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(yùn)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(guò)程，在無(wú)氧條件下把污水中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)物和少量細(xì)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(diǎn)：7/22/20233能耗低(約為好氧的10％～15％）厭氧對(duì)N、P的含量要求低，COD:N:P=800:5:1即可滿足營(yíng)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(dāng)于好氧的1/10～1/6），節(jié)省污泥脫水費(fèi)用可承受的有機(jī)負(fù)荷高，占地少（人口密集、地價(jià)昂貴的地區(qū)）可季節(jié)性運(yùn)行或間斷性運(yùn)行（厭氧菌能保持至少1年以上的活性）優(yōu)點(diǎn)：7/22/20234缺點(diǎn)：受溫度等影響大，要保溫厭氧水力停留時(shí)間一般較長(zhǎng)，厭氧的啟動(dòng)時(shí)間一般也較長(zhǎng)厭氧處理后出水COD、BOD值較高，難以達(dá)標(biāo)（需好氧處理作為后處理）有惡臭（H2S）綜合看來(lái)：在處理高濃度難降解有機(jī)廢水時(shí)，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(guò)程可分為四個(gè)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(xì)菌將不溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)變成可溶性有機(jī)物,將高分子溶性有機(jī)物轉(zhuǎn)變成小分子有機(jī)物(通過(guò)細(xì)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(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更簡(jiǎn)單的化合物并分泌到細(xì)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(shí)，酸化菌也利用部分物質(zhì)合成新的細(xì)胞物質(zhì)。

7/22/20238發(fā)酵細(xì)菌(產(chǎn)酸細(xì)菌)主要包括梭菌屬(Clostridigm)、似桿菌屬(Bacteroides)、丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)、真細(xì)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化為乙酸、H2、碳酸等以及新的細(xì)胞物質(zhì)。7/22/202310產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌近年來(lái)的研究所發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌包括互營(yíng)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(xì)胞物質(zhì)。整個(gè)厭氧降解的速率取決于以上四個(gè)階段中速度最慢的那個(gè)階段，因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)緩慢,所以產(chǎn)甲烷的反應(yīng)較慢,所以一般產(chǎn)甲烷階段是整個(gè)厭氧降解過(guò)程的速率限制性階段.產(chǎn)甲烷菌世代時(shí)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(xì)菌，屬于絕對(duì)厭氧細(xì)菌，主要代謝產(chǎn)物是甲烷。常見(jiàn)的有四種：1、甲烷桿菌，桿狀細(xì)胞，連成鏈或長(zhǎng)絲狀，或呈短而直的桿狀2、甲烷球菌，球形細(xì)胞呈正圓或橢圓形，排列成對(duì)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(xì)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(jī)物（碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪等）水解的和溶解的有機(jī)物有機(jī)酸、醇類、醛類等H2、CO2乙酸CH41水解階段細(xì)菌胞外酶2酸化階段產(chǎn)酸細(xì)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(xì)菌甲烷細(xì)菌7/22/202314關(guān)于厭氧理論的3點(diǎn)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(kāi)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(kāi)發(fā)了水解—好氧生物處理技術(shù)。水解反應(yīng)器利用厭氧反應(yīng)中的水解酸化階段，而放棄了停留時(shí)間長(zhǎng)的甲烷發(fā)酵階段。7/22/202316水解反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除率，特別是對(duì)懸浮物的去除率顯著高于具有相同停留時(shí)間的初沉池。（2.5～3h）由于水解反應(yīng)器可使啤酒廢水中的大分子難降解有機(jī)物被轉(zhuǎn)變?yōu)樾》肿右捉到獾挠袡C(jī)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(shí)間小于傳統(tǒng)的工藝。懸浮固體物質(zhì)(包括進(jìn)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(jìn)行水解和酸化的酸化反應(yīng)器產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷的甲烷反應(yīng)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(gè)。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(yīng)速度反而減退中溫或高溫厭氧消化允許的溫度變動(dòng)范圍為±1.5～2.0℃。當(dāng)有±3℃變化時(shí)，就會(huì)抑制消化速率，有±5℃的急劇變化時(shí)，就會(huì)突然停止產(chǎn)氣，有機(jī)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(yīng)在1000～4500mg/L(以CaO計(jì))。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(shì)是越來(lái)越高效，而高效的厭氧處理必須滿足兩個(gè)原則：①能夠保持大量的厭氧活性污泥和足夠長(zhǎng)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(lái)分析：7/22/202321按微生物生長(zhǎng)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(yīng)的總過(guò)程是否在同一反應(yīng)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(gè)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(jì)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(shè)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(yīng)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(yīng)器），是60年代末開(kāi)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(zhǎng)，當(dāng)廢水通過(guò)填料層時(shí)，在填料表面的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機(jī)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(jìn)入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進(jìn)入，以降流的形式流過(guò)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(yīng)器（UASB）上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，簡(jiǎn)稱UASB反應(yīng)器，是由荷蘭的G.Lettinga等人在70年代初研制開(kāi)發(fā)的。他們?cè)谘芯坑蒙魇絽捬鯙V池處理土豆加工和甲醇廢水時(shí)取消了池內(nèi)的全部填料，并在池子的上部設(shè)置了氣、液、固三相分離器，于是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理效能很高的新型厭氧反應(yīng)器便誕生了。7/22/202330國(guó)際上荷蘭的PAQUES、美國(guó)的BIOTHANE和比利時(shí)的BIOTIM公司是世界上主要三個(gè)UASB技術(shù)的廠家。僅這三家公司占國(guó)際市場(chǎng)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(diǎn)之外，其市場(chǎng)化的水平也是比較高的。這與UASB技術(shù)本身的特點(diǎn)有關(guān)，如UASB的反應(yīng)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(yīng)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(duì)于其他同類裝置就具有一定的優(yōu)勢(shì)：

a）反應(yīng)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(yīng)器的一個(gè)重要特征。7/22/202334（b）有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時(shí)間短，中溫消化，COD容積負(fù)荷一般為10-20kgCOD/（m3·d）；（c）反應(yīng)器內(nèi)設(shè)三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動(dòng)回流到反應(yīng)區(qū)，一般無(wú)污泥回流設(shè)備；（d）無(wú)混合攪拌設(shè)備。投產(chǎn)運(yùn)行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來(lái)攪動(dòng)；（e）污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價(jià)及避免堵塞問(wèn)題。7/22/202335UASB反應(yīng)器的缺點(diǎn)：（a）反應(yīng)器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高，以免對(duì)污泥顆?；焕驕p少反應(yīng)區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；（b）運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。7/22/202336(1)進(jìn)水配水系統(tǒng)(2)反應(yīng)區(qū)其中包括污泥床區(qū)和污泥懸浮層區(qū)，有機(jī)物主要在這里被厭氧菌所分解，是反應(yīng)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(kāi)(4)出水系統(tǒng)其作用是把沉淀區(qū)表層處理過(guò)的水均勻地加以收集，排出反應(yīng)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(yīng)區(qū)的剩余污泥

UASB反應(yīng)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(yùn)行；膨脹床按5％～20％的膨脹率運(yùn)行7/22/202338第三代（20世紀(jì)80年代～）既要實(shí)現(xiàn)SRT和HRT的分離，又要使進(jìn)水和污泥充分接觸。為滿足第二個(gè)條件，一方面確保反應(yīng)器進(jìn)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(yīng)考慮如何利用工藝本身的混合和產(chǎn)氣的擾動(dòng)來(lái)加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)混合程度。正是對(duì)這一問(wèn)題的研究導(dǎo)致了第三代厭氧反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。7/22/202339第三代厭氧反應(yīng)器代表：EGSB(顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器）IC（厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器）ABR7/22/202340EGSB反應(yīng)器7/22/202341EGSB現(xiàn)場(chǎng)照7/22/202342EGSB反應(yīng)器回流的作用：一方面：充分混合另一方面：稀釋、減輕原水負(fù)荷，提高抗沖擊能力。20世紀(jì)90年代荷蘭推出了商品名為BiobedEGSB的工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器，應(yīng)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(yīng)器7/22/2023447/22/202345目前IC反應(yīng)器技術(shù)已成功地應(yīng)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(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)引起了各國(guó)水處理人員的矚目，被稱為第三代厭氧生化反應(yīng)器的代表工藝之一。IC反應(yīng)器具有以下特點(diǎn)：它實(shí)現(xiàn)了“高負(fù)荷與污泥流失相分離”。它具有一個(gè)無(wú)外加動(dòng)力的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。內(nèi)循環(huán)增加了水力負(fù)荷，強(qiáng)化了傳質(zhì)過(guò)程。IC反應(yīng)器尤其適合于處理濃度較低和溫度較低的有機(jī)廢水。7/22/202346IC厭氧反應(yīng)器與UASB反應(yīng)器相比具有以下優(yōu)點(diǎn):

有機(jī)負(fù)荷高?？箾_擊負(fù)荷能力強(qiáng)，運(yùn)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(yīng)器（ABR）

ABR各個(gè)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(guò)程協(xié)調(diào)一致，從而確保相應(yīng)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(shí)反應(yīng)器的運(yùn)行更加穩(wěn)定，對(duì)沖擊負(fù)荷以及進(jìn)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(yīng)器技術(shù)－－－Lettinga在各級(jí)分隔的單體中培養(yǎng)出合適的厭氧細(xì)菌群落，以適應(yīng)相應(yīng)的底物組分及環(huán)境因子，如pH值、H2分壓等。防止在各個(gè)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(kāi)。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(rèn)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(yùn)行，而且對(duì)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(yīng)用發(fā)展的主導(dǎo)方向。根據(jù)厭氧處理過(guò)程中參與有機(jī)物降解的不同微生物種群的生理生態(tài)特點(diǎn)及其組成的為生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件的要求，進(jìn)行多相工藝研究，以及根據(jù)反應(yīng)器的混合要求進(jìn)行復(fù)合流態(tài)工藝的研究，已成為開(kāi)發(fā)和研制新型厭氧