳和乙酸 第三阶段 是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用 一组把氢和二氧化碳转化成甲烷 另一组是对乙酸脱羧产生甲烷 在厌氧消化的过程中 由乙酸形成的CH4约占总量的2 3 由CO2还原形成的CH4约占总量的1 3 由上述可知 产氢产乙酸细菌在厌氧消化中具有极为重要的作用 它在水解与发酵细菌及产甲烷细菌之间的共生关系 起到了联系作用 且不断地提供出大量的H2 作为产甲烷细菌的能源 以及还原CO2生成CH4的电子供体 参与第一阶段的微生物包括细菌 原生动物和真菌 统称水解与发酵细菌 大多数为专性厌氧菌 也有不少兼性厌氧菌 参与厌氧消化第二阶段的微生物是一群极为重要的菌种 产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌 参与厌氧消化第三阶段的菌种是甲烷菌或称为产甲烷菌 是甲烷发酵阶段的主要细菌 属于绝对的厌氧菌 主要代谢产物是甲烷 三阶段消化的模式如图 第二节厌氧法影响因素 因甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素 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 1 温度因素甲烷菌对于温度的适应性 可分为两类 即中温甲烷菌 适应温度区为30 36 高温甲烷菌 适应温度区为50 53 两区之间的温度 反应速度反而减退 可见消化反应与温度之间的关系是不连续的 利用中温甲烷菌进行厌氧消化处理的系统叫中温消化 利用高温甲烷菌进行消化处理的系统叫高温消化 2 生物固体停留时间 污泥龄 与负荷厌氧消化效果的好坏与污泥龄有直接关系 有机物降解程度是污泥龄的函数 而不是进水有机物的函数 消化池的容积设计应按有机负荷污泥龄或消化时间设计 所以只要提高进泥的有机物浓度 就可以更充分地利用消化池的容积 由于甲烷菌的增殖较慢 对环境条件的变化十分敏感 因此 要获得稳定的处理效果就需要保持较长的污泥龄 3 搅拌和混合厌氧消化是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触反应 因此必须使两者充分混合 搅拌的方法一般有 泵加水射器搅拌法 消化气循环搅拌法和混合搅拌法等 4营养与C N比厌氧消化池中 细菌生长所需营养由污泥提供 合成细胞所需的碳 C 源担负着双重任务 其一是作为反应过程的能源 其二是合成新细胞 5 氮的守恒与转化在厌氧消化池中 氮的平衡是非常重要的因素 尽管消化系统中的硝酸盐都将被还原成氮气存在于消化气中 但仍然存在于系统中 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NH3 因此消化液中氮的浓度都高于进入消化池的原污泥 6 有毒物质抑制甲烷细菌生长的物质 关键在于它们的浓度界限 7 酸碱度 pH值和消化液的缓冲作用水解与发酵菌及产氢产乙酸菌对pH的适应范围大致为5 6 5 而甲烷菌对pH的适应范围为6 6 7 5之间 即只允许在中性附近波动 在消化系统中 如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过产甲烷阶段 则PH会降低 影响甲烷面的生活环境 在消化系统中 由于消化液的缓冲作用 在一定范围内可以避免发生这种情况 缓冲剂是在有机物分解过程中产生的 即消化液中的CO2 碳酸 及NH3 以NH3和铵根的形式存在 铵根一般是以NH3HCO3存在 厌氧生物处理法与好氧生物处理法相较具有下列优点 1 有机物负荷高 容积负荷 好氧法为0 7 1 2kgCOD m3 d 或0 4 1 0kgBOD m3 d 厌氧法为10 60kgCOD m3 d 或7 45kgBOD m3 d 污泥负荷 好氧法为0 1 0 25kgCOD kgVSS d 或O 05 O 15kgBOD kgVSS d 厌氧法为0 5 1 5kgCOD kgVSS d 或0 3 1 2kgBOD kgVSS d 2 污泥产量低 污泥产率 好氧法为0 3 0 45kgVSS kgCOD去或0 4 0 5kgVSS kgBOD 去 厌氧法为O 04 0 15kgVSS kgCOD去或0 07 0 25kgVSS kgBOD 去 3 能耗低 好氧法混合液溶解氧浓度一般为0 5 3mg L 比能耗为0 7 1 3kw h kgCOD去或1 2 2 5kw h kgBOD去 厌氧法 酸性发酵时混合液溶解氧浓度一般为0 0 5mg L 甲烷发酵时溶解氧浓度为零 另外产生的沼气可作为能源 去除每kgCOD一般可产生0 35m3的沼气 沼气的发热量为2l 23MJ m3 4 营养物需要量少 好氧法需要量为COD N P 100 3 0 5或BOD N P 100 5 1 厌氧法需要量为COD N P 100 1 0 1或BOD N P 100 2 0 3 5 应用范围广 好氧法适于处理低浓度有机废水 对高浓度有机废水需用大量水稀释后才能进行处理 而厌氧法可用来处理高浓度有机废水 也可处理低浓度有机废水 有些有机物好氧微生物对其是难降解的 而厌氧微生物对其却是可降解的 6 对水温的适宜范围较广 好氧生物处理一般认为水温在20 30 时效果最好 35 以上和10 以下净化效果降低 因此对高温工业废水需采取降温措施 厌氧生物处理根据产甲烷菌的最宜生存条件可分为3类 低温菌生长温度范围10 30 最宜20 左右 中温菌范围为30 40 最宜35 38 高温菌为50 60 最宜为51 53 尽管产甲烷菌分为3类 但大多数产甲烷菌的最适温度在35 40 之间 厌氧生物处理应尽量不采取加热的措施 但在常温时处理复杂的非溶解性有机物是困难的 高温更有利于对纤维素的分解和寄生虫卵的杀灭 厌氧处理法的缺点有 1 厌氧处理设备启动时间长 因为厌氧微生物增殖缓慢 启动时经接种 培养 驯化达到设计污泥浓度的时间比好氧生物处理长 一般需要8 12周 2 处理后出水水质差 往往需进一步处理才能达到排放标准 一般在厌氧处理后串联好氧生物处理 厌氧工艺的有关术语 1 上流速度2 水力停留时间 HRT 3 反应器中污泥量4 反应器的有机负荷5 污泥体积指数6 污泥的比产甲烷活性7 反应器内的污泥停留时间 第三节厌氧反应器 一 化粪池图示化粪池的一种构造方式 污水进入第一室 水中悬浮物或沉于池底 或浮于池面 池水一般分为三层 上层为浮渣层 下层为污泥层 中间为水流 然后 污水进入第二室 阻拦底泥和浮渣流出池子 污水在池内的停留时间一般为12 24h 污泥在池内进行厌氧消化 一般半年左右清除一次 出水不能直接排放水体 二 厌氧生物滤池厌氧生物滤池是密封的水池 池内放置填料 如图所示 污水从池底进入 从池顶排出 微生物附着生长在滤料上 平均停留时间可长达100d左右 滤料可采用拳状石质滤料 如碎石 卵石等 粒径在40mm左右 也可使用塑料填料 塑料填料具有较高的空隙率 重量也轻 但价格较贵 厌氧生物滤池的主要优点是 处理能力较高 滤池内可以保持很高的微生物浓度 不需另设泥水分离设备 出水SS较低 设备简单 操作方便等 主要缺点是 滤料费用较贵 滤料容易堵塞 尤其是下部 生物膜很厚 堵塞后 没有简单有效的清洗方法 悬浮物高的废水不适用 三 厌氧接触法对于悬浮物较高的有机废水 可以采用厌氧接触法 其流程见图 废水先进入混合接触池 消化池 与回流的厌氧污泥相混合 然后经真空脱气器而流入沉淀池 接触池中的污泥浓度要求很高 在12000 15000mg L左右 因此污泥回流量很大 一般是废水流量的2 3倍 厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法 不需要曝气而需要脱气 厌氧接触法对悬浮物高的有机废水 如肉类加工废水等 效果很好 悬浮颗粒成为微生物的载体 并且很容易在沉淀池中沉淀 在混合接触池中 要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态 搅拌可以用机械方法 也可以用泵循环池水 据报道 肉类加工废水 BOD5约1000 1800mg L 在中温消化时 经过6 12h 以废水入流量计 消化 BOD5去除率可达90 以上 厌氧接触法存在的问题 从厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量气泡 在沉淀池中易于上浮到水而而被出水带走 进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动 并产生消化气 使已沉下的污泥上翻 结果固液分离效果不佳 出水中SS COD BOD等各项指标均行增高 回流污泥浓度却因此而降低 影响到反应器内污泥浓度的提高 回流污泥 原废水 调节池 厌氧消化池 脱气器 沉淀池 稳定塘 出水 干化场 污泥 四 升流式厌氧污泥床 1 升流式厌氧污泥床的构造升流式厌氧污泥床在构造上的特点是集生物反应与沉淀于一体 是一种结构紧凑的厌氧反应器 如图 反应器主要由下列几部分组成1 进水配水系统 2 反应区 3 三相分离器 4 气室 5 处理水排出系统 1 进水配水系统 其主要功能是 1将进入反应器的原废水均匀地分配到反应器整个横断面 并均匀上升 2起到水力搅拌的作用 这都是反应器高效运行的关键环节 2 反应区 是升流式厌氧污泥床的主要部位 包括颗粒污泥区和悬浮污泥区 在反应区内存留大量厌氧污泥 具有良好凝聚和沉淀性能的污泥在池底部形成颗粒污泥层 废水从厌氧污泥床底部流入 与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触 污泥中的微生物分解有机物 同时产生的微小沼气气泡不断地放出 微小气泡在上升过程中 不断合并 逐渐形成较大的气泡 在颗粒污泥层上部 由于沼气的搅动 形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层 3 三相分离器 由沉淀区 回流缝和气封组成 其功能是将气体 沼气 固体 污泥 和液体 废水 等三相进行分离 沼气进入气室 污泥在沉淀区进行沉淀 并经回流缝回流到反应区 经沉淀澄清后的废水作为处理水排出反应器 三相分离器的分离效果将直接影响反应器的处理效果 4 气室 也称集气罩 其功能是收集产生的沼气 并将其导出气室送往沼气柜 5 处理水排出系统 功能是将沉淀区水面上的处理水 均匀地加以收集 并将其排出反应器 此外 在反应器内根据需要还要设置排泥系统和浮渣清除系统 2 升流式厌氧污泥床的特点与其他类型的厌氧反应器相比较 升流式厌氧污泥床具有一系列的优点 其中包括1 污泥床内生物量多 折合浓度计算可达20 30g L 2 容积负荷率高 在中温发酵条件下 一般可达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 不需充填填料 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 3 颗粒污泥形成 随着污泥床运行时间的增长 在床底部的污泥逐渐形成颗粒状 成为颗粒污泥 所谓污泥颗粒化是指床中的污泥形态发生了变化 由絮状污泥变为密实 边缘圆滑的颗粒 颗粒污泥的粒径一般为0 5 4mm 这样污泥床内可维持很高的污泥浓度 颗粒污泥的培养和形成的过程 许多因素对其都有影响 其中主要有 1温度 以中温或高温为宜 2接种污泥的质量与数量 可以以絮状的消化污泥或活性污泥作为种泥 如有条件采用已培养成的颗粒污泥作为种污泥 可大大地缩短培养时间 3碱度 进水碱度应保持在750 1000mg L之间 4废水性质 易于形成颗粒污泥是含碳水化合物较多的废水和C N比较高的废水 5水力负荷和有机负荷 启动时有机负荷不宜过高 一般以0 1 0 3kgCOD kgVSS d 为宜 随着颗粒污泥的逐渐形成 有机负荷可以逐步提高 在反应区下部的污泥床中 颗粒污泥浓度可达40 80gVSS L 反应区上部的污泥悬浮层中 污泥浓度约为10 30gVSS L 整个反应区污泥的平均浓度约为20 40gVSS L 五 分段厌氧处理法 根据消化可分阶段进行的事实 将水解酸化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适条件下生长繁殖 第一段的功能是 水解和液化固态有机物为有机酸 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 第二段的功能是 保持严格的厌氧条件和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 并截留悬浮固体 以改善出水水质 二段式厌氧处理法的流程尚无定式 可以采用不同构筑物予以组合 例如对悬浮物高的工业废水 采用厌氧接触法与上流式厌氧污泥床反应器串联的组合已经有成功的经验 其流程如图 二段式厌氧处理法具有运行稳定可靠 能承受pH值 毒物等的冲击 有机负荷率高 消化气中甲烷含量高等特点 但这种方法也有设备较多 流程和操作复杂等缺陷 研究表明 二段式并不是对各种废水都能提高负荷率 例如 对于固态有机物低的废水 不论用一段法或二段法 负荷率和效果都差不多 由于酸化和甲烷发酵是在两个独立的反应器内分别进行 从而使本工艺具有一系列特点 1 能够向产酸菌 乙酸菌 产甲烷菌分别提供各自最佳的生长繁殖条件 在各自反应器内能够得到最高的反应速度 使各个反应器达到最佳的运行效果 2 当进水负荷有大幅度变动时 酸化反应器存在着一定的缓冲作用 对后续的产甲烷反应器影响能够缓解 因此 可以说两相厌氧反应处理法具有一定的耐冲击负荷的能力 3 负荷率高 反应器容积小 酸化反应器反应进程快 水力停留时间短 COD浓度可去除20 25 左右 能够大大地减轻产甲烷反应器的负荷 4 由于反应器容积小 相应地基建费用也较低 两级厌氧消化 两级消化市根据消化过程沼气产生的规律进行设计 目的是节省污泥加温与搅拌所需的能量 在消化的前8天 产生的沼气量约占全部产气量的80 若把消化池设计成两级 第一级消化池有加温 搅拌设备 并有集气罩收集沼气 然后把排出的污泥送入第二级消化池 第二级消化池没有加温与搅拌设备 依靠余热继续消化 消化温度约为20 26度 产气量约占20 可收集或不收集 由于不搅拌 所以第二级消化池有浓缩的功能 厌氧膨胀床和厌氧流化床 厌氧膨胀床和厌氧流化床的工艺流程如图所示 床内充填细小的固体颗粒填料 如石英砂 无烟煤 活性炭 陶粒和沸石等 填料粒径 般为0 2 1mm 废水从床底部流入 为使填料层膨胀 需将部分出水用循环泵进行回流 提高床内水流的上升流速 关于厌氧膨胀床和厌氧流化床的定义 目前尚无定论 一般认为膨胀率为10 20 称膨胀床 颗粒略呈膨胀状态 但仍保持互相接触 膨胀率为20 70 时 称为流化床 颗粒在床中作无规则自由运动 厌氧挡板式反应器 厌氧挡板式反应器是美国Mccarty于1982年开发的一种新型厌氧活性污泥法 厌氧挡板式反应器及废水处理工艺流程如图所示 在反应器内垂直于水流方向设多块挡板来保持反应器内较高的污泥浓度以减少水力停留时间 挡板把反应器分为若干个上向流室和下向流室 上向流室比较宽 便于污泥聚集 下向流室比较窄 通往上向流的导板下部边缘处加60 的导流板 便于将水送至上向流室的中心 使泥水充分混合保持较高的污泥浓度 当废水COD浓度高时 为避免出现挥发性有机酸浓度过高 减少缓冲剂的投加量和减少反应器前端型形成的细菌胶质的生长 处理后的水进行回流 使进水COD稀释至大约5 10g L 当废水COD浓度较低时 不需进行回流 复合厌氧法 复合厌氧法是在一个设备内由几种厌氧反应器复合而成的一种厌氧处理法 目前开发的多为升流式厌氧污泥床和厌氧生物滤池复合而成的升流式厌氧污泥床过滤器 根据有无三相分离器升流式厌氧污泥床过滤器又可分为无三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器 UBF 和有三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器 UASB AF 第四节厌氧生物处理法的设计 厌氧生物处理系统的设计包括 1 流程和设备的选择 2 反应器和构筑物的构造和容积的