第十五章-污水的厌氧生物处理(环工).ppt

2020/4/25,1,第十五章废水的厌氧生物处理,2020/4/25,2,主要讲述内容,概述厌氧处理理论基础厌氧处理工艺发展厌氧好氧技术的联合运用,2020/4/25,3,一、概述,厌氧生物处理是指利用厌氧微生物的代谢过程，在无氧条件下把污水中的有机污染物转化为无机物和少量细胞物质的污水处理方法。与好氧生物处理技术相比，它具有以下突出优点：,2020/4/25,4,能耗低(约为好氧的1015）厌氧对N、P的含量要求低，COD:N:P=800:5:1即可满足营养要求可回收生物能源（沼气）产生的剩余污泥量少（相当于好氧的1/101/6），节省污泥脱水费用可承受的有机负荷高，占地少（人口密集、地价昂贵的地区）可季节性运行或间断性运行（厌氧菌能保持至少1年以上的活性）,优点：,2020/4/25,5,缺点：受温度等影响大，要保温厌氧水力停留时间一般较长，厌氧的启动时间一般也较长厌氧处理后出水COD、BOD值较高，难以达标（需好氧处理作为后处理）有恶臭（H2S）,综合看来：在处理高浓度难降解有机废水时，首选厌氧，再辅之以好氧处理。,2020/4/25,6,二、厌氧处理理论基础,厌氧生物降解过程可分为四个阶段：1.水解阶段2.酸化阶段(也叫发酵阶段)3.乙酸化阶段4.产甲烷阶段,2020/4/25,7,1.水解阶段,水解细菌将不溶性有机物转变成可溶性有机物,将高分子溶性有机物转变成小分子有机物(通过细菌胞外酶作用)纤维素被纤维素酶水解成纤维二糖和葡萄糖淀粉被淀粉酶水解成麦芽糖和葡萄糖蛋白质被蛋白酶水解成短酞和氨基酸脂肪被脂肪酶水解成丙二醇和脂肪酸,2020/4/25,8,2.酸化阶段,水解阶段产生的小分子水解产物在酸化菌的细胞内转化为更简单的化合物并分泌到细胞外,这一阶段的主要产物有VFA醇类乳酸CO2NH3H2S等。与此同时，酸化菌也利用部分物质合成新的细胞物质。,2020/4/25,9,发酵细菌(产酸细菌),主要包括梭菌属(Clostridigm)、似杆菌属(Bacteroides)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)、真细菌属(Eubacterium)和双歧杆菌属(Bifidobacterium)等。,2020/4/25,10,3.乙酸化阶段,在此阶段，酸化阶段的产物被进一步转化为乙酸、H2、碳酸等以及新的细胞物质。,2020/4/25,11,产氢产乙酸菌,近年来的研究所发现的产氢产乙酸菌包括互营单孢菌属(Syntrophomonas)、杆菌属(Syntrophobacter)、梭菌属(Clostridium)、暗杆菌属(Petobacter)等。,2020/4/25,12,4.产甲烷阶段,在此阶段，乙酸、H2、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为CH4、CO2和新的细胞物质。整个厌氧降解的速率取决于以上四个阶段中速度最慢的那个阶段，因为产甲烷菌的生长缓慢,所以产甲烷的反应较慢,所以一般产甲烷阶段是整个厌氧降解过程的速率限制性阶段.,产甲烷菌世代时间：46d酸化菌：1030min,2020/4/25,13,产甲烷阶段的菌种,嗜甲烷菌或称产甲烷菌（Methanogens）,是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于绝对厌氧细菌，主要代谢产物是甲烷。常见的有四种：1、甲烷杆菌，杆状细胞，连成链或长丝状，或呈短而直的杆状2、甲烷球菌，球形细胞呈正圆或椭圆形，排列成对或成链3、甲烷八叠球菌，它可繁殖成为有规则的，大小一致的细胞，堆积在一起4、甲烷螺旋菌，呈有规则弯曲杆状和螺旋丝状,2020/4/25,14,大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）,水解的和溶解的有机物,有机酸、醇类、醛类等,H2、CO2,乙酸,CH4,1水解阶段,细菌胞外酶,2酸化阶段,产酸细菌,2酸化阶段,3乙酸化阶段,4甲烷化阶段,4甲烷化阶段,甲烷细菌,甲烷细菌,2020/4/25,15,关于厌氧理论的3点思考：,1.水解-好氧工艺2.生物制氢3.一步或两步（两相）厌氧,2020/4/25,16,水解-好氧工艺,厌氧处理从开始只能处理高浓度的污水发展到可以处理中低浓度的污水，如啤酒、屠宰甚至生活污水。北京市环科院开发了水解好氧生物处理技术。水解反应器利用厌氧反应中的水解酸化阶段，而放弃了停留时间长的甲烷发酵阶段。,2020/4/25,17,水解反应器对有机物的去除率，特别是对悬浮物的去除率显著高于具有相同停留时间的初沉池。（2.53h）由于水解反应器可使啤酒废水中的大分子难降解有机物被转变为小分子易降解的有机物，出水的可生化性能得到改善，这使得好氧处理单元停留时间小于传统的工艺。悬浮固体物质(包括进水悬浮物和后续好氧处理中的剩余污泥)被水解为可溶性物质，使污泥得到处理。,2020/4/25,18,一步或两步（两相）厌氧,两步（两相）厌氧：进行水解和酸化的酸化反应器产乙酸和产甲烷的甲烷反应器,2020/4/25,19,厌氧消化的影响因素1,温度:甲烷菌最适温度在3538和5255各有一个。因此，甲烷菌可分为两类，即中温甲烷菌；高温甲烷菌，两区之间的温度，反应速度反而减退中温或高温厌氧消化允许的温度变动范围为1.52.0。当有3变化时，就会抑制消化速率，有5的急剧变化时，就会突然停止产气，有机酸大量积累而破坏厌氧消化,2020/4/25,20,pH：,产酸段（菌）适宜：4.58.2,产甲烷段（菌）适宜:(6.8)7.07.2,为了控制pH，溶液中碱度应在10004500mg/L(以CaO计)。通常加入石灰和重碳酸盐。,Ca(OH)2+2CO2,Ca(HCO3)2,H+HCO3-,H2CO3,CO2+H2O,厌氧消化的影响因素2,2020/4/25,21,厌氧工艺发展总的趋势是越来越高效，而高效的厌氧处理必须满足两个原则：能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；保持所处理的废水和污泥之间的良好接触。,下面从厌氧的发展历程具体来分析：,2020/4/25,22,按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厌氧生物膜法(anaerobicslime)；根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成，又可分为一步厌氧消化(onestagedigestion)与两步厌氧消化(twostagedigestion)等厌氧处理工艺发展大致可分为三个发展阶段（三代）,三、厌氧处理工艺发展,2020/4/25,23,第一代（20世纪50年代）,代表：厌氧消化池（化粪池）厌氧接触工艺,2020/4/25,24,普通厌氧消化池,称传统消化池(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。,2020/4/25,25,螺旋桨搅拌的消化池,2020/4/25,26,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)。,2020/4/25,27,第二代（60年代70年代末）,代表：厌氧滤池（AF）上流式厌氧污泥床反应器（UASB）流化床和膨胀床系统厌氧生物转盘,2020/4/25,28,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,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。,2020/4/25,30,上流式厌氧污泥床反应器（UASB）,上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，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。他们在研究用升流式厌氧滤池处理土豆加工和甲醇废水时取消了池内的全部填料，并在池子的上部设置了气、液、固三相分离器，于是一种结构简单、处理效能很高的新型厌氧反应器便诞生了。,2020/4/25,31,国际上荷兰的PAQUES、美国的BIOTHANE和比利时的BIOTIM公司是世界上主要三个UASB技术的厂家。仅这三家公司占国际市场份额的74%，这三家公司的技术主要是采用UASB技术，这反映了UASB技术除其技术本身的特点之外，其市场化的水平也是比较高的。这与UASB技术本身的特点有关，如UASB的反应器、三相分离器和颗粒污泥等等都是专有技术，技术含量较高。,32,2004-11-17,33,2020/4/25,34,在UASB反应器中能够培养得到一种具有良好沉降性能和高比产甲烷活性的颗粒厌氧污泥，相对于其他同类装置就具有一定的优势：,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；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。,2020/4/25,35,（b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10-20kgCOD/（m3d）；（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；（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；（e）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。,2020/4/25,36,UASB反应器的缺点：,（a）反应器内有短流现象，影响处理能力。进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高，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；（b）运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。,(1)进水配水系统(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，是反应器的主要部位(3)三相分离器，其功能是把沼气、污泥和液体分开(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。如浮渣不多可省略(7)排泥系统其功能是均匀地排除反应区的剩余污泥,UASB反应器示意图,2020/4/25,38,流化床和膨胀床厌氧生物转盘,流化床一般按2040的膨胀率运行；膨胀床按520的膨胀率运行,2020/4/25,39,第三代（20世纪80年代）,既要实现SRT和HRT的分离，又要使进水和污泥充分接触。为满足第二个条件，一方面确保反应器进水布水均匀性，这样才能最大程度地避免短流；从另一方面讲，应考虑如何利用工艺本身的混合和产气的扰动来加强反应器内混合程度。正是对这一问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用。,2020/4/25,40,第三代厌氧反应器代表：,EGSB(颗粒污泥膨胀床反应器）IC（厌氧内循环反应器）ABR,2020/4/25,41,EGSB反应器,2020/4/25,42,EGSB现场照,2020/4/25,43,EGSB反应器回流的作用：一方面：充分混合另一方面：稀释、减轻原水负荷，提高抗冲击能力。,20世纪90年代荷兰推出了商品名为BiobedEGSB的工业规模反应器，应用涉及啤酒、食品、化工等行业，著名的丹麦嘉仕伯啤酒公司和深圳的金威啤酒都是EGSB的用户。,2020/4/25,44,IC反应器,2020/4/25,45,2020/4/25,46,目前IC反应器技术已成功地应用于啤酒生产、造纸及食品加工等行业的生产污水处理中，由于其处理容量高，投资少，占地省，运行稳定等优点引起了各国水处理人员的瞩目，被称为第三代厌氧生化反应器的代表工艺之一。IC反应器具有以下特点：它实现了“高负荷与污泥流失相分离”。它具有一个无外加动力的内循环系统。内循环增加了水力负荷，强化了传质过程。IC反应器尤其适合于处理浓度较低和温度较低的有机废水。,2020/4/25,47,IC厌氧反应器与UASB反应器相比具有以下优点:,有机负荷高。抗冲击负荷能力强，运行稳定性好。基建投资省，占地面积少。节能。,厌氧折流板反应器（ABR）,ABR各个隔室中微生物相是随流程逐渐递变的，递变的规律与底物的降解过程协调一致，从而确保相应的微生物拥有最佳的代谢环境和代谢活性。ABR的推流特性可确保系统拥有更优的出水水质，同时反应器的运行更加稳定，对冲击负荷以及进水中的有毒物质具有更好的缓冲能力。,2020/4/25,49,SMPA（stagedmulti-phaseanaerobicreactor）分阶段多相厌氧反应器技术,Lettinga,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，如pH值、H2分压等。防止在各个单体中出现污泥互相混合现象。将各单体或隔室内的产气互相隔开。工艺流程更接近于推流式，追求系统更高的去除率，更好的出水水质。,2020/4/25,50,Lettinga认为：SMPA工艺的适用范围更为广泛，适用于各类温度条件，从低温（小于10）到高温（大于55）均可运行，而且对各种含抑制性化合物的化工废水也具有较高的降解效能。SMPA工艺是今后厌氧工艺技术研究和应用发展的主导方向。根据厌氧处理过程中参与有机物降解的不同微生物种群的生理生态特点及其组成的为生态系统对环境条件的要求，进行多相工艺研究，以及根据反应器的混合要求进行复合流态工艺的研究，已成为