12第十二章 厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术.ppt

1 第十二章厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术 2 厌氧生物处理是利用厌氧微生物达到废水 污泥处理及获得沼气过程的统称 厌氧生物处理过程是一个连续的微生物学过程 根据所含微生物的种属及其反应特征 可分为四个主要阶段 参与厌氧消化的微生物类群总体上可分为两大类 非产甲烷菌和产甲烷菌 3 厌氧处理的基本原理 有机物厌氧分解生成甲烷的过程1 发酵性细菌 2 产氢产乙酸细菌 3 同型产乙酸菌 4 利用H2和CO2产甲烷菌 30 5 分解乙酸的产甲烷菌 70 4H2 C02 CH4 2H20CH3C00H CH4 C02 产甲烷化学过程 4 第一节非产甲烷细菌 非产甲烷细菌常称为产酸菌 它们能将有机底物通过发酵作用产生挥发性有机酸和醇 往往使处理构筑物中混合液的pH值保持在较低的水平 5 一 非产甲烷细菌的分类 发酵细菌群产氢产乙酸细菌群同型产乙酸细菌群 6 二 产酸发酵代谢产物的NADH NAD 调节 非产甲烷细菌中缺乏电子传递体系 因而发酵过程中通过脱氢作用所产生的 多余 电子 必须通过其他途径得以 释放 才能保证代谢过程的正常进行 碳水化合物经EMP途径产生的NADH H 一般可通过与一定比例的丙酸 丁酸 乙醇及乳酸等发酵相偶联而得以氧化为NAD 从而保证NADH H 平衡 7 三 最佳发酵产物的选择和控制 Pipyn等从回收能量的角度认为 最适发酵产物宜选择乳酸 乙醇 任南琪等认为乳酸在进行产氢产乙酸过程中易形成丙酸副产物 常可导致丙酸积累 选择以丁酸 乙醇和乙酸为最适发酵产物更为适宜 8 第二节产甲烷细菌 产甲烷细菌利用有机或无机物作为底物 在厌氧条件下转化形成甲烷 产甲烷细菌属于古生菌 可利用H2还原CO2合成CH4 亦可利用一碳有机化合物和乙酸为底物 9 一 产甲烷细菌的生理特征 产甲烷细菌是严格专性厌氧菌产甲烷细菌生长特别缓慢产甲烷细菌对环境影响非常敏感产甲烷细菌属于古细菌产甲烷细菌分离培养比较困难 10 二 产甲烷细菌的分离 1 分离产甲烷细菌应具备的条件严格厌氧条件是分离产甲烷细菌的决定性因素 产甲烷细菌遇氧后会受到抑制 失去活性 要求的氧化还原电位很低 只有在 330mV以下才能生长 培养基中添加还原剂 如Na2S 半胱氨酸 密封的培养容器气相中也要求无氧 可以向容器里充H2和CO2比例为70 30 11 2 分离产甲烷细菌的基本要点在完全无氧的条件下制备培养基往培养基里加还原剂 树脂天青在无氧条件下分装试管滚管 12 三 产甲烷细菌的形态特征 分为杆状 球状 螺旋状和八叠球状四类 产甲烷细菌均不形成芽孢 革兰氏染色不定 有的具有鞭毛 13 四 产甲烷细菌的营养特征 不同的产甲烷细菌生长过程中所需碳源是不一样的 在纯培养条件下 几乎所有的产甲烷细节都能利用H2和CO2生产甲烷 在厌氧生物处理中 绝大多数产甲烷细菌都能利用甲醇 甲胺 乙酸 所以在厌氧生物处理反应设备中最为常见 产甲烷细菌在生活中需要某些维生素和微量元素 14 第三节厌氧生物处理微生物生态学 一 非产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系1 非产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物2 非产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位3 非产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质4 产甲烷细菌为非产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制5 非产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值 15 二 产甲烷细菌的生态 1 产甲烷细菌的分布产甲烷细菌在自然界的分布极为广泛 在与氧气隔绝 且无硫酸盐的环境中都可能有产甲烷细菌的存在 2 产甲烷细菌在厌氧反应器中的数量厌氧反应器中 产甲烷细菌的数量可用MPN法测定 通过测定试管中有无甲烷存在 作为计数的数量指标 一般认为 产甲烷细菌的数量与甲烷产量成正比关系 3 厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替 16 第四节厌氧生物处理工艺学 控制厌氧处理效率的基本因素有两类 一类是基础因素 包括微生物量 污泥浓度 营养比 混合接触状况 有机负荷等 另一类是环境因素 如温度 pH值 氧化还原电位 有毒物质等 产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物 产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤 17 第四节厌氧生物处理工艺学 一 厌氧生物处理工艺条件及其控制1 严格厌氧条件厌氧是最关键的条件 必须修建严格密闭的构筑物 才能保证沼气发酵正常进行 2 发酵原料条件1 原料的C N值2 原料预先堆沤3 原料的干物浓度 18 3 温度条件 各类微生物适宜的温度范围是不同的 一般认为 产甲烷菌的温度范围为25 60 在35 和53 上下可以分别获得较高的消化效率 温度为40 45 时 厌氧消化效率较低 19 3 温度条件据产甲烷菌适宜温度条件的不同 厌氧法可分为常温消化 中温消化和高温消化三种类型 1 常温消化 10 30 2 中温消化 30 40 3 高温厌氧消化 50 60 20 温度对厌氧消化过程的影响 21 4 pH值 每种微生物可在一定的pH值范围内活动 产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感 其适宜的pH值范围较广 在4 5 8 0之间 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近 最适宜pH值为7 0 7 2 在厌氧法处理废水的应用中 由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行 故为了维持平衡 避免过多的酸积累 常保持反应器内的pH值在6 5 7 5 最好在6 8 7 2 的范围内 22 pH值对产甲烷菌活性的影响 23 5 搅拌搅拌可使新鲜有机物与腐熟有机物均匀接触 加速热传导 均匀地供给细菌以养料 打碎发酵池液面上的浮渣层 使整个池子处于消化发酵活跃状态 以提高发酵池的负荷 24 6 接种细菌为了缩短启动时间 可以人为地接种微生物 主要是接种产甲烷细菌 一般可直接接取城市废水处理厂污泥消化池中的污泥 亦可取池塘淤泥接种到消化池中 25 二 废水厌氧生物处理工艺 废水厌氧生物处理与好氧生物处理相比具有以下优点 厌氧法处理废水可直接处理高浓度有机废水 耗能少 运行费低 污泥产率低 需要附加营养物质少 厌氧法处理废水可回收沼气 26 厌氧反应器厌氧活性污泥法包括普通消化池 厌氧接触工艺 上流式厌氧污泥床反应器等 厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池 厌氧流化床 厌氧生物转盘等 27 1 普通厌氧消化池 普通消化池又称传统或常规消化池 conventionaldigester 消化池常用密闭的圆柱形池 废水定期或连续进入池中 经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出 所产沼气从顶部排出 池径从几米至三 四十米 柱体部分的高度约为直径的1 2 池底呈圆锥形 以利排泥 为使进水与微生物尽快接触 需要一定的搅拌 常用搅拌方式有三种 a 池内机械搅拌 b 沼气搅拌 c 循环消化液搅拌 28 螺旋桨 机械 搅拌的消化池 29 循环消化液搅拌式消化池 高温厌氧消化需要加温 常用加热方式有三种 a 废水在消化池外先经热交换器预热到规定温度再进入消化池 b 热蒸汽直接在消化器内加热 c 在消化池内部安装热交换管 30 普通消化池的特点是 可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液 厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现 结构较简单 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置 消化器中难以保持大量的微生物细胞 对无搅拌的消化器 还存在料液的分层现象严重 微生物不能与料液均匀接触的问题 温度不均匀 消化效率低 31 化粪池化粪池用于处理来自厕所的粪便污水 广泛用于不设污水厂的合流制排水系统 例如 郊区的别墅式建筑 下图是化粪池的一种构造方式 32 33 2 厌氧接触法 在消化池后设沉淀池 将沉淀污泥回流至消化池 形成了厌氧接触法 anaerobiccontactprocess 厌氧接触法工艺动画 34 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 35 厌氧接触法的特点 a 通过污泥回流 保持消化池内污泥浓度较高 一般为10 15g L 耐冲击能力强 b 消化池的容积负荷较普通消化池高 中温消化时 一般为2 l0kgCOD m3 d 水力停留时间比普通消化池大大缩短 如常温下 普通消化池为15 30天 而接触法小于10天 36 c 可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液 不存在堵塞问题 d 混合液经沉降后 出水水质好 e 但需增加沉淀池 污泥回流和脱气等设备 f 厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点 37 几种脱气方法 a 真空脱气 由消化池排出的混合液经真空脱气器 真空度为0 005MPa 将污泥絮体上的气泡除去 改善污泥的沉降性能 b 热交换器急冷法 将从消化池排出的混合液进行急速冷却 c 絮凝沉降 向混合液中投加絮凝剂 使厌氧污泥易凝聚成大颗粒 加速沉降 d 用超滤器代替沉淀池 以改善固液分离效果 38 1 概述上流式厌氧污泥床反应器 upflowanaerobicsludgeblanketreactor 简称UASB反应器 是由荷兰的G Lettnga等人在70年代初研制开发的 污泥床反应器内没有人工载体 反应器内微生物以自身聚集生长 为颗粒污泥状态存在 因而能达到高生物量和高效高负荷 3 上流式厌氧污泥床反应器UASB 39 上流式厌氧污泥床的池形有圆形 方形 矩形 小型装置常为圆柱形 底部呈锥形或圆弧形 大型装置为便于设置气 液 固三相分离器 则一般为矩形 高度一般为3 8m 其中污泥床1 2m 污泥悬浮层2 4m 多用钢结构或钢筋混凝土结构 40 UASB反应器示意图 41 42 43 由图可见 UASB工作时 废水从反应器底部进入 与污泥床层的高浓度颗粒污泥接触 污染物被分解产生沼气 污水 污泥和沼气一起向上流动 进入反应器的上部的三相分离器 完成气 液 固三相的分离 被分离的消化气从上部导出 被分离的污泥则自动滑落到悬浮污泥层 出水则从澄清区流出 2 UASB的构造和组成 44 45 UASB反应器的组成 1 进水配水系统将废水尽可能均匀地分配到整个反应器 并有水力搅拌功能 2 反应区其中包括污泥床区和污泥悬浮层区 有机物主要在这里被厌氧菌所分解 3 三相分离器由沉淀区 回流缝和气封组成 其功能是把沼气 污泥和液体分开 46 4 出水系统其作用是把沉淀区表层处理过的水均匀地加以收集 排出反应器 5 气室也称集气罩 其作用是收集沼气 6 浮渣清除系统其功能是清除沉淀区液面和气室表面的浮渣 根据需要设置 7 排泥系统其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥 47 3 上流式厌氧污泥床反应器的基本特点 优点 有机负荷居第二代反应器之首 水力负荷满足要求 污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强 在一定的水力负荷下 可以靠反应器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触 a 反应器内污泥浓度高 一般平均污泥浓度为30 40g L 其中底部污泥床 sludgebed 污泥浓度60 80g L 污泥悬浮层 sludgeblanket 污泥浓度5 7g L 48 污泥床中的污泥由活性生物量占70 80 的高度发展的颗粒污泥 sludgegranules 组成 颗粒的直径一般在0 5 5 0mm之间 颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征 b 有机负荷高 水力停留时间短 中温消化 COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达20 40kgCOD m3 d 在大型生产装置中可达到6 8kgCOD m3 d c 反应器内设三相分离器 被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区 一般无污泥回流设备 简化了工艺 节约了投资和运行费用 d 无混合搅拌设备 投产运行正常后 利用本身产生的沼气和进水来搅动 49 e 污泥床内不填载体 提高了容积利用率 节省造价及避免堵塞问题 缺点 a 大型装置内会有短流现象 要求配水装置性能要好 b 进水SS要求 200mg L 以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积 甚至引起堵塞 c 在没有颗粒污泥接种的情况下 启动时间长 d 对水质和负荷突然变化比较敏感 e 要求水温高些 最好35 左右 50 4 升流式厌氧污泥床反应器的启动 UASB反应器的启动可分为两个阶段 接种污泥在适宜的驯化过程中获得一个合理分布的微生物群体 这种合理分布群体的大量生长 繁殖 51 厌氧污泥的主要聚集形式包括颗粒 granules 团体 pellets 絮体 flocs 絮状污泥 nocculentsludge 等 定义 团体和颗粒是结构紧密的聚集体 这些聚集体沉降后呈现固定的形态 絮体和絮状污泥则是具有蓬松结构的聚集体 这些聚集体沉降后无固定形态 5 厌氧颗粒污泥 52 4 厌氧滤池 厌氧滤池 anaerobicfilter又称厌氧固定膜反应器 是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置 滤池呈圆柱形 池内装放填料 池底和池顶密封 厌氧微生物附着于填料的表面生长 当废水通过填料层时 在填料表面的厌氧生物膜作用下 废水中的有机物被降解 并产生沼气 沼气从池顶部排出 53 厌氧生物滤池的组成厌氧生物滤池主要由以下几个重要部分组成的 即 滤料 布水系统 沼气收集系统 54 根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同 可分为升流式厌氧生物滤池和降流式厌氧生物滤池两种主要形式 即分别如下图所示 55 废水从池底进入 从池上部排出 称升流式厌氧滤池 废水从池上部进入 以降流的形式流过填料层 从池底部排出 称降流式厌氧滤池 填料可采用拳状石质滤料 如碎石 卵石等 也可使用塑料填料 56 厌氧生物滤池的特点 在厌氧生物滤池中 厌氧微生物大部分存在于生物膜中 少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中 厌氧微生物总量沿池高度分布是很不均匀的 在池进水部位高 相应的有机物去除速度快 当废水中有机物浓度高时 特别是进水悬浮固体浓度和颗粒较大时 进水部位容易发生堵塞现象 57 厌氧生物滤池的特点是 a 由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积 滤池中的微生物量较高 又因生物膜停留时间长 平均停留时间长达100天左右 因而可承受的有机容积负荷高 COD容积负荷为2 16kgCOD m3 d 且耐冲击负荷能力强 b 废水与生物膜两相接触面大 强化了传质过程 因而有机物去除速度快 58 c 微生物固着生长为主 不易流失 因此不需污泥回流和搅拌设备 d 启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短 e 处理含悬浮物浓度高的有机废水 易发生堵塞 尤以进水部位更严重 滤池的清洗也还没有简单有效的方法 59 主要缺点 滤料费用较贵滤料容易堵塞 主要优点 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 60 5 厌氧膨胀床与流化床反应器 厌氧膨胀床和厌氧流化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 填料粒径一般为0 2 1mm 废水从床底部流人 为使床层膨胀 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 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 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 生物固体停留时间较长 运行稳定 剩余污泥量少 61 6 厌氧生物转盘 厌氧生物转盘由盘片 密封的反应槽 转轴及驱动装置组成 上部加盖密封 防止液面上的空间有氧存在 盘片转动时的剪力将老化的生物膜剥下 在水中呈悬浮状态 随水流出槽外 62 2 厌氧生物转盘1 构造及工艺流程 6 厌氧生物转盘 厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似 不同之处在于盘片大部分 70 以上 或全部浸没在废水中 为保证厌氧条件和收集沼气 整个生物转盘设在一个密闭的容器内 63 2 主要特点 微生物浓度高 有机负荷高 水力停留时间短 一般不需回流 不会发生堵塞 具有较强的耐冲击负荷能力和处理稳定性 运行管理方便 盘片造价高 可处理含较高悬浮固体的有机废水 废水在反应器内按水平方向流动勿需提升废水 可采用多级串联 各级微生物处于最佳的生存条件下 64 7 分段 两相 厌氧处理法 第一阶段的发酵和乙酸菌种类多 代谢能力强 繁殖速度快 倍增速度min h 对环境的适应能力强 第二阶段的甲烷菌种类少 繁殖慢 倍增速度一般