污水的厌氧生物处理 - 污水处理课件

第七章污水的厌氧生物处理

TheAnaerobicProcesses2

厌氧生物处理根本概念厌氧生物处理的根本生物过程及其特征又称厌氧消化、Thetoxicityofchlorinedioxide由多种〔厌氧或兼性〕微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CO2的过程。DO>0.5mg/L，好氧；DO≈0.5mg/L，有NO2-、NO3-，缺氧；DO=0mg/L，无NO2-、NO3-，厌氧。1概述2厌氧法的根本原理3厌氧法的工艺和设备4厌氧生物处理的影响因素厌氧反响器的早期研究早期的厌氧处理生物处理，重点是解决城市污水废污泥的处理问题。1895年，英国的Cameron创造了一种类似Mouras自动净化器的构筑物，被命名为化粪池。到1927年，Ruhrverband在专用的消化池中采用污泥加热装置之后，使得这种消化池得以推广。到1950年，Morgan和Torpey的研究成果也促进了高效的、可加温和搅拌的消化池的开展，导致了厌氧消化池中搅拌装置的广泛应用。上述这些反响器后来被统称之为第一代反响器。由于厌氧微生物生长缓慢，时代时间长，而厌氧消化池无法将水力停留时间和污泥停留时间别离，由此造成水力停留时间必须较长，一般来讲，第一代厌氧反响器处理废水的停留时间至少20～30天。典型第一代厌氧反响器的主要技术指标见表。主要技术指标化粪池普通消化池停留时间（d）150～36020～30有机负荷（g/L·d）1.0～1.5处理对象生活污水污泥、污水运行温度常温中、常温第一代厌氧生物反响器的共同特点是：①水力停留时间〔HRT〕很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。当进入上世纪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响器的处理工艺，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响器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反响器〞。第二代厌氧反响器结构示意图1974年，荷兰的Lettinga等人开发了升流式厌氧污泥床反响器，标志着厌氧反响器的研究进入了新的时代。第二代厌氧反响器的典型代表有厌氧滤池(AF),上流式厌氧污泥床(UASB)，厌氧流化床(AFB)。第二代厌氧反响器表1-2第二代厌氧反响器的主要技术性能第二代厌氧生物反响器的共同特点是:①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池〔AF〕、上流式厌氧污泥床〔UASB〕反响器、厌氧流化床〔AFB〕、厌氧生物转盘〔ARBC〕和挡板式厌氧反响器等；③HRT与SRT别离，SRT相对很长，HRT那么可以较短，反响器内生物量很高。进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反响器的广泛应用，在其根底上又开展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床〔EGSB〕反响器和厌氧内循环〔IC〕反响器。其中EGSB反响器利用外加的出水循环可以使反响器内部形成很高的上升流速，提高反响器内的基质与微生物之间的接触和反响，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反响器那么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，可以到达更高的有机负荷。这些反响器又被统一称为“第三代厌氧生物反响器〞。第三代厌氧反响器九十年代初在国际上以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB),内循环反响器(IC),升流式厌氧污泥床过滤器(UBF〕为代表的第三代厌氧反响器相继出现,图1-2为EGSB和IC反响器及UBF反响器的结构示意图。表1-3第三代厌氧反响器的主要技术性能第三代厌氧反响器的共同特点是：(1)微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反响器中，反响器单位容积的生物量更高。(2)能承受更高的水力负荷，并具有较高的有机污染物净化效能；(3)具有较大的高径比，一般在5～10以上；(4)占地面积小；(5)动力消耗小。厌氧生化法的优点：〔1〕应用范围广因供氧限制，好氧法一般适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法适用于中、高浓度有机废水。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，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。(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，而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。研究说明，当原水BOD5到达1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。〔3〕污泥产量很低这是由于在厌氧生物处理过程中废水中的大局部有机污染物都被用来产生沼气——甲烷和二氧化碳了，用于细胞合成的有机物相对来说要少得多；同时，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。〔4〕厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或局部降解；因此，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，或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后续好氧处理工艺的处理效果。

〔5〕氮、磷营养需要量较少好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为l00:2.5:0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。〔6〕有杀菌作用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、病毒等。〔7〕污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反响器可以季节性或间歇性运转。厌氧生物处理法缺点:〔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。2厌氧法的根本原理废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(anaerobicmicrobes)(包括兼氧微生物〕的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobicdigestion)。对批量污泥静置考察，可以见到污泥的消化过程明显分为两个阶段。固态有机物先是液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；在常温下，整个过程历时半年以上。传统的厌氧消化理论为两阶段理论第一阶段：酸化阶段，最显著的特征是液态污泥的pH值迅速下降。污泥中的固态有机物或污水中的大分子化合物，如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气体分子，气体大多溶解在泥液中。转化产物中有机酸是主体。低pH值有抑制细菌生长的作用，NH3的溶解产物NH4OH有中和作用。第二阶段：气化阶段，由低分子的有机酸经微生物作用转化为气体，气体类似沼泽散发的气体，可称沼气，主体是CH4，CO2也相当多，还有微量H2、H2S等，因此气化阶段常称甲烷化阶段。与好氧过程的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、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌(fermentativebacteria)、产氢产乙酸细菌(acetogenicbacteria)和产甲烷细菌(methanogenicbacteria)的联合作用完成。参与消化的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌。1967年，Bryant报告认为消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶所水解；第二阶段是酸化；在进入甲烷化阶段之前，代谢中间液态产物都要乙酸化，称乙酸化阶段；第四阶段是甲烷化阶段。然而甲烷化效率很高的甲烷八叠球菌能够代谢甲醇，乙酸和二氧化碳为甲烷。在工程技术上，研究甲烷细菌的通性是重要的，这将有助于打破厌氧生物处理过程分阶段的现象，从而最大限度地缩短处理过程的历时。经验和研究说明，pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。pH值应在6.8～7.2之间。在35℃～38℃和52℃～55℃各有一个最适温度。新的研究成果说明厌氧消化经历四个阶段大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）

水解细菌的胞外酶水解和溶解的有机物

酸化产酸细菌

有机酸、醇类、醛类等/H2，CO2

乙酸化乙酸细菌

乙酸

甲烷细菌

甲烷化甲烷细菌

CH4CH4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。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。在产氢产乙酸细菌的作用下，第一阶段产生的各种有机酸被分解转化成乙酸和H2，在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。23

厌氧消化过程中的主要微生物发酵细菌〔产酸细菌〕、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等1、发酵细菌〔产酸细菌〕：主要功能：水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等24

水解过程较缓慢，并受多种因素影响〔pH、SRT、有机物种类等〕，有时会成为厌氧反响的限速步骤；产酸反响的速率较快；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。25

(2)产氢产乙酸菌主要功能：将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2主要反响：乙醇：

丙酸：

丁酸：

注意：上述反响只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低时才能顺利进行。主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。26

(3)产甲烷菌60年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术；主要功能：将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；一般可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌；一般来说，乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，但在厌氧反响器中，有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解；27

根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，其分类如下：

最新的分类〔Bergy’s细菌手册第九版〕，共分为：三目、七科、十九属、65种；28

产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：①产甲烷杆菌②产甲烷球菌③产甲烷八叠球菌④产甲烷丝菌在生物分类学上，产甲烷菌〔Methanogens〕属于古细菌〔Archaebacteria〕，大小、外观上与普通细菌〔Eubacteria〕相似，但实际上，其细胞成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊29

在自然界的分布，一般可以认为是栖息于一些极端环境中〔如地热泉水、深海火山口、沉积物等〕，但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反响器等。产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化复原电位在-150-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达46天，因此，一般情况下产甲烷反响是厌氧消化的限速步骤。3厌氧法的工艺和设备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响的总过程是否在同一反响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)等厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反响器等。3．1普通厌氧消化池普通消化池又称传统或常规消化池(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，柱体局部的高度约为直径的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。螺旋桨(机械)搅拌的消化池循环消化液搅拌式消化池高温厌氧消化需要加温，常用加热方式有三种:(a)废水在消化池外先经热交换器预热到规定温度再进入消化池；(b)热蒸汽直接在消化器内加热；(c)在消化池内部安装热交换管。普通消化池的特点是:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。厌氧消化反响与固液别离在同一个池内实现，结构较简单。缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。温度不均匀，消化效率低。化粪池

化粪池用于处理来自厕所的粪便污水。广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。例如，郊区的别墅式建筑。

3．2厌氧滤池厌氧滤池〔anaerobicfilter又称厌氧固定膜反响器，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外表生长，当废水通过填料层时，在填料外表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。

填料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，也可使用塑料填料。厌氧生物滤池的特点及改进：在厌氧生物滤池中，厌氧微生物大局部存在于生物膜中，少局部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度分布是很不均匀的，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和颗粒较大时，进水部位容易发生堵塞现象。对厌氧生物滤池采取如下改进：〔a〕出水回流；〔b〕局部充填载体；〔c〕采用软性填料。厌氧生物滤池的特点是：〔a〕由于填料为微生物附着生长提供了较大的外表积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强；〔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〕微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；〔d〕启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。〔e〕处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。主要缺点：

滤料费用较贵

滤料容易堵塞主要优点：处理能力较高滤池内可以保持很高的微生物浓度不需另设泥水别离设备、出水SS较低设备简单、操作方便3．3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)。厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。厌氧接触法的特点:〔a〕通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；〔b〕消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3·d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；〔c〕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；〔d〕混合液经沉降后，出水水质好，〔e〕但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备〔f〕厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液别离的缺点。3．4上流式厌氧污泥床反响器UASB3.4.1概述3.4.2根本特点〔优点、缺点〕3.4.3UASB的构造和组成3.4.4颗粒污泥3.4.5UASB的设计〔1〕容积〔2〕配水〔3〕排泥的设计〔4〕结构设计的要求〔5〕三相别离器设计3.4.6UASB的启动47

东西湖啤酒厂UASB上图为UASB和氧化沟右图为三相别离器上流式厌氧污泥床反响器〔upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反响器，是由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。污泥床反响器内没有人工载体，反响器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能到达高生物量和高效高负荷。概述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、固三相别离器，那么一般为矩形，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。上流式厌氧污泥床反响器的根本特点

优点：有机负荷居第二代反响器之首,水力负荷满足要求;污泥颗粒化后使反响器对不利条件的抗性增强;在一定的水力负荷下，可以靠反响器内产生的气体来实现污泥与基质的充分接触。〔a〕反响器内污泥浓度高，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％的高度开展的颗粒污泥(sludgegranules)mm之间，颗粒污泥是UASB反响器的一个重要特征。〔b〕有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷在小试验和中型试验中可高达20-40kgCOD/〔m3·d〕在大型生产装置中可到达6-8kgCOD/〔m3·d〕。〔c〕反响器内设三相别离器，被沉淀区别离的污泥能自动回流到反响区，一般无污泥回流设备；简化了工艺，节约了投资和运行费用。〔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，提高了容积利用率，节省造价及防止堵塞问题。缺点：〔a〕大型装置内会有短流现象〔要求配水装置性能要好〕〔b〕进水SS要求≤200mg/L，以免对污泥颗粒化不利或减少反响区的有效容积，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〕对水质和负荷突然变化比较敏感〔e〕要求水温高些，最好35℃左右。由图可见，UASB工作时，废水从反响器底部进入，与污泥床层的高浓度颗粒污泥接触，污染物被分解产生沼气。污水、污泥和沼气一起向上流动，进入反响器的上部的三相别离器，完成气、液、固三相的别离。被别离的消化气从上部导出，被别离的污泥那么自动滑落到悬浮污泥层。出水那么从澄清区流出。3.4.3UASB的构造和组成UASB反响器的组成(1)进水配水系统将废水尽可能均匀地分配到整个反响器，并有水力搅拌功能。(2)反响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)三相别离器由沉淀区、回流缝组成，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，排出反响器。(5)气室也称集气罩，其作用是收集沼气。(6)浮渣去除系统其功能是去除沉淀区液面和气室外表的浮渣，根据需要设置。(7)排泥系统其功能是均匀地排除反响区的剩余污泥。61

3.4.5UASB的设计尚无完整的工程设计计算方法；主要内容有：①池型选择，有效容积确实定以及主要部位的尺寸；②设计进水配水系统、出水系统、和三相别离器等；