第三章廢水厭氧處理

1、廢水厭氧生物處理工程厭氧生物處理在斷絕與空氣接觸的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學作用，對有機物進行生物降解的過程，稱為厭氧生物處理法或厭氧消化法厭氧生物處理法的處理對象是：高濃度有機工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動植物殘體及糞便等 厭氧生物處理階段厭氧生物處理是一個依靠三大主要類群的細菌完成的復雜的微生物學過程。將厭氧消化過程劃分為三個連續(xù)的階段：第一階段為水解酸化階段 第二階段為產氫產乙酸階段第三階段為產甲烷階段1、水解酸化階段（產酸或酸化細菌）碳水化合物、脂肪和蛋白質的水解酸化過程碳水化合物、脂肪和蛋白質的水解酸化過程 2、產氫產乙酸階段和產甲烷階段甲烷化階段甲烷化階段產氫產乙酸

2、階段產氫產乙酸階段水解酸化階段l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，分解產生揮發(fā)性有機酸、醇類、醛類。這個階段主要產生較高級脂肪酸產氫產乙酸階段l 在產氫產乙酸細菌的作用下，第一階段產生的各種有機酸被分解轉化成乙酸和H2，在降解奇數碳素有機酸時還形成CO2產甲烷階段l產甲烷細菌將乙酸、乙酸胺、CO2和H2等轉化為甲烷。此過程由兩組生理上不同的產甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸胺產生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3厭氧生物處理的基本原理厭氧生物處理厭氧生物處理的方法和基本功能l酸發(fā)酵的目的是為進一步進行

3、生物處理提供易生物降解的基質l甲烷發(fā)酵的目的是進一步降解有機物和生產氣體燃料厭氧生物處理技術是我國水污染控制的重要手段 我國高濃度有機工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質、纖維素等有機物我國當前的水體污染物還主要是有機污染物以及營養(yǎng)元素N、P的污染目前的形勢是：能源昂貴、土地價格劇增、剩余污泥的處理費用也越來越高厭氧工藝的突出優(yōu)點是：能將有機污染物轉變成沼氣并加以利用；運行能耗低；有機負荷高，占地面積少； 污泥產量少，剩余污泥處理費用低；等等厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個方面優(yōu)點：既適用于高濃度廢水，又適用于中低濃度廢水能耗低，厭氧法產生的沼氣

4、可作為能源有機負荷高，厭氧法為210kgCOD/m3d剩余污泥量少，厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多氮、磷營養(yǎng)需要量少：厭氧法的C:N:P為100:2.1:0.5厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機物進行降解或部分降解厭氧活性污泥可以長期貯存缺點：反應過程較為復雜，厭氧微生物增殖緩慢，設備啟動時間長出水往往達不到排放標準，需要進一步處理對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感厭氧生化法與好氧生化法相比的優(yōu)缺點厭氧消化過程中的主要微生物發(fā)酵細菌（產酸細菌）主要功能：l水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物；l酸化將可溶性大分子有機物轉化為脂肪酸、醇類等；主要細菌：梭菌屬、擬桿

5、菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響（pH、細胞平均停留時間等），有時會成為厭氧反應的限速步驟；產酸反應的速率較快；大多數是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌等。 厭氧消化過程中的主要微生物產氫產乙酸菌主要功能：將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；主要反應：乙醇： 丙酸： 丁酸： 注意：上述反應只有在乙酸濃度很低，系統(tǒng)中氫分壓很低時才能順利進行。主要細菌：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等多數是嚴格厭氧菌或兼性厭氧菌232232HCOOHCHOHOHCHCH22322332

6、COHCOOHCHOHCOOHCHCH232223222HCOOHCHOHCOOHCHCHCH厭氧消化過程中的主要微生物產甲烷菌60年代Hungate開創(chuàng)了嚴格厭氧微生物培養(yǎng)技術主要功能：將產氫產乙酸菌的產物乙酸和H2/CO2轉化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行一般可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產甲烷菌乙酸營養(yǎng)型產甲烷菌的種類較少，只有產甲烷八疊球菌和產甲烷絲菌，但在厭氧反應器中，有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解 厭氧生物處理的影響因素-溫度溫度主要影響微生物的生化反應速度，與有機物的分解速率有關 工程上：中溫消化溫度為3038（以3335為多）高溫消化溫度為5055厭

7、氧消化對溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于2。溫度突變幅度太大，會招致系統(tǒng)的停止產氣 產甲烷菌對pH值的變化敏感，其最適pH值范圍為6.87.2，在8.2時，產甲烷菌會受到嚴重抑制厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進水pH值、進水水質（有機物濃度、有機物種類等）、生化反應、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等如果有機物負荷太大，水解和產酸過程的生化速率大大超過氣化速率，將導致?lián)]發(fā)性脂肪酸的積累和pH值的下降，抑制甲烷細菌的生理機能。最終使氣化速率銳減，甚止停止厭氧生物處理的影響因素-pH 無氧環(huán)境是嚴格厭氧的產甲烷菌繁殖的最基本條件之一，厭氧環(huán)境主要以體系中的氧化還原電位反映 產甲烷菌對氧和氧

8、化劑非常敏感。產甲烷菌初始繁殖的環(huán)境條件是氧化還原電位不能高于-330mV, 相當于2.361056L水中有1mol氧 氧氣和其它一些氧化劑或氧化態(tài)物質的存在（如某些工業(yè)廢水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性廢水中的H+等），同樣能使體系中的氧化還原電位升高。當其濃度達到一定程度時，同樣會危害厭氧消化過程的進行厭氧生物處理的影響因素-氧化還原電位厭氧生物處理的影響因素-營養(yǎng)厭氧微生物對N、P等營養(yǎng)物質的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多數厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時需要投加：K、Na、Ca等金屬鹽類；微量元

9、素Ni、Co、Mo、Fe等；有機微量物質：酵母浸出膏、生物素、維生素等 厭氧生物處理的影響因素- F/M比 厭氧生物處理的有機物負荷較好氧生物處理更高，一般可達510kgCOD/m3.d，甚至可達5080 kgCOD/m3.d；l無傳氧的限制l可以積聚更高的生物量產酸階段的反應速率遠高于產甲烷階段，因此必須十分謹慎地選擇有機負荷高的有機容積負荷的前提是高的生物量，而相應較低的污泥負荷高的有機容積負荷可以縮短HRT，減少反應器容積厭氧生物處理的影響因素-有毒物質常見的抑制性物質有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物；硫化物和硫酸鹽：l硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被還原成硫化

10、物l可溶的硫化物達到一定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產甲烷過程產生抑制作用l投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。氨氮：l氨氮是厭氧消化的緩沖劑l但濃度過高，則會對厭氧消化過程產生毒害作用；l抑制濃度為50200mg/l，但馴化后，適應能力回得到加強重金屬使厭氧細菌的酶系統(tǒng)受到破壞抑制物質濃度/(mg/L)抑制物質濃度/(mg/L)揮發(fā)性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500厭氧生物處理的影響因素-有毒物質厭氧消化

11、裝置的負荷率是怎樣確定的呢？厭氧消化裝置的負荷率是怎樣確定的呢？ 一個重要的原則是：在兩個轉化（酸化和氣化）速率保持穩(wěn)定平衡的條件下，求得最大的處理目標（最大處理量或最大產氣量）。 一般而言，厭氧消化微生物進行酸化轉化的能力強，速率快，對環(huán)境條件的適應能力也強；而進行氣化轉化的能力相對較弱，速率也較慢，對環(huán)境的適應能力也較脆弱。這種前強后弱的特征使兩個轉化速率保持穩(wěn)定平衡頗為困難，因而形成了三種發(fā)酵狀態(tài)。 厭氧消化裝置負荷率的確定三種發(fā)酵狀態(tài)-酸性發(fā)酵狀態(tài)當有機物負荷率很高時，當有機物負荷率很高時，由于供給產酸菌的食物相當充分，致使作為其代謝產物的有機物酸產量很大，超過了甲烷細菌的吸收利用能力

12、，導致有機酸在消化液中的積累和pH值（以下均指大氣壓條件下的實測值）下降，其結果是使消化液顯酸性（pH7）。這種在酸性條件下進行的厭氧消化過程稱為酸性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種低效而又不穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，應盡量避免。 三種發(fā)酵狀態(tài)-弱堿性發(fā)酵狀態(tài)當有機負荷率適中時，當有機負荷率適中時，產酸細菌代謝產物中的有機酸基本上能被甲烷細菌及時地吸收利用，并轉化為沼氣，溶液中殘存的有機酸量一般為每升數百毫克。此時消化液中pH值維持在77.5之間，溶液呈弱堿性。這種在弱堿性條件下進行的厭氧消化過程稱之為弱堿性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種高效而又穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，最佳負荷率應達此狀態(tài)。 三種發(fā)酵狀態(tài)-堿性發(fā)酵狀態(tài)當有機物負荷率偏小

13、時，當有機物負荷率偏小時，供給產酸細菌的食物不足，產酸量偏少，不能滿足甲烷細菌的需要。此時，消化液中的有機酸殘存量很少，pH值偏高，在pH值偏高（大于7.5）的條件下進行的厭氧消化過程，稱為堿性發(fā)酵狀態(tài)。如前所述，由于負荷偏低，因而是一種雖穩(wěn)定但低效的厭氧消化狀態(tài)。 厭氧生物處理工藝厭氧消化應用于廢水處理的初級階段，是從1881年法國Mouras設計的自動凈化器開始到本世紀的20年代；1881年法國Mouras的自動凈化器：1891年英國Moncriff的裝有填料的升流式反應器：1895年，英國設計的化糞池（Septic Tank）1905年，德國的Imhoff池（又稱隱化池、雙層沉淀池） 早

14、期的厭氧生物反應器雙層沉淀池一個矩形密閉的池子，用隔墻分一個矩形密閉的池子，用隔墻分為兩室或三室，各室之間用水下為兩室或三室，各室之間用水下連接管接通。廢水由一端進入，連接管接通。廢水由一端進入，通過各室后由另一端排出。懸浮通過各室后由另一端排出。懸浮物沉于池底后進行緩慢的厭氧發(fā)物沉于池底后進行緩慢的厭氧發(fā)酵。各室的頂蓋上設有孔，可定酵。各室的頂蓋上設有孔，可定期（數月）將消化后的污泥挖出，期（數月）將消化后的污泥挖出，供作農肥。通常設于獨立的居住供作農肥。通常設于獨立的居住或公共建筑物的下水管道上，用或公共建筑物的下水管道上，用于初步處理糞便廢水。于初步處理糞便廢水。雙層沉淀池分為兩層，上層

15、為沉淀池，雙層沉淀池分為兩層，上層為沉淀池，下層為消化池。池上部有一個流槽，槽下層為消化池。池上部有一個流槽，槽底呈底呈V形。廢水沿槽緩慢流過時，懸浮形。廢水沿槽緩慢流過時，懸浮物便沉降下來，并從物便沉降下來，并從V形槽底縫滑落于形槽底縫滑落于大圓形池底，在那里進行厭氧消化。大圓形池底，在那里進行厭氧消化。厭氧消化池厭氧消化池主要應用于處理城市污水廠的污泥，也可應用于處理固體含量很高的有機廢水主要作用l一部分有機物轉變?yōu)檎託鈒一部分有機物形成穩(wěn)定性良好的腐殖質l提高了污泥的脫水性能l污泥體積可減少1/2以上l致病微生物也得到了一定程度的滅活，有利于污泥的進一步處理和利用 傳統(tǒng)厭氧消化池傳統(tǒng)厭氧

16、消化池又稱低速消化池，無加熱和攪拌裝置；有分層現(xiàn)象：只有部分容積有效消化速率很低，HRT很長（3090天）高速厭氧消化池設有加熱和攪拌裝置縮短了有機物穩(wěn)定所需的時間，也提高 了沼氣產量，在中溫（3035C）條件下，一般消化時間為15天左右，運行穩(wěn)定但攪拌使高速消化池內的污泥得不到濃縮，上清液不能分離，污泥易隨水流帶走兩級消化池 兩級串聯(lián)，第一極是高速消化池，第二級則不設攪拌和加熱，主要起沉淀濃縮和貯存的作用，并能分離上清液 厭氧消化池攪拌方式有三種：池內機械攪拌；沼氣攪拌；循環(huán)消化液攪拌加熱方式有三種：廢水在消化池外先經熱交換器預熱到定溫再進入消化池；熱蒸汽直接在消化器內加熱；在消化池內部安裝

17、熱交換管特點總結：特點總結：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實現(xiàn)，結構較簡單；但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，溫度也不均勻，消化效率低等缺點厭氧接觸法也稱厭氧活性污泥法，像好氧活性污泥法那樣，在消化池出水端設置污泥沉淀池，將沉淀的厭氧生物污泥回流入消化池中，以此來提高消化池中的污泥停留時間；也可在消化池出水部位安裝固體分離膜以提高污泥停留時間 厭氧接觸法的優(yōu)點通過污泥回流，保持消化池內污泥濃度較高，一般為1015g/L，耐沖擊能力強消化

18、池的容積負荷較普通消化池高，中溫消化時，一般為210kgCOD/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1530天，而接觸法小于10天可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題混合液經沉淀后，出水水質好厭氧接觸法存在的問題混合液難于在沉淀池中進行固液分離，即污泥難以沉淀原因：污泥上附著有小氣泡，且污泥在二沉池中還有活性，還會產生氣體，導致已下沉的污泥上浮解決方法：脫氣l真空脫氣，由消化池排出的混合液經真空脫氣器，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉淀性能l熱交換器急冷法，將從消化池排出的混合液進行急速冷卻，如中溫消化液35冷到1525，可以控制污泥繼續(xù)

19、產氣，使厭氧污泥有效地沉淀l絮凝沉淀，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l用超濾器代替沉淀池，以改善固液分高效果升流式厭氧污泥層反應器(UASB) 反應流程反應流程廢水自下而上地通過厭氧污泥床反應器，在反應器的底部有一個高濃度（可達60-80g/L）、高活性的污泥層，大部分的有機物在這里被轉化為CH4和C02。由于氣態(tài)產物（消化氣）的攪動和氣泡粘附污泥，在污泥層之上形成一個污泥懸浮層。反應器的上部設有三相分離器，完成氣、液、泥三相的分離。被分離的沼氣從上部導出，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 升流式厭氧污泥層反應器的優(yōu)點反應器內污泥濃度高，一般平均

20、污泥濃度為3040g/L有機負荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負荷一般為1020kgCOD/m3d反應器內設三相分離器，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無混合攪拌設備，投產運行正常后，利用本身產生的沼氣和進水來攪動污泥床內不填載體，節(jié)省造價及避免堵塞問題升流式厭氧污泥層反應器的缺點反應器內有短流現(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運行啟動時間長，對水質和負荷變化比較敏感厭氧生物濾池處理水 原廢水 處理水 沼氣沼氣濾料原廢水 濾料圖19-10 厭氧生物濾池反應流程反應流程厭氧微生物附著于填料的表面生長，當廢水通過

21、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生沼氣，沼氣從池頂部排出。濾池中的生物膜不斷地進行新陳代謝，脫落的生物膜隨出水流出池外廢水從池底進入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進入，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池厭氧生物濾池的特點由于填料為微生物附著生長提供廣較大的表面積，濾池中的微生物量較高，又生物膜停留時間長，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216kgCOD/m3d，且耐沖擊負荷能力強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啟動或停止運行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短缺點：處理含懸浮物濃度高的有機廢水，易發(fā)生堵塞，尤以進水部位更嚴重。濾池的清洗也還沒有簡單有效的方法厭氧生物轉盤 厭氧生物轉盤的構造與好氧生物轉盤相似。不同之處在于盤片大部分(