厌氧生物处理法.doc

厌氧生物处理法 废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术改革，过去，它在构筑物型式上主要采用普通消化池，由于存在水力停留时间长、有机负荷低等缺点，较长时期限制了它在废水处理中的应用。70年代以来，世界能源短缺日益突出，从节约和利用能源上考虑，废水厌氧处理技术受到重视，开发了各种新型处理工艺和设备，大大提高了厌氧反应器内活性污泥的持留量，使处理时间大大缩短，处理效率有了很多提高。目前，厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水，也可用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。厌氧生物处理与好氧生物处理相比具有下列优点：（1） 应用范围广。好氧法因供氧限制一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水的处理。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的。（2） 能耗低。好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气能量可以抵偿消耗能量。（3） 负荷高。通常好氧法的有机容积负荷（BOD）为24Kg（m3d），而厌氧法为210Kg（m3d）。（4） 剩余污泥量少，且污泥浓缩、脱水性良好。好氧法每去除1KgCOD将产生0.40.6Kg生物量，而厌氧法去除1KgCOD只产生0.020.1Kg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的520.此外，消化污泥在卫生学上和化学上都是较稳定的，因此剩余污泥的处理和处置简单，运行费用低，甚至可作为肥料利用。（5） 氮、磷营养需要量较少。好氧一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法要求的BOD：N：P为100：2.5：0.5，因此厌氧法对氮磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐较少。（6） 厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒。（7） 厌氧活性污泥可以长期储存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运行，在停止运行一段时间后，能较迅速启动。但是，厌氧生物处理法也存在下列缺点：（1） 厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧生物处理的启动和处理时间比好氧生物处理时间长。（2） 出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理。（3） 厌氧处理系统操作控制因素较为复杂和严格，对有毒有害物质的影响较敏感。一、 厌氧生物处理的基本原理废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件通过厌氧微生物（包括兼性微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化炭等物质的过程，也称为厌氧消化。它与好氧过程低根本区别，在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，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，因而可粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续的阶段，即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。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。这个阶段主要产生较高级脂肪酸。由于简单碳水化合物的分解产酸作用要比含氮有机物的分解产氨作用迅速，故蛋白质的分解在碳水化合物分解后产生。含氮有机物分解产生NH,除了提供合成细胞物质的氮源外，在水中部分电离，生成NHHCO, 具有缓冲消化液pH的作用，故有时也把继碳水化合物分解后的蛋白质分解产氨过程称为性减退期。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产氨细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化戍成乙：酸和H,在降解有机酸时还生成CO第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙。酸盐、CO和H等转化为甲烷. 此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一徂把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的13，后当者约占23.上述三个阶段的反应速度依废水性质而异，对含纤维素、半纤维素、果胶和赀类等污染物为主的废水，水解阶段往往成为速度限制步骤；简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解，对含这类有机物为主的废水，产甲烷阶段通常成为速度限制步骤。虽然厌氧消化过程可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的平衡，这种动态平衡一旦被pH、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积累和厌氧进程的异常变化，严重时甚至会使整个厌氧消化过程受到破坏。二、厌氧生物处理的影响因素厌氧生物处理对环境条件的要求比好氧生物处理严格。一般认为，控制厌氧处理效率的基本因素有二类：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；另一类是环境温度、pH、氧化还原电位、有毒物质等。由厌氧生物处理的基本原理可知，厌氧过程要通过多种生理上不同的微生物类群联合作用来完成。如果把产甲烷阶段以前的所有微生物统称为不产甲烷菌，则它们包括厌氧细菌和兼性细菌，尤以兼性细菌居多。与产甲烷菌相比，不产甲烷菌对pH、温度等外界环境因素的变化具有较强的适应性，而且其增殖速度较快。而产甲烷菌是一群非常特殊的、严格厌氧的细菌，它们对外界环境条件的要求比不产甲烷菌严格，而且其繁殖的世代期较长。因此，产甲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。正因为如此，在讨论厌氧消化过程的影响因素时，多以产甲烷菌的生理、生态特征来说明。（1）、温度温度是影响微生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。各类微生物适宜的温度范围是不同的，一般认为，产甲烷菌适宜的温度范围为560，在35和53上下可以分别获得较高的消化效率；温度为4045时，厌氧消化效率较低。由此可见，各种产甲烷菌的适宜温度区域不一致，而且最适温度范围较小。根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧消化法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种，类型。（1） 常温厌氧消化是指在自然气温下进行废水厌氧处理的工艺，适宜温度范围为1030。（2） 中温厌氧消化 适宜温度范围为3538，若低于32或者高于40，厌氧消化效率则明显地降低。（3） 高温厌氧消化 适宜温度范围为5055。 上述适宜温度有时因其他工艺条件的不同而有某种程度的差异，如反应器内污泥浓度较高，则温度的影响不易显露出来。在一定温度范围内，温度升高，则有机物去除率和产量会相应提高。一般认为，高温消化比中温消化沼气产量约高一倍。温度的高低不仅影响沼气的产量，而且影响沼气中甲烷的含量和厌氧消化污泥的性质。 温度对反应速度的影响同样是明显的。一般地说，在其他工艺条件相同的情况下，温度每上升10，反应速度就大约增加24倍。因此，高温消化期比中温消化期短。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化处理，短时间内温度升降5，沼气产量将明显下降，波动的幅度过大时，甚至会停止产气；温度的波动还会影响沼气中的甲烷含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。因此在设计消化器时，常采取一定的控温措施，尽可能使消化器在恒温下运行，温度变化幅度通常不超过23h。然而，温度的暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本破坏，温度一经恢复到原来温度时，处理效率和产气量也将随之逐渐恢复，只是温度降低持续的时间越长，恢复所需时间也越长。（2）、pH值产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜pH值较广，在4.58.0之间，产甲烷菌要求环境介质pH在中性附近，最适pH值为7.07.2。在厌氧生物处理中，由于产酸和产甲烷过程大多在同一构筑物内进行，为了维持平衡，避免过多的酸积累，常使反应器内的pH值保持在6.57.5（最好在6.87.2）的范围内。pH条件失常首先会使产生的H2和乙酸不能被正常代谢降解，从而使整个消化过程各阶段间失去平衡。若pH值降到5以下，对产甲烷菌抑制较大，同时产酸作用本身也会受到影响，从而整个厌氧消化过程被破坏，即使pH恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力也不易恢复。而在pH值稍高时，只要恢复中性，产甲烷菌却能较快地恢复活性。所以厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。在厌氧消化过程中，pH值的变化除了受外界因素影响之外，还取决于有机物代谢过程中某些产物殴打增减。如产酸作用产物有机酸的增加，会使pH下降；含氮有机物分解产物氨的增加，会引起pH值升高。（3）有机负荷 在厌氧生物处理中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量以COD表示，单位为Kg（m.d）。对是悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表示的，即单位质量的污泥每天接受的COD量【Kg（Kg.d）】。在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表示，即每天所投加的废水体积占消化器有效容积的百分数。由于各种废水浓度、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入反应器单位有效容积每天接受的挥发性固体（MLVSS）质量这一参数【单位Kg（m.d）】。 有机负荷是影响消化效率的一个重要因素，直接影响产气量和处理效率。在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率即单位质量物料的产气量趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。这是因为进料的有机物浓度是一定的，有机负荷或投配率的提高，意味着停留时间缩短，则有机物分解率将下降，从而使单位质量物料的产气量减少；然而由于反应器相对的处理量增多了，故单位容积的产气量将提高。如前所述，厌氧处理系统正常运转取决于产酸与产甲烷反应速率的相对平衡。一般产酸速度大于产甲烷速度。若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使pH值下降，破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停止，系统失败，并难以调整复苏。此外，有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率。相反，若有机负荷过低，物料产气率戎或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器容积增大，使消化设备的利用效率降低，投资和运行费用提高。有机负荷值依工艺类型、运行条件以及废水种类和浓度而异。在通常的情况下，常规中温厌氧消化工艺处理高浓度工业废水的有机负荷（COD量）为23kg（m.d）,高温厌氧消化工艺为46kg（m.d）。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型中温厌氧消化工艺的有机负荷为515kg（m.d），有的可高达30kg（m.d）。在处理具体废水时，最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。（4） 搅拌混合 混合搅拌也是影响厌氧消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。通过搅拌可消除池内料液的浓度梯度，增加食料与微生物之间的接触，避免产生分层，促进沼气分离。在连续投料的消化池中，搅拌还能促使进料迅速地与池中原有料液相混匀。搅拌能显著地提高消化器称为高效消化器。搅拌的方式有：（1）机械搅拌器搅拌法；（2）消化液循环搅拌法；（3）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，从而提高甲烷的产量。厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以上的方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到一定程度的搅拌作用。（5） 废水的营养比 厌氧微生物的生长繁殖需按一定比例摄取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制进料的碳、氮、磷比例，因为其他营养元素不足的情况较少见。不同的微生物在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷比例不完全一致。一般认为，厌氧法对碳：氮：磷以控制在（200300）：5：1为宜（好氧法为100：5：1），这与厌氧微生物对养分的利用率较好氧微生物低有关。（6）有毒物质有毒物质会对厌氧过程产生抑制作用。这些物质可能是进水中所含成分，或是厌氧菌代谢的副产物，通常包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，具有醛基、双键、氯取代基、苯环等结构的化合物，往往具有抑制性。重金属被认为是使厌氧过程失效的最普通及最主要的因素，它通过与微生物酶中的巯基、氨基、羧基等相结合而使酶失活，或者通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。金属离子对产甲烷菌的影响，按CrCuZnCdNi的顺序减少。氨是厌氧过程中的营养物和缓冲剂，但如浓度过高时也会产生抑制作用。此外，过量的硫化物存在也会对厌氧过程产生强烈的抑制作用。首先，由硫酸盐等还原为硫化物的反硫化过程与产甲烷过程争夺有机物氧化脱下来的氢；其次，当介质中可溶性硫化物积累后，还会对细菌细胞的功能产生直接抑制作用，使产甲烷菌的种群减少。但当硫酸盐与重金属离子共存时因重金属将生成硫化物沉淀而使毒性减轻。据资料介绍，当硫化物含量在100mgL时，对产甲烷过程有抑制作用，超过200mgL，抑制作用则十分明显。三 、 废水厌氧生物处理的工艺及设备废水厌氧生物处理的工艺有多种多样，目前在实际应用中采用较多的厌氧滤池和上流式厌氧污泥床反应器。（一） 厌氧滤池厌氧滤池又称厌氧固定膜反应器，是60年代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。滤池中的生物膜不断地进行新陈代谢，脱落的生物膜随出水流出池外。如果废水从池底部进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；如果废水从池上部进入，以降流的形式流过填料层，从池底排出，称降流式厌氧滤池。 厌氧生物滤池填料的比表面积越大，可以承受的有机物负荷越高；空隙率越大，滤池的容积利用系数越高堵塞现象减少。因此，与好氧生物滤池，类似，对填料的要求为：比表面积大，填充后空隙率高，生物膜易附着，对微生物细胞无抑制和毒害作用，有一定强度，且质轻、价廉、来源广。填料层高度，对拳状滤料，高度以不超过1.2m为宜；对于塑料填料，高度以16m为宜。填料的支撑板通常采用多孔板。进水系统需考虑易于维修而又使补水均匀，且有一定的水力冲刷强度。对直径较小的厌氧滤池常用短管布水，对直径较大的厌氧滤池多用可拆卸的多孔管布水。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高时和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。为此，对厌氧生物滤池采取如下改进：（1）出水回流，使进水有机物浓度得以稀释，同时提高池内水流的流速，冲刷滤料孔隙中的悬浮物，有利于消除滤池的堵塞。（2）为了避免堵塞，部分充填载体，即仅在滤池底部和中部各设置一填料薄层，因而空隙率大大提高。（3）采用平流式厌氧生物滤池，滤池前段上部进水，后段上部出水，顶部设气室，底部设污泥排放口，使沉淀悬浮物得以连续排除。（4）采用软性填料。性填料空隙率大，可克服堵塞现象。厌氧生物滤池的特点：（1）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，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为216kg（m.d）,且耐冲击负荷能力强。（2）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。（3）微生物以固着生长为主，不易流失，不需污泥回流和搅拌设备。（4）启动或停止运行后再启动时间短。但该工艺也存在一些问题，如处理含悬浮物浓度高的有机废水易发生堵塞，尤以进水部分更严重。此外，滤池的清洗也还没有简单有效的方法。（二）上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器，简称UASB反应器，是由荷兰的G.Lettinga等人在70年代初研制开发的。它是一种悬浮生长型的生物反应器，由反应区、沉淀区和气室三部分组成。在UASB反应器的底部是浓度较高的污泥层。称污泥床，在污泥床上部是浓度较低的污泥悬浮层，通常把污泥层和悬浮层统称为反应区。在反区上部没设有气液固三相分离器。废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，通过微生物分解废水中的有机物产生沼气，微小沼气泡上升过程中，不断合并逐渐形成较大的气泡。由于气泡上升产生较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室从而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥咨沿着斜璧返回到反应区内。在一定的水力负荷下，绝大部分污泥颗粒能保留在反应区内，使反应区具有足够的污泥量。反应区中污泥层高度约为反应区总高度的13，但其污泥量约占全部污泥量的23以上。由于污泥层中的污泥量比悬浮层大，底物浓度高，酶的活性也高，有机物代谢速度较快，因此，大部分有机物在污泥层被去除。研究结果表明，废水通过污泥层后已有80以上的有机物被转化，余下的再通过污泥悬浮层降解，有机物总去除率可达90以上。虽然悬浮层去除的有机物量不大，但是其高度对混合程度、产气量和过程稳定性至关重要。因此，应保证适当的悬浮层乃至反应区高度。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38m，其中污泥床12m，污泥悬浮层24m，多用钢结构或钢筋混凝土结构，三相分离器可由多个单元组合而成。当废水流量较小，浓度较高时，需要的沉淀区面积较小，沉淀区的面积和池形可与反应区相同；当废水流量较大，浓度降低时，需要的沉淀面积较大，为使反应区的过流面积不致较大，可采用沉淀区面积大于反应区，即反应区上部面积大于下部面积的池形。 气、液、固三相分离器是上流式厌氧污泥床的一个重要结构，它对污泥床的正常运行和获得良好的出水水质起着十分重要的作用。其构造有多种型式，目前大型生产装置上采用的三相分离器多为专利设备，一般来说，三相分离器应满足以下条件：沉淀区斜璧角度约为50，使沉淀在斜璧上的污泥不积聚，能尽快滑回反应区内，沉淀区的表面负荷在0.7m（.h）以下，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道（缝隙）的流速不大于2mh；应防止浮渣堵塞出气管，保证气室出气管畅通无阻。从实践来看，气室水面上总是有一：层浮渣，其厚度与水质有关。因此，在设计气室高度时，应考虑浮渣的排放。 上流式厌氧污泥床的混合是靠上流的水流和消化过程中产生的沼气泡来完成。因此，一般采用多点进水，使进水较均匀地分布在污泥床断面上。常采用穿孔布水脉冲进水。在反应器的底平面上均匀设置许多布水管（管口高度不同），从水泵来的水通过配水设备流进布水管，从管口流出。配水设备是由一根可旋转的配水管与配水槽构成，配水槽为一圆环形，分隔为若干单元，每个与反应器布水管相连。工作时配水管旋转，在一定时间间隔内，污水流进配水槽的一个单元，由此流进一根布水管进入反应器。这种布水方式对反应器来说是连续进水，而对每个布水点而言则是间歇进水，布水管的瞬间流量与整个反应器流量相等。上流式厌氧污泥床反应器的特点是：（1） 通过污泥回流，保持反应器内污泥浓度很高，故，耐冲击能力强。（2） 容积负荷高，一般可达210kg（m.d）。（3） 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。（4） 混合液经沉淀后，出水水质好。其存在的问题是反应器结构较复杂，特别是气、液、固三相分离器的设计与安装适当与否，对系统的正常运行与处理效果有很多的影响。另外，保持一层适当的污泥床，形成粒状污泥颗粒，防止污泥流失，也是系统运行操作中至关重要的问题。（三）两段厌氧法和复合厌氧法厌氧消化反应包括产酸阶段和甲烷化阶段，因此可分别在两个独立的反应器在进行，每一个反应完成一个阶段的反应，故称为两段式厌氧消化法。按照所处理的废水水质的不同，两段法可以采用同类型或不同类型的消化反应器。两段厌氧法具有如下特点：，耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一段法不耐高有机酸浓度的缺点；两阶段反应不在同一反应器中进行互相影响小，可更好地控制工艺条件；消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水。但两段法设备较多，流程和操作复杂。 两段厌氧法是由两个独立的反应器串联组合而成，而复合厌氧法是在一个反应器内由两种厌氧法组合而成。由上流式厌氧污泥床与厌氧滤池组成的复合厌氧法系统，设备的上部为厌氧滤池，下部为水流式厌氧污泥床。它集两者优点与一体，反应器下部即进水部位，由于不装填料，可以减少堵塞，上部装设固定填料，可充份发挥滤层填料的有效截留污泥的能力，提高反应器内的生物量，对水质和负荷