第六章 污水的厭氧生物處理..ppt

1、第六章 污水的厭氧生物處理參考教材8.3和14.3,6-1 厭氧生物處理的基本原理6-2 污水的厭氧生物處理方法 6-3 UASB工藝設計,污水的生化處理法,按氧的利用方式不同： 好氧生物處理 厭氧生物處理,按微生物在水中的集聚狀態(tài)不同： 懸浮生長系統(tǒng) 固定膜系統(tǒng),污水生物處理,厭氧處理,好氧處理,廢水濃度,水力停留時間,有機容積負荷,能耗,主要副產物,5-20天,3-10小時,745kgBOD/（m3d ）,高質燃料,中、 濃度,低濃度,高出十倍,剩余污泥,高,低,0.41.0kgBOD/（m3d ）,BOD:N:P=100:5:1,BOD:N:P=200400:5:1,營養(yǎng)物需要,參考教材

2、589590頁,6-1 厭氧生物處理的基本原理參考教材8.3,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,1. 厭氧消化的機理,（1）定義：廢水的厭氧生物處理是指在無氧條件下通過厭氧微生物(anaerobic microbes)(專性厭氧菌和兼性菌）的作用，分解廢水中的各種復雜有機物，最終產物是甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物質的過程，也稱為厭氧消化(anaerobic digestion),（2）厭氧消化過程,6-1 厭氧生物處理的基本原理,有機物要經過水解，產酸等多種不同的微生物降解過程，最終由產甲烷細菌作用而生成甲烷和二氧化碳。 厭氧消化的兩階段

3、理論： 酸性發(fā)酵階段：消化液的pH迅速下降，轉化產物中有機酸和醇是主體 甲烷發(fā)酵階段：產生消化氣，主體是CH4,酸性發(fā)酵階段,甲烷發(fā)酵階段,復雜有機物 碳水化合物，蛋白質，脂類,簡單溶解性有機物,水解,發(fā)酵,脂肪酸、醇類,H2 ，CO2,CH3COOH,產氫產乙酸菌,同型產乙酸菌,另一組產甲烷菌,CH4+ CO2,一組產甲烷菌,甲烷產量的70%,甲烷產量的30%,6-1 厭氧生物處理的基本原理,水解發(fā)酵階段 水解發(fā)酵菌主要是專性厭氧菌和兼性厭氧菌,產氫產乙酸階段 在產氫產乙酸菌的作用下,產甲烷階段 兩組生理上不同的產甲烷菌,按降解機理分段：, 厭氧消化的三階段理論,參考教材第353頁, 厭氧消

4、化的4階段理論,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（1）溫度 根據甲烷菌對于溫度的適應性，可分為中溫甲烷菌和高溫甲烷菌兩類。中溫處理一般為33-36，高溫處理為50-55。兩區(qū)之間的溫度，反應速度反而減退。 工程上的厭氧反應器有常溫、中溫、高溫三種方式，分別稱為常溫消化、中溫消化和高溫消化。 厭氧發(fā)酵對溫度突變比較敏感，一般允許范圍為1.5-2.0。突然的溫度變化會抑制消化速率，可使甲烷化嚴重受阻。,由于產甲烷菌在厭氧處理的各個階段中，對環(huán)境的影響最敏感，世代時間相對較長，甲烷化反應速度較慢，常作為厭氧消化過程的控制階段，反應條件應重點滿足甲烷菌的環(huán)境

5、要求。,參考教材第357頁,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（2）pH及堿度 產甲烷菌適宜的pH值為7.0左右，大體在 6.5-7.5 之間。 在消化系統(tǒng)中，如果水解發(fā)酵階段與產酸階段的反應速率超過產甲烷階段，則pH會降低，影響甲烷菌的生活環(huán)境。 反應器的pH值過低，常表現為揮發(fā)酸濃度過高；pH值過高，常見于NH4+濃度過高。 消化系統(tǒng)中，消化液有一定的緩沖作用，緩沖劑是有機物分解過程中產生的，即消化液中的CO2（碳酸）及NH3（以NH3和NH4+的形式存在）。重碳酸鹽（HCO3-）與碳酸H2CO3組成緩沖溶液。,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降

6、解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（3）氧化還原電位（ORP） 氧化還原電位是指一個體系中氧化劑和還原劑的相對強度，表示溶液的氧化或還原反應的能力，以伏特或毫伏來計量。 甲烷菌對氧化還原電位的要求一般為-330mV以下，但這個氧化還原電位通常是指常溫條件的數值?？捎糜诔鼗蛑袦胤磻鞯脑O計與運行管理指標。但是在高溫反應器中適宜的氧化還原電位要低得多，一般應低于-500mV。 一般情況下，氧的溶入是引起發(fā)酵系統(tǒng)的氧化還原電位升高的主要和直接原因。但應注意，氧化劑或氧化物質的存在，同樣可使氧化還原電位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按

7、降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（4）營養(yǎng)比 一般工程上主要控制進料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般認為，厭氧法中的碳、氮、磷的比例應控制在200-400：5：1為宜（好氧法中BOD5：N：P=100：5：1）。其中以碳氮比的控制較為重要。 碳氮比過高，不僅厭氧菌增值緩慢，而且消化液的緩沖能力較低，在有機負荷較高等情況下，pH容易下降。相反，若氮源過多，即碳氮比太低，氨化和反硝化過程將產生大量的氨，使pH值升高。當pH值升高到7.9以上時，會抑制產甲烷菌的活性，使消化效率降低。,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（5）有機負荷 在

8、厭氧法中，有機負荷通常是指容積有機負荷，簡稱容積負荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量kgCOD/m3d。此外也有用污泥負荷表達的，即kgCOD/kgVSS d。 厭氧消化過程中，產酸階段反應速率比產甲烷階段反應速率快得多，必須十分謹慎的選擇有機負荷，使揮發(fā)性脂肪酸的生成和消耗不致失調，形成揮發(fā)酸的積累。為保持系統(tǒng)的平衡，有機負荷不能過高。 厭氧生物處理可采用比好氧生物處理高得多的有機負荷，一般厭氧法為745 kgBOD/m3 d，好氧法為0.41.0 kgBOD/m3 d 。,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（6）攪拌和混合 混合攪拌是提高消

9、化效率的工藝條件之一。沒有攪拌的厭氧消化器內，常有料液分層現象。攪拌可消除分層，促進基質與微生物間的傳質速度和甲烷、二氧化碳等產物的逸出速度。 攪拌的方法一般有：泵加水射器攪拌法；消化氣循環(huán)攪拌法和混合攪拌法等。,6-1 厭氧生物處理的基本原理,按降解機理分段：,2. 厭氧消化的影響因素,（7）有毒物質 重金屬 重金屬離子對甲烷消化的抑制作用有兩個方面：與酶結合，產生變性物質，使酶的作用消失；某些重金屬離子及其氫氧化物的絮凝作用，使酶沉淀。 陰離子的毒害作用 主要是指硫化物。 硫酸鹽濃度超過5000mg/L，即有抑制作用。 硫過多，消化液中過多的H2S將釋放出進入消化氣中，降低消化氣質量并腐蝕

10、管道。 氨的毒害作用 當NH4+濃度超過150mg/L時，消化受到抑制。 氧 氧對甲烷菌的毒害可分為兩個階段，即抑菌階段和殺菌階段。,6-2 污水的厭氧生物處理方法參考教材14.3,一般地，可用BOD5/COD值作為有機物生物降解性的評價指標： BOD5/COD0.40時為易生物降解； BOD5/COD0.30 時為可生物降解； BOD5/COD0.30 時為較難生物降解； BOD5/COD0.20時為不宜生物降解。,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,1. 化糞池,化糞池用于處理來自廁所的糞便污水。廣泛用于不設污水廠的合流制排水系統(tǒng)。例如，郊區(qū)的別墅式建筑。居民區(qū)和辦公樓也常設

11、化糞池。 下圖是化糞池的一種構造方式。污水首先進入第一室，池水一般分為三層，上層為浮渣層，下層為污泥層，中間為水流，然后，進入第二室，底泥和浮渣被第一室截留。,生活污水處理系統(tǒng)示意圖,房屋下水管道廢水排入化糞池，一些固體物質沉淀析出，并發(fā)生厭氧分解。 污水在池內的停留時間一般為1224h，澄清后的水流到分配槽，出水不能直接排入水體，常在綠地下設滲水系統(tǒng)或由排水管網輸出、匯總進入下一步處理。化糞池污泥要定時清理。,房屋下水管道,化糞池,分配槽,滲水系統(tǒng),6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,對于懸浮物較高的有機廢水，可以采用厭氧接觸法，它實際上是厭氧活性污泥法，消化池后設沉淀池。 在

12、混合接觸池中，要進行適當攪拌以使污泥保持懸浮狀態(tài)。攪拌可以用機械方法，也可以用泵循環(huán)池水。,厭氧接觸法工藝流程,2. 厭氧接觸法（anaerobic contact process ）,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,厭氧接觸法的主要特征是在消化池后設沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，使污泥停留時間與水力停留時間分開，厭氧反應器內能維持較高的污泥濃度，同時可大大降低水力停留時間。 式中 c生物固體平均停留時間，d； X反應器內微生物濃度，g/m3； V反應器容積，m3； Xe出水微生物濃度，g/m3； Q處理廢水流量，m3/d X剩余污泥微生物濃度，g/m3 Q 剩余污泥排放量

13、，m3/d,2. 厭氧接觸法（anaerobic contact process ）,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,厭氧接觸法存在的問題是，從厭氧反應器排出的混合液中的污泥由于附著大量氣泡，在沉淀池中易于上浮到水面而被出水帶走；進入沉淀池的污泥仍有產甲烷菌在活動，產生沼氣，使已沉下的污泥上翻，固液分離效果不佳。 可采取的解決辦法： （1）在反應器與沉淀池之間設真空脫氣器，真空度為5000Pa，盡可能將混合液中的沼氣脫除，但不能抑制產甲烷菌在沉淀池內繼續(xù)產氣； （2）在反應器與沉淀池之間設冷卻器，使混合液的溫度由35降至15，抑制甲烷菌的活動 ； （3）向沉淀池混合液中投加絮

14、凝劑，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降； （4）用膜過濾代替沉淀池，以改善固液分離效果。,2. 厭氧接觸法（anaerobic contact process ）,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,2. 厭氧接觸法主要設計參數,容積負荷：26kgCODcr/(m3d) 混合液污泥濃度：10kgVSS/m3 污泥回流比：0.81.0,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,3. 厭氧生物濾池（anaerobic filter ,AF）,厭氧生物濾池又稱厭氧固定膜反應器（SFF），是60年代末開發(fā)的新型高效厭氧處理裝置。 濾池多呈圓柱形，池內裝放填料，池底和池頂密封。,

15、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的吸附、微生物的代謝作用和濾料的截留作用下，廢水中的有機物被降解，并產生沼氣，沼氣從池頂部排出。 根據進水的方向將厭氧固定膜反應器分為升流式（USFF）、降流式（DSFF）和平流式（LSFF）三種；根據填料填充的程度分為全充填型和部分充填型。 填料可采用拳狀石質濾料，如碎石、卵石等，也可使用陶粒、塑料等填料。,升流式厭氧生物濾池,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,3. 厭氧生物濾池（anaerobic filter ）,厭氧生物濾池的特點：,厭氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厭氧活性污泥的形式存在于

16、濾料的孔隙中，微生物的停留時間長，可超過100d，不易流失。沖擊負荷對其影響小。 反應器內各種不同類群的微生物自然分層固定，易使各類微生物得到最佳的環(huán)境，保持其高的活性。在水溫2535時，有機負荷在3kg（COD）/m3d10kg（COD）/m3d以上，一般COD去除率可達80以上。厭氧固定膜反應器特別適用于處理低濃度的溶解性有機廢水。 缺點： 厭氧微生物總量沿池高度分布很不均勻。 進水部位容易發(fā)生堵塞現象。,見教材第593頁,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,3. 厭氧生物濾池（anaerobic filter ）,厭氧生物濾池的改進措施：,（1）可采取處理水回流的措施 降低

17、原廢水懸浮固體與有機物的濃度，提高水力負荷，提高池內水流的上升速度，減少濾料空隙間的懸浮物，減輕堵塞的可能性； 可使濾料層中的生物膜量趨于均勻分布，充分發(fā)揮濾池作用。 （2）為了防止堵塞可采用部分充填載體型結構方式。此外采用平流式厭氧濾池也有利于改善容易發(fā)生堵塞的不足。,污泥排放,沼氣,出水,薄層填料,部分充填載體型結構的平流式厭氧濾池示意圖,進水,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,3. 厭氧生物濾池主要設計參數,濾 料：填充高度2m以上，比表面積100m2/m3以上， 填充率在2/3以上 濾池高度：3m以上 容積負荷：12kgCOD/（m3d）以下,6-2 污水的厭氧生物處理

18、方法,按降解機理分段：,4. 升流式厭氧污泥床（UASB）,（1）概述 上流式厭氧污泥床反應器（upflow anaerobic sludge blanket reactor)，簡稱UASB反應器。 廢水由池底進入反應器，通過反應區(qū)氣、液分離后混合液進入沉淀區(qū)進行固液分離，反應器內微生物以自身聚集生長，為顆粒污泥狀態(tài)存在，因而能達到高生物量和高效高負荷，污泥床反應器內沒有填料，不設攪拌，上升的水流和產生的沼氣可滿足攪拌要求 。,入水,三相分離器,沼氣,升流式厭氧污泥床（USAB),沉淀區(qū),反應區(qū),出水,懸浮污泥區(qū),顆粒污泥區(qū),6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,4. 升流式厭氧污

19、泥床（UASB）,（2）升流式厭氧污泥床的構造 進水配水系統(tǒng) 將進水均勻分配到反應器整個橫斷面； 起到水力攪拌的作用。 反應區(qū) UASB的核心，包括顆粒污泥區(qū)和懸浮污泥區(qū)。 三相分離器（圖） 由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成，其功能是將沼氣、污泥、廢水等三相進行分離。 氣室 也稱集氣罩，其功能是收集產生的沼氣。,入水,三相分離器,沼氣,升流式厭氧污泥床（USAB),沉淀區(qū),反應區(qū),出水,懸浮污泥區(qū),顆粒污泥區(qū),6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,4. 升流式厭氧污泥床（UASB）,（2）升流式厭氧污泥床的構造 出水排水系統(tǒng) 將沉淀區(qū)的上清液均勻地加以收集，并將其排出反應器。 排泥系統(tǒng)

20、均勻排泥，可進行均布多點排泥，可選擇每10m2設一個排泥點。 浮渣清除系統(tǒng) 浮渣清除可采用撇渣機或刮渣機清除，或采用人工清渣。,入水,三相分離器,沼氣,升流式厭氧污泥床（USAB),沉淀區(qū),反應區(qū),出水,懸浮污泥區(qū),顆粒污泥區(qū),氣室,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,4. 升流式厭氧污泥床（UASB）,（3）顆粒污泥形成機理 所謂污泥顆?；侵复仓械奈勰嘈螒B(tài)發(fā)生了變化，由絮狀污泥變?yōu)槊軐?、邊緣圓滑的顆粒。 粒徑為0.54mm。 形成機理： 晶核假說 微生物本身形成 A.電中和作用 B.胞外多聚物架橋作用,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,5. 厭氧膨脹床和厭氧流

21、化床,厭氧流化床是一種填有比表面積很大的惰性載體顆粒的反應器，它的一部分出水回流，與進水混合后，進入池內向上流動，使載體顆粒在整個反應器內均勻分布。 根據顆粒膨脹程度可分為膨脹床和流化床。膨脹床運行流速控制在略高于初始流化速度，相應的膨脹率為520。 流化床一般按2070的膨脹率運行，這樣顆粒不致流失并且生物膜與廢水又充分接觸。,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,6. 厭氧生物轉盤,厭氧生物轉盤和好氧法生物轉盤相似，不同之處在于盤片大部分或全部滲沒在處理水中。為保證厭氧條件和收集沼氣整個生物轉盤設在密閉的容器內。,厭氧生物轉盤的優(yōu)點 （1）不需回流，運行中動力消耗及費用較低。

22、（2）運行管理簡單，沒有堵塞問題，可處理高濃的廢水。 （3）轉盤上微生物量很大，微生物停留時間長，水利停留時間短。 （4）工作穩(wěn)定，耐沖擊負荷能力強。,隔板,進水,出水,沼氣,轉軸,固定盤片,轉動盤片,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,6. 厭氧生物轉盤,中溫發(fā)酵條件下，有機物面積負荷可達0.04kgCOD/(m2(盤片)d),盤片總面積按負荷法進行計算：,A所需盤片總面積，m2 Ns有機物面積負荷，kgCOD/（m2盤片d）,6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,7. 厭氧折流板反應器,該工藝使用一系列垂直放置的折流板使廢水在反應器內沿折流板上下流動，但整個反應器

23、內的水流則以較慢的速度作水平推流，由于污水在折流板的作用下，呈上下鋸齒形繞流，水流所流經的總長度加大了，加上大小不等的折流板的阻擋及污泥自身沉降作用，生物固體被有效地截留在反應器內。,進水,出水,沼氣,循環(huán)泵,回流,厭氧擋板反應器工藝流程,6-2 污水的厭氧生物處理方法,8. 兩相厭氧法,兩步厭氧消化法，問世于20世紀70年代后期，基本設想，是將有機物酸化和氣化過程分別在兩個獨立的反應器中進行。,如高固形物濃度廢水處理，酸化罐采用不易堵塞的完全混合（CSTR）式的厭氧接觸反應器為好，酸化罐不必嚴格厭氧。氣化罐要求嚴格厭氧，中性pH值，中溫或高溫發(fā)酵。,高熱值沼氣,排泥,沉淀池,低熱值氣,酸化罐

24、,氣化罐,CSTR,UASB,污泥回流,出水,進水,兩段反應器系統(tǒng)可由上述各種反應器組合而成。選用時，主要考慮廢水水質和微生物特點。,6-2 污水的厭氧生物處理方法,9. 厭氧內循環(huán)反應器(IC),6-2 污水的厭氧生物處理方法,按降解機理分段：,10. 復合厭氧法,復合厭氧法是在一個設備內由幾種厭氧反應器復合而成的一種厭氧處理法。 目前開發(fā)的多為升流式厭氧污泥床和厭氧生物濾池復合而成升流式厭氧污泥床過濾器。 根據有無三相分離器升流式厭氧污泥床過濾器又可分為無三相分離器的升流式厭氧污泥床過濾器（UBF）和有三相分離器的升流式厭氧污泥床過濾器（UASBAF）,填料,UBF,6-3 UASB污水處

25、理工藝設計,設計的主要內容： 選定池型，確定尺寸； 設計進水、配水和出水系統(tǒng)； 選定三相分離器的型式。 1. UASB池形 矩形 方形 圓形 反應器結構較穩(wěn)定，但三相分離器復雜 ，多用于小、中型。,UASB的設計,大型UASB池形一般為矩形，高度一般為38m，其中污泥床12m，污泥懸浮層24m，多用鋼結構或鋼筋混凝土結構，三相分離器可由多個單元組合而成。,6-3 UASB污水處理工藝設計,UASB的設計,6-3 UASB污水處理工藝設計,2. UASB反應器容積的確定 進水容積負荷法 V反應器有效容積，m3 ； Q廢水流量，m3 /d； So進水COD或BOD5濃度，g/mL； NVCOD或B

26、OD5容積負荷，kg/(m3d),UASB的設計,6-3 UASB污水處理工藝設計,UASB允許容積負荷,UASB的設計,6-3 UASB污水處理工藝設計,水力停留時間 對低濃度有機廢水（COD1000mg/L）,不加熱的條件下。,UASB的設計,UASB處理生活污水最小水力停留時間,6-3 UASB污水處理工藝設計,進水配水系統(tǒng) 要求：進水必須均勻分配到反應器底部；滿足污泥床水力攪拌的需要。 進水配水系統(tǒng)形式主要有： 樹枝管式 穿孔管式 多管多點式 上給式,UASB的設計,6-3 UASB污水處理工藝設計,UASB的設計,6-3 UASB污水處理工藝設計,每個配水孔水流速要求,UASB的設計,UASB反應器每個進水點服務面積,6-3 UASB污水處理工藝設計,4. 三相分離器 3個主要功能：氣液分離、固液分離和污泥回流 3個主要組成部分：氣封、沉淀區(qū)和回流縫 （1）三相分離器的基本構造,UASB的設計,單個三相分離器的基本構造,6-3 UASB污水處理工藝設計,4. 三相分離器 （2）設計方法 沉淀區(qū)設計 vg，污泥自身重力沉淀速度；vmax，最小過水斷面，水的向上流速。 vgvmax。如果vLvgvmax污泥會在沉降區(qū)累積。如果vgvL，則污泥將直接流失。 顆粒污泥反應器，沉淀區(qū)表面負荷：12m3/（m2h）； 絮體污泥：0