废水的厌氧生物处理

1、水污染控制工程,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,废水厌氧生物处理,厌氧生物处理,废水厌氧处理内容概要: 1. 厌氧生物处理概述 2. 厌氧工艺流程 3 厌氧生物处理反应器 4厌氧生物处理的设计与计算,第一节,废水厌氧生物处理概述,厌氧生物处理,1厌氧生物处理概述 19世纪末20世纪初：废水和粪便处理,反应时间长,出水水质差; 1860年法国人Mouras把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用，1881年法国杂志将Mouras创造的称为自动净化器(Automatic Scasenger)。 1895年英国Donald设计了厌氧化粪池。厌氧

2、化粪池的创建，是厌氧处理工艺发展史上的里程碑。从此，厕所等家庭用生活污水可通过化粪池得到较好的处理。,Water Pollution Control Engineering,1903年英国出现了Travis池。废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间上部分排出，不会影响两侧的沉淀区 。 1905年德国人Imhoff对Travis池作了改进，设计了Imhoff池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池。这种池型构造把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。这种装置在本世纪20年代被广泛应用与欧美各国。 化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占有

3、重要地位。,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,中期-被好氧工艺取代,在污泥处理方面有应用,污泥的厌氧消化; 普通消化池是这时期的主要反应器。 70年代后-重新发展, 环境问题和能源危机, 开发了新的厌氧生物处理反应器. 以UASB, 厌氧接触工艺为代表的多种工艺，均实现高的污泥浓度高的负荷，得到广泛应用。 应用现状: (A).废水处理,高浓度和高温度废水; (B). 污泥处理和城市垃圾处理; (C).生物质的资源化和能源化应用.,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,1.1 厌氧生

4、物处理的原理 (1). 复杂有机物的厌氧生物处理： (A). 水解. 在细胞外酶作用下,将大分子有机物水解为小分子溶解性有机物, 如多糖-单糖，脂肪-脂肪酸甘油,蛋白质-氨基酸, 小分子进入细胞内. 难降解或高分子的有机物水解过程较慢, 或可能成为速率限制步骤, 颗粒有机物的大小, 温度, pH, 有机物组成成分, 氨浓度,水力停留时间等影响水解速率.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,水解可以部分实现对难生物降解有机物的分解, 促进后续处理过程的生物有效性, 故对难降解废水可以预置厌氧反应器.,Water Pollution Control

5、 Engineering,温度,停留时间对水解速率常数Kh的影响,厌氧生物处理,(B)酸化. 产酸细菌酸化, 将溶解性有机物转化为挥发性脂肪酸和醇为主要产物的过程, 主要生成有机酸(甲酸,乙酸,丙酸,丁酸等)、醇(乙醇), H2, CO2 , NH3, N2, H2S等； 酸化过程速率较快, 产物对产甲烷过程影响较大, 酸化过程产物与厌氧的条件, 底物种类和微生物组成有关系, 主要有三类:丙酸型,丁酸型和乙醇型. 人们常常将不完全厌氧处理过程称为水解酸化.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(C)产氢产乙酸. 水解酸化产物(主要是2个C以上的

6、有机酸, 不包括乙酸)在产氢产乙酸细菌作用下生成氢,乙酸和CO2；主要反应:(醇和高级脂肪酸反应生成乙酸) CH3CH2OH + H2O = CH3COO- + H+ + 2H2 CH3CH2COO- + H2O = CH3COO- + H+ + HCO3- + 3H2 丁酸, 丙酸等转化为乙酸的过程由于标准吉布斯自由能为正值, 只有反应产物H+和H2的浓度低反应可以进行.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(D)产甲烷. 主要在两类不同的甲烷细菌下产生CH4, 是严格厌氧过程. 乙酸脱羧: 2CH3COOH 2CH4 + 2CO2 氢还原C

7、O2: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 3H2 + CO CH4 + H2O 2H2O + 4CO CH4 + 3CO2 此外还有利用醇还原CO2 得到甲烷和有机酸等途径.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,厌氧生物处理的原理和过程示意:,Water Pollution Control Engineering,复 杂 有 机 物,挥 发 酸 醇,CO2+H2,乙酸,CH4,水解 酸化 产氢产乙酸 产甲烷,5%,20%,28%,72%,简 单 有 机 物,10%,13%,35%,17%,30%,厌氧生物处理,(2).其他厌氧生物处理

8、A.硫酸盐还原:化能异氧型的硫酸盐还原细菌(SRB, Sulfate Reducing Bacteria) 利用废水的有机物作为电子供体,将氧化态硫化合物(SO42-,SO32-等)还原为低价态硫化合物(HS-,H2S,S2-等)的过程。 低浓度硫化合物由于存在对H2的利用, 对厌氧处理有机物一定程度是促进的; 但较高浓度的硫酸盐会严重抑制有机物的厌氧生物降解过程(竞争底物对产甲烷菌不利; 产生的H2S对微生物不利)。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,B.反硝化: 硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO2-)在厌氧或缺氧条件下被还原为氮气(

9、N2)的过程. C. 光合细菌: 光能异养的光合细菌在无氧条件下利用简单有机物进行光合作用, 然后在微氧或有氧条件下进行氧化代谢.光合细菌只能利用低分子量的有机物, 所以需要水解作为前处理过程.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,D.厌氧氨氧化(ANAMMOX, Anaerobic Ammonium Oxidation)： 是指在厌氧条件下,微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为受体,将NO3-, NO2-, NH4+转变成N2的生物转化氧化过程. N的转化过程并未清楚.,Water Pollution Control Eng

10、ineering,厌氧生物处理,1.2 厌氧生物处理的微生物 (A).水解酸化菌：细菌、真菌和原生动物, 多为专性厌氧菌或兼性, 根据分解有机物的不同, 分为纤维素、碳水化合物、蛋白质、脂肪分解菌等. (B).产乙酸菌：分2类-产氢产乙酸菌和同型乙酸菌, 厌氧或兼性菌. 产氢产乙酸菌将有机酸转化为氢和乙酸, 同型乙酸菌将H2+CO2转化为乙酸, 或将醇等转化为乙酸.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,产氢产乙酸菌：将有机酸转化为氢和乙酸. 如丙酸转化为乙酸过程: CH3CH2COOH +2H2O CH3COOH + 3H2 +CO2 同型乙酸

11、菌: 将H2+CO2转化为乙酸, 或将醇等转化为乙酸 . 如乙醇转化为乙酸: CH3CH2OH +H2O CH3COOH + 2H2,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(C). 产甲烷菌：严格厌氧菌。 对环境的条件要求比较苛刻, 对pH, 温度, 氧, 有毒物质浓度等较敏感.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,厌氧微生物与好氧微生物参数的比较,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,1.3 厌氧生物处理影响因素 甲烷菌增殖速率慢, 世代周期长,

12、受环境影响大, 对pH敏感, 产甲烷菌是废水处理系统控制因素, 对废水厌氧生物处理的主要因素是甲烷菌的影响因素. (1).pH：最适宜在6.87.2, 由于酸化和产乙酸,系统pH容易降低, 此外蛋白质降解的氨能够缓冲, 系统中酸、碱度、CO2、氨降解速率达到平衡.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(2).温度：常温, 1030；中温, 35左右有适宜温度；高温, 53左右. 高温对微生物杀灭作用强, 温度要求波动小.,Water Pollution Control Engineering,消化温度与消化时间的关系:,厌氧生物处理,Water

13、 Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(3). 污泥龄：要求大, 2030d, 厌氧微生物世代时间长. (4). 营养物质：COD:N:P=800:5:1, BOD: N: P= 100: 2.5: 1左右. 与好氧工艺相比对N,P等营养物质需求少. (5). 氧化还原电位：绝对厌氧条件, -0.2V以下. (6). 有机负荷：过高, 产酸速率大于产甲烷, 酸积累, pH下降; 水力负荷大, 微生物流失; 过低, 反应器体积大, 运行投资费用大.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(7).搅拌与混合：需要

14、搅拌措施，不能过度搅拌影响微生物的生活环境。因为产乙酸和产甲烷菌的严格共生关系。 (8).有毒物质：H2S和NH3等，对微生物有毒害作用， NH3 的毒害作用以NH4+形式，与pH有关。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,1. 4 厌氧生物处理工艺特点 负荷高: 容积负荷高, 运行费用低, 可回收CH4, 好氧法如普通活性污泥0.5, 普通生物滤池0.3, 生物转盘1.0, 生物接触氧化2-5, 生物流化床Xe，所以HRT SRT；而且X越大，则HRT可以越短, HRT可以缩短到几小时 十几小时.,厌氧生物处理,Water Pollution

15、 Control Engineering,厌氧生物处理,(2) 厌氧接触工艺本质： 属于厌氧活性污泥工艺, 污泥悬浮生长. 沉淀池泥水分离困难 (?) 解决方法：真空脱气, 使气泡破裂; 热交换急冷却，以抑制产气过程; 絮凝沉淀; 采用膜滤； 浮选 .,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(3) 厌氧接触工艺特点： 污泥浓度高，过高易造成污泥膨胀(类似好氧活性污泥); 容积负荷较高； 处理能力强, 适合处理高SS废水, 无堵塞问题; 增加了回流、沉淀、脱气等设备, 且脱气困难, 抗冲击负荷能力不强 .,Water Pollution Contr

16、ol Engineering,厌氧生物处理,3.8 升流式厌氧污泥床(UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket) (1) UASB工艺原理：生物反应与沉淀一体, 反应器同时具有沉淀功能, 进水从下向上通过反应器, 底部存在污泥浓度很高活性很高的污泥层, 颗粒污泥层；上为悬浮污泥层, 两污泥层为反应区。 三相分离器：气液固分离. 形成颗粒污泥是UASB工艺的关键, 关于颗粒污泥的形成机理.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(2) UASB反应器结构： 进水分配系统： 配水均匀 反应区： 颗粒和悬浮污泥 三相分离

17、： 作用等于沉淀池, 收集气体,Water Pollution Control Engineering,1)进水配水系统： 功能： 废水均匀地分配到反应器底部； 水力搅拌； 2)反应区： 分为污泥床区和污泥悬浮区, 污泥床区集中了高活性的颗粒污泥， 污泥悬浮区是絮状污泥集中的区域. 3) 三相分离器： 功能: 将气,固,液分开; 保证出水水质; 维持反应器内污泥量; 有利于污泥颗粒化.,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,UASB反应器外观,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,UASB反应器收集

18、沼气警示牌,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,UASB反应器沼气收集管,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,沼气,UASB反应器中间沉淀池表面有大量的沼气释放！,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(3). UASB工艺特点： 底部污泥浓度大, 水力停留时间短(接近好氧), 容积负荷高； 底部污泥以颗粒存在, 最大比重达1.041.08, 污泥颗粒化后使反应器对不利条件的抗性增强, 所以耐冲击负荷； 颗粒污泥的相对密度比人工载体小

19、, 在一定的水力负荷下, 可以靠反应器内产生的气体来混合, 可省去搅拌和回流污泥所需的设备和能耗；,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,沉降良好的颗粒污泥避免了附设沉淀分离装置, 辅助脱气装置和回流污泥设备, 简化了工艺, 节约了投资和运行费用； 容积利用率高, 无堵塞问题；处理效果好; 需要分离器, 如果污泥膨胀则污泥流失； 启动时间长, 对水质要求, ( SS不能太高, 排泥少, 形成污泥密度低), 对N, P去除效果差; 操作管理要求高.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(4) UAS

20、B反应器中的(颗粒)污泥: 颗粒污泥和悬浮污泥. 反应器底部是颗粒污泥,污泥浓度大; 反应器中部是悬浮污泥,污泥浓度较大.,Water Pollution Control Engineering,UASB反应器内污泥浓度特征 A:水力负荷低 B:水力负荷高,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,A,B,颗粒污泥的性质: 能在反应器内形成沉降性能良好、活性高的颗粒污泥是UASB反应器的重要特征，颗粒污泥的形成与成熟，也是保证UASB反应器高效稳定运行的前提. (1)颗粒污泥的外观 (2)颗粒污泥的组成 (3)颗粒污泥的培养驯化,厌氧生物处理,Wat

21、er Pollution Control Engineering,颗粒污泥,厌氧生物处理,颗粒污泥层的形成与培养(反应器启动): (1)最初的污泥负荷应低于0.10.2kgCOD/(kgSSd)； (2)废水中原来存在和产生出来的各种挥发酸未能有效地分解之前，不应增加反应器负荷； (3)反应器内的环境条件应控制在有利于厌氧细菌繁殖的范围内； (4)种泥量应尽可能多，一般应为1015kgVSS/m3； (5)控制一定的上升流速，允许多余的污泥冲洗出来，截留住重质污泥。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,形成颗粒污泥层的过程： 第一阶段：启动与提

22、高污泥活性阶段；有机负荷1kgCOD/（m3d），时间约11.5个月。 第二阶段：形成颗粒污泥阶段；有机负荷选择13kgCOD/（m3d），颗粒逐渐成长为直径13mm左右的颗粒污泥，此阶段11.5月。 第三阶段：逐渐形成颗粒污泥层阶段。反应器的有机负荷大于35kgCOD/（m3d），随着负荷的提高，反应器的污泥总量逐渐增加，污泥层逐渐提高，颗粒污泥层需要34个月。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,颗粒污泥性质 1. 颗粒污泥的物理性质 (1)形状不规则，一般呈球形或椭球形，直径0.12mm左右，最大可达35mm；(2)颜色呈灰黑色或褐黑色；

23、(3)相对密度一般为1.011.05左右；(4)污泥指数(SVI)与颗粒大小有关，颗粒污泥一般为10mL/gSS；(5)颗粒污泥在反应器中的沉降速率一般为0.30.8m/h； 2. 颗粒污泥的成分 含有微生物及分泌物外。一般都含有惰性物质，还含有金属离子。成熟的颗粒污泥，VSS/SS一般为7080，根据废水性质可在3090。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(5) UASB反应器中的结构设计 UASB反应器在一定程度上还属于较新的废水处理工艺技术，在实际应用过程中还存在着许多不确定因素，因此还没有形成完善的工程设计的计算方法。 UASB反应

24、器设计需要考虑的主要因素为： (1)废水组成成分和固体含量；(2)有机容积负荷；(3)上升流速；(4)三相分离系统；(5)布水系统和水封高度等物理特性。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,废水性质: 废水溶解性COD越高,负荷可以越大;进水SS不宜高于6g/L. 上升流速: 上升流速相当于表面水力负荷(m3/m2 d), 考虑污泥的沉降性能.,Water Pollution Control Engineering,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

25、负荷法确定，即： 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。,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,UASB反应器的容积负荷与反应温度、废水性质和浓度以及是否能够在反应器内形成颗粒污泥等多种因素有关，在不同的反应温度下的进水容积负荷的选择可参考如下数据：,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,三相分离器的结构 气、固、液分离器又称三相分离器，由沉淀区、集气室(或称集气罩)和气封组成，其功能是把气体(沼气)、固体

26、(微生物)和液体分离。 气体被分离后进入集气室(罩)，然后，固液混合液在沉淀区进行固液分离，下沉的固体藉重力由回流缝返回反应区。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,三相分离器的结构设计示意图,厌氧生物处理,三相分离器的设计应考虑以下几方面的因素： (1)沉淀器底部倾角应较大，可选择4560 (2)沉淀器内最大截面的表面水力负荷应保持在us=0.7m3/m2d 以下，水流通过液固分离孔隙的平均流速应保持在u0=2m3/m2d 以下； (3)气体收集器间缝隙的截面面积不小于总

27、面积的1520; (4)对于高为57m的反应器，气体收集器的高度应为1.52m; (5)b100200mm； (6)控制气室 的水面高度及压力。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,EGSB结构示意图： 比UASB多出水循环系统,Water Pollution Control Engineering,膨胀的 颗粒污泥,三相分离器,CH4,进水,出水,3.9 厌氧膨胀颗粒污泥床 (Expanded Granular Sludge Bed, EGSB): 与UASB 比,具有更高的液体升速, 使颗粒污泥床处于膨胀状态.,厌氧生物处理,EGSB特点：

28、 工作区为流态化的初期, 即膨胀阶段, 进水流速较低, 在充分保证进水基质与污泥颗粒接触的条件下, 加速生化反应, 增加容积负荷；反应器高度大-占地面积小; 有利于减轻或消除静态床(如UASB) 中常见的底部负荷过重的状况, 增加对毒物的承受能力, 更耐冲击负荷; 避免反应器内死角和短流, 均匀了负荷, 运行稳定; 为使污泥膨胀, 采用出水循环, 需要更高的动力;,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,3.10 内循环式厌氧反应器 (Internal Circulation ,简称IC):IC反应器实际上是由底部和上部两个UASB反应器串联叠加而

29、成。反应器具有两个三相分离器,使生物量得到有效滞留： 进水和循环回流的泥水在膨胀床部分充分混合，使进水得到稀释和调节，并在此形成致密的厌氧污泥膨胀床.,Water Pollution Control Engineering,IC反应器的结构示意图: 利用的CH4气提作用实现内循环; 在无外能量的条件下,实现一级反应器的污泥膨胀-流化态. 核心是在UASB基础上实现了内循环.,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,CH4,气水分离室,进水,出水,H2O,1.一级三相分离器;2.沼气提升管;3.气水分离器;4.回流管;5.二级三相分离器;6.沉淀区,

30、1,2,3,4,5,6,IC反应器外观,厌氧生物处理,IC反应器的特点(优点)： 工作区为完全的流态化, 传质效果好, 反应速率高； 克服底部负荷过重的状况. 增加对毒性物质的承受能力. 更耐冲击负荷； 避免反应器内死角和短流的产生. 均匀了负荷, 运行稳定；,Water Pollution Control Engineering,IC反应器特点(缺点): 反应器结构复杂, 施工, 安装, 维护和管理困难; 反应器高度大, 动力和能耗较大; 反应器构造对运行有很大的影响,设计参数方面还不成熟.,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,

31、3.11 上流污泥床/过滤器 (Upflow Blanket Filter ,简称UBF) :UBF是在UASB和AF 的基础上开发成功的新型复合式厌氧反应器, 该新型反应器可以充分发挥UASB和AF两种高效反应器的优点.,Water Pollution Control Engineering,颗粒污泥,滤料层,出水,排泥,集气,厌氧生物处理,特点： 反应器上部的填料层增加了生物总量, 又可防止生物洗出, 还可加速污泥与气泡的分离, 降低污泥流失, 反应器积累微生物能力增强, 有机负荷更高； 启动速度快, 处理率高, 运行稳定； 与UASB比较, 不需要三相分离器； 填料价格昂贵.,Water

32、 Pollution Control Engineering,总结厌氧生物反应器： 厌氧活性污泥：厌氧接触 厌氧生物膜：厌氧生物滤池,厌氧流化床，厌氧生 物转盘 厌氧颗粒污泥：UASB, EGSB, IC,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,第四节,废水厌氧生物处理设计计算,厌氧生物处理,4厌氧生物处理的设计与计算 41 反应器设计计算 （A）反应器有效容积V计算: V Qt V QS0/Nv 经验公式。 厌氧生物反应器设计的说明，UASB。,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,42 污泥浓度计

33、算: 水力停留时间(HRT)与污泥龄(SRT)相同 (完全混合厌氧反应器, 消化池) 水力停留时间：t=V/Q 污泥龄：c = =V/Q= t 因为出水的微生物浓度Xe=反应器内微生物浓度X, 所以水力时间等于污泥龄。 Nv QS0/ VS0/c或者cS0/ Nv 如S0取20000mg/L，Nv为1.5 kgCOD/m3d，则 c13.3d, 提高泥龄, 只有降低负荷.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,污泥浓度： X= = 以20乙酸计算，Kd0.015，Y0.04，若污泥龄为30d，进水COD为10000，出水1000mg/L则 X0.049000/1.45248 mg/L 污泥浓度太低了!,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,水力停留时间(HRT)与污泥龄(SRT)不同 (厌氧接触法) 将反应器和沉淀池视为整体，动力学仍适用， 污泥龄,假设系统不排剩余污泥(系统剩余污泥少,基本随出水流出)： c = = 污泥浓度： X= 仍以上例, 若污泥龄为30d，水力时间为12h, 进水COD为10000，出水1000mg/L则污泥浓度为14880mg/L,Water Pollution Control Engineering,厌氧