北京科技大学环境工程课件

北京科技大学环境工程课件第12章废水得厌氧处理12、1概述L13、2厌氧法得基本原理L12、3厌氧法得工艺与设备L12、4厌氧法得影响因素L12、5厌氧设备得运行管理

L12、6厌氧与好氧技术得联合运用简介

L12、1概述废水厌氧生物处理就是环境工程与能源工程中得一项重要技术,就是有机废水强有力得处理方法之一。过去,它多用于城市污水处理厂得污泥、有机废料以及部分高浓度有机废水得处理。目前,厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥与高浓度有机废水,也用于处理中、低浓度有机废水,包括城市污水。厌氧生化法得特点:(1)应用范围广因供氧限制,好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水得处理,而厌氧法既适用于高浓度有机废水,又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说就是难降解得,但对厌氧生物处理就是可降解得,如固体有机物、着色剂蒽醌与某些偶氮染料等。(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得增加而增大,而厌氧法不需要充氧,而且产生得沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后,沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明,当原水BOD5达到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。一般厌氧法得动力消耗约为活性污泥法得1/10。(3)负荷高通常好氧法得有机容积负荷为2

4kgBOD/(m3·d),而厌氧法为2

l0kgCOD/(m3·d),高得可达50kgCOD/(m3·d)。(4)剩余污泥量少,且其浓缩性、脱水性良好好氧法每去除lkgCOD将产生0、4

0、6kg生物量,而厌氧法去除lkgCOD只产生0、02

0、lkg生物量,其剩余污泥量只有好氧法得5％

20％。同时,消化污泥在卫生学上与化学上都就是稳定得。因此,剩余污泥处理与处置简单、运行费用低,甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。(5)氮、磷营养需要量较少好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1,而厌氧法得BOD:N:P为l00:2、5:0、5,对氮、磷缺乏得工业废水所需投加得营养盐量较少。(6)有杀菌作用厌氧处理过程有一定得杀菌作用,可以杀死废水与污泥中得寄生虫卵、病毒等。(7)污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存,厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。(8)厌氧生物处理法也存在下列缺点:(a)厌氧微生物增殖缓慢,因而厌氧设备启动与处理所需时间比好氧设备长;(b)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;(c)厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。(d)厌氧过程会产生气味对空气有污染。返回目录13、2厌氧法得基本原理废水厌氧生物处理就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)得作用,将废水中得各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)与二氧化碳(carbondioxide)等物质得过程,也称为厌氧消化(anaerobicdigestion)。与好氧过程得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。厌氧生物处理就是一个复杂得微生物化学过程,依靠三大主要类群得细菌,即:

水解产酸细菌(fermentativebacteria)

产氢产乙酸细菌(acetogenicbacteria)

产甲烷细菌(methanogenicbacteria)得联合作用完成。厌氧消化过程划分为三个连续得阶段,即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段与产甲烷阶段。第一阶段为水解酸化阶段。复杂得大分子、不溶性有机物先在细胞外酶得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。第二阶段为产氢产乙酸阶段。在产氢产乙酸细菌得作用下,第一阶段产生得各种有机酸被分解转化成乙酸与H2,在降解奇数碳素有机酸时还形成CO2。第三阶段为产甲烷阶段。产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2与H2等转化为甲烷。厌氧消化得三个阶段与COD转化率(1)水解酸化(2)产氢产乙酸(3)产甲烷复杂有机物高级有机酸H2乙酸CH4大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静此过程由两组生理上不同得产甲烷菌完成,一组把氢与二氧化碳转化成甲烷,另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷,前者约占总量得l/3后者约占2/3。上述三个阶段得反应速度依废水性质而异,在含纤维素、半纤维素、果胶与脂类等污染物为主得废水中,水解易成为速度限制步骤;简单得糖类、淀粉、氨基酸与一般得蛋白质均能被微生物迅速分解,对含这类有机物为主得废水,产甲烷易成为限速阶段。返回目录12、3厌氧法得工艺与设备按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)与厌氧生物膜法(anaerobicslime);按投料、出料及运行方式分为分批式(batch)、连续式(continuous)与半连续式(semi-continuous);根据厌氧消化中物质转化反应得总过程就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应器等。12、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)。消化池常用密闭得圆柱形池,废水定期或连续进入池中,经消化得污泥与废水分别由消化池底与上部排出,所产沼气从顶部排出。L池径从几米至三、四十米,柱体部分得高度约为直径得1/2,池底呈圆锥形,以利排泥。为使进水与微生物尽快接触,需要一定得搅拌。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。螺旋桨搅拌得消化池污泥排出管检修口搅拌器沼气排出管集气罩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。污循环消化液排泥蒸汽沼气进水出水普通消化池得特点就是:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大得料液。厌氧消化反应与固液分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得特殊装置,消化器中难以保持大量得微生物细胞。对无搅拌得消化器,还存在料液得分层现象严重,微生物不能与料液均匀接触得问题。温度不均匀,消化效率低。12、3、2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)。厌氧接触法工艺进水沼气消化池沉淀池剩余污泥回流污泥出水真空脱气器厌氧接触法得特点:(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)消化池得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

30d,而接触法小于10d;(c)可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大得料液,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、污泥回流与脱气等设备(f)厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离得缺点。几种脱气方法:L(a)真空脱气,由消化池排出得混合液经真空脱气器(真空度为0、005MPa),将污泥絮体上得气泡除去,改善污泥得沉降性能;(b)热交换器急冷法,将从消化池排出得混合液进行急速冷却。(c)絮凝沉降,向混合液中投加絮凝剂,使厌氧污泥易凝聚成大颗粒,加速沉降;(d)用超滤器代替沉淀池,以改善固液分离效果。12、3、3上流式厌氧污泥床反应器上流式厌氧污泥床反应器(upflowanaerobicsludgeblanketreactor),简称UASB反应器,就是由荷兰得G、Lettnga等人在70年代初研制开发得。污泥床反应器内没有载体,就是一种悬浮生长型得消化器。由反应区(reactionregion)、沉淀区(settlingregion)与气室(gascollectiondome)三部分组成。UASB反应器示意图颗粒污泥层悬浮污泥层出水进水三相分离器沉淀区沼气气室上流式厌氧污泥床得池形有圆形、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,上流式厌氧污泥床反应器得特点:(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;

污泥床中得污泥由活性生物量占70％

80％得高度发展得颗粒污泥(sludgegranules)组成,颗粒得直径一般在0、5

5、0mm之间,颗粒污泥就是UASB反应器得一个重要特征。(b)有机负荷高,水力停留时间短,中温消化,COD容积负荷一般为10

20kgCOD/(m3·d);(c)反应器内设三相分离器,被沉淀区分离得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,利用本身产生得沼气与进水来搅动;(e)污泥床内不填载体,节省造价及避免堵塞问题。(f)反应器内有短流现象,影响处理能力。进水中得悬浮物应比普通消化池低得多,特别就是难消化得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得有效容积,甚至引起堵塞;(g)运行启动时间长,对水质与负荷突然变化比较敏感。12、3、4厌氧滤池厌氧滤池(anaerobicfilter又称厌氧固定膜反应器,就是上世纪60年代末开发得新型高效厌氧处理装置。滤池呈圆柱形,池内装放填料,池底与池顶密封。厌氧微生物附着于填料得表面生长,当废水通过填料层时,在填料表面得厌氧生物膜作用下,废水中得有机物被降解,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,以降流得形式流过填料层,从池底部排出,称降流式厌氧滤池。进水出水沼气虑料承托层布水板厌氧生物滤池得特点及改进:在厌氧生物滤池中,厌氧微生物大部分存在于生物膜中,少部分以厌氧活性污泥得形式存在于滤料得孔隙中。厌氧微生物总量沿池高度分布就是很不均匀得,在池进水部位高,相应得有机物去除速度快。当废水中有机物浓度高时,特别就是进水悬浮固体浓度与颗粒较大时,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)部分充填载体;(c)采用软性填料。 厌氧生物滤池得特点就是:(a)由于填料为微生物附着生长提供了较大得表面积,滤池中得微生物量较高,又因生物膜停留时间长,平均停留时间长达100天左右,因而可承受得有机容积负荷高,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,因此不需污泥回流与搅拌设备;(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得有机废水,易发生堵塞,尤以进水部位更严重。滤池得清洗也还没有简单有效得方法。12、3、5厌氧流化床进水出水循环泵沼气载体平移得上界面厌氧流化床特点:(a)载体颗粒细,比表面积大,可高达2000

3000m2/m3左右,使床内具有很高得微生物浓度,因此有机物容积负荷大,一般为10

40kgCOD/m3·d,水力停留时间短,具有较强得耐冲击负荷能力,运行稳定;(b)载体处于流化状态,无床层堵塞现象,对高、中、低浓度废水均表现出较好得效能;(c)载体流化时,废水与微生物之间接触面大,同时两者相对运动速度快,强化了传质过程,从而具有较高得有机物净化速度;(d)床内生物膜停留时间较长,剩余污泥量少;(e)结构紧凑、占地少以及基建投资省等。(f)但载体流化耗能较大,且对系统得管理技术要求较高。为了降低动力消耗与防止床层堵塞,可采取如下措施:(a)间歇性流化床工艺,即以固定床与流化床间歇性交替操作。固定床操作时,不需回流,在一定时间间歇后,又启动回流泵,呈流化床运行;(b)尽可能取质轻、粒细得载体,如粒径20

30

m、相对密度1、05

1、2g/cm3得载体。保持低得回流量,甚至免除回流就可实现床层流态化。12、3、6厌氧生物转盘与挡板反应器厌氧生物转盘得构造与好氧生物转盘相似,不同之处在于盘片大部分(70％以上)或全部浸没在废水中,为保证厌氧条件与收集沼气,整个生物转盘设在一个密闭得容器内。厌氧挡板反应器就是从研究厌氧生物转盘发展而来得,生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。挡板反应器与生物转盘相比,可减少盘得片数与省去转动装置。厌氧生物转盘示意图进水沼气隔板转轴反应出水转动盘片固定盘片厌氧挡板反应器示意图进水循环泵出水沼气回流挡板厌氧生物转盘得特点:(a)厌氧生物转盘内微生物浓度高,因此有机物容积负荷高,水力停留时间短;(b)无堵塞问题,可处理较高浓度得有机废水;(c)一般不需回流,所以动力消耗低;(d)耐冲击能力强,运行稳定,运转管理方便。但盘片造价高。12、3、7两步厌氧法与复合厌氧法厌氧消化反应分别在两个独立得反应器中进行,每一反应器完成一个阶段得反应,比如一为产酸阶段,另一为产甲烷阶段,故又称两段式厌氧消化法。按照所处理得废水水质情况,两步可以采用同类型或不同类型得消化反应器。第一步反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行;第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度与pH值范围。接触消化池-上流式污泥床两步消化工艺水解产酸反应,控制条件使之产生脂肪酸,尽量不产生沼气沉降分离,去除不溶性有机物出水沼气排泥进水热交换器废水被加热到需要得温度产甲烷阶段,使第一步反应产生得有机酸生成甲烷与二氧化碳等最终产物两步厌氧法具有如下特点:(a)耐冲击负荷能力强,运行稳定,避免了一步法不耐高有机酸浓度得缺陷;(b)两阶段反应不在同一反应器中进行,互相影响小,可更好地控制工艺条件;(c)消化效率高,尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解得高浓度有机废水。(d)但两步法设备较多,流程与操作复杂。纤维填料厌氧滤池与上流式厌氧污泥床复合法工艺返回目录出水进水沼气产甲烷阶段,使第一步反应产生得有机酸生成甲烷与二氧化碳等最终产物废水箱泵流量计复合厌氧反应器沉淀池12、4厌氧法得影响因素控制厌氧处理效率得基本因素有两类:一类就是基础因素,包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等;另一类就是环境因素,如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。产甲烷细菌就是决定厌氧消化效率与成败得主要微生物,产甲烷阶段就是厌氧过程速率得限制步骤。12、4、1温度条件各类微生物适宜得温度范围就是不同得,一般认为,产甲烷菌得温度范围为5

60℃。在35℃与53℃上下可以分别获得较高得消化效率,温度为40

45℃时,厌氧消化效率较低。据产甲烷菌适宜温度条件得不同,厌氧法可分为常温消化、中温消化与高温消化三种类型。温度对厌氧消化过程得影响温度得急剧变化与上下波动不利于厌氧消化作用。短时内温度升降5℃,沼气产量明显下降,波动得幅度过大时,甚至停止产气。温度得波动,不仅影响沼气产量,还影响沼气中甲烷得含量,尤其高温消化对温度变化更为敏感。温度得暂时性突然降低不会使厌氧消化系统遭受根本性得破坏,温度一经恢复到原来水平时,处理效率与产气量也随之恢复。12、4、2pH值每种微生物可在一定得pH值范围内活动,产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感,其适宜得pH值范围较广,在4、5

8、0之间。产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近,最适宜pH值为7、0

7、2,pH6、6

7、4较为适宜。在厌氧法处理废水得应用中,由于产酸与产甲烷大多在同一构筑物内进行,故为了维持平衡,避免过多得酸积累,常保持反应器内得pH值在6、5

7、5(最好在6、8

7、2)得范围内。在厌氧消化过程中,pH值得升降变化除了外界因素得影响之外,还取决于有机物代谢过程中某些产物得增减。产酸作用产物使有机酸得含量增加,会使pH值下降。含氮有机物分解产物氨得增加,会引起pH值升高。在厌氧处理中,pH值除受进水得pH影响外,主要取决于代谢过程中自然建立得缓冲平衡,取决于挥发酸、碱度、CO2、氨氮、氢之间得平衡。12、4、3氧化还原电位无氧环境就是严格厌氧得产甲烷菌繁殖得最基本条件之一。产甲烷菌对氧与氧化剂非常敏感,这就是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。氧就是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件得重要因素,但不就是唯一因素。挥发性有机酸得增减、pH值得升降以及铵离子浓度得高低等因素均影响系统得还原强度。如pH值低,氧化还原电位高;pH值高,氧化还原电位低。12、4、4有机负荷在厌氧法中,有机负荷通常指容积有机负荷,简称容积负荷,即消化器单位有效容积每天接受得有机物量(kgCOD/m3·d)。对悬浮生长工艺,也有用污泥负荷表达得,即kgCOD/(kg污泥·d)。在污泥消化中,有机负荷习惯上以投配率或进料率表达,即每天所投加得湿污泥体积占消化器有效容积得百分数。由于各种湿污泥得含水率、挥发组分不尽一致,投配率不能反映实际得有机负荷,为此,又引入反应器单位有效容积每天接受得挥发性固体质量这一参数,即kgMLVSS/m3·d。有机负荷值因工艺类型、运行条件以及废水中污染物得种类及其浓度而异。在通常得情况下,常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水得有机负荷为2

3kgCOD/(m3·d),在高温下为4

6kgCOD/(m3·d)。上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺得有机负荷在中温下为5

15kgCOD/(m3·d),可高达30kgCOD/(m3·d)。在处理具体废水时,最好通过试验来确定其最适宜得有机负荷。12、4、5厌氧活性污泥厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢得与吸附得有机物、无机物组成。厌氧活性污泥得浓度与性状与消化得效能有密切得关系。性状良好得污泥就是厌氧消化效率得基础保证。厌氧活性污泥得性质主要表现为它得作用效能与沉降性能。故在一定得范围内,活性污泥浓度愈高,厌氧消化得效率也愈高。但也不就是越高越好。12、4、6搅拌与混合通过搅拌可消除池内梯度,增加食料与微生物之间得接触,避免产生分层,促进沼气分离。在连续投料得消化池中,还使进料迅速与池中原有料液相混匀。在传统厌氧消化工艺中,也将有搅拌得消化器称为高效消化器。搅拌程度与强度要适当。搅拌得方法:(a)机械搅拌器搅拌法;(b)消化液循环搅拌法;(c)沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌,还有利于使沼气中得CO2作为产甲烷得底物被细菌利用,提高甲烷得产量。厌氧滤池与上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备,虽没有专设搅拌装置,但以上流得方式连续投入料液,通过液流及其扩散作用,也起到一定程度得搅拌作用。12、4、7废水得营养比厌氧微生物得生长繁殖需按一定得比例摄取碳、氮、磷以及其她微量元素。工程上主要控制进料得碳、氮、磷比例,因为其她营养元素不足得情况较少见。厌氧法中碳:氮:磷控制为(200

300):5:1为宜。在碳、氮、磷比例中,碳氮比例对厌氧消化得影响更为重要。研究表明,合适得C/N为(10

18):1。C/N与新细胞合成量

氮浓度与处理量得关系及产气量关系12、4、8有毒物质包括有毒有机物、重金属离子与一些阴离子等。对有机物来说,带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构,往往具有抑制性。有毒物质得最高容许浓度与处理系统得运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。返回目录12、5厌氧设备得运行管理12、5、1厌氧设备得启动厌氧处理工艺得缺点之一就是微生物增殖缓慢,设备启动时间长,若能取得大量得厌氧活性污泥就可缩短投产期。最好选择同类物料厌氧消化污泥。如果采用一般得未经消化得有机污泥自行培养,所需时间更长。一般来说,接种污泥量为反应器有效容积得10％

90％,依消化污泥得来源方便情况酌定,原则上接种量比例增大,启动时间缩短。12、5、2厌氧反应器运行中得欠平衡现象及其原因厌氧消化过程易于出现酸化,即产酸量与用酸量不协调,这种现象称为欠平衡。 欠平衡时可以显示出如下得症状:(a)消化液挥发性有机酸浓度增高;(b)沼气中甲烷含量降低;(c)消化液pH值下降;(d)沼气产量下降;(e)有机物去除率下降。诸症状中最先显示得就是挥发性有机酸浓度得增高,故它就是一项最有用得监视参数,有助于尽早地察觉欠平衡状态得出现。 厌氧消化作用欠平衡得原因:有机负荷过高;进水pH值过低或过高;碱度过低,缓冲能力差;有毒物质抑制;反应温度急剧波动;池内有溶解氧及氧化剂存在12、5、3运行管理中得安全要求厌氧设备得运行管理很重要得问题就是安全问题。沼气中得甲烷比空气轻、非常易燃,空气中甲烷含量为5％

15％时,遇明火即发生爆炸。沼气中含有微量有毒得硫化氢,但低浓度得硫化氢就能被人们所察觉。沼气中得二氧化碳。凡需因出料或检修进入消化池之前,务必以新鲜空气彻底置换池内得消化气体,以确保安全。返回目录12、6厌氧与好氧技术得联合运用简介实际工业废水中有机物得浓度较高,COD可以达到几万甚至几十万。高浓度有机废水用一种方法很难处理到要求得水平。所以需要用厌氧与好氧处理方法联合应用才能达到好得效果。此处仅举一例:某制药厂废水得处