环境工程学(王玉恒)第3章第4节

1,1,第四节厌氧生物处理技术,是指在无氧的条件下，利用兼性菌和厌氧菌分解有机物的一种生物处理法。,2,污水厌氧生物处理的发展过程第一代厌氧生物反应器18811950年，化粪池、厌氧消化池；第二代厌氧反应器上世纪5070年代年代，开发了厌氧接触法新工艺、厌氧滤池（AF）、厌氧折流板反应器（ABR)、上流式厌氧污泥反应器（UASB）等，标志着现代厌氧反应器的开端。第三代厌氧反应器上世纪八十年代，推出了颗粒污泥膨胀床反应器（EGSB）、厌氧内循环（IC）反应器。,3,3,厌氧生物处理的特征优点：能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；污泥产量很低；应用范围广，可处理中、高浓度有机废水，含有难降解有机物的废水等；负荷高，占地少；氮、磷营养需要量较少；有杀菌作用；厌氧活性污泥可以长期贮存；厌氧反应器可以季节性或间歇性运转,4,4,缺点：（1）厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长；（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；（4）厌氧过程会产生气味对空气有污染。,5,5,厌氧生物处理与好氧生物处理的比较,6,一、厌氧生物处理的基本原理,污泥的厌氧处理针对的是固态有机物，所以称为消化。,微生物学上将厌氧消化机理大致分为两种：两段消化和三段消化,7,大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）水解细菌的胞外酶简单溶解性有机物酸化产酸菌有机酸、醇类、醛类等乙酸化产氢产乙酸菌乙酸、H2、CO2甲烷化产甲烷菌a产甲烷菌bCH4（占2/3）CH4（占1/3）,三阶段:,水解酸化,产氢、产乙酸,产甲烷,8,三阶段理论：水解酸化阶段（水解产酸细菌，兼性或专性厌氧菌，如梭菌属，双歧杆菌属等）；产氢产乙酸阶段（产氢产乙酸菌，兼性或专性厌氧菌，互营单胞菌属、互营杆菌属）；产甲烷阶段（产甲烷菌，专性厌氧菌，如产甲烷八叠球菌属、产甲烷丝状菌属等，世代周期长，对环境条件要求严格）。,一、厌氧生物处理的基本原理,注意：在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡，这种动态平衡一旦被外加因素所破坏，则首先使产甲烷阶段受到抑制，从而影响厌氧消化反应的进行。,9,二、厌氧生物处理的影响因素,产甲烷阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应器的各项影响因素也以对产甲烷细菌的影响因素为准。,1、温度：根据产甲烷菌适宜温度条件的不同，可分为三种类型。（1）常温消化（1020）（2）中温消化（3035，大多数甲烷菌适宜）（3）高温厌氧消化（5055）注意：反应速率随着温度的升高而增大；产甲烷菌对温度的突变也十分敏感，要求日波动范围在2之内，温度突变幅度太大，会导致系统的停止产气。,10,2、pH和酸碱度：产甲烷菌对pH值变化适应性很差，其最佳范围为6.87.2。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，避免过多的挥发性有机酸(VFA)积累，常保持反应器内的pH值在6.57.5(最好在6.87.2)的范围内，或保持碱度2000-3000mg/L(以碳酸钙计）。,二、厌氧消化的影响因素,11,3、营养与C/N比一般要求C/N比达到（1020）：1为宜。C/N比太高，氮量不足，消化液缓冲能力低，pH容易降低；C/N太低，氮量过多，铵盐容易积累，pH过高，会影响消化进程。就污泥消化而言：初沉池污泥C/N为10：1；二沉池活性污泥C/N为5：1（太低），需投加高C/N的原料，如粪便、植物茎干等。,二、厌氧消化的影响因素,12,4、有机负荷（kgCOD/m3d）或投配率（%）污泥消化池的投配率是每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积的百分数。有机负荷或投配率过高，反应器内脂肪酸可能积累，pH值下降，产气率下降；过低，消化完全，产气率高，但消化池容积大，基建费用高。常规厌氧消化工艺：处理高浓度工业废水的有机负荷为23kgCOD/m3d，在高温下为46kgCOD/m3d；处理污泥时，投配率以58%为宜。,二、厌氧消化的影响因素,13,5、有毒物质包括有毒有机物、重金属离子、H2S、氨等。有毒有机物：带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。重金属离子：破坏酶的活性，对甲烷消化产生抑制作用；氨的毒害作用：当NH4+浓度超过150mg/L时，消化受到抑制。,二、厌氧消化的影响因素,14,7、有毒物质H2S的影响：含硫无机物（SO42-、SO32-）过高时，由于硫酸盐还原作用优先进行，产生H2S，产甲烷过程受到抑制。要求进入系统的底物中硫酸盐浓度要小于5000mg/L。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。,二、厌氧消化的影响因素,15,厌氧工艺和设备的分类,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)；按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)和半连续式(semi-continuous)；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），又可分为一段厌氧消化(onestagedigestion)与分段厌氧消化(twostagedigestion)等厌氧活性污泥法包括厌氧消化池、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、厌氧生物转盘。,16,厌氧工艺的有关术语,（1）上流速度（表面速度或表面负荷，m/h或m3/(m2h)）（2）水力停留时间（HRT）（3）反应器中的污泥量（gSS/L或gVSS/L）（4）反应器的负荷：分为容积负荷（VLR，kgCOD/m3d）、污泥负荷（SLR，kgCOD/kgMLSSd）和投配率。（5）污泥体积指数（SVI）（6）反应器内的污泥停留时间（SRT）：亦称泥龄。,17,三、污泥的厌氧消化,污泥厌氧消化池的分类：按其形状分为：圆柱形（最常用）、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；按其运行方式的不同分为：传统（低负荷）消化池和高速（高负荷）消化池。,AnaerobicDigester,18,用于处理城市污水厂的剩余污泥时，它的主要作用是实现“四化”（补充）：将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；（稳定化）将大量有机物转化为沼气；（资源化）减少污泥体积（减少1/2以上），提高污泥的脱水性能；（减量化）杀灭病原菌、病毒、寄生虫卵等，有利于污泥的进一步处理和利用。（无害化）,作用,常规厌氧消化池,19,常规厌氧消化池,1、传统低负荷厌氧消化池缺点：分层明显，消化时间长（3090d）、负荷低、产气量小；容易形成浮渣层，池的有效容积减少，而且造成操作上的困难。,20,2、高速厌氧消化池：池顶为圆拱形顶盖，分固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩；常用搅拌方式有池内机械搅拌、沼气搅拌和循环消化液搅拌（搅拌的作用？）；消化时间缩短(1020d），产气率提高。,构造,螺旋桨(机械)搅拌的高速消化池（间歇式的搅拌）,常规厌氧消化池,21,搅拌的作用：通过搅拌可消除池内梯度，使底物与微生物充分接触，避免产生分层，使池内温度及碱度分布均匀，促进沼气分离。搅拌方法包括：泵加水射器搅拌法、消化气循环搅拌法和机械搅拌法。,22,沼气搅拌消化池,循环消化液式搅拌消化池,常规厌氧消化池,23,加热方式主要有：池内加热：蒸汽直接加热或池内安装热交换器池外加热（常用）：利用热交换器将污泥或废水预热后再投配到消化池中。,加热：是提高厌氧消化池负荷，缩短消化时间的重要措施之一。,常规厌氧消化池,24,排泥,浮盖式消化池,消化池排泥管设在池底，依靠消化池内的静水压力将熟污泥排至污泥后续处理装置。,浮盖式消化池：顶盖可随池内气压变化或污泥面的高低变化而升降，运行比较安全，不用另设贮气罐；但构造复杂，建设费用高。,常规厌氧消化池,25,蛋形厌氧消化池（新型）,特点：搅拌充分均匀;池容相等的条件下，池子总面积比圆柱形小，故散热面积小，易于保温；结构与受力条件好；聚集沼气效果好。,常规厌氧消化池,26,大型厌氧消化池,27,卵形厌氧消化池,28,运行与管理,1、厌氧活性污泥的培养与驯化：3040d；一次培养法和逐步培养法；成熟的厌氧污泥呈深黑色，带焦油气味，无硫化氢臭味，pH值在7.07.5之间。2、正常运行的化验指标：产气率、投配污泥含水率、有机物含量、pH、总碱度、沼气成分等；3、正常运行的控制参数：搅拌时间（30min）和间歇时间（1.52h）；正常工作沼气气压应保持在1.22kPa之间。,常规厌氧消化池,29,运行与管理,4、容易出现的问题：厌氧消化作用欠平衡，即产酸量和耗酸量不平衡。产生原因：有机负荷过高；反应温应急剧波动；池内有溶解氧及氧化剂存在；进水pH值过低或过高；碱度过低缓冲能力差；有毒物质抑制；导致后果：挥发性有机酸（VFA）积累、产气量下降、沼气中甲烷含量低、有机物去除率降低等。预防为主：监测挥发性有机酸浓度、严格控制运行参数。,常规厌氧消化池,30,特点,1）可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。2）厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。3）难以保持大量的厌氧微生物，消化时间长，消化效率低。,常规厌氧消化池,31,四、有机废水的厌氧生物处理,32,厌氧接触法,亦称厌氧活性污泥法，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)。,现代高速厌氧反应器,33,特点（与普通厌氧消化池相比）:,优点：污泥浓度较高，耐冲击能力强，容积负荷较高，消化时间大大缩短。缺点：增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；沉淀池中固液分离有一定困难。,厌氧接触法,现代高速厌氧反应器,34,改进方法,(a)真空脱气；(b)热交换器急冷法；(c)投加混凝剂；(d)用膜过滤代替沉淀池,厌氧接触法,现代高速厌氧反应器,35,厌氧生物滤池,又称厌氧固定膜反应器；滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。对填料的要求与好氧生物滤池类似。,（AnaerobicFilter）,现代高速厌氧反应器,36,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。,厌氧生物滤池,现代高速厌氧反应器,37,特点,（a）容积负荷高（216kgCOD/m3d），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；（c）生物膜体停留时间长，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；（d）滤料费用较贵，且容易堵塞，不宜处理含悬浮物浓度高的有机废水。,厌氧生物滤池,现代高速厌氧反应器,38,（a）出水回流；（b）部分充填载体（复合式生物滤池）；（c）采用软性填料。,厌氧生物滤池,改进方式,39,上流式厌氧污泥床反应器,是由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。反应器内微生物以自身聚集生长，以颗粒污泥状态存在，能达到高生物量和高负荷运行。是目前应用最广泛的高效厌氧反应器之一。,概述,UpflowAnaerobicSludgeBlanket，UASB,现代高速厌氧反应器,40,现代高速厌氧反应器,上流式厌氧污泥床反应器,气固液三相分离器,简述工作原理,污泥床,沉淀区,41,池体有圆形、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。,UASB反应器的构造,上流式厌氧污泥床反应器,现代高速厌氧反应器,42,上流式厌氧污泥床反应器,大型UASB反应器构造剖面图,43,44,集气罩,45,UASB反应器运行的三个重要前提,1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；2）底部设置均匀布水系统；3）设计合理的三相分离器。,上流式厌氧污泥床反应器,46,UASB内厌氧污泥的主要聚集形式包括颗粒状(Granular)和絮体状（Floc)。颗粒污泥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。,厌氧颗粒污泥,1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；,47,厌氧颗粒污泥,一般为0.12mm，最大可达35mm；湿比重为1.041.08；具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。,1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；,48,颗粒污泥形成条件,合适的水力条件（水力负荷）及良好的泥水混合条件是使絮状污泥颗粒化的基本和必要条件，产生水力剪切作用与水力筛分作用；设计上升流速为0.60.9m/h。其他条件包括：废水水质、有机负荷和pH。,1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；,49,颗粒污泥形成过程,细菌增殖,絮状污泥,小颗粒污泥形成并聚集,初生颗粒污泥,成熟颗粒污泥,1）大量的沉降性能良好的颗粒污泥；,50,2）底部设置均匀布水系统,UASB进水配水管布置形式,布水均匀、不出现沟流是保证反应器高效稳定运行的关键因素之一。,51,3）设计合理的三相分离器,作用：将气固液三相加以分离，将沼气引入气室，将处理出水排出，将固体颗粒倒入反应区。,52,（a）反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层污泥浓度5-7g/L；（b）有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，容积负荷在小试验和中型试验中可高达20-40kgCOD/（m3d），在大型生产装置中可达到6-8kgCOD/（m3d）。,优点,上流式厌氧污泥床反应器,53,（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，不设污泥回流设备；简化了工艺，节约了投资和运行费用。（d）无需混合搅拌设备。利用上升的水流和气泡来搅动混合,上升流速控制在0.92.5m/h。,优点,上流式厌氧污泥床反应器,54,（a）大型装置内会有短流现象（要求配水系统性能要好）（b）进水中的SS要求较低，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）要求水温较高，最好35左右。,缺点,上流式厌氧污泥床反应器,55,优点：结构紧凑、占地面积小、处理能力大（有机负荷高）、处理效果好、能适应冲击负荷、无需搅拌及回流设备等；缺点：易形成短流、要求进水的SS较低、启动时间较长。,特点概括：,上流式厌氧污泥床反应器,56,(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。,反应器构造及配套设备,上流式厌氧污泥床反应器,57,(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