第15章污水的厌氧生物处理

第十五章污水的厌氧生物处理人们有目的地利用厌氧生物处理法已有近百年的历史。由于传统的厌氧法存在水力停留时间长、有机负荷率低等特点，在过去很长时间里，没有得到广泛采用。它仅限于处理污水厂的污泥、粪便等。在废水处理方面，几乎都是采用好氧生物处理。近二十多年来，世界上的能源问题突出，而随着生物学、生物化学等学科的发展和工程实践经验的累积，不断开发出新的厌氧处理工艺和构筑物，克服了传统工艺的缺点，使得这一处理技术的理论和实践都有了很大进步，使它在处理高浓度有机废水方面取得了良好的效果和经济效益。引言厌氧工艺多半是能量的净生产者，而好氧工艺则是能量的使用者1.厌氧处理的优缺点优点：1）工艺稳定2）减少剩余污泥处置费用3）减少补充氮、磷营养的费用4）贮存能量并具有生态和经济上的优点5）运行简单6）无尾气污染（挥发性有机物）7）处理含表面活性剂废水无泡沫问题8）可以处理好氧过程中不可生物降解物质9）减少氯化有机物的毒性10）可以处理季节性排放的废水第一节厌氧生物处理的基本原理可能的缺点：1）为增加反应器内生物量启动时间长2）低浓度或碳水化合物废水碱度不足3）某些情况下出水水质不能满足排放到地表水体的要求4）水质浓度低产生的甲烷的热量不足以使水温加热到35度的厌氧生物处理最佳温度5）含有SO42-的废水会产生硫化物和气味6）无硝化作用7）氯化的脂肪族化合物对甲烷菌的毒性比对好氧异养菌大8）低温下动力学速率低9）生物活性最大时要求NH4+浓度高，约40-70mg/L2.厌氧与好氧生物技术的比较厌氧工艺的有机负荷是好氧工艺的5-10倍厌氧工艺中合成生物量仅为好氧工艺的5%-10%厌氧工艺中营养的需要量仅为好氧工艺的5%-10%厌氧工艺中活性可保持数月甚至数年而无严重衰退好氧处理每去除1000kgCOD耗电500-1000kWh，而厌氧处理无曝气能耗厌氧每去除1000kgCOD产生甲烷的能量为12660000kJ3.厌氧生化的原理3.1厌氧生化的四个阶段厌氧生化处理有的学者将它分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段产甲烷阶段。但通过近期科学家们的研究发现，将厌氧生化处理分为四个阶段更为合理一些，即将酸化阶段分为发酵酸化阶段和产乙酸阶段。因此厌氧生化的四阶段依次为：水解阶段、发酵酸化阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段。3.1.1水解阶段水解即复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。水解过程通常比较慢，因此被认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。影响水解的速度与水解的程度的因素有以下几种：1.水解温度2.有机质在反应器内的保留时间3.有机质的组成4.有机质颗粒的大小5.pH值6.氨的浓度7.水解产物的浓度3.1.2发酵酸化阶段废水中的有机物在发酵细菌的作用下，发生水解和酸化反应,而被降解为以脂肪酸、醇类、CO2和H2等为主的产物.参与反应的微生物则被统称为发酵细菌或产酸细菌，其特点主要有：1)生长速率快,2)对环境条件(如温度、pH、抑制物等)的适应性较强;发酵细菌(产酸细菌)的主要功能是：1)水解:即在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；2)酸化:即将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等小分子有机物。这类细菌分属梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等，其中大多数是厌氧菌，但也有大量是兼性厌氧菌，一般来说,水解过程比较缓慢，并会受到多种因素影响(pH、水力停留时间、有机物种类等)，有时会成为厌氧反应的限速步骤。但产酸反应的速率一般是比较快的。如果按功能来分类，则可将发酵细菌分为：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等.其中重要的类群有梭状芽孢杆菌和拟杆菌。梭状芽孢杆菌是厌氧的、产芽孢的细菌，因此它们能在恶劣的环境条件下存活。拟杆菌大量存在于有机物丰富的地方，它们分解糖、氨基酸和有机酸。上述细菌的绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1%的兼性厌氧菌存在于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护像甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害与抑制。3.1.3产乙酸阶段发酵酸化阶段的产物在产乙酸阶段被产乙酸菌转化为乙酸、氢气和二氧化碳。通常在厌氧颗粒污泥中存在着微生态系统。在此系统中，产乙酸菌靠利用氢的细菌生长，因此氢可以很容易被消耗掉并使产乙酸过程顺利进行。产氢产乙酸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。涉及到的主要反应有：乙醇:CH3CH2OH+H2O=CH3COOH+2H2丙酸:CH3CH2COOH+2H2O=CH3COOH+3H+CO2丁酸:CH3CH2CH2COOH+2H2O2=CH3COOH+2H2上述各个反应只有在系统中的乙酸浓度、和氢分压均很低时才能顺利进行。主要的产氢产乙酸菌分属互营单胞菌属、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。3.1.4产甲烷阶段此阶段所发生的反应是产甲烷菌利用前一阶段的产物脂肪酸、醇类、CO2和H2等为基质，并最终将其转为CH4和CO2。参与反应的微生物被统称为产甲烷菌，其主要特点有：1)生长速率很慢；2)对环境条件(如温度、pH、抑制物等)非常敏感等。对产甲烷菌的研究在很长时间内并没有较大的进展。直到20世纪60年代，Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术，随后产甲烷菌的研究才得以广泛开展。许多研究结果表明，产甲烷菌在分类学上属于古细菌(Archaebacteria)，它们与真细菌的一般特性不同的是细胞壁中没有肽聚糖，细胞中也不含有细胞色素C，而含有其它真细菌所没有的酶系统。产甲烷菌的主要功能是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。一般可以简单地将其分为两大类，即乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌；一般来说，自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，主要只有产甲烷八叠球菌(Methanosarcina)和产甲烷丝状菌(Methanothrix)两大类，但在厌氧反应器中，这两种细菌的数量一般较多，而且有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，可将其进行分类，目前最新的Bergy’s细菌手册第九版中将产甲烷菌共分为：三目、七科、十九属、65种。产甲烷菌具有各种不同的形态，常见的有：1.产甲烷杆菌；2.产甲烷球菌；3.产甲烷八叠球菌；4.产甲烷丝菌等。前已述及，在生物分类学上，产甲烷菌(Methanogens)属于古细菌(Archaebacteria)、大小、外观上与普通细菌即真细菌(Eubacteria)相似，但实际上，其细胞成分特别是细胞壁的结构和酶系统较特殊。产甲烷菌在自然界中的分布，一般认为它们常栖息于一些极端环境中(如地热泉水、深海火山口、沉积物等)，但实际上其分布极为广泛，如污泥、反刍动物的瘤胃、昆虫肠道、湿的树木、厌氧反应器等。产甲烷菌都是极严格的厌氧细菌，一般要求其生境中的氧化还原电位为-150～400mV，氧和其它任何氧化剂都对其具有极强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢,繁殖的世代时间很长,可长达4～6天甚至更长，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。在厌氧反应器中，所产甲烷的大约70%由乙酸歧化菌产生。在反应中，乙酸中的羧基从乙酸分子中分离，甲基最终转化为甲烷，羧基转化为二氧化碳，在中性溶液中，二氧化碳以碳酸氢盐形式存在。另一类产甲烷的微生物是能由氢气和二氧化碳形成甲烷的细菌（可称为嗜氢甲烷菌）。在反应器正常条件下，它们形成占总量30%的甲烷。大约一半嗜氢甲烷菌也能利用甲酸，这个过程可以直接运行。产酸72%17%35%13%10%20%5%28%产甲烷的串联代谢（McCarty和Smith,1986）水解CH4CO2复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、类脂类）简单有机化合物（糖、氨基酸、肽）H2CO2长链脂肪烃（丙酸、丁酸等）乙酸3.2厌氧生物共生体的串联代谢甲烷细菌是专性厌氧的。与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质更为敏感。通常采用厌氧处理的温度一般选择在中温35-38℃或高温52-55℃。pH值严格控制在6.8-7.2。基质的组成也直接影响厌氧处理的效率和微生物的增长，但与好氧法相比，对废水中的N、P的含量要求不高。厌氧法为什么有机负荷率低，需要的停留时间长？这是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比，厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低（与好氧法相比，在相同时，要相差一个数量级）。要克服这些缺点，最主要的方法是增加参加反应的微生物浓度和提高反应时的温度。但要提高反应的温度，就要消耗能量（而水的比热又很大）。因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。第二节污水的厌氧生物处理工艺最早的厌氧生物处理构筑物是化粪池，近年开发的有厌氧生物滤池、厌氧接触法、上流式厌氧污泥床反应器，分段消化法。1.化粪池厌氧生物滤池是密封的水池，池内放置填料，如右图所示，污水从池底进入，从池顶排出。微生物附着生长在滤料上，平均停留时间可长达100d左右。滤料可采用拳状石质滤料，也可采用塑料填料。出水消化气进水填料2.厌氧生物滤池厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备，出水SS较低；设备简单、操作方便等。它的主要缺点是：滤料费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，生物膜厚。堵塞后，没有简单有效的清洗方法。因此，悬浮物高的废水不适用。对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，其流程见右图。废水先进入混合接触池与回流的厌氧污泥相混合，然后经真空脱气器而流入沉淀池。接触池中的污泥浓度要求很高，在12000-15000mg/L左右，因此回流量很大，一般是废水流量的2-3倍。接真空系统消化气进水混合接触池出水剩余污泥污泥回流沉淀池真空脱气机3.厌氧接触法厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物高的有机废水效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。厌氧接触.swf上流式厌氧污泥床反应器（UASB）是由荷兰Lettinga教授在1972年研制，于1977年开发的。如图所示，废水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有一个高浓度、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化成CO2和CH4。由于气态产物的搅动和气泡黏附污泥，在污泥层之上形成一个污泥悬浮层。反应器上部设有三相分离器，完成气、液、固的分离。4.上流式厌氧污泥床反应器Uasb.swf5.分段厌氧处理法原理:根据厌氧消化阶段进行的事实，对于固态有机物浓度高的污水，将水解、酸化和甲烷化过程分开进行。第一段的功能是：固态有机物水解为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，截留固态难降解物质。第二段的功能是：保持严格的厌氧条件和pH，以利于产甲烷菌的生长；降解、稳定有机物，产生含甲烷较多的消化气；并截留悬浮固体，以改善出水水质。二段式厌氧处理法的流程尚无定式，可以采用不同构筑物予以组合。下图是采用厌氧接触法和上流式厌氧污泥床反应器串联的组合。5.分段厌氧处理法究竟采用什么样的反应器以及如何组合，要根据具体的水质等情况而定。消化气剩余污泥出水回流污泥进水混合接触池沉淀池上流式厌氧污泥床反应器6.厌氧膨胀床和流化床原理:厌氧膨胀床和厌氧流化床是在床内填充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，粒径一般为0.2～1mm。废水从床底部流入，为了使填料层膨胀，需将部分出水用循环泵进行回流，提高床内的水流上升速度。厌氧膨胀床与流化床工艺流程优点：1.细颗粒的载体为微生物随着生长提供较大的表面积，使床内具有很高的微生物浓度（一般为30gvss/l左右）因此有机物容积负荷较大（10~40kgcod/m3.d），水力停留时间短，具有较好的乃冲击负荷能力，运行稳定；2.载体处于膨胀或流化状态，防止载体堵塞；3.床内生物固体停留时间较长，运行稳定，剩余污泥量少；4.既可用于高浓