第十五章-污水的厭氧生物處理(環(huán)工)課件

第十五章廢水的厭氧生物處理7/22/20231主要講述內(nèi)容概述厭氧處理理論基礎(chǔ)厭氧處理工藝發(fā)展厭氧－好氧技術(shù)的聯(lián)合運用7/22/20232一、概述厭氧生物處理是指利用厭氧微生物的代謝過程，在無氧條件下把污水中的有機污染物轉(zhuǎn)化為無機物和少量細胞物質(zhì)的污水處理方法。與好氧生物處理技術(shù)相比，它具有以下突出優(yōu)點：7/22/20233能耗低(約為好氧的10％～15％）厭氧對N、P的含量要求低，COD:N:P=800:5:1即可滿足營養(yǎng)要求

可回收生物能源（沼氣）產(chǎn)生的剩余污泥量少（相當于好氧的1/10～1/6），節(jié)省污泥脫水費用可承受的有機負荷高，占地少（人口密集、地價昂貴的地區(qū)）可季節(jié)性運行或間斷性運行（厭氧菌能保持至少1年以上的活性）優(yōu)點：7/22/20234缺點：受溫度等影響大，要保溫厭氧水力停留時間一般較長，厭氧的啟動時間一般也較長厭氧處理后出水COD、BOD值較高，難以達標（需好氧處理作為后處理）有惡臭（H2S）綜合看來：在處理高濃度難降解有機廢水時，首選厭氧，再輔之以好氧處理。7/22/20235二、厭氧處理理論基礎(chǔ)厭氧生物降解過程可分為四個階段：1.水解階段2.酸化階段(也叫發(fā)酵階段)3.乙酸化階段4.產(chǎn)甲烷階段7/22/202361.水解階段水解細菌將不溶性有機物轉(zhuǎn)變成可溶性有機物,將高分子溶性有機物轉(zhuǎn)變成小分子有機物(通過細菌胞外酶作用)纖維素被纖維素酶水解成纖維二糖和葡萄糖淀粉被淀粉酶水解成麥芽糖和葡萄糖蛋白質(zhì)被蛋白酶水解成短酞和氨基酸脂肪被脂肪酶水解成丙二醇和脂肪酸7/22/202372.酸化階段水解階段產(chǎn)生的小分子水解產(chǎn)物在酸化菌的細胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更簡單的化合物并分泌到細胞外,這一階段的主要產(chǎn)物有VFA\醇類\乳酸\CO2\NH3\H2S等。與此同時，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細胞物質(zhì)。

7/22/20238發(fā)酵細菌(產(chǎn)酸細菌)主要包括梭菌屬(Clostridigm)、似桿菌屬(Bacteroides)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真細菌屬(Eubacterium)和雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)等。7/22/202393.乙酸化階段在此階段，酸化階段的產(chǎn)物被進一步轉(zhuǎn)化為乙酸、H2、碳酸等以及新的細胞物質(zhì)。7/22/202310產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌近年來的研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營單孢菌屬(Syntrophomonas)、桿菌屬(Syntrophobacter)、梭菌屬(Clostridium)、暗桿菌屬(Petobacter)等。7/22/2023114.產(chǎn)甲烷階段在此階段，乙酸、H2、碳酸、甲酸和甲醇等被轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和新的細胞物質(zhì)。整個厭氧降解的速率取決于以上四個階段中速度最慢的那個階段，因為產(chǎn)甲烷菌的生長緩慢,所以產(chǎn)甲烷的反應較慢,所以一般產(chǎn)甲烷階段是整個厭氧降解過程的速率限制性階段.產(chǎn)甲烷菌世代時間：4～6d酸化菌：10～30min7/22/202312產(chǎn)甲烷階段的菌種嗜甲烷菌或稱產(chǎn)甲烷菌（Methanogens）,是甲烷發(fā)酵階段的主要細菌，屬于絕對厭氧細菌，主要代謝產(chǎn)物是甲烷。常見的有四種：1、甲烷桿菌，桿狀細胞，連成鏈或長絲狀，或呈短而直的桿狀2、甲烷球菌，球形細胞呈正圓或橢圓形，排列成對或成鏈3、甲烷八疊球菌，它可繁殖成為有規(guī)則的，大小一致的細胞，堆積在一起4、甲烷螺旋菌，呈有規(guī)則彎曲桿狀和螺旋絲狀7/22/202313大分子有機物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等）水解的和溶解的有機物有機酸、醇類、醛類等H2、CO2乙酸CH41水解階段細菌胞外酶2酸化階段產(chǎn)酸細菌2酸化階段3乙酸化階段4甲烷化階段4甲烷化階段甲烷細菌甲烷細菌7/22/202314關(guān)于厭氧理論的3點思考：1.水解-好氧工藝2.生物制氫3.一步或兩步（兩相）厭氧7/22/202315水解-好氧工藝厭氧處理從開始只能處理高濃度的污水發(fā)展到可以處理中低濃度的污水，如啤酒、屠宰甚至生活污水。北京市環(huán)科院開發(fā)了水解—好氧生物處理技術(shù)。水解反應器利用厭氧反應中的水解酸化階段，而放棄了停留時間長的甲烷發(fā)酵階段。7/22/202316水解反應器對有機物的去除率，特別是對懸浮物的去除率顯著高于具有相同停留時間的初沉池。（2.5～3h）由于水解反應器可使啤酒廢水中的大分子難降解有機物被轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿右捉到獾挠袡C物，出水的可生化性能得到改善，這使得好氧處理單元停留時間小于傳統(tǒng)的工藝。懸浮固體物質(zhì)(包括進水懸浮物和后續(xù)好氧處理中的剩余污泥)被水解為可溶性物質(zhì)，使污泥得到處理。7/22/202317一步或兩步（兩相）厭氧兩步（兩相）厭氧：進行水解和酸化的酸化反應器產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷的甲烷反應器7/22/202318厭氧消化的影響因素1溫度:甲烷菌最適溫度在35℃～38℃和52℃～55℃各有一個。因此，甲烷菌可分為兩類，即中溫甲烷菌；高溫甲烷菌，兩區(qū)之間的溫度，反應速度反而減退中溫或高溫厭氧消化允許的溫度變動范圍為±1.5～2.0℃。當有±3℃變化時，就會抑制消化速率，有±5℃的急劇變化時，就會突然停止產(chǎn)氣，有機酸大量積累而破壞厭氧消化

7/22/202319pH：

產(chǎn)酸段（菌）適宜：4.5~8.2產(chǎn)甲烷段（菌）適宜:(6.8)7.0~7.2

為了控制pH，溶液中堿度應在1000～4500mg/L(以CaO計)。通常加入石灰和重碳酸鹽。Ca(OH)2+2CO2

Ca(HCO3)2

H++HCO3-

H2CO3

CO2+H2O厭氧消化的影響因素27/22/202320厭氧工藝發(fā)展總的趨勢是越來越高效，而高效的厭氧處理必須滿足兩個原則：①能夠保持大量的厭氧活性污泥和足夠長的污泥齡；②保持所處理的廢水和污泥之間的良好接觸。下面從厭氧的發(fā)展歷程具體來分析：7/22/202321按微生物生長狀態(tài)分為厭氧活性污泥法(anaerobicactivatedsludge)和厭氧生物膜法(anaerobicslime)；根據(jù)厭氧消化中物質(zhì)轉(zhuǎn)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(onestagedigestion)與兩步厭氧消化(twostagedigestion)等厭氧處理工藝發(fā)展大致可分為三個發(fā)展階段（三代）三、厭氧處理工藝發(fā)展7/22/202322第一代（20世紀50年代）代表：厭氧消化池（化糞池）厭氧接觸工藝7/22/202323普通厭氧消化池

稱傳統(tǒng)消化池(conventionaldigester)。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。7/22/202324螺旋槳攪拌的消化池7/22/202325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（anaerobiccontactprocess)。7/22/202326第二代（60年代～70年代末）代表：厭氧濾池（AF）上流式厭氧污泥床反應器（UASB）流化床和膨脹床系統(tǒng)厭氧生物轉(zhuǎn)盤7/22/202327厭氧濾池

厭氧濾池（anaerobicfilter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7/22/202328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。7/22/202329上流式厭氧污泥床反應器（UASB）上流式厭氧污泥床反應器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，簡稱UASB反應器，是由荷蘭的G.Lettinga等人在70年代初研制開發(fā)的。他們在研究用升流式厭氧濾池處理土豆加工和甲醇廢水時取消了池內(nèi)的全部填料，并在池子的上部設置了氣、液、固三相分離器，于是一種結(jié)構(gòu)簡單、處理效能很高的新型厭氧反應器便誕生了。7/22/202330國際上荷蘭的PAQUES、美國的BIOTHANE和比利時的BIOTIM公司是世界上主要三個UASB技術(shù)的廠家。僅這三家公司占國際市場份額的74%，這三家公司的技術(shù)主要是采用UASB技術(shù)，這反映了UASB技術(shù)除其技術(shù)本身的特點之外，其市場化的水平也是比較高的。這與UASB技術(shù)本身的特點有關(guān)，如UASB的反應器、三相分離器和顆粒污泥等等都是專有技術(shù)，技術(shù)含量較高。7/22/20233132

7/22/2023322004-11-17

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7/22/202333在UASB反應器中能夠培養(yǎng)得到一種具有良好沉降性能和高比產(chǎn)甲烷活性的顆粒厭氧污泥，相對于其他同類裝置就具有一定的優(yōu)勢：

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(sludgebed)污泥濃度60-80g/L，污泥懸浮層(sludgeblanket)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(sludgegranules)組成，顆粒的直徑一般在0.5-5.0mm之間，顆粒污泥是UASB反應器的一個重要特征。7/22/202334（b）有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷一般為10-20kgCOD/（m3·d）；（c）反應器內(nèi)設三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動回流到反應區(qū)，一般無污泥回流設備；（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，節(jié)省造價及避免堵塞問題。7/22/202335UASB反應器的缺點：（a）反應器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。進水中的懸浮物應比普通消化池低得多，特別是難消化的有機物固體不宜太高，以免對污泥顆粒化不利或減少反應區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；（b）運行啟動時間長，對水質(zhì)和負荷突然變化比較敏感。7/22/202336(1)進水配水系統(tǒng)(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，是反應器的主要部位(3)三相分離器，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)液面和氣室表面的浮渣。如浮渣不多可省略(7)排泥系統(tǒng)其功能是均勻地排除反應區(qū)的剩余污泥

UASB反應器示意圖7/22/202337流化床和膨脹床厭氧生物轉(zhuǎn)盤流化床一般按20％～40％的膨脹率運行；膨脹床按5％～20％的膨脹率運行7/22/202338第三代（20世紀80年代～）既要實現(xiàn)SRT和HRT的分離，又要使進水和污泥充分接觸。為滿足第二個條件，一方面確保反應器進水布水均勻性，這樣才能最大程度地避免短流；從另一方面講，應考慮如何利用工藝本身的混合和產(chǎn)氣的擾動來加強反應器內(nèi)混合程度。正是對這一問題的研究導致了第三代厭氧反應器的開發(fā)和應用。7/22/202339第三代厭氧反應器代表：EGSB(顆粒污泥膨脹床反應器）IC（厭氧內(nèi)循環(huán)反應器）ABR7/22/202340EGSB反應器7/22/202341EGSB現(xiàn)場照7/22/202342EGSB反應器回流的作用：一方面：充分混合另一方面：稀釋、減輕原水負荷，提高抗沖擊能力。20世紀90年代荷蘭推出了商品名為BiobedEGSB的工業(yè)規(guī)模反應器，應用涉及啤酒、食品、化工等行業(yè)，著名的丹麥嘉仕伯啤酒公司和深圳的金威啤酒都是EGSB的用戶。7/22/202343IC反應器7/22/2023447/22/202345目前IC反應器技術(shù)已成功地應用于啤酒生產(chǎn)、造紙及食品加工等行業(yè)的生產(chǎn)污水處理中，由于其處理容量高，投資少，占地省，運行穩(wěn)定等優(yōu)點引起了各國水處理人員的矚目，被稱為第三代厭氧生化反應器的代表工藝之一。IC反應器具有以下特點：它實現(xiàn)了“高負荷與污泥流失相分離”。它具有一個無外加動力的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。內(nèi)循環(huán)增加了水力負荷，強化了傳質(zhì)過程。IC反應器尤其適合于處理濃度較低和溫度較低的有機廢水。7/22/202346IC厭氧反應器與UASB反應器相比具有以下優(yōu)點:

有機負荷高?？箾_擊負荷能力強，運行穩(wěn)定性好?；ㄍ顿Y省，占地面積少。節(jié)能。7/22/202347厭氧折流板反應器（ABR）

ABR各個隔室中微生物相是隨流程逐漸遞變的，遞變的規(guī)律與底物的降解過程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應的微生物擁有最佳的代謝環(huán)境和代謝活性。ABR的推流特性可確保系統(tǒng)擁有更優(yōu)的出水水質(zhì)，同時反應器的運行更加穩(wěn)定，對沖擊負荷以及進水中的有毒物質(zhì)具有更好的緩沖能力。7/22/202348SMPA

（stagedmulti-phaseanaerobicreactor）

分階段多相厭氧反應器技術(shù)－－－Lettinga在各級分隔的單體中培養(yǎng)出合適的厭氧細菌群落，以適應相應的底物組分及環(huán)境因子，如pH值、H2分壓等。防止在各個單體中出現(xiàn)污泥互相混合現(xiàn)象。將各單體或隔室內(nèi)的產(chǎn)氣互相隔開。工藝流程更接近于推流式，追求系統(tǒng)更高的去除率，更好的出水水質(zhì)。7/22/202349Lettinga認為：SMPA工藝的適用范圍更為廣泛，適用于各類溫度條件，從低溫（小于10℃）到高溫（大于55℃）均可運行，而且對各種含抑制性化合物的化工廢水也具有較高的降解效能。SMPA工藝是今后厭氧工藝技術(shù)研究和應用發(fā)展的主導方向。根據(jù)厭氧處理過程中參與有機物降解的不同微生物種群的生理生態(tài)特點及其組成的為生態(tài)系統(tǒng)對環(huán)境條件的要求，進行多相工藝研究，以及根據(jù)反應器的混合要求進行復合流態(tài)工藝的研究，已成為開發(fā)和研制新型厭氧