厭氧生物處理課件

厭氧生物處理法簡介作者：張欣一、厭氧生物處理法的定義厭氧生物處理又稱為厭氧消化、厭氧發(fā)酵,是指在沒有游離氧的條件下由多種厭氧或兼性厭氧微生物的共同作用,使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過程。二、厭氧生物處理的特點(diǎn)①不需要另加氧元源，運(yùn)行費(fèi)用低；②剩余污泥少；③可回收能源—甲烷；④反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時間長；⑤處理構(gòu)筑物容積大。一般可用于對有機(jī)污泥和高濃度有機(jī)廢水（BOD≥2000mg/L）的處理。三、厭氧生物處理的基本原理3.1兩階段理論在20世紀(jì)30~60年代,人們普遍認(rèn)為厭氧消化過程可以簡單地分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個階段,兩階段學(xué)說可用圖1表示。圖1第一階段:復(fù)雜的有機(jī)物,如糖類、脂類和蛋白質(zhì)等,在產(chǎn)酸菌(厭氧和兼性厭氧菌)的作用下被分解為低分子的中間產(chǎn)物,主要是一些低分子有機(jī)酸,如乙酸、丙酸、丁酸等,和醇類,并有H2、CO2、NH+4和H2S等產(chǎn)生。因為該階段中,有大量的脂肪酸產(chǎn)生,使發(fā)酵液的PH降低,所以,此階段被稱為酸性發(fā)酵階段,或稱產(chǎn)酸階段。第二階段:產(chǎn)甲烷菌(專性厭氧菌)將第一階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物繼續(xù)分解成CH4和CO2等。由于有機(jī)酸在第二階段的不斷被轉(zhuǎn)化為CH4和CO2,同時系統(tǒng)中有NH4+存在,使發(fā)酵液的PH不斷升高。所以此階段被成為堿性發(fā)酵階段,或稱產(chǎn)甲烷階段。3.2三階段理論如圖2.圖2該理論認(rèn)為產(chǎn)甲烷菌不能利用除乙酸、H2、CO2和甲醇等以外的有機(jī)酸和醇類,所以真實(shí)的厭氧消化過程在酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段之間應(yīng)該還有一個中間過程,就是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物,如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類等轉(zhuǎn)化成乙酸和H2,并有CO2產(chǎn)生。3.3四菌群理論該理論認(rèn)為復(fù)雜有機(jī)物的厭氧消化過程有四種群厭氧微生物參與,這四種群是:水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌以及產(chǎn)甲烷菌。四種群理論與三階段理論相比,增加了同型產(chǎn)乙酸菌群,該菌群的代謝特點(diǎn)是能將H2/CO2合成為乙酸,一般情況下這類轉(zhuǎn)化數(shù)量很少。3.4五菌群理論五菌群理論與四種群理論最大的不同在于,把產(chǎn)甲烷菌分為食氫產(chǎn)甲烷菌和食乙酸產(chǎn)甲烷菌兩類不同的菌群。厭氧消化過程的5群細(xì)菌,構(gòu)成一條食物鏈,前三群菌為不產(chǎn)甲烷菌,它們的主要代謝產(chǎn)物為有機(jī)酸和氫及二氧化碳。后兩群細(xì)菌利用乙酸和氫及二氧化碳生成甲烷。所以稱前三群菌為不產(chǎn)甲烷菌,或稱酸化菌群,后兩群菌為產(chǎn)甲烷菌,或稱甲烷化菌群。四、厭氧生物處理的方法厭氧生物處理的工藝經(jīng)過不斷的發(fā)展現(xiàn)在已出現(xiàn)了三代厭氧反應(yīng)器。4.1第一代厭氧反應(yīng)器厭氧化糞池雙層沉淀池（腐化池）厭氧消化池厭氧接觸反應(yīng)器

（a）(b)(c)(d)圖4第一代厭氧處理典型工藝第一代厭氧反應(yīng)器的缺點(diǎn)：由于厭氧微生物生長緩慢,世代時間長,而厭氧消化池?zé)o法將水力停留時間和污泥停留時間分離,由此造成水力停留時間必須較長,一般來講第1代厭氧反應(yīng)器處理廢水的停留時間至少需要20—30天。4.2第二代厭氧反應(yīng)器的發(fā)展歷程厭氧濾池（AF)UASB反應(yīng)器厭氧固定膜膨脹床反應(yīng)器(AAFEB)厭氧流化床（AFB）厭氧折流式反應(yīng)器（ABR）圖5第二代厭氧處理典型工藝

（1）厭氧濾池（AF）高效厭氧處理系統(tǒng)必須滿足以下兩個條件:(1)系統(tǒng)內(nèi)能夠保持大量的活性厭氧污泥；(2)反應(yīng)器進(jìn)水應(yīng)與污泥保持良好的接觸?；谶@兩個條件產(chǎn)生了一種以微生物固定為原理的高效厭氧反應(yīng)器—厭氧濾池。它的成功之處在于在反應(yīng)器中加入固體填料(如沙礫等),微生物由于附著生長在填料的表面,免于水力沖刷而得到保留從而巧妙地將平均水力停留時間與生物固體停留時間相分離,其固體停留時間可以長達(dá)上百天,這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時間從過去的幾天或幾十天縮短到幾小時或幾天。（2）升流式厭氧污泥床(UASB)該工藝由于具有厭氧過濾及厭氧活性污泥法的雙重特點(diǎn)，作為能夠?qū)⑽鬯械奈廴疚镛D(zhuǎn)化成再生清潔能源——沼氣的一項技術(shù)。對于不同含固量污水的適應(yīng)性也強(qiáng)，且其結(jié)構(gòu)、運(yùn)行操作維護(hù)管理相對簡單，造價也相對較低，技術(shù)已經(jīng)成熟，正日益受到污水處理業(yè)界的重視，得到廣泛的歡迎和應(yīng)用。UASB的工作原理：

UASB由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器（包括沉淀區(qū)）和氣室三部分組成。在底部反應(yīng)區(qū)內(nèi)存留大量厭氧污泥，具有良好的沉淀性能和凝聚性能的污泥在下部形成污泥層。要處理的污水從厭氧污泥床底部流入與污泥層中與污泥進(jìn)行混合接觸，污泥中的微生物分解污水中的有機(jī)物，把它轉(zhuǎn)化為沼氣。UASB反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)負(fù)荷高,水力停留時間短,處理周期大為縮短;反應(yīng)器無填料,無污泥回流裝置,無攪拌裝置,成本和運(yùn)行費(fèi)用大大降低;初次啟動后可直接以污泥顆粒接種,目前已成為應(yīng)用最廣泛的厭氧處理方法。但反應(yīng)器內(nèi)可能出現(xiàn)短流現(xiàn)象,影響處理能力;當(dāng)進(jìn)水中的懸浮物濃度過高時會引起堵塞。對于這些情況,無疑傳統(tǒng)高效UASB系統(tǒng)的設(shè)計需要很大的改進(jìn),正是對于這些困難問題的研究,導(dǎo)致產(chǎn)生了第三代高效厭氧反應(yīng)器的開發(fā)和利用。4.3第三代厭氧反應(yīng)器厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB）厭氧內(nèi)循環(huán)（IC）上流污泥床過濾器(UBF)厭氧序批反應(yīng)器（ASBR）折流式厭氧反應(yīng)器（ABR）厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器（AMBR）上流式分段污泥床（USSB）①厭氧顆粒污泥膨脹床(EGSB)EGSB與UASB反應(yīng)器的不同之處僅僅在于運(yùn)行方式。上流速度高達(dá)2.5～6.0m/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于UASB反應(yīng)器中采用的約0.5～2.5m/h的上流速度。因此,在EGSB反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥床處于“膨脹狀態(tài)”,而且在高的上流速度和產(chǎn)氣的攪拌作用下,廢水與顆粒污泥間的接觸更充分,水力停留時間更短,從而可大大提高反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷和處理效率。②厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)IC反應(yīng)器實(shí)際上是由底部和上部兩個UASB反應(yīng)器串聯(lián)疊加而成,包括4個不同的功能單元:混合部分、膨脹床部分、精處理部分和回流部分,如圖1(b)所示.反應(yīng)器具有兩個三相分離器,使生物量得到有效滯留:一級(底部)分離器分離沼氣和水,二級分離器(上部)分離顆粒污泥和水.因大部分沼氣已在一級分離器中得到分離,精處理部分內(nèi)部幾乎不存在紊動,因此二級分離器不受高氣體流速的影響,能有效分離出水中的顆粒污泥。進(jìn)水和循環(huán)回流的泥水在膨脹床部分充分混合,使進(jìn)水得到稀釋和調(diào)節(jié),并在此形成致密的厭氧污泥膨脹床.③上流污泥床過濾器(UBF)UBF是在UASB和AF的基礎(chǔ)上開發(fā)成功的新型復(fù)合式厭氧反應(yīng)器.該新型反應(yīng)器可以充分發(fā)揮UASB和AF兩種高效反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn),其底部是高濃度顆粒污泥組成的污泥床,上部是填料及其附著的生物膜組成的濾料層,結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示.反應(yīng)器上部的填料層既增加了無效容積的生物總量,又可防止污泥的突然洗出,而且對COD有20%左右的去除率.研究表明,UBF反應(yīng)器可處理的有機(jī)負(fù)荷(OLR)直接正比例于系統(tǒng)的生物量濃度,這可以通過改變水力停留時間(HRT)來加以控制.所用的填料可根據(jù)廢水生物反應(yīng)特性及水力學(xué)特征而進(jìn)行選擇,常用的有:聚氨酯泡沫填料、聚丙烯填料、半軟性纖維填料、聚乙烯拉西環(huán)、塑料環(huán)、活性炭、浮石以及礫石等,其中應(yīng)用最多的是聚氨酯泡沫填料.因為其比表面積大、空隙度高,具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),厭氧菌群可以在其表面迅速生長.許多學(xué)者對UBF反應(yīng)器的填料選擇進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)填料并不是影響總COD去除率和顆粒污泥沉降性能的關(guān)鍵因素.在對高濃度有機(jī)廢水和城市廢棄物的處理中,發(fā)現(xiàn)COD去除率受生物量的增殖、OLR和HRT影響最大。注：(a)EGSB;(b)IC;?UFB第三代反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖④ASBR反應(yīng)器ASBR法的主要特征是以序批式間歇的方式運(yùn)行,通常由一個或幾個ASBR反應(yīng)器組成.運(yùn)行時,廢水分批進(jìn)入反應(yīng)器,與其中的厭氧顆粒污泥發(fā)生生化反應(yīng),直到凈化后的上清液排出,完成一個運(yùn)行期。ASBR法一個完整的運(yùn)行操作周期按次序應(yīng)分為四個階段:進(jìn)水期、反應(yīng)期、沉降期和排水期,如下圖所示：(a)進(jìn)水期；(b)反應(yīng)期；(c）沉降期；(d)排水期單個ASBR反應(yīng)器就是一個能順利完成運(yùn)行周期的處理系統(tǒng).對于間歇排放的廢水,只要排水間歇期足夠長,使進(jìn)水、反應(yīng)、沉降、排水等一連串操作能夠完成,用一個反應(yīng)器就能達(dá)到處理要求.對于連續(xù)排放的廢水,可用幾個反應(yīng)器輪流接納廢水,分批進(jìn)行處理.ASBR工藝目前仍處于試驗階段,其特殊的間歇操作方式在理論上能夠獲得比連續(xù)進(jìn)水的普通厭氧活性污泥法更高效的生物絮凝(甚至顆?；?和固液分離效果。ASBR反應(yīng)器能夠在5℃~65℃范圍內(nèi)有效操作,尤其是能夠在低溫和常溫(5℃~25℃)下處理低濃度(COD<1000mg/L)廢水。中溫35℃時,在所有基質(zhì)濃度和HRT下,SCOD的去除率達(dá)92%~99%。處理COD為600mg/L,BOD5為285mg/L,20℃~25℃時,在所有HRT下,SCOD、BOD5的去除率均>90%。第三代厭氧反應(yīng)器特點(diǎn)比較厭氧反應(yīng)器的處理效率主要決定于反應(yīng)器所能保有的微生物濃度及其生化反應(yīng)速率,而傳質(zhì)條件對生化反應(yīng)速率起著重要的作用。針對這些因素，新一代的反應(yīng)器具有一些共同的特性:1)微生物均以顆粒污泥固定化的方式存在于反應(yīng)器中,單位容積達(dá)微生物持有量更高;2)能承受更高的水力負(fù)荷,具有較高的有機(jī)污染物凈化效能;3)具有較大的高徑比,占地面積小,動力消耗小;4)顆粒污泥與有機(jī)物之間具有更好的傳質(zhì),使反應(yīng)器的處理能力大大提高.他們也具有各自的特點(diǎn)，也有各自的不足，具體見下表：⑤折流式厭氧反應(yīng)器（ABR）

ABR反應(yīng)器是在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置一系列垂直放置的折流擋板,反應(yīng)器被分隔成幾個串聯(lián)的反應(yīng)室,每個反應(yīng)室都可以看作一個相對獨(dú)立的上流式污泥床（USB）,折板引導(dǎo)水流上下流動通過整個反應(yīng)器,廢水中的有機(jī)基質(zhì)通過與微生物充分的接觸而得到去除。反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖如下，在每個隔室的上半部分裝上填料，這樣可有效地防止污泥的流失。ABR反應(yīng)器示意圖AMBR工藝類似ABR工藝,在每個隔室里增加了機(jī)械攪拌,通過周期性改變進(jìn)出水的方向來保持大量的污泥,使每個上流式污泥床保持一致。有實(shí)驗證明，AMBR處理工藝在15℃和20℃時處理脫脂牛奶,水力停留時間4~12h,有機(jī)負(fù)荷為1·0~3·0kgCOD/m3·d,在更高COD負(fù)荷,在15℃時COD的去除率為59%;在20℃時,COD負(fù)荷為1·0~2·0kgCOD/m3·dCOD的去除率為80~95%。⑥厭氧遷移式污泥床反應(yīng)器（AMBR）

AMBR工藝基本構(gòu)造如下圖所示圖a底部開孔的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖圖b帶導(dǎo)流板的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖⑦上流式分段污泥床

上流式分段污泥床反應(yīng)器是在UASB反應(yīng)器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,與UASB反應(yīng)器相比,它是在反應(yīng)器內(nèi)豎向增加了多層斜板代替UASB裝置中的三相分離器,使整個反應(yīng)器被分割成多個反應(yīng)區(qū)間,每個反應(yīng)區(qū)間的產(chǎn)氣分別經(jīng)水封后逸出,相當(dāng)于多個UASB反應(yīng)器串聯(lián)而成。使用該反應(yīng)器在高溫條件下,進(jìn)行蔗糖與VFA混合廢水的處理實(shí)驗,取得了較為滿意的結(jié)果:肖利平等人采用100mm×150mm×600mm有效容積為7·6L,處理淋浴、洗衣和淘米的混合廢水,在中溫(35℃±2℃)和HRT為0·95d的條件下,經(jīng)過60d的培養(yǎng)馴化,當(dāng)進(jìn)水含鹽量為5000mg/L、COD濃度在5000mg/L以下時,COD去除率在80%左右,日產(chǎn)氣量最高可達(dá)12·5L/d。五、現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器技術(shù)的發(fā)展方向

5.1兩相或多級厭氧處理技術(shù)兩相厭氧工藝就是把水解和發(fā)酵的產(chǎn)酸相與產(chǎn)乙酸和產(chǎn)CH4的產(chǎn)氣相分別置于不同的反應(yīng)器中,這樣就可以削弱由酸的積累而導(dǎo)致反應(yīng)器“酸化”的問題,也使各相能在各自的條件下運(yùn)行,系統(tǒng)中的污泥的比酸化活性和比產(chǎn)CH4性均高于單相工藝。在相分離的基礎(chǔ)上,使產(chǎn)酸相和產(chǎn)CH4相具有復(fù)合流態(tài)是兩相工藝的未來發(fā)展方向。5.2分階段多相厭氧反應(yīng)器技術(shù)SMPA是新型高效廢水厭氧處理工藝研究和開發(fā)應(yīng)用的新思路,該工藝將適用于各種溫度條件和不同進(jìn)水基質(zhì)類型的處理。SMPA的特點(diǎn):1)在各級分隔的空間中培養(yǎng)適宜的厭氧微生物種群,以適應(yīng)相應(yīng)的底物組分及環(huán)境因子(如pH、H2分壓等)。2)防止在各個單獨(dú)空間中獨(dú)立發(fā)展形成的污泥相互混合。3)各個單獨(dú)空間所產(chǎn)生的氣