第6篇污水的厌氧生物处理

水污染控制工程第六篇污水的厌氧生物处理厌氧生物处理法在隔绝与空气接触的条件下，借助兼性菌、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，称为厌氧生化处理法或厌氧消化法。一、厌氧生物处理的沿革、特征和发展趋势1、厌氧生物处理的发展概述厌氧生物处理已有100多年的历史，它的发展和应用大致经历了3个时期：A、20世纪10年代以前的初级阶段，主要应用于污水和粪便处理；B、20世纪50年代以前第二个时期，普通消化池是唯一的实用装置；C、20世纪50年代特别是70年代以后的第三个时期，出现一大批更为先进实用的厌氧生物处理技术。2、厌氧生物处理工艺的应用现状A、厌氧生物处理工艺在污水处理中的应用；B、厌氧生物处理工艺在垃圾处理中的应用；C、秸杆等生物质的资源化和能源化。3、厌氧生物处理的特征4、厌氧生物处理的发展趋势从目前厌氧生物处理工艺技术和设备发展规律前景来看，进一步提高生物处理能力和稳定性的途径主要有：A、提高反应器中生物持有量；B、利用厌氧生物处理中微生物种群的特点，实现相分离；C、研制反应器使之形成特殊的水力流态而创造厌氧微生物的最适生态条件。二、厌氧消化原理1、厌氧消化的生化阶段第Ⅰ阶段——水解产酸阶段污水中不溶性大分子有机物，如多糖、淀粉、纤维素、烃类（烷、烯、炔等）水解，主要产物为甲、乙、丙、丁酸、乳酸；紧接着氨基酸、蛋白质、脂肪水解生成氨和胺，多肽等（所以有的书又把水解产酸分为二个阶段）。第Ⅱ阶段——厌氧发酵产气阶段第（1）阶段产物甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和等小分子有机物在产甲烷菌的作用下，通过甲烷菌的发酵过程将这些小分子有机物转化为甲烷。所以在水解酸化阶段COD、BOD值变化不很大，仅在产气阶段由于构成COD或BOD的有机物多以CO2和H4的形式逸出，才使废水中COD、BOD明显下降。在酸化阶段，发酵细菌将有机物水解转化为能被甲烷菌直接利用的第一类小分子有机物，如乙酸、甲酸、甲醇和甲胺等；第二类为不能被甲烷菌直接利用的有机物，如丙酸、丁酸、乳酸、乙醇等，不完全厌氧消化或发酵到此结束。如果继续全厌氧过程，则产氢、产乙酸菌将第二类有机物进一步转化为氢气和乙酸。第（2）阶段生化过程是产甲烷细菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇等基质通过不同途径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸。2、发酵条件控制（1）营养与环境条件厌氧要求有机物浓度较高，一般大于1000mg/L以上。所以厌氧适于处理高浓度有机废水和污泥处理。和好氧生物处理一样，厌氧处理也要求供给全面的营养，但好氧细菌增殖快，有机物有50～60%用于细菌增殖，故对N、P要求高；而厌氧增殖慢，BOD仅有5～10%用于合成菌体，对N、P要求低。COD∶N∶P＝200∶5∶1或C∶N＝12～16（好氧COD∶N∶P＝100∶5∶1）厌氧过程对环境条件要求比较严格：Ⅰ、氧化还原电位（φE）与温度氧的溶入和氧化态、氧化剂的存在：Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-、PO43-、H+会使体系中电位升高，对厌氧消化不利。高温消化——500～600mv，50～55℃中温消化——300～380mv，30～38℃产酸菌对氧还—还电位要求不甚严格＋100～－100mv产甲烷菌对氧还—还电位要求严格＜－350mvⅡ、pH及碱度pH主要取决于三个生化阶段的平衡状态，原液本身的pH和发酵系统中产生的分压（20.3～40.5kpa），正常发酵pH＝7.2～7.4，有机负荷太大，水解和酸化过程的生化速率大大超过产气速率。将导致水解产物有机酸的积累使pH下降，抑制甲烷菌的生理机能，使气化速率锐减，所以原液pH＝6～8，发酵过程有机酸浓度不超过3000mg/L为佳（以乙酸计）。HCO3-及NH3是形成厌氧处理系统碱度的主要原因，高的碱度具有较强的缓冲能力，一般要求碱度2000mg/L以上，NH3浓度50～200mg/L为佳。Ⅲ、毒物——凡对厌氧处理过程起抑制和毒害作用的物质都可称为毒物，无机酸浓度不应使消化液pH＜6.8；NH3不应高于1500mg/L，其它阴离子浓度见书。（2）工艺操作条件Ⅰ、生物量——大小以污泥浓度表示，一般介于10～30gvss/L之间，为防止反应器中污泥流失，可采用装入填料介质使细菌附着挂膜，调节水流速度或污泥回流量。Ⅱ、负荷率——表示消化装置处理能力的一个参数，负荷率有三种表示方法：①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Kg/m3·d②污泥负荷率—反应器内单位重的污泥在单位时间内接纳的有机物量Kg/Kg·d③投配率—每天向单位有效容积投加的材料的体积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（天），投配率池可用百分率表示。负荷率的影响：①当有机物负荷率很高时，营养充分，代谢产物有机酸产量很大，超过甲烷菌的吸收利用能力，有机酸积累pH下降，是低效不稳定状态。②负荷率适中，产酸细菌代谢产物中的有机物（有机酸）基本上能被甲烷菌及时利用，并转化为沼气，残存有机酸量仅为几百毫克/升。pH＝7～7.5，呈弱碱性，是高效稳定发酵状态。③当有机负荷率小，供给养料不足，产酸量偏少，pH＞7.5是碱性发酵状态，是低效发酵状态。Ⅲ、温度控制——发酵要求较高的温度，每去除8000mg/L的COD所产沼气，能使水温升高10℃，一般工艺设计中温消化30～35℃。Ⅳ、pH的控制——当液料pH＜6.5或高于8.0，则要调整液料pH。pH＜6.8～7，应减少有机负荷率，pH＜6.5，应停止加料，必要时加入石灰中和。三、悬浮生长厌氧生物处理法1、完全混合悬浮生长厌氧消化池2、厌氧接触法3、厌氧序批式反应器四、附着生长厌氧生物处理法（即厌氧生物膜法）1、升流式厌氧填充床反应器即厌氧生物滤池2、厌氧膨胀床、流化床反应器3、厌氧生物转盘五、两相厌氧生物处理1、原理根据相分离的概念，建造两个独立控制的反应器，分别培养产酸细菌和产甲烷细菌，通过分别调控产酸相和产甲烷相的运行参数，供给它们各自的最佳生态条件，提高了污水处理能力和反应器的运行稳定性。2、两相厌氧生物处理技术A、两相均采用UASB反应器B、采用Anodek工艺其特点是产酸相为接触式反应器，产甲烷相采用UASB反应器。3、最适液相末端发酵产物的选择与好氧生物处理相比，厌氧生物处理具有以下特征：A、应用范围广。好氧适用低浓度废水，厌氧可直接处理高浓度废水处理。B、能量需求低，还可以产生能量。C、污泥产量极低。D、对水温的适应范围较为宽广。E、能够被降解的有机物多。但F、厌氧处理启动时间较长。G、处理出水水质较差。H、对pH值较为敏感。I、处理过程机理较为复杂。它是多种不同性质的微生物协同工作的过程，远比好氧复杂。6.1.1厌氧生物处理原理一、定义：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（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和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。二、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。二、厌氧消化的三个阶段和COD转化率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。6.1.2厌氧法的影响因素控制厌氧处理效率的基本因素有两类:一类是基础因素，包括微生物量(污泥浓度)、营养比、混合接触状况、有机负荷等；另一类是环境因素，如温度、pH值、氧化还原电位、有毒物质等。产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物，产甲烷阶段是厌氧过程速率的限制步骤。一、温度条件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℃）二、pH值产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5～8.0之间。产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.0～7.2，pH6.6～7.4较为适宜。在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.5～7.5(最好在6.8～7.2)的范围内。pH值对产甲烷菌活性的影响020406080100456789pH值相对活性（％）三、氧化还原电位无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感，这是因为它不象好氧菌那样具有过氧化氢酶。氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素，但不是唯一因素。四、有毒物质包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等。对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。有毒物质的最高容许浓度与处理系统的运行方式、污泥驯化程度、废水特性、操作控制条件等因素有关。6.1.3厌氧反应器一、厌氧工艺的有关术语（1）上流速度（表面速度或表面负荷）（2）水力停留时间（HRT）（3）反应器中的污泥量（4）反应器的有机负荷（OLR）：分为容积负荷（VLR）和污泥负荷（SLR）。(5)污泥体积指数（SVI）（6）污泥的比产甲烷活性（7）反应器内的污泥停留时间（SRT）:亦称泥龄。二、厌氧反应器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。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：池内机械搅拌；沼气搅拌；循环消化液搅拌。螺旋浆搅拌的消化池循环消化液搅拌式消化池普通消化池的特点是:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。温度不均匀，消化效率低3、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，在消化池侯设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。厌氧接触氧化法的工艺流程为：厌氧接触法的特点:（a）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（b）消化池的容积负荷较普通消化池高；（c）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；（d）混合液经沉降后，出水水质好；（e）但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备；（f）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、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，是由荷兰的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(reactionregion)、沉淀区(settlingregion)和气室(gascollectiondome)三部分组成。上流式厌氧污泥床的池形有圆形、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，则一般为矩形，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，上流式厌氧污泥床反应器的特点：UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高4、厌氧滤池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的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生