废水厌氧生物处理工程.ppt

第三章废水的厌氧处理The Anaerobic Processes,第三章 废水厌氧生物处理技术,第一节 厌氧生物处理的基本原理第二节 厌氧消化池第三节 厌氧接触法第四节 升流式厌氧污泥层反应器,第一节 厌氧生物处理的基本原理,一、厌氧生物处理过程及其特征 厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物的共同作用，使有机物分解并生成CH4和CO2的过程。,厌氧分解过程,图3-1 有机物的厌氧分解过程,图3-2 厌氧生物处理的四阶段理论（1967年，Bryant),有机物质 发酵细菌长链脂肪酸、醇类 产氢产乙酸细菌乙酸 H2/CO2 产甲烷细菌 CH4,图3-3 厌氧生物处理的三阶段理论（1979年）,第一阶段：水解发酵阶段 水解 糖酵解 多糖 单糖 乙醇和脂肪酸 水解 脱氨基 蛋白质 氨基酸 脂肪酸和氨 第二阶段：产氢、产乙酸阶段，由产氢产乙酸 细菌将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为 乙酸、H2和CO2。第三阶段：产甲烷阶段，由产甲烷细菌利用乙 酸、H2和CO2，产生甲烷。,厌氧生物处理的主要特征：,1.能量需求大大降低，还可产生能量。不需供氧，相反却能生产出沼气。污泥产量极低。厌氧微生物的增殖 速率比好氧微生物低得多。对温度、pH等环境因素更为敏感。高 温厌氧菌和中温厌氧菌的适宜温度范 围分别为55 和35 左右。4.处理后废水有机物浓度高于好氧处理。,厌氧微生物可对好氧微生物所不能降 解的一些有机物进行降解（或部分降解）。6.处理过程的反应较复杂。,二、厌氧消化微生物,（一）发酵细菌（产酸细菌)1.属别包括梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、真细菌属和双歧杆菌属。大多数为专性厌氧菌，也有大量兼性厌氧菌。2.功能 通过胞外酶将不溶性有机物水解成可溶性有机物，再将可溶性的大分子有机物转化成脂肪酸、醇类等。,（二）产氢产乙酸细菌,1.属别 包括互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属和暗杆菌属。为绝对厌氧菌或是兼性厌氧菌。2.功能 把各种挥发性脂肪酸降解为乙酸 H2，反应如下：乙醇：CH3CH2OH+H2O CH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2O CH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O 2CH3COOH+2H2,(三）产甲烷细菌,最常见的是：产甲烷杆菌、产甲烷球菌、产 甲烷八叠球菌、产甲烷螺菌和产甲烷丝 菌等。产甲烷菌都是绝对厌氧菌,在分类学上属于古细菌。可分为两类：（1）利用乙酸产生甲烷 CH3COOH CH4+CO2(2)利用H2和CO2合成CH4 4H2+CO2 CH4+2H2O,三、厌氧微生物的培养,上世纪60年代末Hungate 开创了绝对厌氧微生物的培养技术。(一）Hungate 滚管法（二）充氮厌氧培养袋法 原理利用NaBH4或 KBH4与水反应生成氢气，在催化剂钯的作用下，H2与袋内的O2生成水。（三）焦性没食子酸去氧法 在碱性溶液中。（四）厌氧罐培养法(五）倒扣平板法,四、产甲烷菌古细菌与 三原界系统,在对各大类生物的16SrRNA核苷酸顺序的同源性测定的基础上，R.H.Whittaker 和 L.Marhulis提出了三原界学说（图34）,产甲烷菌在分类学上属于古细菌（Archaebacteria)与真细菌相比，古细菌有特点：（1）细胞膜的类脂结构 古细菌所含的类 是不可皂化的。（2）细胞壁成分独特而多样 不含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸（3）核糖体的16SrRNA 其核苷酸顺序独特，不同于真细菌和真核生物。（4)tRNA成分 顺序独特，不存在T,(5)蛋白质合成的起始密码 始于甲硫氨酸 与真核生物相同。（6）对抗生素等的敏感性 对青霉素、头孢霉素、D-环丝氨酸和氯霉素不敏 感，而对白喉毒素十分敏感。（7）生态条件独特 严格厌氧菌：产甲烷菌 极端嗜盐菌 嗜热嗜酸菌,五、厌氧生物处理微生物群体 间的关系,（一）不产甲烷细菌（包括发酵细菌和产 氢产乙酸细菌）为产甲烷细菌提供 生长和产甲烷所需要的基质。（二）不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造适宜 的氧化还原条件。（三）不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除有毒 物质。,（四）产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生 化反应解除反馈抑制。（五）不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同 维持环境中适宜的pH值。总之，在厌氧生物处理反应器中，不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境和条件，但又互相制约。,六、厌氧生物处理的影响因素,（一）温度,（二）pH值 产甲烷菌的最适pH值范围为6.87.2,高温消化（55 左右）的反应速率为中温消化（35 左右）的1.51.9倍，产气率较高，但甲烷含量较低。新型反应器处理废水的厌氧消化反应在常温（2025）下进行。,厌氧发酵体系中的pH值除受进水pH的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡。（三）氧化还原电位 严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的 基本条件，用氧化还原电位来表示反应器的含氧浓度。不产甲烷菌:+100-100mV 产甲烷菌:-150-400mV,(四）营养 对C、N等营养物质的要求略低于好氧微生物。但由于不能合成某些必要的维生素或氨基酸，故需补充钾、钠、钙等金属盐类，以及镍、铝、钴和钼等微量金属。（五）有机物负荷 以向每立方米消化池中，在1日内可投加的有机物量或BOD量来表示（kg（m3.d),（六）有毒物质 有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。抑制性物质：硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。厌氧微生物可降解蒽醌类燃料、偶氮燃料、含氯的有机杀虫剂等在好氧条件下难以降解的合成有机物。2氯丙醇、1氯丙烷、2氯丙烷、丙烯醛和甲醛等对厌氧微生物有毒害作用。,七、厌氧生物处理与好氧生物处理的区别,（一）起分解作用的微生物类群不同。（二）好氧处理有机物所需时间比用厌氧法处理短的多，没有臭气产生。（三）厌氧生物处理对环境要求与好氧生物处理不同。（四）厌氧法的降解较不彻底，放热少，反应速度低，处理的有机物负荷低。,（五）处理对象不同 厌氧生物处理多用于处理沉降的有机污泥和高浓度的有机废水；而好氧生物处理则多用于处理有机污染浓度较低或适中的废水。近年来，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。,八、厌氧生物处理工艺的发展,化粪池、双层沉淀池厌氧接触法第二代废水厌氧处理反应器（厌氧滤池、上流式厌氧污泥床反应器、厌氧附着膜膨胀床、下行式固定膜反应器和厌氧流化床等。,第二节 污水的厌氧生物处理方法,化粪池厌氧生物滤池厌氧接触法上流式厌氧污泥床反应器分段厌氧处理法,厌氧消化池,一、消化池类型与构造 厌氧消化池主要用于处理城市废水厂的污泥，也用于处理固体含量很高的有机废水。（一）消化池的分类,根据消化池顶结构不同分为：固定盖消化池 浮动盖消化池根据消化池运行方式的不同分为：传统消化池 高速消化池,1.传统消化池,又称低速消化池，池内不设加热和搅拌装置。消化速率很低，消化时间长，只有在规模小的废水处理厂才采用。,2.高速消化池,设有加热和搅拌装置，厌氧微生物与有机物得到充分的接触，消化速率高，消化期一般为15天，被废水处理厂广泛采用。,（二）消化池的构造,由池顶、池底和池体三部分组成。搅拌设备：机械搅拌：泵搅拌 螺旋桨式搅拌 喷射泵搅拌 沼气搅拌：气提式搅拌 竖管式搅拌 气体扩散式搅拌,加热设备：1.池内蒸汽直接加热 设备简单，局部污泥易 过热，影响微生物的正常活动，增加污泥的含水率，从而增加消化池容积。2.池外加热 污泥预热后投配到消化池中，易于控制，有利于杀死寄生虫卵，不会对厌氧微生物产生不利影响。但加热设备较复杂。,化粪池,是最早的厌氧生物处理构筑物,厌氧滤池（anaerobic filter又称厌氧固定膜反应器，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表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面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。,厌氧生物滤池,进水可采用升流式，也可以采用降流式,厌氧生物滤池,厌氧生物滤池的特点：缺点：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。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。改进：出水回流；部分充填载体；采用软性填料。优点：,滤池中的微生物量较高，可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16 kgCOD/(m3d)，且耐冲击负荷能力强；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；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；启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。,厌氧生物滤池,优点,厌氧接触法,在混合接触池（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（anaerobic contact process)。,厌氧接触法工艺,特点,特点,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；消化池的容积负荷较普通消化池高，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；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；混合液经沉降后，出水水质好，需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。,厌氧接触法,上流式厌氧污泥床反应器,由反应区、沉淀区和气室三部分组成。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，,（UASB upflow anaerobic sludge blanket reactor),需要全图cad图纸,特点,反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度发展的颗粒污泥。有机负荷高，水力停留时间短。中温消化，COD容积负荷一般为10-20kg COD/（m3d）；反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；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污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。反应器内有短流现象，影响处理能力。运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。,上流式厌氧污泥床反应器,将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内进行。第一段：完成水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并截留难降解的固态物质。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。第二段：保持严格的厌氧条件和pH值，以利于甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气。第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。,分段厌氧处理法,接触消化池-上流式污泥床两步消化工艺,热交换器被废水加热到需要的温度,水解产酸反应，控制条件之产生脂肪酸，尽量不产生沼气,沉降分离，去除不溶性有机物,产甲烷阶段，使第一步反应产生的有机酸生成甲烷和二氧化碳等最终产物,纤维填料厌氧滤池和上流式厌氧污泥床复合法工艺,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的缺陷；（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、难消化降解的高浓度有机废水。（d）但两步法设备较多，流程和操作复杂。,其它厌氧处理法,厌氧生物转盘：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，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。厌氧挡板反应器：从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。同时，厌氧挡板反应器实质上是一系列升流式厌氧污泥床，但不设三相分离器。,厌氧生物转盘示意图,特点：微生物浓度高勿需处理水回流生物膜经常保持较高的活性耐冲击负荷，处理过程稳定性强可采用多级串连，各级微生物处于最佳生存条件运行管理方便盘片成本较高,厌氧挡板反应器示意图,特点：反应器启动期短。实验表明接种一个月，就有颗粒污泥形成，两个月可稳定运行。避免厌氧滤池等堵塞问题避免UASB因污泥膨胀而发生污泥流失问题不需要搅拌不需要载体,UTC工艺流程,55,工艺特点：,UCT工艺是目前比较流行的厌氧与好氧相结合的生物除磷工艺流程。它是在A/A/0工艺的基础上对回流方式作了调整以后提出的。其与A/A/0工艺的不同之处在于它的污泥回流是缺氧池回流到厌氧池，这样就阻止了处理系统中硝酸盐（NO3-）进入到厌氧池而影响在厌氧过程中磷的充分释放。但在运行过程中，须注意当进水中的总氮与COD的比值较高时，应减少混合液的回流比，以防止NO3-进入到厌氧池中。,本讲内容：第三节 厌氧接触法 第四节 升流式厌氧污泥层反应器 第五节 其他厌氧生物处理法,第三节 厌氧接触法,一、厌氧接触法的工艺流程和特点 厌氧接触法是契罗拨特（Schroepter）在50年代开创的，是对普通厌氧生物处理法的改进，其工艺流程见下图。,（一）工艺流程,1.回流污泥的目的 提高消化池中污泥的浓度，使消化池内混合液的污泥浓度远大于沉淀池出水的污泥浓度，大大缩短了水力停留时间。2.沉淀池的目的 进行固液分离，减少出水悬浮物浓度，改善出水水质，提高回流污泥的浓度。,（二）特点,与普通厌氧消化法相比，厌氧接触法的特点：（1）消化池污泥浓度高 510g VSS/L(2)消化池有机容积负荷高 中温消化时，COD容积负荷为16kg COD/(m3.d),去除率为7080;BOD5容积负荷为0.52.5kg BOD5/(m3.d),去除率为8090,（3）出水水质较好 COD、BOD5和悬 浮物浓度都较低（4）增设沉淀池、污泥回流系统和 真空 脱气设备，流程复杂（5）适合于处理悬浮物浓度和有机物浓度 都较高的废水,（三）主要问题及原因,1.主要问题 固液分离比较困难，出水BOD、COD和悬浮物浓度较高。2.原因（1）混合液中污泥上附着有大量气泡，在沉淀 过程中易上浮到水面并随出水带到池外。（2）从消化池排出的污泥仍具有产甲烷活性，在沉淀过程中继续产气，使污泥随气体上浮。,（四）解决方法,1.在消化池和沉淀池之间设真空脱气器充分脱 除混合液中的沼气。2.在沉淀池之前设热交换器，对混合液进行急 剧冷却，35 15，抑制污泥在沉淀 过程中继续产气。3.向混合液投加混凝剂 NaOH FeCl34.用过滤器代替沉淀池,二、厌氧接触法的几种形式,（一）充填载体的厌氧接触法 向消化池投加惰性载体 如石英砂、无 烟煤等。投加量 3 目的：增加消化池的污泥浓度，提高污泥的相对密度，从而提高固液分离效果。该法适于处理易水解的有机废水，也适于处理含有不可降解的悬浮物的废水。,（二）投磁粉的厌氧接触法向消化池投加直径为110m的磁粉（Fe4O3)，也是一种有载体的厌氧接触法，即利用载体提高消化池内微生物浓度和改善沉淀池的固液分离效果。从消化池排出的混合液在进入沉淀池之前经过磁体，在磁场的作用下，使混合液中污泥集聚形成为较大颗粒，以提高沉淀效果。沉淀后的污泥可直接回流至消化池。,工艺流程,第四节 升流式厌氧污泥层 反应器,一、升流式厌氧污泥层反应器的特征及构造（一）特征 升流式厌氧污泥层（Upflow Anaerobic Sludge Blanket,简称UASB)反应器是荷兰Wageningen农业大学的Lettinga等人于19731977年间研制成功的。,Lettinga博士和他的同事首先在实验室进行了容积为60L的上流式厌氧污泥床反应器的试验研究。结果表明,该处理装置的处理效能很高。其后,荷兰、德国、瑞典、比利时和美国的研究者用UASB反应器进行了土豆加工废水、蚕豆加工废水、屠宰废水、罐头制品加工废水、甲醇废水、乙酸废水及纤维板废水的小试或生产性试验,都取得了较好的结果。我国于1981年开始了UASB反应器的研究工作,在处理高浓度有机废水方面,已得到了实际的推广应用。,图341 UASB反应器工作原理示意图,图3-4-2 UASB反应器的 工作状态模型,污泥床区 反应区 UASB反应器 污泥悬浮层区 沉降区,（1）有机负荷居第二代反应器之首，水力 负荷能满足要求。（2）由于污泥颗粒化增强了反应器对不利 条件的抗性。（3）UASB省去了搅拌和回流污泥的设备和 能耗。（4）气固液三相分离器的设置，简化了工 艺，节约了费用。（5）反应器内不需投加填料和载体，提高 了容积利用率，避免了堵塞问题。,（二）构造,1.进水配水系统 将废水均匀地分配到整个反应器，同时具有水力搅拌的功能，是保证反应器高效运行的关键之一。2.反应区 包括污泥床区和污泥悬浮层区，是反应器的主要部位。3.三相分离器 由沉淀区、回流缝和气封组成。功能：分开沼气、污泥和液体,4.出水系统 均匀收集沉淀区处理过的水，并排出反 应器。5.气室 也称集气罩，收集沼气。6.浮渣清除系统 清除沉淀区和气室液面的浮渣。7.排泥系统 均匀地排出反应区的剩余污泥。,处理对象不同的两种UASB反应器,开敞式UASB反应器的特点,反应器的顶部不加密封，出水水面是开放的，或加一层不密封的盖板。主要适于处理中低浓度的废水。由于出水中的有机物浓度较低，所以在沉淀区产生的沼气数量很少，一般不再收集。,封闭式UASB反应器的特点,反应器的顶部加盖密封，有固定盖和浮动盖两种。在液面和池顶之间形成气室，可同时收集反应区和沉淀区产生的沼气。适于处理高浓度有机废水和硫酸盐含量较高的废水。,二、新的问题,(1)污泥颗粒化是UASB运行是否正常的关键。培养出沉降性能良好的厌氧颗粒污泥，要适当调节碱度和适时调整水力负荷,以及控制COD、N、P的比例,这较难做到。(2)处理各种废水都需要一定的温度,要保持在20以上。温度低,则效果较差,且单用UASB一种工艺,废水一般不能完全达标,只能与其他工艺联合使用。,(3)因UASB反应器上流速度难于控制,造成污泥从厌氧反应器流失的现象。这就是影响处理系统工作稳定性的潜在因素。厌氧微生物对于运转条件的强敏感性,可能会影响其自身生长并导致流失。因此,一个理想的UASB工艺就应当能够保持良好的生物停留状态而不受废水流量的影响,在反应器内有效地维持较高的微生物浓度。,三、应用,从UASB反应器的工程实践看,国内北京、无锡、兰州等地率先于20世纪80年代末期采用UASB工艺处理啤酒及酒糟污水。以兰州某酿酒厂采用的UASB反应器为例,在COD负荷高达48.25kg/(m3d),污泥负荷高达5.42kg/(kgd),水力停留时间11h的情况下,反应器运行功能稳定,并可保证有80%的COD去除率,同时可获得12.53L/(Ld)的甲烷产气率,出水pH大于7.15。,可见,采用高负荷UASB反应器处理酒糟污水,较之采用通常负荷时的情况,COD去除率下降不大,甲烷回收总量减少不多,但可大大缩小反应器的容积,节省基建投资,这在经济上是很有意义的。UASB工艺从20世纪80年代末期一直发展至今,应用越来越广泛,从80年代末期的处理啤酒厂,酒厂废水(用单一UASB工艺),90年代末期的与其他工艺联合使用,四、应用前景,UASB反应器具有容积负荷率高、处理容量大、投资少、占地面积小、启动快、运行稳定等优点,是对现代厌氧反应的一个突破。,近年来的生化处理不再偏重于厌氧处理法,其发展趋势是将厌氧与好氧处理有机地结合起来,充分发挥他们各自的优势。目前将传统的UASB反应器与好氧生物流化床结合起来,研制一种处理效率高、操作简单、占地面积小、成本较低的三相流化床处理设备,以适应于餐饮业废水的处理,解决目前餐饮废水难于集中处理的问题。由此看来,研制出厌氧和好氧处理结合于一体的工艺设备将会有较好的应用前景。,第五节 其它厌氧生物处理反应器,近年来，废水的厌氧生物处理工艺以其独特的技术优势受到人们的广泛关注，20世纪90年代国际上相继开发出了以厌氧膨胀颗粒污泥床、内循环式厌氧反应器、厌氧上流污泥床过滤器和厌氧序批式间歇反应器等为代表的 第三代新型高效厌氧反应器。,一、EGSB反应器,反应器实际上是改进的反应器,区别在于前者具有更高的液体上升流速,使整个颗粒污泥床处于膨胀状态,这种独有的特征使其可以具有较大的高径比。反应器主要由主体部分、进水分配系统、气 液 固三相分离器和出水循环等部分组成,结构如图1()所示。,图51 EGSB结构示意图,优点：,1.能承受很高的有机负荷(最高可达30/(3)；2.出水的循环比率很高,可以将废水中有毒物 质稀释到微生物可以承受的浓度;3.废水与微生物之间能够充分接触,促进了微 生物对基质的降解；,二、IC反应器,内循环式厌氧反应器(Internal Circulation,简称 IC)是由荷兰Paques公司于20世纪80年代中期在反应器的基础上开发成功的高效厌氧反应器,并在1986年以后迅速把该项技术应用于生产中。由于这是一项重大的技术发明,发明者作了严格的技术保密,直到20世纪90年代以后才在有关杂志上见到反应器的研究报道。,IC反应器实际上是由底部和上部两个UASB反应器串联叠加而成。包括4个不同的功能单元:混合部分、膨胀床部分、精处理部分 回流部分,图52 IC反应器示意图,三、UBF 反应器,上流污泥床 过滤器(Upflow Blanket Filter简称 UBF)是加拿大人Guiot 于1984年在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,是一项极具开发应用价值的新型生物处理技术.,图53 UBF反应器示意图,四、ASBR 反应器,ASBR即厌氧序批间歇式反应器(Anaerobic Sequencing Batch Reactor),近年来成为厌氧反应器领域新的研究热点,是20世纪90年代美国Iowa州立大学Rechard R Dague教授提出并发展的一种新型高效厌氧反应器.主要特征是以序批式间歇的方式运行,通常由一个或几个ASBR反应器组成.,图54 ASBR反应器及其操作周期,