厌氧生物处理法

第11章厌氧生物处理法11.1厌氧法的基本原理11.2厌氧法的影响因素11.3厌氧法的工艺和设备11.4厌氧消化过程动力学11.5厌氧产气量计算11.1厌氧法的基本原理在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生化降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。若有机物的降解产物主要是有机酸，则此过程称为不完全的厌氧消化，简称为酸发酵或酸化。若进一步将有机酸转化为以甲烷为主的生物气，此全过程称为完全的厌氧消化，简称为甲烷发酵或沼气发酵。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水、城镇污水的污泥、动植物残体等。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。11.1厌氧法的基本原理11.1厌氧法的基本原理1、水解酸化阶段（产酸或酸化细菌）11.1厌氧法的基本原理2、产气阶段（甲烷细菌）乙酸化阶段甲烷化阶段11.2厌氧法的影响因素一、温度条件11.2厌氧法的影响因素二、pH值一般认为，实测值应7.2～7.4之间为好。低于7.0时，pH值并不稳定，有继续下降的趋势。低于6.5时，将使正常的处理系统遭到破坏。如果有机物负荷太大，水解和产酸过程的生化速率大大超过气化速率，将导致挥发性脂肪酸的积累和pH值的下降，抑制甲烷细菌的生理机能。最终使气化速率锐减，甚止停止。一般原液的pH值为6～8。系统中挥发性脂肪酸浓度（以乙酸记）以不超过3000mg/L为佳。重碳酸盐及氨氮等物质是形成厌氧处理系统碱度的主要物质。一般要求系统中碱度在2000mg/L以上，氨氮浓度以介于50～200ng/L为佳。11.2厌氧法的影响因素三、氧化还原电位厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。引起发酵系统的氧化还原电位升高的原因：氧和其它一些氧化剂或氧化态物质的存在(如某些工业废水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性废水中的H+等)高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于-300～-380mV。产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格，甚至可在+100～-100mV的兼性条件下生长繁殖；而甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为-350mV或更低。就大多数生活污水的污泥及性质相近的高浓度有机废水而言，只要严密隔断于空气的接触，即可保证必要的ORP值。11.2厌氧法的影响因素四、负荷率容积负荷率：反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/m3·d或g/L·d。有机物量可用COD.BOD.S和VSS表示。污泥负荷率：反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物量，单位为kg/kg·d或g/g·d。投配率：每天向单位有效容积投加的新料的体积，单位为m3/m3·d。投配率的倒数为平均停留时间或消化时间，单位为d。投配率有时也可用百分数表示，例如，0.07m3/m3·d的投配率也可表示为7%。确定厌氧消化装置的负荷率的原则是：在两个转化（酸化和气化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的处理目标（最大处理量或最大产气量）。三种发酵状态当有机物负荷率很高时，消化液显酸性（pH7），称为酸性发酵状态，它是一种低效而又不稳定的发酵状态，应尽量避免。当有机物负荷率适中时，产酸细菌代谢产物中的有机酸基本上能被甲烷细菌及时地吸收利用，并转化为沼气，溶液中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中pH值维持在7～7.5之间，称为弱碱性发酵状态，它是一种高效而由稳定的发酵状态，最佳负荷率应达此状态。当有机物负荷率偏小时，消化液中的有机酸残存量很少，pH值偏高（大于7.5）称为碱性发酵状态。由于负荷偏低，是一种虽稳定但低效的厌氧消化状态。11.2厌氧法的影响因素五、污泥浓度各种反应器要求的污泥浓度不尽相同，一般介于10～30gVSS/L之间。为了保持反应器的生物量不致因流失而减少，可采用多种措施，如安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥量等。11.3厌氧法的工艺和设备一、普通厌氧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•d11.3厌氧法的工艺和设备二、厌氧接触法用沉淀池分离污泥并进行回流。消化池中进行适当搅拌，池内呈完全混合。能适应高有机物浓度和高悬浮物的废水。有一定抗冲击负荷能力，运行较稳定，不受进水悬浮物的影响。负荷高时污泥会流失。设备较多，操作上要求较高。污泥浓度10~15g/L，容积负荷2~10kgCOD/m3•d。11.3厌氧法的工艺和设备三、厌氧生物滤池和厌氧生物转盘微生物固着生长在滤料表面。适用于悬浮物量低的废水。设备简单，能承受较高负荷。出水悬浮固体低。底部易发生堵塞，填料费用较贵。容积负荷2~16kgCOD/m3•d。11.3厌氧法的工艺和设备四、上流式厌氧污泥床反应器消化和固液分离在一个池内。微生物量特高。负荷率高(10~20kgCOD/m3•d)。总容积小。能耗低，不需搅拌。污泥浓度可达40~80g/L。11.3厌氧法的工艺和设备五、厌氧流化床池内充填粒径为0.5mm左右的挂膜介质，全部悬浮于上升水流中，废水常需回流。负荷率高(10~40kgCOD/m3•d)，反应器内VSS浓度可达60g/L，容积小，抗冲击负荷能力强。但管理较复杂。11.3厌氧法的工艺和设备六、两步厌氧法和复合厌氧法酸化和甲烷化在两个反应器进行。两个反应器内可以采用不同反应温度。能承受较高负荷，耐冲击。运行稳定。11.5厌氧产气量计算一、理论产气量的计算1、根据废水有机物化学组成计算产气量2、根据COD与产气量关系计算CH4+2O2——CO2+2H2OV1=22.4/64=0.35(L/gCOD)V2=T2V1/T1VCH4=V2[Q•(S0-Se)—1.42QWx]•10-3Vg=VCH4/PV1——还原1gCOD所生成的甲烷体积，L/gCODVCH4——厌氧消化系统的甲烷日产量，m3/dP——以小数表示的沼气中甲烷含量Vg——沼气的日产量m3/d11.5厌氧产气量计算二、实际产气率分析在厌氧消化工艺中，把转化1kgCOD所产的沼气或甲烷称为产气率。1、物料的性质2、废水COD浓度3、沼气中的甲烷含量4、生物相的影响5、工艺条件影响6、去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例第12章吸附12.1吸附的基本理论12.2吸附剂及其再生12.3吸附工艺与设计12.4吸附法的应用12.1吸附的基本理论一、吸附机理及分类1、交换吸附2、物理吸附3、化学吸附二、吸附平衡与吸附等温式平衡吸附量：达到平衡时，单位吸附剂所吸附的物质的数量（mg/g）。qe=V(c0-ce)/wV——溶液体积，L；c0，ce——分别为溶质的初始和平衡浓度，mg/L；W——吸附剂量，g12.1吸附的基本理论1、Langmuir等温式Langmuir假设吸附剂表面均一，各处的吸附能相同；吸附是单分子层的，当吸附剂表面为吸附质饱和时，其吸附量达到最大值。12.1吸附的基本理论12.1吸附的基本理论2、B.E.T等温式适于多分子层吸附12.1吸附的基本理论3、Freundlich等温式qe=Kce1/nK——Freundlich吸附常数n——常数，通常n1一般认为，1/n介于0.1~0.5，则易于吸附；1/n2时难以吸附。12.1吸附的基本理论12.1吸附的基本理论由图可见，Langmuir吸附等温式大体上适用。12.1吸附的基本理论qe=Kce1/n由图可见，Freundlich吸附等温式也适用。12.1吸附的基本理论三、影响吸附的因素（一）吸附剂结构1、比表面积2、孔结构3、表面化学性质表面氧化物成为选择性的吸附中心，使吸附剂具有类似化学吸附的能力，有助于对极性分子的吸附。（二）吸附质的性质活性炭的吸附容量随着有机物在水中溶解度的减少而增加，活性炭对有机酸的吸附量按甲酸乙酸丙酸丁酸的次序而增加（三）操作条件温度、pH12.2吸附剂及其再生一、吸附剂1、活性炭加热脱水（120~130℃）、炭化（170~600℃）、活化（700~900℃）活化包括药剂活化和气体活化法等。活性炭的比表面积可达800~2000m2/g，有很高的吸附能力。2、腐殖酸系吸附质用作吸附剂的腐殖酸类物质主要有：天然的富含腐殖酸的风化煤、泥煤、褐煤等；用适当的粘合剂制备成的腐殖酸系树脂。腐殖酸是一组芳香结构的，性质与酸性物质相似的复杂混合物。活性基团有：酚羟基、羧基、醇羟基、甲氧基、羰基、醌基、氨基、磺酸基等。这些活性基团有阳离子吸附性能，包括离子交换、鳌合、表面吸附、凝聚等作用。腐殖酸类物质能吸附工业废水中的许多金属离子，如汞、铬、锌、镉、铅、铜等。12.2吸附剂及其再生二、吸附剂再生1、加热再生法在高温条件下，提高了吸附质分子的能量，使其易于从活性炭的活性点脱离；而吸附的有机物则在高温下氧化和分解，成为气态逸出或断裂成低分子。2、化学再生法通过化学反应，使吸附质转化为易溶于水的物质而解析下来。常用的有机溶剂有苯、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、卤代烷等。无机酸碱也是很好的再生剂。例如，吸附了苯酚的活性炭，可用氢氧化钠溶液浸泡，使形成酚钠盐而解析。12.3吸附工艺与设计吸附的操作方式间歇式连续式固定床移动床流化床一般的固定床吸附柱中，吸附柱的总厚度为3~5m，分成几个柱串联工作，每个柱厚度1~2m。过滤速度在4~15m/h之间，接触时间一般不大于30~60min。为防止吸附剂层的堵塞，含悬浮物的废水一般先应经过砂滤，再进行吸附处理。12.3吸附工艺与设计12.4吸附法的应用在废水处理中，吸附法处理的主要对象是废水中用生化法难于降解的有机物或用一般氧化法难于氧化的溶解性有机物，包括木质素、氯和硝基取代的芳烃化合物、、杂环化合物、洗涤剂、合成染料、除莠剂、DDT等。活性炭处理废水，不但能吸附难分解的有机物，降低COD，还能使废水脱色、脱臭，把废水处理到可重复利用的程度。所以吸附法在废水的深度处理中得到了广泛的应用。实例膨润土吸附性能的研究取50ml水样投加一定量的膨润土进行静态吸附，在pH6~7时，测定吸附达到平衡时所需时间。1、乳化剂OP原溶液CODcr值为618.2mg/L，取50ml水样投加精确测量的0.125g膨润土，分别设定不同的吸附时间，测定吸附后溶液的CODcr值。时间（min）05103040CODcr（mg/L）618.295.886.984.684.62、聚醚220时间（min）05103040CODcr（mg/L）845.886.181.481.481.4由以上两表可见，乳化剂和聚醚达到吸附平衡所需时间约30~40min，下面的吸附容量测定选取吸附时间为35min，pH6~7，分离后测定CODcr值。膨润土投加量（g）00.030.050.100.15乳化剂TX-8CODcr(mg/L)998.0727.6560.4274.689.7吸附容量(mgCODcr/g膨润土)450.7437.6361.7311.9乳化剂OPCODcr(mg/L)618.2380.6252.9138.089.3吸附容量(mgCODcr/g膨润土)396.0365.3240.1176.3膨润土投加量（g）00.70.80.91.0聚醚210CODcr(mg/L)697.0178.1149.3108.667.2吸附容量(mgCODcr/g膨润土)37.034.232.731.5聚醚220CODcr(mg/L)845.8409.3338.0204.6123.3吸附容量(mgCODcr/g膨润土)31.231.735.636.1实验结果表明，膨润土对有极性结构的非离子性表面