第八章4厌氧处理设计

DesignoftheAnaerobicSystems第八章4厌氧生物处理设计目录•一、概述•二、厌氧生物处理机理•三、厌氧生物处理系统•四、厌氧生物处理系统设计（UASB)•五、厌氧生物处理的新发展请大家带着问题学习这一节：与好氧相比厌氧生物处理的优、缺点一、概述•1906年德国学者Imhoff开发双层沉淀池处理有机污泥.(化粪池）•1970年由荷兰学者G.Lettinga等人研究成功上流式厌氧污泥床（UASB)。•20世纪90年代，EGSB及IC早期的厌氧生物处理主要面对的是固态有机物（包括有机污泥或粪便等），所以称为消化。消化过程液化(酸化)污泥的pH迅速下降，大分子有机物转化为小分子有机酸、醇、醛等液态产物和CO2、H2、NH3、H2S等气化(甲烷化)产生消化气，主体是CH4，以及部分CO2等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生物处理的特点1、需要的能量少，产生甲烷是一种潜在的能源；2、产生的剩余生物污泥较少(每去除1kgBOD只产生0.02-0.1kg干污泥)；3、容积负荷较高，可处理高浓度、难降解的有机废水；4、需要的营养物较少；1、处理过程的反应复杂，反应速度较慢，启动时间较长；2、对温度、pH等环境因素更为敏感；3、出水水质较差，需要进一步处理；缺点一般来说，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。优点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。产甲烷细菌•产甲烷细菌是严格专性厌氧细菌，其生存环境要求绝对无氧；•产甲烷细菌，一类可利用乙酸转化为甲烷和CO2(2/3)；另一类利用H2还原CO2合成甲烷(1/3)；•对环境影响非常敏感，氧和氧化剂有毒害作用；•生长特别缓慢影响厌氧生物处理的主要因素1.pH和碱度厌氧产生有机酸pH甲烷菌分解有机酸时产生的重碳酸盐不断增加2.温度中温：33~35ºC高温：50~55ºC3.负荷厌氧反应池的容积决定于厌氧反应的负荷率。表达方式容积负荷参数为投配率日进入的有机物量与池子容积之比，在一定程度上反映了污染物在消化池中的停留时间有机物负荷参数为有机负荷率一般可达5~10kgCOD/m3.d，甚至可达50~80kgCOD/m3.d4.消化池的搅拌在有机物的厌氧发酵过程中，让反应器中的微生物和营养物质(有机物)搅拌混合，充分接触，将使得整个反应器中的物质传递、转化过程加快。5.有毒有害物质作用使池内污泥浓度分布均匀，利于微生物生长繁殖释放有害气体使环境因素在反应器内保持均匀二、厌氧生物处理机理厌氧生物处理机理：在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）消化作用，将废水中各种复杂有机物分解为甲烷和二氧化碳等物质的过程。与好氧不同之处在于厌氧过程不以分子氧为受氢体。kJOHCOOOHC28806662226126好氧过程厌氧过程kJKNOOHCOKNOOHC179612661222236126kJCOOHCHCHOHC226222236126三、厌氧生物处理系统分为厌氧悬浮生长系统处理技术厌氧附着生长系统处理技术厌氧接触法普通消化池厌氧生物滤池厌氧流化床厌氧生物转盘厌氧污泥层工艺UASB工艺厌氧隔板反应器厌氧移动层反应器1、化粪池化粪池图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。还可用于郊区的别墅式建筑。2、厌氧生物滤池优点：处理能力高；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。缺点：滤料费用较高；滤料易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚；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。与生物滤池的区别？如何解决这个问题？3、厌氧接触法对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法。4、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)上流式厌氧污泥床反应器良好的厌氧污泥床污泥形成颗粒状，污泥浓度高（60～80g/l），有机负荷率和去除率均较高，不需要搅拌，能适应负荷冲击和温度与pH的变化。UASB是一种有发展前途的厌氧处理设备。5、分段厌氧处理法第一段：水解和液化有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并将截留难降解的固态物质。一般停留时间0.8~1.5天，pH3.6~4.0。第二段：保持严格的厌氧条件和pH，以利于甲烷菌的生长；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。四、厌氧生物处理系统设计升流式厌氧污泥床法（ＵＡＳＢ工艺）１.升流式厌氧污泥床处理原理工艺特点：反应器内没有载体，由反应区，沉淀区和气室三部分组成。废水在上升时被微生物分解产生气体，搅动污泥床的上部形成悬浮污泥层，在三相分离器内沼气与水，污泥分离，在重力作用下，污泥和水在沉淀区内分离，污泥下落回到反应区。池型断面可圆形、方形或矩形。大型装置多为矩形（利于安置三相分离器）。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图19-12升流式厌氧污泥床2、UASB反应器的构造a.进水配水系统，将进入反应器的废水均匀地分配到反应器整个横断面，起到水力搅拌并均匀上升。b.反应区，反应区内存留大量具有良好凝聚和沉淀性能的污泥，在池底形成颗粒污泥层。废水从厌氧污泥床底部流入，与颗粒污泥层中的污泥进行混合接触，污泥中微生物分解有机物，同时产生的微小沼气气泡不断放出。微小气泡上升过程中，不断合并，逐渐形成较大气泡。在颗粒污泥层上部，由于沼气的搅动，形成一个污泥浓度较小的悬浮污泥层。c.三相分离器，其功能是将气体、固体和液体三相进行分离。d.集气室，其功能是收集产生的沼气，并将其导出气室送往沼气柜。e.处理水排出系统，均匀收集处理水并将其排出反应器。3、升流式厌氧污泥床法设计池高一般为3～8米，污泥床高1～2米，污泥悬浮层高2～4米三相分离器沉淀区斜壁角度大于50度，使污泥迅速滑落回反应区。沉淀区表面负荷应在0.7m3/m2h左右，混合液进入沉淀区前，通过入流孔道的流速不大于2m/h。反应器内污泥浓度平均为30～40g/L，底部污泥床高达60～80g/LCOD容积负荷达到10～20kg/m3d，去除率达到90％以上。反应器内设三相分离器，一般无污泥回流设备，无混合搅拌设备，进水悬浮物应该比普通消化池低，对水质变化比较敏感。设计参数设计计算UASB反应器设计计算的主要内容有：①池型选择、有效容积以及各主要部位尺寸的确定；②进水配水系统、出水系统、三相分离器等主要设备的设计计算；③其它设备和管道如排泥和排渣系统等的设计计算（1）有效容积及主要构造尺寸的确定：UASB反应器的有效容积，一般将沉淀区和反应区的总容积作为反应器的有效容积进行考虑，多采用进水容积负荷法确定，即：V=Q×Si/Lv（目前较大的单行池容积1000-2000m3）式中：Q——废水流量，m3/d；Si——除去的有机物浓度，mgCOD/l；Lv——COD容积负荷，kgCOD/m3.d，各种废水的值参阅手册。•污泥床高1～2m（1/3），污泥悬浮层高2～4m（2/3），总高度控制在4-6m，一般不要超过6-7m•长宽比控制在4：1以下（通过V、H确定L、B），最好2：1（2）UASB的布水系统：为使底物与污泥能充分接触，布水应尽量避免沟流，进水方式分为间歇式，脉冲式，连续均匀流，连续与间歇回流结合，进水口面积：有机负荷在2、2-4、4kgCOD/(m3.d)以上时，进水口面积分别为0.5-1、1-2、大于2m2配水管径不小于100mm，每个孔眼的服务面积2~4（m2）.配水管中心距1.0~2.0（m），孔口垂直向下呈45°方向，孔径d=10~12（mm）,中心距池底200~250（mm），三相分离器的设计：（3）三相分离器的基本原理与构造在UASB反应器中三相分离器可以有以下几种布置形式沉淀区的设计：要求表面负荷应小于1.0m3/m2.d；集气罩斜面的坡度应为55~60°；沉淀区的总水深应不小于1.5m，废水在沉淀区的停留时间应在1.5~2.0h之间集气室设计：集气室缝隙部分面积占反应器总面积的15-20%，并控制一定的气液界面或水封高度（一般1.5m）,反应器高度为5-7m时，集气室高度1.5-2m，尽量设置消泡装置三相分离器的设计要点水封作用：控制一定的气囊高度可压破泡沫，可避免泡沫和浮泥进入排气系统。(4)出水系统的设计（一般采用V型堰排水槽，堰高不小于25mm，1-2个/m2）(5)排泥系统设计：（a.重力排泥；b.在反应器底部或三相分离器下0.5m处设污泥排放口，一般10m2设一个，在长度方向上1.25m设一个；c.同时设置两种排放口）排泥管直径200mm(6)防腐（材料的选择）(7)沼气系统的设计：（35摄氏度时，1kgCOD产生沼气0.35（m3），其中：甲烷占沼气的60%，收集率为70%，甲烷的燃烧值在35.87~39.81（kJ/L），计算甲烷产生的热量）（沼气柜按照3小时储气量计算）（沼气管道直径200mm）UASB反应器的启动运行直接启动：用颗粒污泥接种，所需时间较短，负荷上升较快；间接启动：用絮状污泥启动，首先需要培养颗粒污泥。颗粒污泥的培养对于反应器的稳定高效运行十分关键，一般需要按以下步骤进行：①投加接种污泥：厌氧消化污泥，或剩余活性污泥等；接种量一般为10~20kgVSS/m3；②启动初期的污泥负荷应低于0.1~0.2kgCOD/kgSS.d，容积负荷应小于0.5kgCOD/m3.d；③保证一定的水力上升流速，一般要求大于1m3/m2.d，当其大于0.25m3/m2.h时，就会产生水力分级作用；④进水浓度过高时，可回流或稀释等措施；⑤一般要求溶解性COD的去除率大于80%左右时，应及时提高负荷。返回UASB反应器的若干发展形式复合式厌氧反应器UBF复合厌氧法是在一个设备内由几种厌氧反应器复合而成一种厌氧处理法。目前开发的多为升流式厌氧污泥床和厌氧生物滤池复合而成的升流式厌氧污泥床过滤器。可分为无三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器(UBF)和有三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器(UASB+AF)。五、厌氧生物处理的新发展•（一）多级厌氧生物处理系统•（二）两相厌氧处理系统•（三）厌氧、好氧联合处理系统讨论：与好氧相比厌氧生物处理的优、缺点•1、优点（1）需要的能量和营养物少。（2）产生的生物污泥较少。（3）产生甲烷，是一种潜在的能源。（4）需要的反应器容积较小．•2、缺点（1）处理程度往往达不到排放要求。（2）厌氧生物技术不能除磷。（3）厌氧生物处理过程反应速度较慢。（4）为培养必需的的生物污泥总量，起动时间较长．（5）需要补充碱度．重点•厌氧处理设计（UASB）