厭氧生物處理課件

厭氧生物處理法簡(jiǎn)介作者：張欣一、厭氧生物處理法的定義厭氧生物處理又稱(chēng)為厭氧消化、厭氧發(fā)酵,是指在沒(méi)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(guò)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(shí)間長(zhǎng)；⑤處理構(gòu)筑物容積大。一般可用于對(duì)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(guò)程可以簡(jiǎn)單地分為酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵兩個(gè)階段,兩階段學(xué)說(shuō)可用圖1表示。圖1第一階段:復(fù)雜的有機(jī)物,如糖類(lèi)、脂類(lèi)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(lèi),并有H2、CO2、NH+4和H2S等產(chǎn)生。因?yàn)樵撾A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(chēng)為酸性發(fā)酵階段,或稱(chēng)產(chǎn)酸階段。第二階段:產(chǎn)甲烷菌(專(zhuān)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(shí)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(chēng)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(lèi),所以真實(shí)的厭氧消化過(guò)程在酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段之間應(yīng)該還有一個(gè)中間過(guò)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(lèi)不同的菌群。厭氧消化過(guò)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(chēng)前三群菌為不產(chǎn)甲烷菌,或稱(chēng)酸化菌群,后兩群菌為產(chǎn)甲烷菌,或稱(chēng)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(guò)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(zhǎng)緩慢,世代時(shí)間長(zhǎng),而厭氧消化池?zé)o法將水力停留時(shí)間和污泥停留時(shí)間分離,由此造成水力停留時(shí)間必須較長(zhǎng),一般來(lái)講第1代厭氧反應(yīng)器處理廢水的停留時(shí)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(mǎn)足以下兩個(gè)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(gè)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(zhǎng)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(shí)間與生物固體停留時(shí)間相分離,其固體停留時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)上百天,這就使得厭氧處理高濃度污水的停留時(shí)間從過(guò)去的幾天或幾十天縮短到幾小時(shí)或幾天。（2）升流式厭氧污泥床(UASB)該工藝由于具有厭氧過(guò)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(xiàng)技術(shù)。對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)也相對(duì)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(shí)間短,處理周期大為縮短;反應(yīng)器無(wú)填料,無(wú)污泥回流裝置,無(wú)攪拌裝置,成本和運(yùn)行費(fèi)用大大降低;初次啟動(dòng)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(guò)高時(shí)會(huì)引起堵塞。對(duì)于這些情況,無(wú)疑傳統(tǒng)高效UASB系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要很大的改進(jìn),正是對(duì)于這些困難問(wèn)題的研究,導(dǎo)致產(chǎn)生了第三代高效厭氧反應(yīng)器的開(kāi)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(guò)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(shí)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?jī)蓚€(gè)UASB反應(yīng)器串聯(lián)疊加而成,包括4個(gè)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(gè)三相分離器,使生物量得到有效滯留:一級(jí)(底部)分離器分離沼氣和水,二級(jí)分離器(上部)分離顆粒污泥和水.因大部分沼氣已在一級(jí)分離器中得到分離,精處理部分內(nèi)部幾乎不存在紊動(dòng),因此二級(jí)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(guò)濾器(UBF)UBF是在UASB和AF的基礎(chǔ)上開(kāi)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(wú)效容積的生物總量,又可防止污泥的突然洗出,而且對(duì)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(guò)改變水力停留時(shí)間(HRT)來(lái)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?yàn)槠浔缺砻娣e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(zhǎng).許多學(xué)者對(duì)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(duì)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(gè)或幾個(gè)ASBR反應(yīng)器組成.運(yùn)行時(shí),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(gè)運(yùn)行期。ASBR法一個(gè)完整的運(yùn)行操作周期按次序應(yīng)分為四個(gè)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(gè)ASBR反應(yīng)器就是一個(gè)能順利完成運(yùn)行周期的處理系統(tǒng).對(duì)于間歇排放的廢水,只要排水間歇期足夠長(zhǎng),使進(jìn)水、反應(yīng)、沉降、排水等一連串操作能夠完成,用一個(gè)反應(yīng)器就能達(dá)到處理要求.對(duì)于連續(xù)排放的廢水,可用幾個(gè)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(yàn)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(shí),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(shí),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(duì)生化反應(yīng)速率起著重要的作用。針對(duì)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(dòng)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(jiàn)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(gè)串聯(lián)的反應(yīng)室,每個(gè)反應(yīng)室都可以看作一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的上流式污泥床（USB）,折板引導(dǎo)水流上下流動(dòng)通過(guò)整個(gè)反應(yīng)器,廢水中的有機(jī)基質(zhì)通過(guò)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(gè)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(lèi)似ABR工藝,在每個(gè)隔室里增加了機(jī)械攪拌,通過(guò)周期性改變進(jìn)出水的方向來(lái)保持大量的污泥,使每個(gè)上流式污泥床保持一致。有實(shí)驗(yàn)證明，AMBR處理工藝在15℃和20℃時(shí)處理脫脂牛奶,水力停留時(shí)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(shí)COD的去除率為59%;在20℃時(shí),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(kāi)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(lái)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(gè)反應(yīng)器被分割成多個(gè)反應(yīng)區(qū)間,每個(gè)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(gè)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(yàn),取得了較為滿(mǎn)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(guò)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(shí),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(jí)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(wèn)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(lái)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(kāi)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(lèi)型的處理。SMPA的特點(diǎn):1)在各級(jí)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(gè)單獨(dú)空間中獨(dú)立發(fā)展形成的污泥相互混合。3)各個(gè)單獨(dú)空間所產(chǎn)生的氣