厌氧生物处理技术进展

1、,厌氧生物处理技术及研究进展,一、厌氧生物处理技术基础,1.1 厌氧-生物-发现发展,沼气（Marsh Gas）发现,有机污染物降解,1.2 厌氧技术应用举例-污泥消化,1.2 厌氧技术应用举例普通消化池,1.2 厌氧技术应用举例沼气发酵池,1.2 厌氧技术应用举例接触氧化池,1.3 厌氧生物处理技术发展历程,早期历史(摸索期) 1776：Volta发现湖泊、池塘底泥生成可燃气体 1856：Reist发现有机物分解并产生甲烷气 1860s：化粪池的雏型开始用于家庭生物污水处理 1881：首次出现化粪池的记载 1890：Moncrieff建造厌氧消化槽及厌氧滤床 1895：Cameron建造处理

2、量30m3/d化粪池并取得专利 1901：首座厌氧滤床成功投入运行 1904：Travis发明具固液分离功能的二段式化粪池 1905：Imhoff发明改良式化粪池 1914：美国75城市使用Imhoff改良式化粪池,中期发展(成熟期) 1920s：Buswell开始用厌氧消化池处理工业废水和农业废弃物 1927：Ruhrverband厂开始使用有加热装置的污泥厌氧消化槽，并回收沼气用于发电 1950s：工业废水厌氧处理中污泥停留时间等控制参数受到重视 1957年 Coulter开发新式厌氧固定滤床 1972年 厌氧固定滤床应用于工业废水处理 1974年 Jeris开发厌氧流体化床 1976：上

3、流式厌氧污泥床(UASB)应用于甜菜废水处理,1.3 厌氧生物处理技术发展历程,近期发展(创新期) 1979：Lettinga首次发表上流式厌氧污泥床 1984：Dranco厌氧生物处理法用于有机性废弃物处理 1987：UASB法应用马铃薯淀粉及屠宰场废水处理 1988：Valorga厌氧生物处理法用于有机废弃物处理 1990s：UASB法应用造纸、脂肪酸及城市废水处理 1990s： Dranco 法得到应用(10家) 2000s： Valorga法得到应用(12家）,1.3 厌氧生物处理技术发展历程,Originally: 污泥消化？：剩余污泥处置,60 to 80s: 农产品加工业,酵母,

4、 制酒, 食品加工排水,90s: 化工及石油化工：对苯二甲酸, 酚等,90 to 00s: 厌氧生物修复：PCP, BTEX,80 to 90s: 轻工及制药业,造纸废水、发酵废水、制药废水等,1.3 厌氧处理技术推广应用发展过程,厌氧新技术（AMMONIX反硝化等）,1.3厌氧与好氧生物处理技术的关系图,1.4 厌氧与好氧COD平衡图,1.4 厌氧与好氧COD平衡图,1.4 厌氧生物处理技术的进步,以前通常能不用厌氧法处理的就不用，不得已时结合厌氧处理与好氧处理先后处理，现在厌氧反应器发展迅速逐渐成为水处理的新的主力设备。,1产生的沼气可用于发电或作为能源,沼气中的主要成分是甲烷，含量50-

5、75%之间，是一种生物清洁燃料。以日排COD10t的工厂为例，若COD去除率为80%，甲烷产量为理论的80%时，则可日产甲烷2240m3,其热值相当于3.85t原煤，可发电5400度。,1.5 厌氧生物处理技术的优、缺点,2对营养物的需求量少 好氧方法BOD：N：P=100：5：1，而厌氧方法为（350-500）：5：1，相比而言对N、P的需求要小的多，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐。 4产生的污泥量少，运行费用低 繁殖慢；不需要曝气 基于这些优点，厌氧处理在食品、酿造、制糖等工业中得到了广泛的应用。但厌氧处理也存在缺点,1.5 厌氧生物处理技术的优、缺点,1出水的有机物浓度高于好氧处

6、理； 发酵分解有机物不完全； 2对温度变化较为敏感； 工业中需要设置进水的控温装置，37。 3厌氧微生物对有毒物质较为敏感； 但经过毒物驯化处理的厌氧菌对毒物的耐受力常常会极大地提高。,1.5 厌氧生物处理技术的优、缺点,4. 初次启动过程缓慢,处理时间长 好氧处理体系的活性污泥或生物膜通常只需要7天就可以培育成功，而厌氧处理体系的活性污泥或生物膜一般需要8-12周才可以培育成功。 5处理过程中产生臭气和有色物质 是什么？ 臭气主要是SRB形成的具有臭味的硫化氢气体以及硫醇、氨气、有机酸等的臭气。同时硫化氢还会与水中的铁离子等金属离子反应形成黑色的硫化物沉淀，使处理后的废水颜色较深，需要添加后

7、处理设施，进一步脱色脱臭。,1.5 厌氧生物处理技术的优、缺点,1.6厌氧微生物净化废水的作用机理,复杂污染物的厌氧降解过程可以分为四个阶段水解阶段、发酵阶段（又称酸化阶段）、 产乙酸阶段、产甲烷阶段 框图表示见下图,1水解阶段 在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物水解为小分子的有机物 2发酵阶段 梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等,3产氢、产乙酸阶段 上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。 4产甲烷阶

8、段 乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。 经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。,1.6 厌氧微生物净化废水的作用机理,1.7 厌氧消化过程中的碱度,1.9 厌氧生物处理典型工艺流程,其中：厌氧微生物活性及反应器是工艺的核心,废水,调节池,热交换器,37,厌氧反应器,气柜,沉淀池,出水,回流污泥,剩余污泥,1.9 厌氧工艺流程PH变化,二、厌氧生物处理反应器类型,2.1 厌氧反应器的性能评价基准,反应器中维持高浓度生物量(污泥） 生物膜填料 颗粒污泥 反应器中生物与废水充分接触 合理的布水系统 适宜

9、的液体表面上升流速 大量沼气(高浓度有机物),1,2,微生物的固定及活性维持,反应器传质,2.2 厌氧生物反应器的发展,工作原理 2级(平流沉淀+厌氧污泥消化),全国各地使用广泛，为生活污水的预处理液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌,第一代厌氧反应器化粪池,缺点：污泥量少、易被带出，静态消化,The 2nd generation anaerobic bioreactors (since 1970s),biogas,AAFEB or AFB,biogas,AF,biofilm carrier support,Inf.,Inf.,eff.,eff.,2.2 厌氧生物反应器的发展,biogas,D

10、SFF,eff.,The 2nd generation anaerobic bioreactors (since 1970s),Inf.,biogas,UASB,eff.,granular sludge,biofilm fabric,Inf.,2.2 厌氧生物反应器的发展,2.2 厌氧生物反应器的发展,厌氧折流板反应器（ABR）,厌氧UASB反应器工作原理,Sludge bed,2.2 厌氧生物反应器的发展,UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 反应器,2.2 厌氧生物反应器的发展,(2)Anaerobic Filter 厌氧滤床(AF),2.2 厌氧生

11、物反应器的发展, 具有相当高的有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统装置减少90%以上； 在不利的条件下(低温、冲击负荷、存在 抑制物)仍具有很高的稳定性； 反应器投资小，适合各种规模和可被结合在整体的处理技术中； 是能源净生产过程。,第二代厌氧生物反应器特点,2.2 厌氧生物反应器的发展,Number Full Scale High-Rate Anaerobic Bioreactors,高效厌氧反应器处理工业废水应用情况,2.2 厌氧生物反应器的发展,Most Important Markets for High Rate Anaerobic Treatment,啤酒及饮料工业废水,酒精及发酵

12、工业废水处理,食品生产及加工业废水处理,造纸工业废水,2.2 厌氧生物反应器的发展,New and Emerging Markets for High Rate Anaerobic Treatment,化工及制药工业废水,纺织印染工业废水,垃圾渗液,硫酸盐还原(去除及回收硫）,硫酸盐还原(沉淀重金属),2.2 厌氧生物反应器的发展,UASB占所有厌氧反应器总数的65%.UASB+EGSB 约占72%,65,2.2 厌氧生物反应器的发展,2.3 第二代废水厌氧生物反应器应用,2.3 第二代废水厌氧生物反应器应用,2.3 第二代废水厌氧生物反应器应用,2.3 第二代废水厌氧生物反应器应用,2.3

13、第二代废水厌氧生物反应器应用,2.4 UASB 反应器的缺点,高径比小，占地面积大； 增加截面积的放大方式难实现均匀布水； 三相分离器难以实现稳定操作。,启动时间较长； 液体上升流速较小，液固混合较差（特别在低温、低浓度条件下）； 负荷较高时，污泥易流失； 易造成有毒难降解化合物、非活性物质的吸附和积累。,1,2,3,1,2,3,4,结构设计方面,操作控制方面,3rd generation anaerobic reactors (1990s),2nd generation anaerobic reactors (1970s),biogas,UASB,Inf.,eff.,IC,biogas,ef

14、f.,Inf.,强化废水与 污泥接触,2.5 第三代厌氧生物反应器,第三代反应器均是在第二代厌氧反应器，特别是在UASB的基础上发展起来的，共同特点包括： 微生物均以颗粒污泥固定化方式存在于反应器之中，反应器单位容积的生物量更高； 能承受更高的水力负荷，并具有较高有机污染物净化效能； 具有较大的高径比，一般在510以上； 占地面积小，动力消耗少。,2.6 第三代厌氧生物反应器,2.7 第三代厌氧生物反应器的原理图,厌氧膨胀颗粒污泥床 内循环反应器 升流式污泥床过滤器,填料,EGSB IC UBF,厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB) 反应器特点,液体表面上升流速大(2.56 m/h)， 有机负荷高(

15、UASB的2-5倍）。 高径比大，污泥床处于膨胀状态； 适合于处理含有悬浮性固体和有毒物质废水； 颗粒污泥活性高，沉降性能好，粒径较大，强 度较好；,1,2,3,4,在低温、处理低浓度有机废水时有明显优势。,5,2.8 第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用,2.8 第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用,2.8 第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用,EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactor,2.8 第三代厌氧生物反应器的应用,Design Loads Full Scale UASB & EGSB,reactor,n,average design lo

16、ad,UASB,EGSB,682,198,10 kg COD/m3.d,20 kg COD/m3.d,Internal Circulation (IC) Anaerobic Reactor,One of 3rd generation anaerobic reactors Developed by PAQUES Co., the Netherlands The first report in 1994,2.8 第三代厌氧生物反应器-EGSB的应用,2.8 第三代厌氧生物反应器-IC的应用,2.8 第三代厌氧生物反应器-IC的应用,三、厌氧颗粒污泥及形成机制,3.1 厌氧颗粒污泥的形成机制及性质,

17、3.2 厌氧颗粒污泥的基本结构,1 厌氧活性污泥的性质和组成 由兼性厌氧菌和专性厌氧菌与废水中的有机杂质形成的污泥颗粒。呈灰色至黑色， 有生物吸附作用、生物降解作用和絮凝作用，有一定的沉降性能； 颗粒厌氧活性污泥的直径在05mm以上。 微生物的组成主要有六种： 由外到内水解细菌、发酵细菌、产氢细菌和乙酸菌、产甲烷菌 、硫酸盐还原菌、厌氧原生动物其中产甲烷丝菌是厌氧活性污泥的中心骨架。,3.2 厌氧颗粒污泥的基本结构,物理 特性,微生 物学 特性,致密的生物膜,卓越的沉降性能,较好的机构强度及稳定性,优化的微生态系统,完好的共生体系,高的比产甲烷活性 (0.5 to 2.0gCOD/gVSS.d

18、),较好的抗有机毒物质能力,(30-80 m/h),3.2 厌氧颗粒污泥的形成机制及性质,什么是颗粒污泥,3.2 厌氧颗粒污泥的形成机制及性质,3.3 第二代反应器颗粒污泥形成过程,厌氧微生物无载体固定化过程示意图,厌氧颗粒污泥,厌氧颗粒污泥的形成机制及性质,颗粒污泥截面电镜照片,颗粒污泥外部电镜照片,颗粒污泥表面丝状菌分布情况,培养基：乙酸盐,颗粒污泥表面杆状细菌分布情况,混合培养的颗粒污泥表层（糖类化合物）,Anaerobic Sludge Granules (settling),granular,flocculent,dispersed,厌氧生物技术的发展趋势展望,4.1 用于金属回收及

19、去除,NH4+ + NO2- N2 + 2H2O,ANAMMOX 细菌,10年前 鲜为人知, 直接转化 NH4+ 到 N2, 无需耗O2并使用COD,4.1 厌氧氨氧化新技术(ANAMMOX)发展,厌氧氨氧化反应过程,5NH4+3NO3-4N2+9H2O+2H+ NH4+NO2-N2+2H2O,NO3-,NO2-,NH4-,e-,N2,e+,e+,厌氧,微生物,历史 1995年荷兰学者在生物脱氮流化床反应器中发现，除了反硝化作用所致的各反应物的正常消失以外，氨也可在此条件下消失。 氨的消失与硝酸（盐）的消失同时发生且成正相关， 氨消失是细菌将氨用作电子供体所致，这个反硝化反应称为厌氧氨氧化。,

20、4.2 厌氧氨氧化新技术(ANAMMOX)发展,厌氧氨氧化与硝化反应结合产生革命性的生物脱氮技术 由于氨直接作反硝化反应的电子供体，可免去外源有机物（甲醇），既可节约运行费用，也可防止二次污染； 由于氧得到有效利用，供氧能耗下降； 由于部分氨没有经过硝化作用而直接参与厌氧氨氧化反应，产酸量下降，产碱量为零，这样可以减少中和所需的化学试剂，降低运行费用，也可以减轻二次污染。,厌氧氨氧化特点,1,2,3,4.2 厌氧氨氧化新技术(ANAMMOX)发展,厌氧氨氧化工程应用工艺流程,4.2 厌氧氨氧化新技术(ANAMMOX)发展,厌氧氨氧化反应器首次工业应用(2002年),The first full scale anammox reactor at the Dokhaven wastewater treatment plant, Rotterdam, the Netherlands.,4.2 厌氧氨氧化新技术(ANAMMOX)发展,4.3 厌氧生物修复技术发展,4