水质工程学电子课件 第14章 工业废水生物处理1

水质工程学（下）电子教案,辽宁工程技术大学 建工学院市政系,第14章 工业废水的生物处理,14.1 工业废水的可生化性,14.2 工业废水好氧生物处理,14.3 工业废水厌氧生物处理,重点： 厌氧生物处理机理、两级厌氧生物处理 与两相厌氧生物处理、升流式厌氧污泥 床（UASB法)、厌氧颗粒污泥的形成及 其性质。 难点：生物接触氧化法，厌氧生物处理机理、 UASB法、厌氧颗粒污泥的形成及其性质。,14.1 工业废水的可生化性BOD5:COD:工业废水的生物处理，通常以COD为设计和运行的水质指标，可生化性指标：BOD5/COD比值， 大于0.45，适于生化， 0.2左右，需驯化。,14.2 工业废水好氧生物处理 活性污泥法和生物膜法,14.3.1 概述,厌氧生物处理：在无氧的条件下，利用厌氧微生物的生 命活动，将各种有机物转化为甲烷、二氧化碳等的过 程。 厌氧生物处理后面常常要连接好氧生物处理,14.3 工业废水厌氧生物处理,最早的厌氧生物处理,一 、厌氧生物处理的发展,进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有： HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高； 主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、厌氧附着膜膨胀床反应器（AAFEB）、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等； HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。,1881年由法国的Louis Mouras所发明的“自动净化器”开始的，最早用于处理城市污水处理厂的沉淀污泥，后来用于处理高浓度有机废水。普通厌氧生物处理法的主要缺点是水力停留时间长，一般需要2030d。,发展的厌氧生物处理,现代的厌氧生物处理,进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。,二、 厌氧生物处理的特点,与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点： 适合于污泥及高浓度有机废水的处理； 能耗降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气。污泥产量很低；产酸菌的产率Y为0.150.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.250.6kgVSS/kgCOD。可以使生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果。新工艺可达高负荷。,主要优点, 生化反应过程较为复杂； 处理设备启动时间长；2030 d 厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常 敏感； 出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行 进一步的处理； 气味较大； 对氨氮的去除效果不好；还可能由于原废水中含有的有机氮在厌 氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。,主要缺点,我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高。 能将有机污染物转变成沼气并加以利用； 运行能耗低； 有机负荷高，占地面积少； 污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等； 厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。,厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段,厌氧工艺的突出优点是：,三、 厌氧生物处理的发展趋势,开发厌氧生物处理新工艺用来治理有机污水的污染，无疑是一种具有良好经济效益的方法。近年来，污水厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括有厌氧接触法、升流式厌氧污泥床、档板式厌氧法、厌氧生物池、厌氧膨胀床和流化床、厌氧生物转盘等。 大家都在为提高生物处理能力和稳定性的途径努力着： 1.提高生物的持有量 2.利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离。,14.3.2 厌氧生物处理的基本原理,复杂有机物的厌氧降解,传统观念两阶段理论,1.酸性发酵阶段脂肪酸；2.甲烷发酵阶段甲烷和CO2发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。产生有还原性的有机物； CH3COCOOH2CO2+CH3CHO 2CH3COOH2CH4+2CO2,发展中观点三阶段理论,1.水解阶段：碳水化合物（脂肪、蛋白质）在水解发酵菌作用下转化 为糖类、脂肪酸、氨基酸、水和二氧化碳；2.产氢产乙酸阶段：脂肪酸在产氢产乙酸菌作用下转化成H2、CO2、乙酸 CH3CH2COOHCO2+CH3COOH+H23.产甲烷阶段：最后两组生理不同的产甲烷菌，有共同的产物 4H2+CO2CH4+2H2O （1/3）CO2还原 2CH3COOH2CH4+2CO2 （2/3）乙酸脱羧,水解与发酵,20%,最新观点四阶段厌氧生物代谢过程,一、早期的厌氧生物反应器, 1881年法国Mouras的自动净化器： 1891英国Moncriff的装有填料的升流式反应器： 1895年，英国设计的化粪池（Septic Tank）； 1905，德Imhoff池（称隐化池、双层沉淀池）特点有： 处理废水同时，也处理从废水沉淀下来的污泥； 前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质； 双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池； 停留时间很长，出水水质也较差 后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用,14.3.3 厌氧生物处理设备,化粪池例图,二、升流式厌氧污泥床工艺,在反应器的上部设置了气、固、 液三相分离器； 反应器底部设置了均匀布水系统 反应器内的污泥能形成颗粒污泥 特点：直径为0.10.5cm，湿比重 为1.041.08；具有良好的沉降性 和很高的产甲烷活性。,（一）UASB工艺的工作原理,升流式厌氧污泥床集生物反应与沉淀于一体的厌氧反应器，污水从下部流入，通过布水系统、厌氧颗粒污泥层、三相分离器，污水从上部溢流堰流出。,（二） 颗粒污泥形成的原理及主要工艺条件,颗粒污泥形成的原理,1.三种类型的颗粒污泥： 杆菌颗粒丝菌颗粒球菌颗粒,2.颗粒污泥的形成原理：细菌很容易在惰性材料表面上附着并结团。污泥中存在大量的丝状菌，具有较强的附着能力。,UASB反应器初次启动的操作原则,1、启动阶段的目的： 污泥适应将要处理废水中的有机物 污泥具有很好的沉降性2、启动时要遵守的原则： 最初污泥负荷不要太高 在挥发酸未能有效分解之前，不应增加反应器负荷 控制厌氧细菌的生存环境 种泥量要尽量多 控制一定的上升流速3.形成颗粒污泥的过程： 启动与提高污泥活性阶段 形成颗粒污泥阶段 逐渐形成颗粒污泥层阶段,1.接种污泥2.废水的性质3.反应器的工艺条件4.不同的出水乙酸浓度可以决定优势菌种,影响污泥颗粒化的因素,影响颗粒污泥直径大小的因素,1.温度2.底物在传质过程中所能进入颗粒内部的深度3.有机负荷的高低4.如果低负荷忽然增加负荷将使颗粒污泥破碎5.用较大的上升气流与产气量可选择性的洗出较小的颗粒污泥。,（三） 颗粒污泥的性质,颗粒污泥的物理性质,1.形状不规则2.颜色呈灰黑色或褐黑色，包裹灰白色生物膜3.相对密度在1.01-1.05左右4.污泥指数与颗粒大小有关5.颗粒污泥在反应器中的沉降速率为0.3-0.8m/h,颗粒污泥的成分,1.微生物及其分泌物 微生物：各类产酸细菌和产甲烷细菌，产酸细菌在颗粒外部，产甲烷 细菌在颗粒污泥内部2.惰性物质3.金属离子,颗粒污泥的活性,采用最大比底物利用速率表示，不同底物培养的颗粒污泥的活性不同,（四） UASB反应器的结构设计原理,UASB反应器的构造,1. 进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断 面，起到水力搅拌并均匀上升。 2. 反应区，反应区内存留大量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，其功能是将气体、固体和 液体三相进行分离。 4. 集气室，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，均匀收集处理水并将 其排出反应器。,UASB反应器的设计计算,1.UASB 反应器设计计算的主要内容有： 池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定； 进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算； 其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算,2.有效容积及主要构造尺寸的确定： UASB 反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为 反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即： V = Q Si / Lv 式中： Q废水流量，m3/d； Si进水有机物浓度，mgCOD/l； Lv COD 容积负荷，kgCOD/m3.d。,3. 三相分离器的设计：,三相分离器的基本原理与构造,在UASB 反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式, 沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡 度应为5560；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的 停留时间应在1.52.0h 之间； 回流缝的设计； 气液分离效果的计算与校核；,三相分离器的设计要点,上升流速,4. 出水系统的设计：5. 浮渣清除系统的设计：6. 排泥系统设计：7. 其他设计中应考虑的问题：加热和保温；沼气的收集、贮存和利用； 防腐；,8.UASB 的布水系统： 为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量，避免沟流，进水方式分为间歇式，脉冲式，连续均匀流，连续与间歇回流结合,9.进水水质的特性： 应考虑是否影响污泥的颗粒化，形成泡沫的浮渣、降解速率等问题。,10.UASB 的有机容积负荷： 确定有机负荷，以及进水流量和进水COD，可确定反应器的有效容积。,11.UASB 的水封高度： 控制一定的气囊高度可压破泡沫，可避免泡沫和浮泥进入排气系统。,UASB的特点, 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度50gVSS/l以上，污泥龄一 般为30天以上； 反应器的水力停留时间相应较短； 反应器具有很高的容积负荷； 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低 浓度的城市污水； UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑； 无需设置填料，节省了费用，提高了容积利用率； 一般也无需设置搅拌设备，上升水流和沼气产生的上升气流起 到搅拌的作用； 构造简单，操作运行方便。,（五）UASB反应器的若干发展形式,复合式厌氧反应器UBF,复合厌氧法是在一个设备内由几种厌氧反应器复合而成一种厌氧处理法。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。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)。,厌氧折流板反应器,1.基本原理： 反应器中设置多个垂直挡板，将反应器分隔为数个上向流和下向流的小室，使序流过这些小室；有人认为，厌氧挡板式反应器相当于多个UASB 反应器的串联；当废水浓度过高时，可将处理后的出水回流。2.主要特点： 与厌氧生物转盘相比，可省去转动装置；与UASB 相比，可不设三相分离器而截流污泥；反应器启动运行时间较短，远行较稳定；不需设置混合搅拌装置；不存在污泥堵塞问题。,内循环厌氧工艺,IC反应器可以看作是由两个UASB反应器串联而成的,具有很大的高径比,一般为48,其高度可达1625m。IC反应器由5个基本部分组成:混合区、污泥膨胀床区、内循环系统,精处理区和沉淀区。其中内循环系统是IC反应器工艺的核心构造,它由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管组成,三、两相厌氧生物处理,两相厌氧法是一种新型的厌氧生物处理工艺，有机底物的厌氧降解，可以分为产酸和产甲烷两个阶段。把这两个阶段的反应分别在两个独立的反应器内进行。分别创造各自最佳的环境条件，培养两类不同的微生物，并有旺盛的生理功能活动，将这两个反应器串联起来，形成能够承受较高的负荷率的两相厌氧发酵系统。 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，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，具有一定的耐冲击负荷的能力。 3.酸化反应器反应进程快，水力停留时间短，负荷率高，能够减轻产甲 烷反应器的负荷。,（一）两相厌氧生物处理原理,（二）两相厌氧生物处理技术,在两相厌氧工艺中，最本质的特征是实现相的分离，方法主要有： 化学法：投加抑制剂或调整氧化还原电位，抑制产甲烷菌在产 酸相中的生长； 物理法：采用选择性的半透明膜使进入两个反应器的基质有显 著的差别，以实现相的分离； 动力学控制法：利用产酸菌和产甲烷菌在生长速率上的差异， 控制两个反应器的水力停留时间，使产甲烷菌 无法在产酸相中生长。 目前应用的最多的相分离的方法，是最后一种，即动力学控制法。但实际上，很难做到相的完全分离。,四、悬浮生长厌氧生物处理法,（一）完全混合悬浮生长厌氧消化池,完全混合悬浮生长厌氧消化池属完全混合搅拌槽式反应器，没有污泥回流，水力停留时间和固体停留时间相等，HRT一般为1520d由于此工艺中生物持有量少，代谢速率慢，制约了厌氧处理技术应用于废水处理。,（二） 厌氧接触法,厌氧接触法是在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，使厌氧反应器内污泥能维持较高的污泥浓度，降低水力停留时间。 特点： 1.在反应器与沉淀池之间设脱气器，维持真空度，尽可能地将混 合液中的沼气脱除。 2.在反应器与沉淀池之间设冷却器，使混合液的温度由下降，以 抑制产甲烷菌 在沉淀池内活动。 3.投加混凝剂，提 高沉淀效果。,五、固着生长厌氧生物处理法,（一） 升流式厌氧填充床反应器,厌氧生物滤池是装填滤料的厌氧反应器。厌氧微生物以生物膜的形态生长在滤料表面，废水淹没滤料，在生物膜的吸附作用和微生物的代谢作用以及滤料的截留作用下，废水中有机污染物被去除。 所处理的废水的COD浓度范围较宽，约在30085000mg/l之间，处理效果良好，运行管理方便；与好氧生物滤池相似，厌氧生物滤池是装填有滤料的厌氧生物反应器，在滤料的表面形成了以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料的空隙中则截留了大量悬浮生长的厌氧微生物，废水通过滤料层向上流动或 向下流动时，废水中的有机物被 截留、吸附及分解转化为甲烷和 二氧化碳等。 分为升流式厌氧生物滤池、 降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式,升流式厌氧生物滤池，废水由底部进入，向上流动通过滤料层，处理水从滤池顶部旁侧升流式厌氧生物滤池中，生物量大部分以生物膜的形式附在滤料表面，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的间隙中，它的生物总量比降流式厌氧生物滤池高， 降流式厌氧生物滤池，处理水由滤池底部排出，沼气收集管仍设于池顶部上端，堵塞问题不如升流式厌氧生物滤池那样严重。 特点： 生物固体浓度高，有机负荷高； SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强； 启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易； 无需回流污泥，运行管理方便； 运行稳定性较好。而主要缺点是易堵塞，会给运行造成困 难。,（二） 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0.2lmm。废水从床底部流人，为使 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2070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