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第三章废水厌氧处理工艺的控制原理废水与污泥的厌氧生物处理第一节概述厌氧处理工艺控制的目的：生物处理工艺运行的有效性和稳定性极大程度上取决于微生物与各种工艺条件之间的相对平衡和这种相对平衡的稳定性。通过对工艺条件的调节和控制，使厌氧微生物的组成适应处理工艺的要求，并在一定条件下保持微生物群体的动态平衡和稳定性，从而达到厌氧处理工艺过程的稳定。第一节概述厌氧处理系统的动态平衡：对于一个厌氧处理系统，不仅微生物群体与有机负荷和环境条件之间存在着动态平衡，而且在微生物群体内部也存在着动态平衡。一旦这些动态平衡遭到破坏，就会造成厌氧处理工艺过程的不稳定，严重时会导致整个处理工艺的失败。第一节概述控制厌氧处理过程的基本因素：与好氧生物处理相比，厌氧生物处理对环境条件的要求更为苛刻。一般认为，控制厌氧处理过程的基本因素可归纳为两类：基础因素微生物量（污泥浓度）食料（有机物等）营养比例混合接触条件负荷率第一节概述控制厌氧处理过程的基本因素（二）：环境因素温度pH值氧化还原电位抑制物促进剂普遍的结论认为，环境因素决定厌氧处理过程的成败，基础因素控制厌氧生物反应效率的高低。第一节概述控制厌氧处理过程的速率限制因素（一）：水解过程不产甲烷阶段细菌的种类很多，数量很大，但具有水解活性的细菌数量很少。此外，多种因素影响水解速度与水解程度，如水解温度、颗粒大小、颗粒的有机组成等，所以，水解过程非常缓慢。因此，有学者认为，对于高分子有机物或悬浮物含量较高的工业废水和污泥，水解过程是厌氧处理过程的速率限制因素。有研究者指出，蛋白质的水解在污泥消化过程中是速率限制因素之一，污泥中细胞的死亡和自溶比水解过程更快。因此，向反应器中投加使细胞壁水解的酶类可加速消化过程。第一节概述控制厌氧处理过程的速率限制因素（二）：甲烷发酵过程产甲烷细菌是一种严格的专性厌氧菌，它们对营养要求较简单，而对环境条件变化的反应特别敏感，且适应性很差。此外，甲烷菌繁殖的世代时间长，增殖缓慢。所以，甲烷菌既是左右甲烷发酵过程成败的关键，也是控制厌氧生物反应速率的主要限制因素。一般认为，在整个厌氧处理过程中，甲烷发酵过程是反应速率的限制阶段，现今开发研究的各种高效厌氧生物反应器，正是以促进和提高甲烷发酵阶段效率为基本出发点的产物。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度1.一般概念：温度是影响生物生存及生物化学反应最重要的因素之一。温度不仅对微生物的生存及筛选竞争有显著的影响，而且对生化反应速度的影响也极为显著。Van’tHoff由实验得出一个近似的概括：温度每上升10℃，生物反应速度大约增加2－4倍。但是，控制厌氧生物反应器效率的因素是多种多样的，温度只是其中的一种因素。温度对反应速度的影响，只能在酶浓度与底物浓度相对固定的条件下做出估计。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度1.一般概念：近年来，随着各种新型厌氧生物处理工艺的开发，温度效应已经变得不十分显著了，甚至在常温下仍可取得较高的反应效率。产生这种情况的原因比较复杂，但主要可能归因于厌氧生物反应器中生物量浓度的提高。在底物浓度不变的条件下，提高反应器内的生物量和酶浓度，造成“僧多粥少”的局面，在很大程度上补偿或缓冲了温度的影响，使在常温下仍可保持厌氧发酵的有效性和高效性。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度2.最适温度范围：众多学者多年的研究结果证实：在厌氧发酵过程中存在着两个不同的最佳温度范围。不同种属的甲烷菌，最适温度区域也不同。30－40℃：中温菌，50－57℃：高温菌除了适应于65－70℃的嗜热菌和特别嗜热菌外，目前一般公认厌氧发酵最适温度范围：中温发酵：35－38℃高温发酵：53－54℃第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度2.最适温度范围：在具体工程中，除效率之外，运转的经济性、操作管理的方便程度则是更为重要的考虑因素。对于具体工程设施，控制的最适温度应经过综合比较评价后确定。利用厌氧生物处理有机污水时，更应该注意处理过程的耗能与产能的平衡问题。在无废热利用时，特别是当污水中有机物浓度较低时，一般以不采取加热措施为好。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度3.温度对厌氧发酵效率的影响：在污泥厌氧消化中，发酵效率一般以有机物分解率与产气量进行衡量。在污水处理中，则以有机物去除率、反应器所能够承受的负荷以及产气量进行衡量。有机物分解率和去除率的提高，直接影响到产气量。在一定范围内，温度越高，产气量也越多。一般认为，高温发酵比中温发酵产气量约高一倍。在污水厌氧生物处理中，近年来研制出的一系列新型厌氧反应器提高了反应器中的微生物浓度，部分补偿了温度的影响，在常温或低温下也可取得较理想的处理效果。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度4.温度对产气质量的影响：厌氧发酵产气成分比例主要随被分解的有机物性质而异。对某种固定组分污水，控制在适当温度时，对提高气体成分中的甲烷比例是有利的。大多数资料说明，随着发酵温度的下降，甲烷比例增加。丹麦的Goldberg曾指出，在进行高浓度污水厌氧发酵实验时，由于加热装置故障，温度由38℃降至30℃，后又下降到20℃，而产气中的甲烷比例突然增加到73％，二氧化碳比例降至27％。北京市政设计院进行的污泥厌氧消化实验也证实，中温发酵时甲烷含量为60％，高温发酵时降至55％。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度5.温度对消化污泥质量的影响：Garber的研究结果表明：高温消化污泥的粒径要比中温污泥大。中温消化污泥粒子约有80％可通过200目，而高温消化污泥只有65％的粒子可通过200目。高温消化污泥的脱水性能较好，脱水时可降低混凝剂投药量。采用高温消化时，污泥脱水费用降低，在一定程度上有可能抵消高温消化多出的能耗费用。以上研究结果对于污水厌氧生物处理同样具有指导意义。采用厌氧生物法处理污水时，剩余污泥产量低，剩余污泥脱水性能优于好氧生物法。第二节厌氧处理过程的主要控制因素温度6.温度短期突变的影响：不同种群甲烷菌对生长温度范围均有严格要求。因此，需要对厌氧生化反应的介质保持恒温。无论何种原因导致反应介质温度的短期突变，对厌氧发酵过程均有显著影响。一般来说，高温厌氧菌对温度变化更敏感。有资料表明，采用高温发酵时，温度突变超过±3℃时，就会导致厌氧发酵过程发生变化。运行温度的暂时性突然降低不至于造成厌氧发酵系统完全失败，只要管理得当，容易恢复正常。但运行温度的突然提高常会导致厌氧发酵系统彻底失败。第二节厌氧处理过程的主要控制因素pH值在厌氧发酵过程中，甲烷菌对环境pH值变化的适应性很差，具有一定的范围限度。一般甲烷菌的pH值适应范围大致在6.6－7.5之间。在厌氧发酵过程中，环境条件的酸碱平衡除了外界因素的影响之外，主要取决于生物代谢过程中自然建立的缓冲平衡，取决于挥发性脂肪酸、碱度及二氧化碳百分比三者之间的平衡关系。在厌氧反应器中控制pH值的主要化学系统是二氧化碳－重碳酸盐缓冲系统，其它缓冲系统的影响可以忽略不计。如果系统中挥发酸大量积累，将导致系统缓冲作用破坏。因此，在生产运行中常把挥发酸浓度及碱度作为管理指标。第二节厌氧处理过程的主要控制因素氧化还原电位无氧条件是严格厌氧的甲烷菌繁殖的最基本条件之一。厌氧反应器介质中的氧浓度可以用氧化还原电位表达，这种表达方式比使用厌氧程度等术语更为确切与精确。在厌氧发酵全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位在＋100~－100mV之间。而专性厌氧的甲烷菌对介质中分子态氧的存在极为敏感，甲烷发酵阶段最佳氧化还原电位为－150~－400mV。氧化还原电位还受pH值的影响，pH值低，氧化还原电位高，pH值高，氧化还原电位低。因此，在初始富集产甲烷菌阶段，应尽可能保持介质pH值接近中性，并应保持厌氧反应器的密封性。第二节厌氧处理过程的主要控制因素负荷率负荷率直接反映了食料与微生物量之间的平衡关系，是生物处理中最主要的控制参数。在污泥厌氧消化工艺中，负荷率习惯上以投配率表示，即每日投加的生污泥量占消化池总容积的百分数。投配率的倒数就相当于污泥在消化池内的水力停留时间。由于各种生污泥的含水率、挥发分不尽一致，投配率不能真实反映客观的有机负荷，所以，引入挥发性固体负荷（kg挥发性固体/m3.d）这一工艺参数。尽管这一参数也不能直接反映出食料与微生物量之间的关系，但较投配率好。采用厌氧工艺处理污水时，负荷率这一工艺参数常使用容积负荷（kgBOD/m3.d）或污泥负荷（kgBOD/kgMLSS.d）。第二节厌氧处理过程的主要控制因素负荷率在城市污水处理厂污泥厌氧消化工艺中，污泥投配率与产气量有如下关系：Y=aX1/2式中：Y——产气量（m3气/m3泥）；X——投配率（％）a——系数（苏联36.7，我国西安32.2）上式表明，投配率越低，水力停留时间越长，产气量越高，反之亦然。投配率提高意味着水力停留时间缩短，有机物分解率下降，单位重量污泥产气量减少。第二节厌氧处理过程的主要控制因素负荷率在厌氧生物处理过程中，酸性发酵阶段的反应速率要比甲烷发酵阶段大得多。因此，为了维持系统反应平衡，应该以甲烷发酵阶段的反应速率作为控制参数。否则，当施加的负荷率超过甲烷发酵阶段所能承受的限度时，将造成挥发酸在系统中大量积累，导致工艺运转失败。在厌氧生物处理过程中，要维持好食料与微生物量之间的平衡，维持好酸性发酵阶段与甲烷发酵阶段的平衡，从微生物培养或反应器启动阶段就应该重视负荷率这一工艺参数。在确定负荷率时，应根据实际水质、水量和可能变化的幅度，留有充分余地，以免产生过多的超负荷情况。第二节厌氧处理过程的主要控制因素污泥浓度（生物量）如前所述，在生物处理过程中，食料与微生物量之间的平衡关系（负荷率）是最重要的工艺参数。生物反应器中活性微生物的保有量越高，反应器的处理效率越高，允许承受的处理负荷率越高。在普通间歇投料的厌氧生物处理系统中，常以污泥沉降体积间接表示反应器内的污泥浓度。由于污泥沉降体积控制过高，每次投加的污水量少，处理效率很低。在新开发的连续流厌氧生物处理系统中，均以污泥保有量高为主要特点。如UASB，反应器内污泥浓度达到100g/L以上，使处理效率大幅度提高。第二节厌氧处理过程的主要控制因素接触（混合搅拌）在生物反应器中，生物化学反应是依靠传质作用进行的，而传质作用的产生必须通过食料与微生物之间的实际接触混合才能进行。食料与微生物之间的接触，可以通过几种途径实现：对于普通消化池这样的分批投料系统，搅拌混合是最有效的手段。对于连续流厌氧处理系统，为了强化接触传质，可采取连续回流或间歇回流方式。第二节厌氧处理过程的主要控制因素接触（混合搅拌）在分批投料的厌氧反应器中，混合搅拌除增加食料与微生物之间接触的作用之外，尚有如下功能：防止沉渣沉淀；避免混合液分层；防止产生或破坏浮渣层；保持混合液温度均衡；促进气泡分离。第二节厌氧处理过程的主要控制因素接触（混合搅拌）对于处理污水的连续流厌氧反应器，为了创造良好的传质条件，除了要精心设计布水系统外，一般采用连续回流或间歇回流来强化接触。依靠回流的方法，可以促进相间的传质作用，防止短流发生，但也带来运行能耗增加的问题。在厌氧滤池实验研究过程中观察到，大量的微小气泡聚集在载体表面，使部分反应接触表面被隔绝。因此，采用间歇回流方式有助于微小气泡及时带出反应器，不断更新接触传质表面。第二节厌氧处理过程的主要控制因素营养（碳/氮比）与好氧生物处理一样，厌氧生物处理也要考虑合成菌体所必需的营养物质（氮、磷及其它微量元素）。对于厌氧生物处理系统，氮源不仅是合成菌体本身所需，而且负有构成pH缓冲系统的使命。但是，系统中氮源也不能过高，当氨氮浓度超过4000－6000mg/L，就会抑制厌氧发酵过程的正常进行。Samdes等人研究后指出：“在有机物厌氧分解过程中，碳/氮比是左右成败的重要因素。”一般认为：以CODCr作为碳源指标，CODCr：N：P＝300：5：1比较合适。第二节厌氧