第18章 厌氧生物处理.

第十八章厌氧生物处理教学目的与要求了解厌氧生物处理基本原理；熟悉厌氧生物处理；掌握工业废水厌氧生物处理设备的构造与要点。教学重点工业废水厌氧生物处理工艺教学难点工业废水的厌氧生物处理工艺课程18.1厌氧生物处理的发展18.2厌氧生物处理的主要特征18.3厌氧生物处理基本原理18.4厌氧消化的影响因素与控制要求18.5两级厌氧与两相厌氧处理18.6厌氧生物处理工艺与反应器18.1厌氧生物处理的发展“自动净化器（1881年法国人LouisMouras）第一代厌氧生物反应器如化粪池、双层沉淀池（处理城市污水）厌氧消化池（剩余污泥）特点：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，处理效果不理想；③具有浓臭的气味第二代厌氧生物反应器（上世纪50、60年代）特点：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。第三代厌氧生物反应器UASB反应器、EGSB反应器、IC反应器颗粒污泥膨胀床（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机会，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；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。缺点厌氧生物处理法主要优点主要优点：⑴能耗低；可回收生物能源(沼气)⑵每去除单位质量底物产生的微生物(污泥)量少；⑶而且由于处理过程不需要氧，所以不受传氧能力的限制，因而具有较高的有机物负荷的潜力。厌氧生物处理法的缺点：处理后出水的COD、BOD值较高，水力停留时间较长并产生恶臭等18.2厌氧生物处理的主要特征厌氧生物处理——概述在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。18.3厌氧生物处理基本原理厌氧消化三阶段理论废水处理工艺中的厌氧微生物厌氧消化机理和厌氧处理技术厌氧消化三阶段理论根据厌氧消化三阶段理论，复杂有机物的厌氧消化过程主要包括液化、产酸和产甲烷三个阶段，由多种相互依存的细菌群来完成复杂的基质混合物最终转化为甲烷和二氧化碳，并合成自身细胞物质。每一阶段各有其独特的微生物类群，液化阶段起作用的细菌主要包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌；产酸阶段起作用的细菌主要是菌产氢产乙酸细菌群，利用液化阶段的产物产生乙酸、氢气和二氧化碳等；产甲烷阶段是甲烷菌利用乙酸、丙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中乙酸和H2/CO2是其主要基质。Bryant认为厌氧消化经历四个阶段：先是水解阶段，固态有机物被细菌的胞外酶水解；第二阶段是酸化；第三阶段是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。废水处理工艺中的厌氧微生物在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷细菌（menthanogens）。表19-1产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh<-350mv(中温)，<-560mv(高温)<-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃厌氧消化机理和厌氧处理技术18.4厌氧消化的影响因素与控制要求1.影响因素甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。温度因素生物固体停留时间（污泥龄）与负荷搅拌和混合营养与C/N比氨氮有毒物质酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用温度因素温度与有机物负荷、产气量关系见图消化温度与消化时间的关系见图厌氧消化中的微生物对温度的变化非常敏感，温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化（10~30℃）、中温消化（35℃左右）和高温消化（54℃左右）。温度与有机物负荷、产气量关系消化温度与消化时间的关系生物固体停留时间（污泥龄）与负荷①当有机物负荷很高时，甲烷菌处于是低效不稳定状态。②负荷适中，pH＝7～7.2，呈弱碱性，是高效稳定发酵状态。③当有机负荷小，供给养料不足，产酸量偏少，pH＞7.2是碱性发酵状态，是低效发酵状态。在厌氧消化中，负荷常以投配率表示。投配率指每天加入消化池的生污泥或有机废水的容积与消化池容积的比例。搅拌和混合搅拌可使消化物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。同时，对消化池进行搅拌，可使池内温度均匀，加快消化速度，提高产气量。消化池在不搅拌的情况下，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。污水处理厂污泥厌氧消化池的厌氧消化搅拌方法包括气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌时机械搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环指用泵使沼气池内的料液循环流动，以达到搅拌的目的；气体搅拌，将消化池产生的沼气，加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合于大、中型的沼气工程。营养与C/N比厌氧消化原料在厌氧消化过程中既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。这些营养物质中最重要的是碳素和氨素两种营养物质，在厌氧菌生命活动过程中需要一定比例的氮素和碳素。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。若C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。各种废物的碳氮比（C/N）原料碳氮比原料碳氮比大便(6~10):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪29:1鲜猪粪13:1氨氮厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。消化系统中的由于细胞的增殖很少，故只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的氨氮，因此消化液中氨氮的浓度都高于进料中氨氮的浓度。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，氨氮以NH4+及NH3等形式存在于消化液中，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。有毒物质挥发性脂肪酸（VFA是消化原料酸性消化的产物，同时也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高的VFA会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂的种类也很多，包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用厌氧微生物的生命活动、物质代谢与pH有密切的关系，pH值的变化直接影响着消化过程和消化产物，不同的微生物要求不同的pH值，过高或过低的pH对微生物是不利的，表现在：1．由于pH的变化引起微生物体表面的电荷变化，进而影响微生物对营养物的吸收；2．pH除了对微生物细胞有直接影响外，还可以促使有机化合物的离子化作用，从而对微生物产生间接影响，因为多数非离子状态化合物比离子状态化合物更容易渗入细胞；3．pH强烈地影响酶的活性，酶只有在最适宜的pH值时才能发挥最大活性，不适宜的pH值使酶的活性降低，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。2.厌氧消化过程中沼气产量的估算沼气（Biogas）：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。估算（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）实际的产气量要比理论产气量小。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，3.厌氧消化动力学在厌氧消化条件下，BOD5去除属于一级反应：底物去除速率：细菌增殖速率：细菌净比增殖速率μ(d-1)：细菌增殖速率与生物固体平均停留时间（θc）的关系：由上式得S=Ks(1+bθc)/[θc(Yk-b)-1]式中k——单位质量细菌对底物的最大利用速率：质量/细菌质量S——可降解的底物量：质量/体积X——细菌浓度：质量/体积；dx/dt——细菌增殖速率：质量/体积·时间Ks——半速度常数：质量/底物体积；Y——细菌产率：细菌质量/底物质量-ds/dt——底物去除速率：质量/（体积·时间）b——细菌衰亡速率系数：d-1底物降解速率E：E=(Sa-Se)/Sa×100%式中Sa——原污泥可生物降解底物浓度mg/LSe——剩余的可生物降解底物浓度mg/L18.5两级厌氧与两相厌氧处理两级厌氧生物处理两相厌氧生物处理18.5.1两级厌氧生物处理两级消化：根据沼气产生的规律（图）设计。目的：节省能量（节省污泥加温与搅拌的部分能量）特点：第一级：加热（33～35℃）、搅拌；第二级：不加热（20～26℃）、不搅拌（可视为污泥浓缩池用）。消化时间与产气率关系曲线18.5.2两相厌氧生物处理两相厌氧消化：根据消化机理设计。目的：改善厌氧消化条件，从而减少池容与能耗。特点：第一相：n=100%；t停=1d处于水解与发酵、产氢产乙酸阶段（即消化的第一、二阶段）。需加热、搅拌。第二相：n=（15～17）%；；处于产甲烷阶段（即消化的第三阶段）需加热、搅拌。优点：（1）总容积小（2）加热耗热量少，搅拌能耗少（3）运行管理方便18.6厌氧生物处理工艺与反应器普通厌氧消化池厌氧接触工艺厌氧生物滤池厌氧生物转盘UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器厌氧折流板式反应器高温厌氧处理工艺普通厌氧消化池池形：圆柱形和蛋形两种。构造：主要包括污泥的投配、排泥及溢流系统，沼气排出、收集与贮气设备、搅拌设备及加温设备等。溢流系统贮气设备加温设备厌氧接触工艺（图）主要特征：在厌氧反应器后设沉淀池，污泥进行回流，结果使厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，可大大降低水力停留时间。厌氧生物接触法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，废水淹没地通过滤料，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。产生的沼气则聚集于池顶部罩内，并从顶部引出。处理水则由旁侧流出。为了分离处理水挟出的生物膜，一般在滤池后需设沉淀池。可分为升流式和降流式两种形式升流式和降流式厌氧生物滤池厌氧生物转盘由盘片、密封的反应槽、转轴及驱动装置等组成特点：1）微生物浓度高，可承受高的有机物负荷；2）废水在反应器内按水平方向流动，勿需提升废水，节能；3）勿需处理水回流，与厌氧膨胀床和流化床相较既节能又便于操作；4）处理含悬浮固体较高的废水，不存在堵塞问题；5）由于转盘转动，不断使老化生物膜脱落，使生物膜经常保持较高的活性；6）有承受冲击负荷的能力，处理过程稳定性较强；7）可采用多级串联，各级微生物处于最佳生存条件下；8）便于运行管理。厌氧生物转盘构造UASB与厌氧膨胀颗粒污泥床反应器特点：1）污泥床内生物量多，折合浓度可达20～30g/L；2）容积负荷率高，在中温发酵条件下，一般情况下可达10kgCOD/(m3·d)左右甚至能够高达15～40kgCOD/(m3·d)，废水在反应器内的水力停留时间较短，因此所需池容大大缩小。3）设备简单，运行方便，勿需设沉淀池呵污泥回流装置，不需填充填料，也不需在反应区内设机械搅拌装置，造价相对较低，便于管理，而且不存在堵塞问题。升流式厌氧污泥床在构造厌氧膨胀床与厌氧流化床反应器两相厌氧流化床工艺流程（如图所示）特点：1）细颗粒的填料为微生物附着生长提供比较大的比表面积，使床内具有很高的微生物浓度，一般为30gVSS/L左右，因此有机物容积负荷较高，一般为10～40kgCOD/(m3·d)，水力停留时间短，耐冲击负荷能力强，运行稳定；2）载体处于膨胀状态，能防止载体堵塞；3）床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；4）既可用于高浓度有机废水的厌氧处理，也可用于低浓度的城市污水处理。缺点：1）载体流化能耗较大；2）系统的设计要求高。两相厌氧流化床工艺流程厌氧折流板式反应器厌氧折流板式反应器的构造和工艺流程（如图）特点：1）反应器启动期短。试验表明，接种一个月后，就有颗粒污泥形成，两个月就可以投入稳定运行；2)避免了厌氧滤池、厌氧膨胀床和厌氧流化床的堵塞问题；3）避免了升流式厌氧污泥床因污泥膨胀而发生污泥流失问题；4）不需要混合搅拌装置；5）不需载体。厌氧折流板式反应器工艺流程高温厌氧处理工艺优点：细菌生长速率高，通常细菌在55℃时的生长速率是30℃时的2～3倍，即其产甲烷活性较高；病原菌的去除率较高，经高温厌氧消化的污泥和出水可用于灌溉和施肥；剩余污泥产率低，虽然高温下细菌的生长速率高，但其衰亡速率也高，所以净污泥产率低；高温时水的黏度低，有利于处理时的混合及污泥沉降。主要影响因素：温度和pH值、有机负荷、挥发性脂肪酸、微生物载体某糟液废水高温厌氧处理工艺沼气厌氧生物处理的运行管理运行管理安全操作事项维护保养技术指标运行管理消化池内，应按一定投配率投加新鲜污泥，并定时排放消化污泥；池外加温且为循环搅拌的消化池，投泥和循环搅拌应同时进行；新鲜污泥投到消化池，应充分搅拌，并应保持消化温度恒定；用沼气搅拌污泥宜采用单池进行。在产气量不足或在启动期间搅拌无法充分进行时，应采用辅助措施搅拌；消化池污泥必须在2～5h之内充分混合一次；消化池中的搅拌不得与排泥同时进行；应监测产气量、pH值、脂肪酸、总碱度和沼气成分等数据，并根据监测数据调整消化池运行工况；热交换器长期停止使用时，必须关闭通往消化池的进泥闸阀，并将热交换器中的污泥放空；二级消化池的上清液应按设计要求定时排放；消化池前栅筛上的杂物，必须及时清捞并外运；消化池溢流管必须通畅，并保持其水封高度。环境温度低于0℃时，应防止水封结冰；消化池启动初期，搅拌时间和次数可适当减少。运行数年的消化池的搅拌次数和时间可适当增多和延长。安全操作事项在投配污泥、搅拌、加热及排放等项操作前，应首先检查各种工艺管路闸阀的启闭是否正确，严禁跑泥、漏气、漏水；每次蒸汽加热前，应排放蒸汽管道内的冷凝水；沼气管道内的冷凝水应定期排放；消化池排泥时，应将沼气管道与贮气柜联通；消化池内压力超过设计值时，应停止搅拌；消化池放空清理应采取防护措施，池内有害气体和可燃气体含量应符合规定；操作人员检修和维护加热、搅拌等设施时，应采取安全防护措施；应每班检查一次消化池和沼气管道闸阀是否漏气。维护保养消化池的各种加热设施均应定期除垢、检修、更换；消化池池体、沼气管道、蒸气管道和热水管道、热交换器及闸阀等设施、设备应每年进行保温检查和维修；寒冷季节应做好设备和管道的保温防冻工作；热交换器管路和闸阀处的密封材料应及时更换；正常运行的消化池，宜5年彻底清理、检修一次。技术指标序号项目运行参数1温度(℃)34±12投配率(%)4～83污泥含水率(%)进泥95～98出泥95左右4pH值7～85有机物分解率(%)大于306污泥沼气搅伴供气量m3/（m3·h）0.8m3/（m周长·h）4～57沼气搅拌（次/d）308沼气中主要气体成分(%)CH4>55；CO2<38；H2<2；H2S<0.01；N2<69产气率（m3气/m3泥）>510总碱度（mg/L）＞2000思考题1、城市污水处理厂的污泥为什么要进行消化处理？有哪些措施可以加速污泥消化过程？什么叫投配率？它的含义是什么？2、简述消化池的构造及其功能。3、消化池搅拌方法和加热方法各有几种？各有何优缺点？4、绘图说明沼气搅拌系统和消化池上部溢流系统的构造与作用。5、污泥厌氧消化的机理？为什么产甲烷阶段是污泥厌氧消化的控制阶段？6、何谓二级消化与二相消化？7、论述污泥厌氧消化的影响因素，并说明在操作上应如何进行控制，以维持较好的消化进程。8、普通消化池能否处理城市污水？为什么？分析厌氧接触法处理城市污水的可行性。习题1、某城市的城市污水设计流量为60000m3/d。原污水悬浮物浓度为240mg/L，初沉池沉淀效率为40%。经沉淀处理后BOD5约200mg/L。用活性污泥法处理，曝气池容积为10000m3，MLVSS为3.5g/L，MLSS为4.8g/L，BOD5去除率为90%。初沉污泥及剩余活性污泥采用中温消化处理，消化温度为33℃，污泥投配率为6%，新鲜污泥温度为+16℃，室外温度为-10℃，根据上列数据设计污泥消化池。习题2、计算消化池的容积和效能。废水处理能力为38000m3/d的一级处理厂，计算处理其污泥所需的消化池尺寸。验算容积负荷，并计算稳定百分率和每日产生的气体量。已知经处理的废水干固体的去除量和总生化需氧量去除量分别为0.15kg/m3和0.14kg/m3。假设污泥含水量为95%左右，密度为1.02。其他相应的设计参数如下：⑴反应器的水流状态为连续流搅拌池。⑵θc在35℃时为10d。⑶废物利用效率E=0.80。⑷废物含有适量的氮和磷，供生物生长。⑸Y=0.05kg细胞/kgBOD5，和kd=0.03d。⑹各常数适用于35℃。3、已知某污水处理厂初沉池每天排出含水率95%的污泥为200m3/d；二沉池每天排出含水率99%的剩余污泥为2000m3/d，经浓缩后污泥含水率为95%。新鲜污泥按5%的投配率投入消化池，计算消化池的有效容积和消化时间。