厌氧生物处理

第15章厌氧生物处理,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。,15.7固着生长厌氧生物处理法,15.1概述,15.2厌氧生物处理的基本原理,15.3厌氧微生物生态学,15.4升流式厌氧污泥层工艺,15.5两相厌氧生物处理,15.6悬浮生长厌氧生物处理法,15.8厌氧生物处理工艺的运行管理,15.1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,最早的厌氧生物处理,15.1.1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）、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。,处理法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”。,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（SepticTank）；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,15.1.2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：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。厌氧微生物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。,主要优点,厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂。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。厌氧生物处理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；厌氧生物处理的气味较大；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；目前高浓度有机工业废水的处理特点是：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。,我国的厌氧技术特点,我国的厌氧工艺技术特点,15.1.3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。,返回,15.2厌氧生物处理的基本原理,15.2.1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.稳定发酵阶段甲烷和CO23.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。4.产生有还原性的有机物；CH3COCOOH2CO2+CH3CHO2CH3COOH2CH4+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.产酸产乙酸阶段：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,1.酸性发酵阶段脂肪酸；2.稳定发酵阶段甲烷和CO23.发酵：指氢供体和受氢体都是有机化合物的生物氧化作用。4.产生有还原性的有机物；CH3COCOOH2CO2+CH3CHO2CH3COOH2CH4+2CO2,15.2.2水解阶段,定义复杂的非溶解性的有机物质在产酸细菌胞外水解酶的作用下转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。影响因素温度，水力停留时间，有机物质的组成成分，有机物质颗粒的大小；pH值；氨的浓度；水解产物浓度。,15.2.3产酸发酵阶段,微生物细菌、原生生物和真菌微絮凝、发酵细菌重要的微生物纤维素分解菌最重要的一步；产物CO2，H2，已醇；碳水化合物分解菌丙酮乙醇，乙酸（杆状菌生化絮凝）；蛋白质水解-生成氨基酸、（棱菌生化絮凝）脂肪分解菌脂肪酸（弧菌生化絮凝）,15.2.4产氢产乙酸阶段,主要微生物：产氢产乙酸菌以及同型乙酸菌产物：乙酸、甲烷、CO2、H2,15.2.5产甲烷阶段,在厌氧消化产甲烷菌时：C2H3O2Na+2O2NaHCO3+CH4+29.3kj/mol,主要微生物：产甲烷菌产物：甲烷特征：细胞的增殖很少，（甲烷细菌不繁殖，数量少，消化时间长）；食物不足；产生能量仅为好氧1/20-1/30。,反应方程式：,理论产生甲烷量：,1、糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：2、理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。,15.2.6其他厌氧生物处理过程,硫酸盐还原过程：又叫硫酸盐呼吸或反硫化作用1.定义：在厌氧条件下，化能异养型硫酸菌还原细菌利用废水中的有机物作为电子供体，将氧化态硫化物还原为硫化物的过程2.硫酸盐在处理中的危害：（1）与产甲烷菌竞争底物，一直产甲烷菌的生成。（2）H2S对产甲烷菌和其他厌氧细菌抑制。影响沼气产量和利用。3.解决办法：用两相厌氧生物处理工艺中的产酸相先期还原硫酸菌。,反硝化与厌氧氨氧化：,1.无氧条件下存在：NH4+和NO2-化能异养型硫酸菌2.定义：在厌氧条件下，过程为厌氧氨氧化3.有氧条件：NH4+NH2OHNO2-NO34.厌氧条件：NO3-NO2-NON2ON2,返回,15.3厌氧微生物生态学,15.3.1影响产酸细菌的主要生态因子,pH值：影响代谢速度及生长速度，并且影响发酵类型。最适范围67，2.氧化还原电位(ORP):影响生物种群中专性厌氧和兼性厌氧细菌的比例，最适范围200mV至300mV3.碱度:保证系统具有良好的缓冲能力，避免pH过低而导致某些厌氧细菌受到抑制4.温度：厌氧微生物的生长及代谢速率，最佳35摄氏度。5.水力停留时间和有机负荷：影响不是很大。,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制阶段，以甲烷菌的影响因素为主,15.3.2影响甲烷细菌的主要生态因子,温度因素1、中温（30-36）2、高温（50-53）,接触与搅拌1.搅拌作用：加速热传均匀底物供给将底物传质到细菌表面提高负荷2.搅拌与不搅拌：产气量增加30%3.方法：泵+水射器消化气循环混合搅拌法4.接触的作用：提高传质速率，厌氧污泥与介质间的液膜厚度，布水系统。,生物固体停留时间（污泥龄）与负荷1.停留时间c=Mr/e其中：Mr消化池内总生物量e=Me/t消化池每日排出的生物量；Me排出的生物总量，t排泥时间2.投配率每日投加新鲜污泥体积占消化池有效容积的百分数,营养物与C/N比C5H7NO3即细胞合成C/N=5：1，要求C/N=（10-20）：1C/N高，细胞的氮不足，水中缓冲能力下降，PH下降C/N低，氮量上升，铵盐积累，抑制消化,有毒物质例如：重金属Cu2+、Hg2+1.重金属对甲烷消化的抑制与酶结合，使酶的作用消失RSH+Me+RSMe+H+Me及氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀2.阴离子的毒害作用如S2-的毒害作用,pH1.产甲烷菌6.6-7.52.缓冲剂:CO2和NH3（NH3、NH4+）H+HCO3-H2CO3组成缓冲液电离常数：K+=H+HCO3-/H2CO3pH=-lgK+lg(HCO3-/CH2CO3)应保持2000mg/l的碱度，防止pH下降，缓冲能力弱，脂肪酸是甲烷发酵的产物，其浓度也应该在2000mgl左右；,15.3.3影响硫酸盐还原菌的主要生态子,15.3.4厌氧生化反应动力学,反应方程式,其中：-dS/dt底物去除速率，质量/体积.时间；k单位质量底物的最大利用速率，质量/细菌质量；S可降解的底物，质量/体积；Ks半速度常数，质量/底物体积，即在生长速率等于最大生长速率1/2时的底物浓度；X细菌浓度，质量/体积；dx/dt细菌增长速率，质量/体积时间；Y细菌产率，细菌质量/底物质量；b细菌衰亡速率系数，d-1,甲烷阶段是厌氧消化速率的控制因素，因此，厌氧消化动力学是以该阶段作为基础建立的,厌氧反应方程式的进一步推导,1/=（细菌净化增殖速率）1/d代入dx/dt的公式得到可降解的底物量(mg/l),15.3.5厌氧生物处理过程中微生物优势种群的演替及相互关系,推流式反应器：,1.产酸细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物2.产酸细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位3.产酸细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质4.产甲烷细菌为产酸细菌的生化反应解除了反馈抑制5.产酸细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜pH值,微生物的相互关系：,返回,15.4升流式厌氧污泥层工艺,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。,15.4.1USAB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。,15.4.2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。,15.4.3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,15.4.4UASB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=QSi/Lv式中：Q废水流量，m3/d；Si进水有机物浓度，mgCOD/l；LvCOD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。,15.4.5UASB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。,厌氧往复层反应器,在ABR反应器的基础上加入机械搅拌，保证系统中的污泥不沉降，同时进出水位置交替转换，保证反应器中污泥层的生物相基本相同。,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,返回,15.5两相厌氧生物处理,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。,15.5.1两相厌氧生物处理原理,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。,最适液相末端发酵产物的选择,返回,15.6悬浮生长厌氧生物处理法,15.6.1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，酣畅一段时间制约了厌氧处理技术应用于废水处理。,15.6.2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。,15.7固着生长厌氧生物处理法,15.7.1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。,15.7.2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