污水的厭氧生物處理的剖析

1、污水的厭氧生物處理的剖析1 概述 2 厭氧法的基本原理 3 厭氧法的工藝和設備 污水厭氧生物處理的發(fā)展過程 早期發(fā)展 18811950年 第二代厭氧反應器 1955年開發(fā)了厭氧接觸法新工藝，標 志著現(xiàn)代厭氧反應器的開端。 第三代厭氧反應器 1980年Switzenbaum等推出了厭氧附著膜膨脹 床反應器（AAFEB）,還有厭氧流化床（AFB）。1概述厭氧生化法的優(yōu)點：（1）應用范圍廣 因供氧限制，好氧法一般適用于中、低濃度有機廢水的處理，而厭氧法適用于中、高濃度有機廢水。 有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的，但對厭氧生物處理是可降解的，如固體有機物、著色劑蒽醌和某些偶氮染料等。 (2)能

2、耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要充氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。 廢水有機物達一定濃度后，沼氣能量可以抵償消耗能量。研究表明，當原水BOD5達到1500mg/L時，采用厭氧處理即有能量剩余。有機物濃度愈高，剩余能量愈多。 一般厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。（3）氮、磷營養(yǎng)需要量較少 好氧法一般要求BOD:N:P為l00:5:1，而厭氧法的BOD:N:P為l00:2.5:0.5，對氮、磷缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營養(yǎng)鹽量較少。 （4）有殺菌作用 厭氧處理過程有一定的殺菌作用，可以殺死廢水和污泥中的寄生蟲卵、病毒等。 （5）污泥易貯存

3、厭氧活性污泥可以長期貯存，厭氧反應器可以季節(jié)性或間歇性運轉。厭氧生物處理法缺點:（1）厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設備啟動和處理所需時間比好氧設備長；（2）出水往往達不到排放標準，需要進一步處理，故一般在厭氧處理后串聯(lián)好氧處理； （3）厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復雜。 （4）厭氧過程會產(chǎn)生氣味對空氣有污染。 2 厭氧法的基本原理 廢水厭氧生物處理是指在無分子氧條件下通過厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復雜有機物分解轉化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物質的過程，也稱為厭氧消化(anaerobic d

4、igestion) 。 對批量污泥靜置考察，可以見到污泥的消化過程明顯分為兩個階段。固態(tài)有機物先是液化，稱液化階段；接著降解產(chǎn)物氣化，稱氣化階段；在常溫下，整個過程歷時半年以上。傳統(tǒng)的厭氧消化理論為兩階段理論第一階段：酸化階段，最顯著的特征是液態(tài)污泥的pH值迅速下降。污泥中的固態(tài)有機物或污水中的大分子化合物，如淀粉、纖維素、油脂、蛋白質等，在無氧環(huán)境中降解時，轉化為有機酸、醇、醛、水分子等液態(tài)產(chǎn)物和CO2、H2、NH3、H2S等氣體分子，氣體大多溶解在泥液中。轉化產(chǎn)物中有機酸是主體。低pH值有抑制細菌生長的作用，NH3的溶解產(chǎn)物NH4OH有中和作用。第二階段：氣化階段，由低分子的有機酸經(jīng)微生物

5、作用轉化為氣體，氣體類似沼澤散發(fā)的氣體，可稱沼氣，主體是CH4，CO2也相當多，還有微量H2、H2S等，因此氣化階段常稱甲烷化階段。 與好氧過程的根本區(qū)別在于不以分子態(tài)氧作為受氫體，而以化合態(tài)氧、碳、硫、氮等作為受氫體。厭氧生物處理是一個復雜的微生物化學過程，依靠三大主要類群的細菌，即水解產(chǎn)酸細菌(fermentative bacteria)、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌(acetogenic bacteria)和產(chǎn)甲烷細菌(methanogenic bacteria)的聯(lián)合作用完成。參與消化的細菌，酸化階段的統(tǒng)稱產(chǎn)酸或酸化細菌，幾乎包括所有的兼性細菌；甲烷化階段的統(tǒng)稱甲烷細菌。新的研究成果闡明厭氧消化經(jīng)歷

6、四個階段大分子有機物（碳水化合物、蛋白質、脂肪等） 水解 細菌的胞外酶水解和溶解的有機物 酸化 產(chǎn)酸細菌 有機酸、醇類、醛類等 / H2，CO2 乙酸化 乙酸細菌 乙酸 甲烷細菌 甲烷化 甲烷細菌 CH4 CH4復雜的大分子、不溶性有機物先在細胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機物，然后滲入細胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機酸、醇類、醛類等。這個階段主要產(chǎn)生較高級脂肪酸。產(chǎn)甲烷細菌將乙酸、乙酸鹽、CO2和H2等轉化為甲烷。在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的作用下，第一階段產(chǎn)生的各種有機酸被分解轉化成乙酸和H2，在降解奇數(shù)碳素有機酸時還形成CO2。此過程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，

7、另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的l/3后者約占2/3。 上述三個階段的反應速度依廢水性質而異，在含纖維素、半纖維素、果膠和脂類等污染物為主的廢水中，水解易成為速度限制步驟； 簡單的糖類、淀粉、氨基酸和一般的蛋白質均能被微生物迅速分解，對含這類有機物為主的廢水，產(chǎn)甲烷易成為限速階段。甲烷菌的微生物學特征 簡介：甲烷菌屬于古菌中的一類。 古 菌 （Archaeobacteria）與原核生物極其接近。研究利用基因分析手段（DNA的G+C%，16SrRNA堿基順序比較）發(fā)現(xiàn)，有一些特點與真核生物相同。古菌的特點 形 態(tài)：薄、扁平、直角幾何形態(tài)； 細胞結構：組分特異性；含有內(nèi)含子； 代

8、謝：特殊的輔酶，代謝多樣性； 呼吸類型：多為厭氧； 繁殖速度：比細菌慢； 生活習性：適應極端環(huán)境。古菌的分類 按照生活習性和生理特性分為三大類： 產(chǎn)甲烷菌，嗜熱嗜酸菌，極端嗜鹽菌 伯杰氏系統(tǒng)細菌學手冊分為五大群： 產(chǎn)甲烷古菌，古生硫酸鹽還原菌， 極端嗜鹽菌，無細胞壁古生菌， 極端嗜熱硫代謝菌厭氧法的影響因素 控制厭氧處理效率的基本因素有兩類: 一類是基礎因素，包括微生物量 (污泥濃度)、營養(yǎng)比、混合接觸狀況、有機負荷等； 另一類是環(huán)境因素，如溫度、pH值、氧化還原電位、有毒物質等。 產(chǎn)甲烷細菌是決定厭氧消化效率和成敗的主要微生物，對于一般工業(yè)廢水，產(chǎn)甲烷階段是厭氧過程速率的限制步驟。21 溫度

9、條件 各類微生物適宜的溫度范圍是不同的，一般認為，產(chǎn)甲烷菌的溫度范圍為25-60。 在35和53上下可以分別獲得較高的消化效率，溫度為40-45時，厭氧消化效率較低。 據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為常溫消化、中溫消化和高溫消化三種類型。 溫度對厭氧消化過程的影響2.2 pH值每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動，產(chǎn)酸細菌對酸堿度不及甲烷細菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。 產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質pH值在中性附近，最適宜pH值為7.0-7.2。 在厭氧法處理廢水的應用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構筑物內(nèi)進行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應器內(nèi)的pH值

10、在6.5-7.5(最好在6.8-7.2)的范圍內(nèi)。23氧化還原電位無氧環(huán)境是嚴格厭氧的產(chǎn)甲烷菌繁殖的最基本條件之一。產(chǎn)甲烷菌對氧和氧化劑非常敏感，這是因為它不象好氧菌那樣具有過氧化氫酶。 氧是影響厭氧反應器中氧化還原電位條件的重要因素，但不是唯一因素。 揮發(fā)性有機酸的增減、pH值的升降以及銨離子濃度的高低等因素均影響系統(tǒng)的還原強度。如pH值低，氧化還原電位高；pH值高，氧化還原電位低。24有機負荷在厭氧法中，有機負荷通常指容積有機負荷，簡稱容積負荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量（kgCOD/m3d)。 對懸浮生長工藝，也有用污泥負荷表達的，即kg COD/(kg污泥d)。 在污泥消化

11、中，有機負荷習慣上以投配率或進料率表達，即每天所投加的濕污泥體積占消化器有效容積的百分數(shù)。 由于各種濕污泥的含水率、揮發(fā)組分不盡一致，投配率不能反映實際的有機負荷，為此，又引入反應器單位有效容積每天接受的揮發(fā)性固體重量這一參數(shù)，即kgMLVSS/m3d。25厭氧活性污泥 厭氧活性污泥主要由厭氧微生物及其代謝的和吸附的有機物、無機物組成。 厭氧活性污泥的濃度和性狀與消化的效能有密切的關系。性狀良好的污泥是厭氧消化效率的基礎保證。 厭氧活性污泥的性質主要表現(xiàn)為它的作用效能與沉降性能。 故在一定的范圍內(nèi)，活性污泥濃度愈高，厭氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。26攪拌和混合通過攪拌可消除池內(nèi)梯度，

12、增加食料與微生物之間的接觸，避免產(chǎn)生分層，促進沼氣分離。 在連續(xù)投料的消化池中，還使進料迅速與池中原有料液相混勻。 在傳統(tǒng)厭氧消化工藝中，也將有攪拌的消化器稱為高效消化器。 攪拌程度與強度要適當。 27廢水的營養(yǎng)比厭氧微生物的生長繁殖需按一定的比例攝取碳、氮、磷以及其他微量元素。工程上主要控制進料的碳、氮、磷比例，因為其他營養(yǎng)元素不足的情況較少見。 厭氧法中碳:氮:磷控制為200-300:5:1為宜。 28有毒物質包括有毒有機物、重金屬離子和一些陰離子等。對有機物來說，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結構，往往具有抑制性。 有毒物質的最高容許濃度與處理系統(tǒng)的運行方式、污泥馴化程度、廢水特性、操作

13、控制條件等因素有關。3 厭氧法的工藝和設備 按微生物生長狀態(tài)分為厭氧活性污泥法(anaerobic activated sludge)和厭氧生物膜法(anaerobic slime)； 按投料、出料及運行方式分為分批式(batch)、連續(xù)式(continuous)和半連續(xù)式(semi-continuous)； 根據(jù)厭氧消化中物質轉化反應的總過程是否在同一反應器中并在同一工藝條件下完成，又可分為一步厭氧消化(one stage digestion)與兩步厭氧消化(two stage digestion)等 厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應器等。31普通厭氧消化池

14、普通消化池又稱傳統(tǒng)或常規(guī)消化池(conventional digester) 消化池常用密閉的圓柱形池，廢水定期或連續(xù)進入池中，經(jīng)消化的污泥和廢水分別由消化池底和上部排出，所產(chǎn)沼氣從頂部排出。 池徑從幾米至三、四十米，柱體部分的高度約為直徑的1/2，池底呈圓錐形，以利排泥。 為使進水與微生物盡快接觸，需要一定的攪拌。常用攪拌方式有三種：(a)池內(nèi)機械攪拌；(b)沼氣攪拌；(c)循環(huán)消化液攪拌。螺旋槳(機械)攪拌的消化池循環(huán)消化液攪拌式消化池高溫厭氧消化需要加溫，常用加熱方式有三種: (a)廢水在消化池外先經(jīng)熱交換器預熱到規(guī)定溫度再進入消化池； (b)熱蒸汽直接在消化器內(nèi)加熱； (c)在消化池內(nèi)

15、部安裝熱交換管。普通消化池的特點是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。 厭氧消化反應與固液分離在同一個池內(nèi)實現(xiàn)，結構較簡單。 缺乏持留或補充厭氧活性污泥的特殊裝置，消化器中難以保持大量的微生物細胞。 對無攪拌的消化器，還存在料液的分層現(xiàn)象嚴重，微生物不能與料液均勻接觸的問題。 溫度不均勻，消化效率低?；S池 化糞池用于處理來自廁所的糞便污水。廣泛用于不設污水廠的合流制排水系統(tǒng)。例如，郊區(qū)的別墅式建筑。 下圖是化糞池的一種構造方式。32厭氧濾池 厭氧濾池（anaerobic filter又稱厭氧固定膜反應器，是60年代末開發(fā)的新型高效厭氧處理裝置。 濾池呈圓柱形，池內(nèi)裝放填料，池底和

16、池頂密封。 厭氧微生物附著于填料的表面生長，當廢水通過填料層時，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機物被降解，并產(chǎn)生沼氣，沼氣從池頂部排出。廢水從池底進入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池； 廢水從池上部進入，以降流的形式流過填料層，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池。 填料可采用拳狀石質濾料，如碎石、卵石等，也可使用塑料填料。厭氧生物濾池的特點及改進：在厭氧生物濾池中，厭氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于濾料的孔隙中。 厭氧微生物總量沿池高度分布是很不均勻的，在池進水部位高，相應的有機物去除速度快。 當廢水中有機物濃度高時，特別是進水懸浮固體濃度和顆粒較大時，進水

17、部位容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。對厭氧生物濾池采取如下改進： （a）出水回流； （b）部分充填載體； （c）采用軟性填料。 厭氧生物濾池的特點是： （a）由于填料為微生物附著生長提供了較大的表面積，濾池中的微生物量較高，又因生物膜停留時間長，平均停留時間長達100天左右，因而可承受的有機容積負荷高，COD容積負荷為2-16 kgCOD/(m3d)，且耐沖擊負荷能力強；（b）廢水與生物膜兩相接觸面大，強化了傳質過程，因而有機物去除速度快（c）微生物固著生長為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設備； （d）啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短。 （e）處理含懸浮物濃度高的有機廢水，易發(fā)生堵塞，尤以

18、進水部位更嚴重。濾池的清洗也還沒有簡單有效的方法。主要缺點： 濾料費用較貴 濾料容易堵塞主要優(yōu)點： 處理能力較高 濾池內(nèi)可以保持很高的微生物濃度 不需另設泥水分離設備、出水SS較 低 設備簡單、操作方便33 厭氧接觸法 在消化池后設沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成了厭氧接觸法（anaerobic contact process)。厭氧接觸法工藝動畫 厭氧接觸法實質上是厭氧活性污泥法，不需要曝氣而需要脫氣。 厭氧接觸法對懸浮物高的有機廢水(如肉類加工廢水等)效果很好，懸浮顆粒成為微生物的載體，并且很容易在沉淀池中沉淀。 在混合接觸池中，要進行適當攪拌以使污泥保持懸浮狀態(tài)。攪拌可以用機械方法，

19、也可以用泵循環(huán)池水。厭氧接觸法的特點:（a）通過污泥回流，保持消化池內(nèi)污泥濃度較高，一般為10-15g/L，耐沖擊能力強； （b）消化池的容積負荷較普通消化池高，中溫消化時，一般為2-l0kgCOD/m3d，水力停留時間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15-30天，而接觸法小于10天；（c）可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題； （d）混合液經(jīng)沉降后，出水水質好， （e）但需增加沉淀池、污泥回流和脫氣等設備 （f）厭氧接觸法存在混合液難于在沉淀池中進行固液分離的缺點。幾種脫氣方法:(a)真空脫氣，由消化池排出的混合液經(jīng)真空脫氣器(真空度為0.005 MPa)

20、，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉降性能； (b)熱交換器急冷法，將從消化池排出的混合液進行急速冷卻。 (c)絮凝沉降，向混合液中投加絮凝劑，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降； (d)用超濾器代替沉淀池，以改善固液分離效果。34上流式厭氧污泥床反應器UASB3.4.1 概述3.4.2 基本特點（優(yōu)點、缺點）3.4.3 UASB的構造和組成3.4.4 顆粒污泥3.4.5 UASB的設計 （1）容積 （2）配水 （3）排泥的設計 （4）結構設計的要求 （5）三相分離器設計3.4.6 UASB的啟動上流式厭氧污泥床反應器（upflow anaerobic sludge blanket reac

21、tor)，簡稱UASB反應器，是由荷蘭的G. Lettnga等人在70年代初研制開發(fā)的。污泥床反應器內(nèi)沒有人工載體，反應器內(nèi)微生物以自身聚集生長，為顆粒污泥狀態(tài)存在，因而能達到高生物量和高效高負荷。概述上流式厭氧污泥床的池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。 大型裝置為便于設置氣、液、固三相分離器，則一般為矩形，高度一般為3-8m，其中污泥床1-2m，污泥懸浮層2-4m，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構。 UASB反應器示意圖上流式厭氧污泥床反應器的基本特點 優(yōu)點： 有機負荷居第二代反應器之首,水力負荷滿足要求;污泥顆?；笫狗磻鲗Σ焕麠l件的抗性增強;在一定的水力負荷下，

22、可以靠反應器內(nèi)產(chǎn)生的氣體來實現(xiàn)污泥與基質的充分接觸。 （a）反應器內(nèi)污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30-40g/L，其中底部污泥床(sludge bed)污泥濃度60-80g/L，污泥懸浮層(sludge blanket)污泥濃度5-7g/L； 污泥床中的污泥由活性生物量占70-80的高度發(fā)展的顆粒污泥(sludge granules)mm之間，顆粒污泥是UASB反應器的一個重要特征。（b）有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷在小試驗和中型試驗中可高達20-40kg COD/（m3d）在大型生產(chǎn)裝置中可達到 6-8kg COD/（m3d）。（c）反應器內(nèi)設三相分離器，被沉淀區(qū)分

23、離的污泥能自動回流到反應區(qū)，一般無污泥回流設備；簡化了工藝，節(jié)約了投資和運行費用。 （d）無混合攪拌設備。投產(chǎn)運行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進水來攪動；（e）污泥床內(nèi)不填載體，提高了容積利用率，節(jié)省造價及避免堵塞問題。缺點：（a）大型裝置內(nèi)會有短流現(xiàn)象（要求配水裝置性能要好）（b）進水SS要求200mg/L，以免對污泥顆?；焕驕p少反應區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞（c）在沒有顆粒污泥接種的情況下，啟動時間長（d）對水質和負荷突然變化比較敏感（e）要求水溫高些，最好35左右。 由圖可見，UASB工作時，廢水從反應器底部進入，與污泥床層的高濃度顆粒污泥接觸，污染物被分解產(chǎn)生沼氣。污水、污泥和沼氣

24、一起向上流動，進入反應器的上部的三相分離器，完成氣、液、固三相的分離。被分離的消化氣從上部導出，被分離的污泥則自動滑落到懸浮污泥層。出水則從澄清區(qū)流出。3.4.3 UASB的構造和組成UASB反應器的組成(1)進水配水系統(tǒng) 將廢水盡可能均勻地分配到整個反應器，并有水力攪拌功能。 (2)反應區(qū) 其中包括污泥床區(qū)和污泥懸浮層區(qū)，有機物主要在這里被厭氧菌所分解。(3)三相分離器 由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成，其功能是把沼氣、污泥和液體分開。 (4)出水系統(tǒng) 其作用是把沉淀區(qū)表層處理過的水均勻地 加以收集，排出反應器。(5)氣室 也稱集氣罩，其作用是收集沼氣。(6)浮渣清除系統(tǒng) 其功能是清除沉淀區(qū)液面和

25、氣室表面的浮渣，根據(jù)需要設置。(7)排泥系統(tǒng) 其功能是均勻地排除反應區(qū)的剩余污泥。 厭氧污泥的主要聚集形式包括顆粒(granules)、 團體(pellets)、絮體（flocs)、絮狀污泥(nocculent sludge)等。定義：團體和顆粒是結構緊密的聚集體。這些聚集體沉降后呈現(xiàn)固定的形態(tài)。絮體和絮狀污泥則是具有蓬松結構的聚集體，這些聚集體沉降后無固定形態(tài)。3.4.4 厭氧顆粒污泥3.4.5 UASB 的設計（1）UASB反應器容積的確定 進水容積負荷法 V反應器有效容積， m3 ； Q廢水流量， m3 d； So進水COD或BOD5濃度，gmL； NVCOD或BOD5容積負荷，kg(m

26、3d) NV 與水溫、水質、污染物可生化性有關，一般取 68kgCOD/ m3d（2）進水配水系統(tǒng)的設計（3）排泥系統(tǒng)設計（4）UASB反應器的結構設計要求（5）三相分離器設計 三相分離器的基本構造 ： 三相分離器的型式是多種多樣的，但其三項主要功能均為氣液分離、固液分離和污泥回流；主要組成部分為氣封、沉淀區(qū)和回流縫。升流式厭氧污泥床反應器的啟動 UASB反應器的啟動可分為兩個階段:接種污泥在適宜的馴化過程中獲得一個合理分布的微生物群體。這種合理分布群體的大量生長、繁殖 啟動具體過程如下： 3.4.7 厭氧流化床 厭氧流化床工藝是借鑒流態(tài)化技術的一種生物反應裝置，它以小粒徑載體為流化粒料，廢水

27、作為流化介質，當廢水以升流式通過床體時，與床中附著于載體上的厭氧微生物膜不斷接觸反應，達到厭氧生物降解目的，產(chǎn)生沼氣，于床頂部排出。 流化床操作的首要滿足條件是：上升流速即操作速度必須大于臨界流態(tài)化速度，而小于最大流態(tài)化速度。上升流速應控制在1.21.5倍臨界流化速度。 厭氧流化床特點：（1）載體顆粒細，比表面積大，可高達20003000m2/m3左右，使床內(nèi)具有很高的微生物濃度，因此有機物容積負荷大，一般為1040kgCOD/m3d，水力停留時間短，具有較強的耐沖擊負荷能力，運行穩(wěn)定；（2）載體處于流化狀態(tài)，無床層堵塞現(xiàn)象，對高、中、低濃度廢水均表現(xiàn)出較好的效能；（3）載體流化時，廢水與微生物之間接觸面大，同時兩者相對運動速度快，強化了傳質過程，從而具有較高的有機物凈化速度；（4）床內(nèi)生物膜停留時間較長，剩余污泥量少；（5）結構緊湊、占地少以及基建投資省等。但載體流化耗能較大，且對系統(tǒng)的管理技術要求較高。 3.