厌氧生物处理方法

生化处理主要内容废水处理微生物学基础废水的好氧生物处理（一）稳定塘、土地处理废水的好氧生物处理（二）--生物膜法废水的好氧生物处理（三）--活性污泥法生物脱氮除磷技术废水的厌氧生物处理废水的厌氧生物处理概述原理影响因素及控制要求主要构筑物及工艺一、厌氧生物处理——概述厌氧生物处理法（厌氧消化法）在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程。与好氧过程的根本区别在于不以分子态氧作为受氢体，而以化合态氧、碳、硫、氢等为受氢体。处理对象：不溶性固态有机物（难生物降解有机物）应用场合：高浓度有机废水、城镇污水的污泥、温度较高的有机工业废水。在这个过程中:部分有机物转化为CH4部分被分解为CO2、H2O、NH3、H2S等无机物，并为细胞合成提供能量；少量有机物被转化、合成为新的原生质的组成部分。一、厌氧生物处理——概述厌氧生化法与好氧生化法相比具有下列优点：（1）既适用于高浓度废水，又适用于中低浓度废水。（2）能耗低：厌氧法产生的沼气可作为能源。（3）负荷高：厌氧法为2～10kgCOD/m3·d。（4）剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好。（5）氮、磷营养需要量少：厌氧法的C:N:P为100:2.1:0.5(100-300:5:1)（6）厌氧处理过程有一定的杀菌作用。（7）厌氧活性污泥可以长期贮存。一、厌氧生物处理——概述厌氧生物处理法也存在下列缺点：（1）厌氧微生物增殖缓慢，设备启动时间长。（2）出水往往达不到排放标准，需要进一步处理。（3）厌氧处理系统操作控制因素较为复杂。一、厌氧生物处理——概述厌氧生物处理的早期目的和过程厌氧生物处理机理二、厌氧生物处理——原理1)厌氧生物处理的早期目的和过程早期的厌氧处理研究主要针对污泥消化，即将污泥中的固态有机物降解为液态和气态的物质。污泥的消化过程明显分为两个阶段：固态有机物先液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。1)厌氧生物处理的早期目的和过程1、液化阶段最显著的特征是液态污泥的PH值迅速下降，不到10天，降到最低值(例如在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸)，所以又称酸化阶段。污泥中的固态有机物如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和C02、H2、NH3、H2S等气体分子。由于转化产物中有机酸是主体，所以导致PH值下降。又由于产生的NH3溶解于水后产生的NH4OH具有碱性，产生中和反应并经过长时间的过程后使PH值回升，并进入气化阶段。1)厌氧生物处理的早期目的和过程2、气化阶段：有机酸、醇、醛等中间产物在甲烷菌的作用下转化为生物气，也可称消化气，主体是CH4，因此气化阶段常称甲烷化阶段。该阶段除产生CH4外，还产生CO2和微量H2S。1)厌氧生物处理的早期目的和过程液化阶段：兼性厌氧菌作用，大量氢产生，也称氢发酵阶段，有机酸大量积累，pH迅速下降，污泥带有粘性，呈灰黄色，并发出恶臭，污泥称为酸性发酵污泥。气化阶段：专性厌氧菌作用，需隔绝光和空气，最佳pH值7.2-7.5，有机酸浓度不超过2000mg/L，最佳50－500mg/L，碱度不应超过5000mg/L，最佳2000－3000mg/L污泥呈黑色，稳定不易腐化，无甚恶臭，易于脱水，这种污泥成为熟污泥或消化污泥。2)厌氧生物处理机理消化经历四个阶段：水解阶段酸化阶段乙酸化阶段甲烷化阶段厌氧发酵的几个阶段2)厌氧生物处理机理(1）水解发酵阶段水解发酵阶段是将大分子不溶性复杂有机物在细胞外酶的作用下，水解成小分子溶解性高级脂肪酸(醇类；醛类、酮类等)，然后渗入细胞内，参与的微生物主要是兼性细菌与专性厌氧菌。兼性细菌的附带作用：是消耗掉污水带来的溶解氧，为专性厌氧细菌的生长创造有利条件。此外还有真菌(毛霉Mucor，根霉Rhigopus，共头霉syncephastrum,曲霉Aspergillus)以及原生动物(鞭毛虫，纤毛虫，变形虫)等。可统称为水解发酵菌。2)厌氧生物处理机理(1）水解发酵阶段污水中三种有机物的分解情况如下：碳水化合物水解成单糖，是最易分解的有机物；含氮有机物水解产氨较慢，故蛋白质及非蛋白质的含氮化合物(嘌呤、嘧啶等)继碳水化合物及脂肪的水解后进行，经水解为脲，胨，肌酸，多肽后形成氨基酸；脂肪的水解产物主要为甘油、醛等。上述三种有机物的水解速率常数为：碳水化合物(纤维素为0.04～0.13，半纤维素为0.54)，脂肪为0.08～1.7，蛋白质为0.02～0.03。不溶性有机物的水解发酵速度较缓慢。从水解速率常数可看出水解过程的快慢，不难理解不同的水质需有不同的水解停留时间。2)厌氧生物处理机理(2）产酸脱氢阶段产酸脱氢阶段是将第一阶段的产物降解为简单脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等)并脱氢。参与该阶段作用的微生物是兼性或专性厌氧菌(产氢产乙酸菌以及硝酸盐还原菌NRB、硫酸盐还原菌SRB等)。故第二阶段的主要产物是简单脂肪酸，C02，碳酸根HCO3-，铵盐NH4+和HS-，H+等。此阶段速率较快。2)厌氧生物处理机理(3）产甲烷阶段产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2和H2等转化为甲烷。参与作用的微生物是绝对厌氧菌(甲烷菌)。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控产生甲烷，前者约占总量的1/3，后者约占2/3。344243243242222)3/1(24HCONHCHOHCOONHCHCOCHCOOHCHOHCHCOH产甲烷菌产甲烷菌产甲烷菌占2)厌氧生物处理机理上述3个阶段，以产甲烷阶段的反应速度最慢，为厌氧消化的限制阶段。与好氧氧化相比，厌氧生物处理产生的污泥量远少于好氧氧化。有的研究人员将厌氧过程分为四个阶段:水解、酸化、酸性减退(由于产生中间产物氨,中和了酸)、产甲烷阶段。参与厌氧反应的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌，已经证实的已有80多种二、厌氧生物处理原理厌氧生物处理的方法基本功能有二：（1）酸发酵的目的：为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的：进一步降解有机物和生产气体燃料。*完全的厌氧生物处理工艺-----因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。在厌氧消化系统中微生物主要分为两大类：非产甲烷菌（non-menthanogens）产甲烷细菌（menthanogens）三.厌氧法的影响因素与控制要求甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制阶段，因此厌氧反应的各项影响因素也以对甲烷菌的影响因素为准。产酸菌和产甲烷菌的特性参数参数产甲烷菌产酸菌对pH的敏感性敏感，最佳pH为6.8~7.2不太敏感，最佳pH为5.5~7.0氧化还原电位Eh-350mv(中温)，-560mv(高温)-150~200mv对温度的敏感性最佳温度：30~38℃，50~55℃最佳温度：20~35℃三、厌氧消化的影响因素与控制要求三、厌氧消化的影响因素与控制要求温度因素酸碱度（PH)有机负荷营养与C/N比搅拌有毒物质影响因素三、厌氧消化的影响因素与控制要求产甲烷菌的温度范围为5～60℃，在35℃和53℃上下可以分别获得较高的消化效率，温度为40～45℃时，氧消化效率较低。温度的急剧变化和上下波动不利于厌氧消化作用。短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中的甲烷含量，此其高温消化对温度变化更为敏感。根据采用消化温度的高低，可以分为常温消化（10～30℃）、中温消化（35℃左右）和高温消化（54℃左右）。一、温度T（C）6050403020100120105907560453015消化时间t（d）图19-3温度与消化时间的关系曲线三、厌氧消化的影响因素与控制要求1、温度因素温度（C）0555045403530251213425637840产气量（m/m·d）有机物负荷（kg/m·d）图19-2温度与有机物负荷、产气量关系图☆在35℃～38℃和52～55℃各有一个最适温度。三、厌氧消化的影响因素与控制要求1、温度因素三、厌氧消化的影响因素与控制要求pH值条件首先使产氢产乙酸作用和产甲烷作用受抑制，使产酸过程所形成的有机酸不能被正常地代谢降解，从而使整个消化过程的各阶段间的协调平衡丧失。若pH值降到5以下，对产甲烷菌毒性较大，同时产酸作用本身也受抑制，整个厌氧消化过程即停滞。即使pH值恢复到7.0左右，厌氧装置的处理能力仍不易恢复；而在稍高pH值时，只要恢复中性，产甲烷菌能较快地恢复活性。2、酸碱度、pH值三、厌氧消化的影响因素与控制要求厌氧装置适宜在中性或稍偏碱性的状态下运行。最适pH值为7.0～7.2，pH6.6～7.4较为适宜。pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。☆影响微生物对营养物的吸收；☆pH强烈地影响酶的活性，进而影响微生物细胞内的生物化学过程。2、酸碱度、pH值3、有机负荷在一定范围内，随着有机负荷的提高，产气率趋向下降，而消化器的容积产气量则增多，反之亦然。原因：若有机负荷过高，则产酸率将大于用酸（产甲烷）率，挥发酸将累积而使pH值下降、破坏产甲烷阶段的正常进行，严重时产甲烷作用停顿，系统失败，并难以调整复苏。有机负荷过高，则过高的水力负荷还会使消化系统中污泥的流失速率大于增长速率而降低消化效率。若有机负荷过低，物料产气率或有机物去除率虽可提高，但容积产气率降低，反应器容积将增大，使消化设备利用效率降低，投资和运行费用提高。三、厌氧消化的影响因素与控制要求4、营养与C/N比厌氧法中碳:氮:磷控制为20O～300:5:1为宜。此比值大于好氧法中100:5:1，这与厌氧微生物对碳素养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。原料C/N比过高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的生长繁殖受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。原料C/N比过低，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则容易造成系统中氨氮浓度过高，出现氨中毒。*C/N＝10～20：1各种废物的碳氮比（C/N）原料碳氮比原料碳氮比大便(6～10):1厨房垃圾25:1小便0.8:1混合垃圾34:1牛厩肥18:1初沉池污泥5:1鲜马粪24:1二沉池污泥10:1鲜羊粪29:1鲜猪粪13:15、搅拌和混合混合搅拌是提高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化池，池内料液常有分层现象。通过搅拌可消除池内梯度，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。在连续投料的消化池中，还使进料迅速与池中原有料液相混匀。搅拌的方法有:（1）机械搅拌器搅拌法；（2）消化液循环搅拌法；（3）沼气循环搅拌法等。其中沼气循环搅拌，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。6、有毒物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500对厌氧消化具有抑制作用的物质7、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。产甲烷菌初始繁殖的环境条件是氧化还原电位不能高于-330mV,相当于2.36×1056L水中有1mol氧。在厌氧消化全过程中，不产甲烷阶段可在兼氧条件下完成，氧化还原电位为+0.1～-0.1V，而在产甲烷阶段，氧化还原电位须控制为-0.3～-0.35V（中温消化）与-0.56～0.6V（高温消化），常温消化与中温相近。产甲烷阶段氧化还原电位的临界值为-0.2V。8、厌氧活性污泥厌氧活性污泥主要由厌氧微生物及其代谢的和吸附的有机物、无机物组成。