第6章 废水厌氧生物处理技术

第六章废水厌氧生物处理技术6.1废水厌氧生物处理的微生物学与生化反应原理6.2厌氧生物处理工艺的特点与影响因素6.3厌氧生物反应器与工艺6.1废水厌氧生物处理的微生物学与生化反应原理1.厌氧微生物专性厌氧微生物：在无氧条件下生长的微生物。氧存在，基质脱氢还原NDP产生NDPH2，NDPH2和O2直接作用生成H2O2；O2分子进入菌体生成游离的O2-。H2O2和O2-均有强烈毒害作用。兼性厌氧微生物：在无氧或有氧条件下都能生长的微生物。氧存在，氧化酶系统活跃；无氧时氧化酶系统迟钝，脱氢酶系统工作。例如酵母菌2.厌氧污泥净化废水的作用机理(重点)•三阶段理论(20世纪70年代Bryant)：复杂污染物的厌氧降解过程可以分为三个阶段水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷。微生物分为产酸细菌、产氢产乙醇细菌和产甲烷细菌。有机物发酵型细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸乙酸H2+CO2产甲烷菌CH41．水解、发酵阶段在细菌胞外酶的作用下大分子的有机物(纤维素，蛋白质)水解为小分子的有机物。梭状芽孢杆菌、拟杆菌等酸化细菌吸收并转化为更为简单的化合物分泌到细胞外，产物有挥发性脂肪酸、醇类、乳酸、二氧化碳、氢气、氨等。2．产氢产乙酸阶段上一阶段的产物被进一步转化为乙酸、氢气、碳酸以及新的细胞物质，这一阶段的主导细菌是乙酸菌。同时水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原菌参与产乙酸过程。3．产甲烷阶段乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇等被甲烷菌利用被转化为甲烷和以及甲烷菌细胞物质。经过这些阶段大分子的有机物就被转化为甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢等小分子物质和少量的厌氧污泥。1.发酵细菌主要功能：①水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；②酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要的发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较缓慢，产酸反应的速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；2、产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要的产氢产乙酸细菌为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。产甲烷菌产甲烷菌(Methanogenus)的共同特征严格厌氧原核微生物、生长特别缓慢、人工培养分离比较困难可利用底物：CO2，H2，甲酸，乙酸和甲基胺存在环境：海底沉积物，河流淤泥，沼泽地，水稻田等厌氧活性污泥的培养1.厌氧菌生长速率慢，世代时间长，故驯化、培养时间较长2.厌氧活性污泥中主要的微生物组成包括：将大分子水解为小分子的水解细菌，将小分子的单糖、氨基酸等发酵为氢和乙酸的发酵细菌、氢营养型和乙酸营养型的古菌，利用H2和CO2合成CH4的古菌，厌氧的原生动物。3.最良好的颗粒厌氧活性污泥是以丝状厌氧菌为骨架和具有絮凝能力的厌氧菌团粒化形成圆形或椭圆形的颗粒污泥。6.2厌氧生物处理工艺的特点与影响因素技术成本低，经济性好。A能耗低，产生大量能源B处理负荷高，占地少，反应器体积小。C可处理高浓度有机废水。D产泥量少，剩余污泥脱水性能好。E对营养物质需求量小。F菌种沉降性能好，生物活性保存期长，终止营养条件可保留至少1年以上。G规模灵活，可大可小，设备简单，易于制作。H优点出水COD浓度高，一般不能达标排放A初次启动过程缓慢，一般需要8-12周B产生异味，产生CH4、H2S及挥发性有机物。C对毒性物质较为敏感。D缺点影响废水厌氧生物处理的环境因素1.温度厌氧消化过程存在两个最佳温度范围，一个在35-40℃，另一个在50-60℃。高温硝化（55℃）的反应速率比中温消化高，产气率也高，但甲烷所占比例减少。2、pH值和碱度产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为6.8~7.2，在6.5或8.2时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化。3.氧化-还原电位非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100~-100mv的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150~-400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330mv。4.营养物质与微量元素厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200~300：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：①K、Na、Ca等金属盐类；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。5.有毒物质无机毒性物质有机毒性物质氨氮无机硫化物盐类重金属6.3厌氧生物反应器与工艺厌氧处理工艺厌氧生物膜法厌氧活性污泥法普通消化池厌氧接触工艺升流式厌氧污泥床反应器厌氧生物滤池厌氧膨胀床/流化床厌氧生物转盘厌氧消化池1.厌氧消化池基本原理基本原理：在微生物作用下，有机物通过液化、酸性发酵和碱性发酵3个阶段产生沼气的过程。工业消化装置温度在一定的温度范围内驯化后，对温度敏感。保持温度不变污泥投配率设计时在5%-12%之间营养与碳氮比C/N太高，pH下降，C/N太低，pH上升搅拌使鲜料与熟料均匀接触，加强热传导，均匀供给细菌养料，提高负荷。pH最佳pH为7-7.5有毒物质含量重金属离子、NH4+、表面活性剂以SO42-、NO2-、NO3-2.厌氧消化的条件与影响因素标准消化法池内不设加热和搅拌装置01快速厌氧消化法有加热和搅拌装置023.厌氧消化的工艺与消化池类型二级厌氧消化法03厌氧接触工艺厌氧接触法在混合接触池（消化池）后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobiccontactprocess)。适用于活性污泥或深度处理产生的污泥厌氧接触法工艺特点优点：通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；消化池的容积负荷较普通消化池高，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液，不存在堵塞问题；混合液经沉降后，出水水质好。缺点：o需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备o由于气泡大量存在，混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点从消化；o消化池排出的污泥就有产甲烷活性可继续产气，使污泥上浮，导致出水水质浓度增加。1.在消化池和沉淀池之间设真空脱气器充分脱除混合液中的沼气。2.在沉淀池之前设热交换器，对混合液进行急剧冷却，35℃15℃，抑制污泥在沉淀过程中继续产气。3.向混合液投加混凝剂NaOHFeCl3。4.用过滤器代替沉淀池。解决方法厌氧接触法的类型（1）充填载体的厌氧接触法：目的：增加消化池的污泥浓度，提高污泥的相对密度，从而提高固液分离效果。该法适于处理易水解的有机废水，也适于处理含有不可降解的悬浮物的废水。（2）投磁粉的厌氧接触法目的：利用载体提高消化池内微生物的浓度和在消化液在进入沉淀池之前经过磁场，在磁场的作用下使混合液中的污泥聚集成为较大颗粒，以提高沉淀效果。该法适于处理易水解的有机废水，也适用于两相处理法的产酸相，在该相pH一般为5~6。为了防止消化池的污泥流失，可在池内设置挂膜，使厌氧微生物生长在上面，由此出现了厌氧生物滤池。厌氧生物滤池内装填30-50mm的滤料，或充填软件或半软性填料，废水从池底进入并从池顶连续排出，在通过填料层时与微生物充分接触，使有机物得到降解。厌氧生物滤池（AF）滤池中的微生物量较高，可承受的有机容积负荷高，COD容积负荷为2-16kgCOD/(m3·d)，且耐冲击负荷能力强。微生物菌种停留时间长，HRT可缩短。微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备启动或停止运行后再启动时间短。运行稳定性好，抗水量、水质变化冲击能力强。厌氧生物滤池优点升流式厌氧污泥床（UASB）UASB反应器的构成：进水配水系统反应器池体三相分离器（最重要设备）UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高UASB装置优点：（1）反应负荷高、体积小、占地面积小。（2）颗粒污泥活性高，沉降性能好，稳定性好。（3）节省费用明显。与好氧处理比，节省一半左右。工业级UASB装置钢制圆形结构混凝土方形结构（便于施工及分离器设置）全世界有几千座UASB反应器，占所有厌氧反应器（第二代以上）总数的64%，应用广泛UASB反应器完全混合型EGSB反应器厌氧滤池厌氧塘流化床-复合床64％厌氧生物反应器发展全国各地使用广泛，为生活污水的预处理——液固分离处理污泥及厌氧杀寄生虫及病菌第一代厌氧反应器——化粪池缺点：污泥量少、易被带出，静态消化第二代厌氧反应器UASB反应器influentSludgebed污泥沉降沼气阻挡收集effluent第三代厌氧生物反应器•厌氧膨胀颗粒污泥床内循环反应器升流式污泥床过滤器填料EGSBICUBF厌氧生物处理新进展•内循环（IC,InternalCirculation）厌氧反应器•膨胀颗粒污泥床（EGSB,ExpandedGranularSludgebed）•厌氧流化床（AFB，AnaerobicFluidisedbed）•厌氧生物转盘（AnaerobicRotatingBiologicalContactorProcess）•厌氧挡板反应器•厌氧序批式反应器（ASBR）其它厌氧反应器：膨胀颗粒污泥床（EGSB）和厌氧流化床（AFB）：厌氧膨胀床和厌氧流化床内充填细小的固体颗粒填料，如石英砂、无烟煤、活性炭、陶粒和沸石等，填料粒径一般为0.2～lmm。废水从床底部流人，为使层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内水流的上升流速。一般认为膨胀率为10％～20％称膨胀床，颗粒略呈膨胀状态，但仍保持互相接触；膨胀率为20％～70％时，称为流化床，颗粒在床中作无规则自由运动。•厌氧生物转盘：构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分(70％以上)或全部浸没在废水中，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。•厌氧挡板反应器：从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。同时，厌氧挡板反应器实质上是一系列升流式厌氧污泥床，但不设三相分离器。