厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术106任南琪

HarbinInstituteofTechnology厌氧生物学原理及厌氧生物处理技术PrincipleofMicrobiologicalandTechnologyforAnaerobicTreatment任南琪[e-mail]ology颗粒污泥的结构根据种污泥的性质、底物的成分及启动条件可能形成以下3种类型的颗粒污泥杆菌颗粒：紧密球形颗粒，主要由杆状菌、丝状菌组成，颗粒直径1~3mm。沉淀性能好丝菌颗粒：颗粒大致呈球形，主要由松散互卷的丝状菌组成，丝状菌附着在惰性粒子上，颗粒直径1~5mm。沉淀性能好球菌颗粒：紧密球状颗粒，主要由甲烷八叠球菌属组成，颗粒直径0.1~0.5mm。颗粒小，沉淀性能差目前，尚不明确培养这3种类型的颗粒污泥所需的各自工艺条件及相互关系。一般认为，控制反应器出水的挥发酸浓度可选择污泥的优势菌种。如：维持高的出水乙酸浓度使产甲烷八叠球菌属多；维持低的出水乙酸浓度产甲烷丝菌属多HarbinInstituteofTechnology颗粒污泥的结构电子显微镜观察可见颗粒内部丝体发达，几乎没有粘质物和无机物，菌体间保持一定空隙，丝体具有竹节状。在颗粒污泥表面覆盖着粘质层，其中有大量短杆菌，一般为产酸细菌CH4CO2葡萄糖等发酵细菌氢营养型产甲烷菌乙酸乙酸H2CO2产氢产乙酸细菌乙酸营养型产甲烷菌丁酸丙酸等CO2颗粒的可能结构与构成颗粒污泥表面细菌颗粒污泥内部细菌HarbinInstituteofTechnology（a）絮状污泥（b）颗粒污泥产甲烷相底部污泥微生物相产甲烷相中部污泥产甲烷相填料上微生物相颗粒污泥种群结构HarbinInstituteofTechnology影响污泥颗粒化的因素颗粒化是生物、化学及物理因素等综合作用的结果接种污泥：Lettinga提出稠密型厌氧污泥（~60kg/m3）比稀薄型的污泥要好废水的性质：废水的性质包括有机组分及浓度、悬浮物含量及可生物降解性能等含碳水化合物和易降解废水易形成颗粒污泥。可降解性差的化工等废水，在启动时适当加入淀粉等易生物降解物质是有利的COD浓度对污泥的颗粒化有一定影响，在低浓度的废水里结团会更快，其原因尚不清楚。启动时，COD浓度以4000~5000mg/L为宜进水悬浮物的含量应控制在一定范围，一般应控制在2g/L以下。一般来说，高浓度的惰性分散固体（如粘土等）不利于颗粒污泥的形成HarbinInstituteofTechnology影响污泥颗粒化的因素反应器的工艺条件：各种条件都应控制在有利于细菌生长的范围内，主要控制参数有温度、挥发酸、固体停留时间(SRT)以及有机负荷等到目前为止，中试及生产性装置成功地培养出颗粒污泥的研究报道均是在中温范围（33~41℃），高温下颗粒较小，易流失颗粒形成过程一直是人们探讨的问题，目前尚无明确结论。可以相信，水流和气流形成的剪切力、水压，包括启动时污泥层沟流等均有可能是主要因素HarbinInstituteofTechnology影响颗粒污泥直径大小的因素一般，颗粒污泥的直径随有机负荷提高而增大，其实质是颗粒污泥的大小受底物传质过程中所能进入颗粒内部的深度所支配当颗粒大小与传质之间不相适应时，颗粒内即会因营养不足发生细胞自溶，最终导致颗粒破碎高的负荷或高的进水有机物浓度可使底物更多进入颗粒内部，从而允许有大的颗粒存在和生长一般，当反应器有机负荷降低一段时间后，会导致颗粒污泥强度降低，颗粒形成中空，但因剪切力也低，并不一定使颗粒明显破裂。当突然再增加负荷，会产生颗粒污泥的破碎HarbinInstituteofTechnology厌氧污泥颗粒化的利弊有利方面颗粒污泥通常具有一定的机械强度，可以避免因水流的剪力、内部产气的压力而破碎，保证反应器中的生物持有量，比好氧活性污泥高10倍以上形成种群共生或互生体系，有利于代谢“序贯性”颗粒外部由产酸发酵微生物形成保护层，提高了对氧、pH、毒物等冲击作用的耐受性不利方面传质阻力高，降低了代谢速率，可能为1/2-1/3不当设计与运行易于形成沟流，减少了有效容积有效高度有限，一般为3-4mHarbinInstituteofTechnologyUASB反应器的改进由于UASB反应器的污泥层高度有限，而为了减少占地，UASB反应器往往高达8-10m，上部空间几乎无效。为充分利用空间，污泥层上方加填料可大大增加生物量，可称为UASB+AF，或复合式UASB反应器气室出水气体污泥层进水气室出水气体污泥层进水HarbinInstituteofTechnologyUASB反应器的改进IC(innernalcirculation)反应器是由荷兰Paques公司1985年在UASB基础上推出的第三代高效厌氧反应器IC反应器可看作由2个UASB串联构成，高径比很大，直径4~8m，高度达16~25m，由5个基本部分组成：(1)混合区；(2)颗粒污泥膨胀床区，第一反应室；(3)精处理区，第二反应室；(4)内循环系统，是IC工艺的核心构造，由一级三相分离器、沼气提升管、气液分离器和泥水下降管组成；(5)二级三相分离区，包括集气管和沉淀区第一反应室第一反应室1236495781110IC反应器结构示意图1-进水,2-一级三相分离器,3-沼气提升管,4-气液分离器,5-沼气排出管,6-回流管,7-二级三相分离器,8-集气管,9-沉淀区,10-出水管HarbinInstituteofTechnologyUASB反应器由于存在易短流、传质差等问题，难以最大限度发挥颗粒污泥的生物处理能力为强化传质，创新点如下实现自发的内循环污泥回流，进一步加大生物量，延长污泥龄引入分级处理，赋予新的功能，精处理区上升流速(2~10m/h)远低于膨胀床区(10~20m/h)，且产生的沼气少，颗粒易沉降泥水充分接触，提高传质速率目前，IC反应器主要用于处理易生物降解的高浓度废水(啤酒废水、土豆加工废水等)，COD负荷可达35~50kgCOD/m3·d不足：结构复杂，施工、安装等困难；反应器高度大，水泵的动力消耗增加；相关的结构尺寸尚需摸索悬浮生长厌氧生物处理法SuspendedGrowthAnaerobicBiotreatmentHarbinInstituteofTechnology悬浮生长厌氧处理法工艺相当于厌氧活性污泥法，常见3种完全混合悬浮生长厌氧消化池(complete-mixsuspendedgrowthanaerobicdigester)厌氧接触法(anaerobiccontactprocess)厌氧序批式反应器(anaerobicsequencingbatchreactor，ASBR)悬浮生长厌氧处理法示意图HarbinInstituteofTechnology完全混合悬浮生长厌氧消化池属完全混合搅拌槽式反应器(completestirredtankreactor，CSTR)，没有污泥回流，水力停留时间(HRT)和固体停留时间(SRT)相等，HRT一般为15~20d。此工艺生物持有量低，代谢速率低，制约了应用于废水处理中传统用于污泥的消化，适于处理固体含量高以及溶解性有机物浓度非常高的废水，因为对于这些废水来说出水污泥浓缩十分困难，适合于HRT等于SRT的工艺30℃下悬浮生长厌氧处理法典型的运行参数工艺方法有机容积负荷(kgCOD/m3·d)HRT(d)完全混合法1.0~5.015~30厌氧接触法1.0~8.00.5~5ASBR1.2~2.40.25~0.50HarbinInstituteofTechnology厌氧接触法克服了完全混合法无回流污泥的不足。由于SRT大于HRT，并可保证高的生物量，所以降解速率提高，反应器容积减小由于厌氧污泥在分离器中仍有气泡释放，并且污泥粘度比较大，所以沉降效果往往不佳利用厌氧生物处理所产生的气体为气源，采取溶气浮选进行泥水分离取得了良好的效果在混合液进入沉淀池之前还可采用加强搅拌释放气泡、创造真空条件释放气泡、投加化学絮凝剂等方法30℃下悬浮生长厌氧处理法典型的运行参数工艺方法有机容积负荷(kgCOD/m3·d)HRT(d)完全混合法1.0~5.015~30厌氧接触法1.0~8.00.5~5ASBR1.2~2.40.25~0.50HarbinInstituteofTechnology厌氧序批式反应器近些年开始研究，可看作是反应和泥水分离在同一装置的悬浮生长厌氧工艺，其是否成功的关键之一是能否形成沉降性能良好的颗粒污泥。工艺运行方式类似于好氧SBRDague研究小组的小试成果表明，ASBR工艺有可能突破在低温条件下处理低浓度废水。如：COD浓度为600mg/L，25℃负荷为1.2~2.4kgCOD/m3·d时，ηCOD可达92~98%；5℃负荷为0.9~2.4kgCOD/m3·d时，ηCOD可达75~85%。30℃下悬浮生长厌氧处理法典型的运行参数工艺方法有机容积负荷(kgCOD/m3·d)HRT(d)完全混合法1.0~5.015~30厌氧接触法1.0~8.00.5~5ASBR1.2~2.40.25~0.50固着生长厌氧生物处理法AttachedGrowthAnaerobicBiotreatmentHarbinInstituteofTechnology固着生长厌氧处理法工艺固着生长厌氧生物处理法亦可称厌氧生物膜法，是在厌氧反应器中利用载体上生长厌氧微生物的厌氧微生物处理废水常见的工艺有升流式厌氧填充床反应器(upflowanaerobicpacked-bedreactor，UAPBR)，亦称厌氧生物滤池厌氧膨胀床反应器(anaerobicexpanded-bedreactor，AEBR)厌氧流化床反应器(anaerobicfluidized-bedreactor，AFBR)进水进水进水出水出水出水气体气体气体HarbinInstituteofTechnology发展前景由于固着生长厌氧生物处理法的微生物在填料表面固着生长，故有可能在很短的水力停留时间下，获得长达100d以上的污泥停留时间，加之厌氧处理中不存在氧传质的限制，因此可以预料，固着生长厌氧生物处理法将具有十分广泛的应用和发展前景HarbinInstituteofTechnology升流式厌氧填充床反应器污泥和COD的去除主要发生在进水端，此区域生物生长量较多，易堵赛。为防止堵塞，填料的粒径或填料间空隙不能太小。厌氧填充床反应器的发展与填料的开发密切相关，要求填料具有足够大的截污能力而不致被堵塞。滤料要求：比表面积较大，孔隙率高，表面粗糙，生物膜易于附着，化学及生物学的稳定性强，机械强度高等此工艺的生物量较低，有机物负荷不能太高工艺特点：能够承受水量或水质的冲击负荷；无污泥回流；设备简单，能耗低，运行费用低；无污泥流失一般，在35℃左右条件下，有机容积负荷为1~6kgCOD/m3·d时，COD去除率可达90%左右HarbinInstituteofTechnology厌氧膨胀床反应器废水从床底部进入，为使填料层膨胀，常需外循环，提高床内水流的上升流速。膨胀率为10~20%，填料膨胀后高度为反应器有效高度的50%，上升流速为2m/h左右膨胀床中颗粒互相接触频繁，加快了生物膜的脱落，为达到预期效果，需考虑填料的粒径、密度、粒径分布等由于填料较小，并处于悬浮状态，缓解了污泥堵塞，增加了生物量（一般为30gVSS/L左右），从而大幅度提高了有机容积负荷，并且运行稳定，耐冲击负荷能力强由于床内生物固体停留时间较长，剩余污泥量少实验室规模研究表明，对于城市污水，15~20℃条件下有机负荷为4.0~4.4kgCOD/m3·d，COD去除率为80~90%HarbinInstituteofTechnology厌氧流化床反应器膨胀率20~70%，甚至高达100%，上升流速最高达20m/h。为了实现流化状态，填料粒径不大于3mm，反应器高度为4~6m由于上升流速大，水流的剪切力使颗粒液膜阻力减小，与膨胀床相比，底物在生物膜表面的传质速率