厌氧处理法

第七章废水的厌氧处理TheAnaerobicProcesses1厌氧生物处理原理•定义：废水厌氧生物处理是指在在断绝与空气接触的条件下通过厌氧微生物或兼氧微生物的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。•厌氧消化过程:厌氧消化过程划分为三个连续的阶段：即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段。厌氧消化的三个阶段此过程由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3后者约占2/3。大分子有机物（碳水化合物、蛋白质、脂肪等）简单有机物（单糖、氨基酸等）有机酸（丙酸、丁酸、戊酸等）、醇、醛等H2/CO2乙酸CH4水解(胞外酶)酸化（产酸细菌）乙酸化（乙酸细菌）甲烷化（甲烷细菌）甲烷化（甲烷细菌）CO2+4H2CH4+2H2O厌氧呼吸是在无分子氧（O2）的情况下进行的生物氧化。厌氧微生物只有脱氢酶系统，没有氧化酶系统。在呼吸过程中，底物中的氢被脱氢酶活化，从底物中脱下来的氢经辅酶传递给除氧以外的有机物或无机物，使其还原。厌氧呼吸的受氢体不是分子氧。在厌氧呼吸过程中，底物氧化不彻底，最终产物不是二氧化碳和水，而是一些较原来底物简单的化合物。这种化合物还含有相当的能量，故释放能量较少。厌氧呼吸呼吸方式受氢体化学反应式好氧呼吸能量利用率42％分子氧C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+2817.3kJ发酵能量利用率26％有机物C6H12C6→2CO2+2CH3CH2OH+92.0kJ•与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠三大主要类群的细菌，即水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。产甲烷菌厌氧生物处理的微生物发酵细菌群（产酸细菌）多为兼性厌氧或专性厌氧细菌，主要参与复杂有机物的水解，其主要功能是：•首先通过胞外酶的作用将不溶性有机物水解成可溶性有机物；•将可溶性有机物转化为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等有机酸及乙醇、CO2、H2等。研究表明，该类细菌对有机物的水解比较缓慢，但产酸反应速率较快。厌氧生物处理的微生物产氢产乙酸菌群绝对厌氧或兼性厌氧细菌，可将前面步骤产生的挥发性有机酸转化为乙酸、H2/CO2。厌氧生物处理的微生物产甲烷细菌•产甲烷细菌是严格专性厌氧细菌，生存环境要求绝对无氧；•产甲烷细菌属古细菌，一类可利用乙酸转化为甲烷和CO2，另一类利用H2还原CO2合成甲烷；•对环境影响非常敏感，氧和氧化剂有毒害作用；•生长特别缓慢；2厌氧生化法的特点2.1应用范围广•因供氧限制，好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。•有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。2.2能耗低•好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源。•废水有机物达一定浓度后，沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明，当原水BOD5达到1500mg/L时，采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高，剩余能量愈多。•一般厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。2.3负荷高•通常好氧法的有机容积负荷为2-4kgBOD/(m3·d)，而厌氧法为2-lOkgCOD/(m3·d)，高的可达50kgCOD/(m3·d)。2.4剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好•好氧法每去除lkgCOD将产生0.4-O.6kg生物量，而厌氧出去除lkgCOD只产生0.02-0.lkg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5-20％。•同时，消化污泥在卫生学上和化学上都较稳定。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。•好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为l00:2.5:0.5，对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。2.5氮、磷营养需要量较少2.6有杀菌作用•厌氧处理过程有一定的杀菌作用，可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。2.7污泥易贮存厌氧活性污泥可以长期贮存，厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。2.8厌氧生物处理法存在的缺点:•厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长；•出水往往达不到排放标准，需要进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理；•厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。•厌氧过程会产生气味对空气有污染。一般来说，对于废水中有机物浓度较低、温度较低、出水水质要求较高，并要求去除营养物的场合倾向于采用好氧生物处理技术。而对于有机物浓度较高、温度较高的工业废水，厌氧处理可能更为经济。随着对厌氧生物处理工艺的进一步了解，厌氧处理作为好氧处理的预处理手段已经成为目前较为广泛采用的一种方法。3厌氧法的工艺和设备•按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法；厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。•据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。（1）常温消化（10～30℃）（2）中温消化（35～38℃）（3）高温厌氧消化（50～55℃）3.1普通厌氧消化池•普通消化池又称传统或常规消化池。•消化池常用密闭的圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。•池径从几米至三、四十米，柱体部分的高度约为直径的1/2，池底呈圆锥形，以利排泥。•为使进水与微生物尽快接触，需要一定的搅拌。常用搅拌方式有三种：(a)池内机械搅拌；(b)沼气搅拌；(c)循环消化液搅拌。螺旋桨搅拌的消化池循环消化液搅拌式消化池在一个消化池内进行酸化，甲烷化和固液分离。设备简单。反应时间长，池容积大。污泥易随水流带走，消化器内难以保持大量的微生物细胞。搅拌方式有三种：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。容积负荷为2~6kgCOD/m3•d3.2厌氧接触法•为了克服普通消化池不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。对于悬浮物较高的有机废水可以采用厌氧接触法。厌氧接触法的特点:1）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；2）消化池容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3·d，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；3）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；4）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；6）厌氧接触法存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点3.3上流式厌氧污泥床反应器•上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器，由荷兰的G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。反应器经历了360L、6m3、30m3、200m3的逐次放大，至今最大的设备容积已达5500m3。•首次把颗粒污泥的概念引入反应器中。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。（活性污泥自身固体化机制形成的生物聚体结构，即颗粒污泥）•UASB工艺是目前研究较多、应用趋于广泛的新型污水厌氧生物处理工艺，继荷兰之后，德国、瑞士、美国、加拿大以及中国等国相继开展了对UASB的深入研究和开发工作，它具有其它厌氧工艺难以比拟的优点，可实现污泥的颗粒化，具有很好的沉降性和很高的产甲烷活性。•国内对UASB的研究是由北京环境保护科学研究所于70年代末首先开始的，在溶剂、酒精、肉类加工、纤维板等生产废水的处理方面，均取得了良好的处理效果。UASB反应器工作原理•UASB反应器的主体部分是一个无填料的空容器，由反应区、沉淀区和气室三部分组成。•反应区根据污泥的分布情况分为污泥悬浮层和污泥床。污泥床主要由沉淀和凝聚性能良好的厌氧污泥组成，浓度可达50-100gSS/L或更高。污泥悬浮层主要靠反应过程中产生的气体的上升搅拌作用形成，污泥浓度较低，一般在5-40gSS/L范围内。UASB装置的最大特点在于其上部设置了一个专用的气－液－固三相分离器。UASB反应器示意图0.1-0.2cmUASB三相分离器结构型式上流式厌氧污泥床反应器特点:A反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，其中底部污泥床污泥浓度60-80g/L，污泥悬浮层污泥浓度5-7g/L；•污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度发展的颗粒污泥组成，颗粒的直径一般在0.1-0.2cm之间，颗粒污泥是UASB反应器的一个重要特征。B有机负荷高，水力停留时间短，中温消化，COD容积负荷一般为10-20kgCOD/（m3·d）；C反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；D无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动；反应器内不需填装填料，构造简单，易于操作运行，便于维护管理。E污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。F污泥龄一般30d以上，水力停留时间比较短；因而UASB具有很高的容积负荷，处理能力和处理效率较高，尤其适用于各种高浓度有机废水的处理。UASB反应器存在的主要问题•设备启动运行时间较长，需要3-6个月来培养驯化颗粒污泥，依靠反应器内增殖积累厌氧污泥甚至需1-2年。•污泥床内有短流现象发生，影响设备的处理能力，不适于处理高悬浮物固体浓度的废水；•对水质和负荷较敏感，缓冲能力小，要求进水和负荷要相对稳定，管理要求更高。UASB反应器一般不能去除废水中的氮和磷，故在处理高、中等浓度的废水时，宜采用厌氧－好氧串联工艺，即用UASB反应器去除废水中大部分含碳有机物作为预处理，用好氧处理设备去除残余的含碳有机物和氮、磷等物质。3.4厌氧滤池（AF）•厌氧滤池又称厌氧固定膜反应器，是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。•滤池呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。•厌氧微生物附着于填料表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。•厌氧生物滤池主要由滤料、布水系统、沼气收集系统等重要部分组成的。•根据废水在厌氧生物滤池中的流向的不同，可分为升流式厌氧生物滤池、降流式厌氧生物滤池和升流式混合型厌氧生物滤池等三种形式。厌氧生物滤池的特点：•（a）由于填料为微生物附着生长提供了较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又因生物膜停留时间长，平均停留时间长达100天左右，因而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；•（b）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；•（c）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；•（d）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。•（e）处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。3.5厌氧流化床（AFB）常用载体:石英砂、无烟煤、活性碳沸石等。沿用化工中固体颗粒流态化技术，内装细而轻的载体作为挂膜介质，悬浮于上升水流中，厌氧流化床特点:（a）载体颗粒细（粒径小于1mm），给厌氧微生物生长提供的比表面积大，可高达2000-3000m2/m3左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为10-40kgCOD/m3·d，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；（b）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中、低浓度废水均表现出较好的效能；（c）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；（d）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量