厌氧颗粒污泥

1主要内容•第一节：厌氧生物处理的基本原理•第二节厌氧颗粒污泥的结构及特点•第三节污泥颗粒化的形成机理•第四节IC反应器颗粒污泥的培养实验2第一节：厌氧生物处理的基本原理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(anaerobicdigestion)。与好氧过程的根本区别：不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氮等作为受氢体。厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，依靠四大主要类群的细菌，即水解发酵菌、产氢产乙酸细菌、同型产乙酸菌和产甲烷细菌的联合作用完成。34厌氧过程可分为三阶段：阶段ⅠⅡⅢ名称水解发酵产氢产乙酸产甲烷生化过程复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先被分解成简单的有机物，继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性脂肪酸(VFA)和醇类把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类等转化成乙酸和氢，并有CO2产生把Ⅰ、Ⅱ阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。菌群水解与发酵细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌56在厌氧生物处理技术中，研究甲烷细菌的共性是很重要的，这样可以最大限度地缩短处理时间。影响甲烷细菌生长重要环境因素：pH值和温度。PH值应在6．5—7．5，大部分甲烷菌的最适温度在30℃一40℃之间。产乙酸细菌和产甲烷细菌之间严格的共生关系：甲烷细菌是专性厌氧的与产酸菌相比．甲烷茵对温度、pH值、有毒物质等更为敏感。因此有人提出，考虑到这种共生关系，反应器中的剪切力要注意控制，不能在系统内进行连续的剧烈搅拌甲烷菌7第二节厌氧颗粒污泥的结构及特点颗粒污泥是厌氧微生物在不依赖惰性载体的情况下，依靠自我固定化，形成的一种结构紧密的污泥聚集体，它是一个具有自我平衡的微生物系统。表观形状物理化学特性颗粒结构颗粒污泥特点8表观形状•颗粒污泥多种多样，在不同基质中或不同操作条件下，培养出的颗粒污泥在外型、组成菌群、密实程度等方面有所不同。•大小：初期，颗粒较小，通常直径在0.12～0.14mm．成熟后，直径一般在0.2～1.5mm之间，大部分在0.8mm以上，最大可达7mm•颜色：通常是黑色或灰色，取决于处理条件，特别是与Fe，Ni，Co等金属的硫化物有关•形态：不同温度下有所差异，常温颗粒污泥表面较光滑，有孔隙，污泥表面菌体排列较紧密，菌体较饱满，颗粒污泥中心有明显的空洞。•物理特征：主要是沉降性能，随着直径的增大，沉降速度随之增大。•化学特征：主要元素为C,H,N，其比例大致为40％～50％，7％，10％,微量元素为P，S，Ni，Fe，Zn，Co，Ca等，其中Fe和Ca的含量最大。•颗粒污泥的干重(TSS)是挥发性悬浮物(VSS)与灰分(ASH)之和。一般颗粒污泥灰分含量为8.8％～55％，成熟颗粒污泥通常VSS与SS比值在0.9左右物理化学特性10颗粒结构•Macleod等给出了一个较为典型的厌氧颗粒污泥结构模型:甲烷髦毛菌构成厌氧颗粒污泥的内核，在厌氧化过程中提供了很好的网络结构。甲烷髦毛菌所需的乙酸是由产氢产乙酸菌等产乙酸菌提供，丙酸丁酸分解物中的高浓度氢促进了氢营养型细菌的生长，产氢产乙酸菌和氢营养型细菌构成厌氧颗粒污泥的第二层。厌氧污泥的最外层由产酸菌和氢营养型细菌构成。模型如图11共生或互生体系，有利于形成适合细菌生长的生理生化条件；有利于细菌对营养的吸收，增强了微生物活性；使发酵中间产物与产氢产乙酸菌和产甲烷菌之间的距离大大缩短，强化了厌氧生物降解的过程；当废水性质突变时(如pH值冲击、有毒物质的进入等)，颗粒污泥能够维持一个相对稳定的微环境；颗粒的形成有利于微生物的截留，增加了固体的停留时间。特点12第三节污泥颗粒化的形成机理13厌氧接触法•在混合接触池（消化池）后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobiccontactprocess)。厌氧接触法工艺特点14特点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；消化池的容积负荷较普通消化池高，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天；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；混合液经沉降后，出水水质好，o需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备o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。厌氧接触法15上流式厌氧污泥床反应器•由反应区、沉淀区和气室三部分组成。•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，（UASBupflowanaerobicsludgeblanketreactor)UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高17需要全图cad图纸1920特点反应器内污泥浓度高，一般平均污泥浓度为30-40g/L，污泥床中的污泥由活性生物量占70-80％的高度发展的颗粒污泥。有机负荷高，水力停留时间短。中温消化，COD容积负荷一般为10-20kgCOD/（m3·d）；反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；无混合搅拌设备。投产运行正常后，利用本身产生的沼气和进水来搅动污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。反应器内有短流现象，影响处理能力。运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。上流式厌氧污泥床反应器21将水解酸化过程和甲烷化过程分开在两个反应器内进行。第一段：完成水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并截留难降解的固态物质。反应器可采用简易非密闭装置、在常温、较宽pH值范围条件下运行。第二段：保持严格的厌氧条件和pH值，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。第二步反应器则要求严格密封、严格控制温度和pH值范围。分段厌氧处理法22接触消化池-上流式污泥床两步消化工艺热交换器被废水加热到需要的温度水解产酸反应，控制条件之产生脂肪酸，尽量不产生沼气沉降分离，去除不溶性有机物产甲烷阶段，使第一步反应产生的有机酸生成甲烷和二氧化碳等最终产物23纤维填料厌氧滤池和上流式厌氧污泥床复合法工艺24两步厌氧法具有如下特点:（a）耐冲击负荷能力强，运行稳定，避免了一步法不耐高有机酸浓度的缺陷；（b）两阶段反应不在同一反应器中进行，互相影响小，可更好地控制工艺条件；（c）消化效率高，尤其适于处理含悬浮固体多、难消化降解的高浓度有机废水。（d）但两步法设备较多，流程和操作复杂。25其它厌氧处理法•厌氧生物转盘：构造与好氧生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分(70％以上)或全部浸没在废水中，整个生物转盘设在一个密闭的容器内。•厌氧挡板反应器：从研究厌氧生物转盘发展而来的，生物转盘不转动即变成厌氧挡板反应器。同时，厌氧挡板反应器实质上是一系列升流式厌氧污泥床，但不设三相分离器。26厌氧生物转盘示意图•特点：微生物浓度高勿需处理水回流生物膜经常保持较高的活性耐冲击负荷，处理过程稳定性强可采用多级串连，各级微生物处于最佳生存条件运行管理方便盘片成本较高27厌氧挡板反应器示意图特点：反应器启动期短。实验表明接种一个月，就有颗粒污泥形成，两个月可稳定运行。避免厌氧滤池等堵塞问题避免UASB因污泥膨胀而发生污泥流失问题不需要搅拌不需要载体28第三节厌氧法的影响因素温度条件pH值氧化还原电位有机负荷厌氧活性污泥搅拌和混合废水的营养比有毒物质29温度对厌氧消化过程的影响024682530354045505560温度（℃）有机物负荷(g/L.d）01234产气量（L/L.d）有机负荷产气量30pH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。31氧化还原电位（ORP）厌氧环境主要以体系中的氧化还原电位反映。高温厌氧消化系统：适宜氧化还原电位为-500～-600mV；中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统：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；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，即可保证必要的值。32有机负荷•在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量（kgCOD/m3·d)。•对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即kgCOD/(kg污泥·d)。•在污泥消化中，有机负荷习惯上以投配率或进料率表达，即每天所投加的湿污泥体积占消化器有效容积的百分数。•在通常的情况下：厌氧消化工艺处理高浓度工业废水的有机负荷：中温为2-3kgCOD/(m3·d)，在高温下为4-6kgCOD/(m3·d)。•上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5-15kgCOD/(m3·d)，可高达30kgCOD/(m3·d)。33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。污泥浓度34搅拌和混合•通过搅拌：消除池内梯度，增加食料与微生物之间的接触避免产生分层，促进沼气分离。进料迅速与池中原有料液相混匀。搅拌程度与强度要适当。•搅拌的方法：机械搅拌器搅拌法消化液循环搅拌法沼气循环搅拌法等沼气循环搅拌，还有利于使沼气中的CO2作为产甲烷的底物被细菌利用，提高甲烷的产量35废水的营养比•厌氧法中碳:氮:磷控制为200-300:5:1为宜。•在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明，合适的C/N为10-18:1。12．4．8有毒物质•有毒物质•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。36第四节厌氧生物处理法的设计•厌氧生物处理法的设计包括：•流程和设备的选择•反应器和构筑物的构造和容积的确定•需热量的计算和搅拌设备的设计等37厌氧法特点：优点：（1）应用范围广•好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水的处理，而厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。•有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的，如固体有机物、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。（2）能耗低•好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要充氧，而且产生的沼气可作为能源38厌氧法特点：（3）负荷高•通常好氧法的有机容积负荷为2-4kgBOD/(m3·d)，而厌氧法为2-lOkgCOD/(m3·d)，高的可达50kgCOD/(m3·d)。（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好•好氧法每去除lkgCOD将产生0.4-O.6kg生物量，而厌氧出去除lkgCOD只产生0.02-0.lkg生物量，其剩余污泥量只有好氧法的5％-20％。•同时，消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此，剩余污泥处理和处置简单、运行费用低，甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。（5）氮、磷营养需要量较少•好氧法一般要求BOD:N:P为l00:5:1，而厌氧法的BOD:N:P为l00:2.5:0.5，39厌氧法特点：（6）有杀菌作用•厌