第六章厌氧生物处理工艺

1第六章厌氧生物处理工艺第一节厌氧生物处理工艺的发展概况及特征一、厌氧生物处理工艺的发展简史实际上，厌氧生物过程广泛地存在于自然界中，但人类第一次有意识地利用厌氧生物过程来处理废弃物，则是在1881年由法国的LouisMouras所发明的“自动净化器”开始的，随后人类开始较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水（如化粪池、双层沉淀池等）和剩余污泥（如各种厌氧消化池等）。这些厌氧反应器现在通称为“第一代厌氧生物反应器”，它们的共同特点是：①水力停留时间（HRT）很长，有时在污泥处理时，污泥消化池的HRT会长达90天，即使是目前在很多现代化城市污水处理厂内所采用的污泥消化池的HRT也还长达20~30天；②虽然HRT相当长，但处理效率仍十分低，处理效果还很不好；③具有浓臭的气味，因为在厌氧消化过程中原污泥中含有的有机氮或硫酸盐等会在厌氧条件下分别转化为氨氮或硫化氢，而它们都具有十分特别的臭味。以上这些特点使得人们对于进一步开发和利用厌氧生物过程的兴趣大大降低，而且此时利用活性污泥法或生物膜法处理城市污水已经十分成功。但是，当进入上世纪50、60年代，特别是70年代的中后期，随着世界范围的能源危机的加剧，人们对利用厌氧消化过程处理有机废水的研究得以强化，相继出现了一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，从此厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理，真正成为一种可以与好氧生物处理工艺相提并论的废水生物处理工艺。这些被称为现代高速厌氧消化反应器的厌氧生物处理工艺又被统一称为“第二代厌氧生物反应器”，它们的主要特点有：①HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率大大提高；②主要包括：厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、上流式厌氧污泥床（UASB）反应器、厌氧流化床（AFB）、AAFEB、厌氧生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；③HRT与SRT分离，SRT相对很长，HRT则可以较短，反应器内生物量很高。以上这些特点彻底改变了原来人们对厌氧生物过程的认识，因此其实际应用也越来越广泛。进入20世纪90年代以后，随着以颗粒污泥为主要特点的UASB反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了同样以颗粒污泥为根本的颗粒污泥膨胀床（EGSB）反应器和厌氧内循环（IC）反应器。其中EGSB反应器利用外加的出水循环可以使反应器内部形成很高的上升流速，提高反应器内的基质与微生物之间的接触和反应，可以在较低温度下处理较低浓度的有机废水，如城市废水等；而IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，依靠厌氧生物过程本身所产生的大量沼气形成内部混合液的充分循环与混合，可以达到更高的有机负荷。这些反应器又被统一称为“第三代厌氧生物反应器”。二、厌氧生物处理的主要特征1、主要优点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水的厌氧生物处理工艺具有以下主要优点：①能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；因为厌氧生物处理工艺无需为微生物提供氧气，所以不需要鼓风曝气，减少了能耗，而且厌氧生物处理工艺在大量降低废水中的有机物的同时，还会产生大量的沼气，其中主要的有效成分是甲烷，是一种可以燃烧的气体，具有很高的利用价值，可以直接用于锅炉燃烧或发电；2②污泥产量很低；这是由于在厌氧生物处理过程中废水中的大部分有机污染物都被用来产生沼气——甲烷和二氧化碳了，用于细胞合成的有机物相对来说要少得多；同时，厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌的产率Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌的产率Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，而好氧微生物的产率约为0.25~0.6kgVSS/kgCOD。③厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解；因此，对于某些含有难降解有机物的废水，利用厌氧工艺进行处理可以获得更好的处理效果，或者可以利用厌氧工艺作为预处理工艺，可以提高废水的可生化性，提高后续好氧处理工艺的处理效果。2、主要缺点与废水的好氧生物处理工艺相比，废水厌氧生物处理工艺也存在着以下的明显缺点：①厌氧生物处理过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂，因为厌氧消化过程是由多种不同性质、不同功能的厌氧微生物协同工作的一个连续的生化过程，不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制，因此在运行厌氧反应器的过程中需要很高的技术要求；②厌氧微生物特别是其中的产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感，也使得厌氧反应器的运行和应用受到很多限制和困难；③虽然厌氧生物处理工艺在处理高浓度的工业废水时常常可以达到很高的处理效率，但其出水水质仍通常较差，一般需要利用好氧工艺进行进一步的处理；④厌氧生物处理的气味较大；⑤对氨氮的去除效果不好，一般认为在厌氧条件下氨氮不会降低，而且还可能由于原废水中含有的有机氮在厌氧条件下的转化导致氨氮浓度的上升。三、厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是：①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等；厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。四、厌氧消化过程中沼气产量的估算糖类、脂类和蛋白质等有机物经过厌氧消化能转化为甲烷和CO2等气体，这样的混合气体统称为沼气（Biogas）；产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：42248248224CHbanCObanOHbanOHCban理论上认为，1gCOD在厌氧条件下完全降解可以生成0.25gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L；沼气中CO2和CH4的百分含量不仅与有机物的化学组成有关，还与其各自的溶解度有关；由于一部分沼气（主要是其中的CO2）会溶解在出水中而被带走，同时，一小部分有机物还会被用于微生物细胞的合成，所以实际的产气量要比理论产气量小。3第二节早期厌氧生物反应器这是厌氧消化应用于废水处理的初级阶段，是从1881年法国Mouras设计的自动净化器开始到本世纪的20年代；主要代表有：①1881年法国Mouras的自动净化器：②1891年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：③1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；④1905年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）；等等。这些早期的厌氧生物反应器的共同特点是：①处理废水的同时，也处理从废水中沉淀下来的污泥；②前几种构筑物由于废水与污泥不分隔而影响出水水质；③双层沉淀池则有了很大改进，有上层沉淀池和下层消化池；④停留时间很长，出水水质也较差；⑤后两种反应器曾在英、美、德、法等国得到广泛推广，在我国目前仍有应用。第三节厌氧消化池随着活性污泥法、生物滤池等好氧生物处理工艺的开发和推广应用，厌氧生物处理被认为是效率低、HRT长、受温度等环境条件的影响大，因此处于一种被遗弃的状态；但好氧生物处理工艺的广泛应用，产生的剩余污泥也越来越多，其稳定化处理的主要手段是厌氧消化，这是第二阶段的主要特征；1927年，首次在消化池中加上了加热装置，使产气速率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带加热和搅拌装置的消化池被称为高速消化池，至今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。一、消化池的类型与构造厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水；它的主要作用是：①将污泥中的一部分有机物转化为沼气；②将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质；③提高污泥的脱水性能；④使得污泥的体积减少1/2以上；⑤使污泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。1、消化池的分类消化池可以按其形状分为：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形等几种形式；也可以按其池顶结构形式的不同将其分为：固定盖式和浮动盖式的消化池；或者还可以按其运行方式的不同分为：传统消化池和高速消化池。1)传统消化池：4传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设置加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统消化池的最大特点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为30~90天。2)高速消化池与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有加热和/或搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温（30~35C）条件下，其HRT可以为15天左右，运行效果稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。3)两级串联消化池两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的HRT的比值可采用1:1~1:4，一般为1:2。52、消化池的构造消化池一般由池顶、池底和池体三部分组成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一般为倒圆锥形，有利于排放熟污泥。1)消化池内的搅拌：在高速消化池内均设有搅拌装置，可以分为机械搅拌和沼气搅拌两种形式。其中的机械搅拌又分为：①泵搅拌：从池底抽出消化污泥，用泵加压后送至浮渣层表面或其它部位，进行循环搅拌，一般与进料和池外加热合并一起进行；②螺旋浆搅拌：在一个竖向导流管中安装螺旋桨；③水射器搅拌：利用污泥泵从消化池中抽取污泥后通过水射器喷射进入消化池，可以起到循环搅拌的作用。而沼气搅拌又可以分为：①气提式搅拌；②竖管式搅拌；③气体扩散式搅拌。2)消化池内的加热：在高速消化池内一般需要将反应温度控制在中温范围内，即约为35C左右，因此必须考虑对进入消化池的污泥或直接在消化池内部进行加热。消化池内的加热方式主要有：①池内蒸汽直接加热，其优点是设备简单，但容易造成局部污泥过热，会影响厌氧微生物的正常活动，而且蒸气直接通入池内会增加污泥的含水率；②池外加热：将进入消化池的污泥预热后再投配到消化池中，所需预热的污泥量较少，易于控制；预热温度较高，有利于杀灭虫卵；不会对厌氧微生物不利；但设备较复杂。6二、消化池的设计计算消化池的设计计算的主要内容包括：①消化池体积的计算与池体设计；②消化池内搅拌设备的设计与计算；③消化池所需要的加热保温系统的设计与计算；等。1、消化池的池体设计目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：pVV'式中：V——消化池的有效容积，m3；V’——每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d；p——污泥投配率。一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度为30~35C时，投配率p可取6~18%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。而国外则多按固体负荷率来计算消化池的有效容积，即：vsLGV式中：Gs——每日需要处理的污泥干固体量，kgVSS/d；Lv——单位容积消化池固体负荷率，kgVSS/m3.d。一般认为固体负荷率Lv值与污泥的含固率、消化池内的反应温度等有关，下表中的数据可供参考：污泥含固率（%）固体负荷率（kgVSS/m3.d）24C29C33C35C41.532.042.553.0651.912.553.193.8362.303.063.834.5972.683.574.465.362、消化池的结构尺寸在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下：①圆柱形池体的直径一般为6~35m；②柱体高径之比为1：2；③池总高与直径之比为0.8~1.0；④池底坡度一般为0.08；⑤池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m；⑥池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。3、消化池的工艺管道在消化池中还需要设置多