厌氧生化法概述

厌氧生化法TheAnaerobicProcesses15.1概述15.2厌氧生物处理基本原理15.3厌氧生物处理工艺和设备15.4厌氧法的影响因素15.5产气量计算15.6厌氧法工艺的新进展15.1概述厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术。以前，多用于剩余污泥、有机废弃物及部分高浓度有机废水的处理。目前，不仅用于处理剩余污泥和高浓度有机废水，也用于处理中、低浓度有机废水，包括城市污水。1厌氧法的主要特点（1）适用范围广好氧法：中、低浓度有机废水。厌氧法：高、中、低浓度有机废水；好氧难降解有机物（如固体有机物、某些偶氮染料等）。（2）能耗低好氧法：曝气费用随着有机物浓度的增加而增大。厌氧法：不充氧，且沼气可作为能源。当原水BOD5达到1500mg/L时，厌氧处理即有能量剩余。厌氧法的动力消耗约为活性污泥法的1/10。（3）高负荷好氧：2-4kgBOD/(m3·d)厌氧：2-lOkgCOD/(m3·d)，高的可达50kgCOD/(m3·d)。（4）剩余污泥产率低，浓缩性、脱水性良好好氧：0.4-O.6kg生物量/kgCOD厌氧：0.02-0.lkg生物量/lkgCOD消化污泥在卫生学和化学上是稳定的。（5）氮、磷营养需要量较少好氧：BOD:N:P＝l00:5:1厌氧：BOD:N:P＝l00:2.5:0.5（6）有杀菌作用（7）污泥易贮存（1）厌氧微生物增殖缓慢，厌氧设备启动和厌氧处理所需时间比好氧长；（2）出水达不到排放标准，需进一步处理，一般在厌氧处理后串联好氧处理；（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂；（4）厌氧过程产生气味对空气有污染。2缺陷废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(anaerobicmicrobes)(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobicdigestion)15.2厌氧法的基本原理OHdedsbcnNOHCcban242092NOHCdsCOdedsCnCHde2752420858342020HCOdsCNHdsC一、基本原理第一阶段普通厌氧菌碳水化合物、脂肪、蛋白质消化有机酸、乙醇、乙醛第二阶段绝对厌氧菌甲烷二氧化碳消化细胞合成新细胞酶细胞合成厌氧消化两阶段示意图1两阶段理论（30-60年代）图1厌氧反应的两阶段理论图示内源呼吸产物碱性发酵阶段酸性发酵阶段水解胞外酶胞内酶产甲烷菌胞内酶产酸菌不溶性有机物可溶性有机物细菌细胞脂肪酸、醇类、H2、CO2其它产物细菌细胞CO2、CH4第一阶段：发酵阶段又称产酸阶段或酸性发酵阶段；进行水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和H2等；主要参与微生物：发酵细菌或产酸细菌；特点：1）生长快；2）适应性（温度、pH等）强。第二阶段：产甲烷阶段又称碱性发酵阶段；产甲烷菌将前一阶段的产物转化为CH4和CO2；主要参与微生物：产甲烷菌；特点：1）生长慢；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）敏感。在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）和产甲烷细菌（menthanogens）。产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh-350mv(中温)，-560mv(高温)-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃2三阶段理论说明：1）I、II、III为三阶段理论，I、II、III、IV为四类群理论；2）所产生的细胞物质未表示在图中III发酵性细菌脂肪酸、醇类产氢产乙酸菌II同型产乙酸菌IV有机物乙酸H2+CO2CH4I产甲烷菌厌氧反应的三阶段理论和四类群理论研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。1、发酵细菌（产酸细菌）：水解作用：胞外酶作用，不溶性有机物水解成可溶性有机物；酸化作用：将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；2、产氢产乙酸菌：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；乙醇：CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2丙酸：CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2丁酸：CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等3、产甲烷菌：将产氢产乙酸菌的产物乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌厌氧消化机理图19-1产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）乙酸CH4CO228%72%长链脂肪酸（丙酸、丁酸等）简单有机化合物（糖、氨基酸、肽）复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、类脂类）13%10%5%20%35%17%水解产酸H2CO2厌氧消化反应的控制阶段:甲烷发酵阶段是。厌氧反应的影响因素以对甲烷菌的影响因素为准。温度因素生物固体停留时间（污泥龄）与负荷搅拌和混合营养与C/N比氨氮有毒物质酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用15.3厌氧生物处理影响因素及控制要求温度温度与有机物负荷、产气量关系见图消化温度与消化时间的关系见图厌氧消化微生物对温度的变化非常敏感。温度的突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。根据采用消化温度的高低，分为常温消化：10～30℃中温消化：35℃左右高温消化：54℃左右温度与有机物负荷、产气量关系温度（C）0555045403530251213425637840产气量（m/m·d）有机物负荷（kg/m·d）图19-2温度与有机物负荷、产气量关系图消化温度与消化时间的关系T（C）6050403020100120105907560453015消化时间t（d）图19-3温度与消化时间的关系曲线生物固体停留时间（污泥龄）与负荷00102030400.20.40.60.81.0水力停留时间t（d）有机物浓度%4%6%8%有机负荷（X16.21kgvs/m·d）容积负荷和水力停留时间关系搅拌和混合目的：物料分布均匀，增加微生物与物料的接触，提高消化效率、增加产气量；温度均匀，加快消化速度，提高产气量。搅拌方法：气体搅拌、机械搅拌、泵循环等。机械搅拌：搅拌器安装在消化池液面以下，定位于上、中、下层皆可，如果料液浓度高，安装要偏下一些；泵循环：用泵使沼气池内料液循环流动，达到搅拌的目的；气体搅拌：沼气加压后从池底部冲入，利用产生的气流，达到搅拌的目的。机械搅拌适合于小的消化池，液搅拌和气搅拌适合大、中型的沼气工程。营养与C/N比厌氧消化原料既是产生沼气的基质，又是厌氧消化微生物赖以生长、繁殖的营养物质。厌氧菌生命活动需要一定比例的氮素和碳素。表给出了常用沼气发酵原料的碳氮比。C/N比过高，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。C/N比过低，易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。各种废物的碳氮比（C/N）原料碳氮比原料碳氮比大便(6~10):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪29:1鲜猪粪13:1氨氮厌氧消化过程中，氮的平衡是非常重要的因素。厌氧过程细胞的增殖很少，只有很少的氮转化为细胞，大部分可生物降解的氮都转化为氨氮。实验研究表明，氨氮对厌氧消化过程有较强的毒性或抑制性，NH3对产甲烷菌的活性有比NH4+更强的抑制能力。有毒物质挥发性脂肪酸（VFA）是厌氧消化的产物，也是甲烷菌的生长代谢的基质。一定的挥发性脂肪酸浓度是保证系统正常运行的必要条件，但过高会抑制甲烷菌的生长，从而破坏消化过程。有许多化学物质能抑制厌氧消化过程中微生物的生命活动，这类物质被称为抑制剂。抑制剂包括部分气态物质、重金属离子、酸类、醇类、苯、氰化物及去垢剂等。对厌氧消化具有抑制作用的物质对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500酸碱度、pH值和消化液的缓冲作用微生物活性与pH有密切的关系，pH值变化直接影响着消化过程和产物，过高或过低pH对微生物是不利的。表现在：1．pH的变化引起微生物体表面电荷变化，影响微生物对营养物的吸收；2．pH可促使有机化合物的离子化作用，多数非离子状态化合物比离子状态化合物更易渗入细胞；3．酶在最适宜的pH值时发挥最大活性。15.3厌氧法的工艺和设备1化粪池（SepticTank）用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。2厌氧消化池（Digester）常用密闭圆柱形池，废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。池形：圆柱形和蛋形两种。构造：主要包括污泥的投配、排泥及溢流系统，沼气排出、收集与贮气设备、搅拌设备及加温设备等。溢流系统（a）倒虹吸管式；（b）大气压式；（c）水封式排水槽（a）（b）h△h=30～50cm水封管φ200下流管7.007.409.008.50污泥面10.0集气罩顶4.70上清液排水槽常闭溢流管从池盖插入消化池10.0大气（c）消化池的溢流装置贮气设备（a）低压浮盖式，1-水封柜；2-浮盖；3-外轨；4-滑轮；5-导气管；（b）高压球形罐，1-导气管；2-安全阀（b）（a）512432安全阀1进出气管贮气柜加温设备1-污泥入口；2-污泥出口；3-热媒进口；4-热媒出口水泥图19-8套管式热交换器主要应用：剩余污泥和固体含量很高的有机废水；主要作用：①部分有机物转变为沼气；②部分有机物形成稳定性良好的腐殖质；③提高污泥的脱水性能；④减少污泥体积（可达1/2以上）；⑤致病微生物也得到了一定程度的灭活。3厌氧接触法（anaerobiccontactprocess）消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成厌氧接触法。回流污泥沉淀池真空脱气器消化池废水图19-9厌氧生物接触法特点：（1）污泥回流保持消化池内较高污泥浓度（10-15g/L），耐冲击能力强；（2）容积负荷较普通消化池高（中温消化时为2-l0kgCOD/m3·d），水力停留时间比普通消化池短（常温下普通消化池为15-30天，而接触法小于10天）；（3）可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厌氧生物滤池（AnaerobicBiofilter）优点：（1）生物固体浓度高，有机负荷高,SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强；（2）废水与生物膜接触面大，强化了传质过程，有机物去除速度快；处理水原废水处理水沼气沼气滤料原废水滤料厌氧生物滤池5升流式厌氧污泥层(床)反应器UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)Reactor配水系统污泥处理水沼气三相分离器出水堰水沼气污泥颗粒污泥区悬浮污泥区升流式厌氧污泥床上流式厌氧污泥床反应器（UASB反应器），是荷兰G.Lettnga等人在70年代初研制开发的。污泥床反应器内没有载体，是一种悬浮生长型的消化器。由反应区、沉淀区和气室三部分组成。池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形，底部呈锥形或圆弧形。大型装置为便于设置气、液、固三相分离器，一般为矩形，高度一般为3-8m，其中污泥床1-2m，污泥悬浮层2-4m，多用钢结构或钢筋混凝土结构，(2)反应区：污泥床区:集中大部分高活性的颗粒污泥，是有机物的主要降解场所；污泥悬浮区:絮状污泥集中的区域。A、组成：由沉淀区、回流缝和气封组成；B、功能：①保证出水水质；②将气体(