五厌氧生物处理.pptx

第五章第五章 厌氧生物处理厌氧生物处理o1、厌氧生物处理法的基本原理o2、厌氧生物处理的影响因素o3、厌氧生物处理的特点o4、厌氧生物处理的分类o5、厌氧生物处理的运行管理（UASB）第1页/共69页1厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下。通过厌氧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，也杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称厌氧消化。称厌氧消化。水解产酸细菌水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌产氢产乙酸细菌和和产甲烷细菌产甲烷细菌的联合的联合作用完成的。可以粗略地将厌氧消化过程划分为三个连作用完成的。可以粗略地将厌氧消化过程划分为三个连续阶段：续阶段：水解酸化阶段；产氢产乙酸阶段；产甲烷阶段。水解酸化阶段；产氢产乙酸阶段；产甲烷阶段。第2页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理厌氧生物处理的方法和基本功能有二：厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。料。第3页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理oo完全的厌氧生物处理工艺完全的厌氧生物处理工艺完全的厌氧生物处理工艺完全的厌氧生物处理工艺因兼有降解有机物和生产气体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。燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和应用。第4页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理 复杂有机物复杂有机物的厌氧消化过程的厌氧消化过程要经历数个阶段，由不同要经历数个阶段，由不同的细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态的细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态及物性变化，可分三个阶段（表及物性变化，可分三个阶段（表5-1）。）。第5页/共69页第6页/共69页第7页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理表表5-1 有机物厌氧消化过程有机物厌氧消化过程生化阶段生化阶段 物态变化物态变化液化（水解）液化（水解）酸化（酸化（1）酸化（酸化（2）气气 化化生化过程生化过程大分子不溶态有大分子不溶态有机物转化为小分机物转化为小分子溶解态有机物子溶解态有机物小分子溶解态有小分子溶解态有机物转化为机物转化为（H2+CO2）及）及A、B两类产物两类产物B类产物转化为类产物转化为（H2+CO2）及乙）及乙酸等酸等CH4、CO2等等菌菌 群群发酵细菌发酵细菌产氢产乙酸细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌甲烷细菌发酵工艺发酵工艺甲烷发酵甲烷发酵酸酸 发发 酵酵第8页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理o第一阶段，不溶性大分子有机物经过水解而溶入水中，使颗粒状的各种可见物“消失”了，变成了均质溶液。（水解酸化阶段）o第二阶段中，连续发生两次产酸过程。使溶液的酸度增加，pH下降。（产氢产乙酸阶段）o第三阶段，有机物中的碳最终以甲烷和二氧化碳等气态产物的形式逸出，因此除去了水中赖以构成COD和BOD的主要元素有机碳。（产甲烷阶段）第9页/共69页厌氧生物处理厌氧生物处理原理原理o从表中我们可以看出，参与三个阶段的细菌有三个菌群，即发酵细菌、产氢产乙酸细菌、产甲烷细菌。o除以上三个菌群之外，还有一个同型产乙酸细菌种群，这类细菌可将中间产物的H2和CO2转化为乙酸。第10页/共69页水解酸化阶段第11页/共69页水解酸化阶段第12页/共69页产氢产乙酸阶段第13页/共69页产甲烷阶段第14页/共69页o 上述三个阶段的反应速度以废水的性质而异：在含纤维素、半纤维素、果胶和脂类等污染物为主的废水中，水解易成为反应速度的限制步骤，简单的糖类、淀粉、氨基酸和一般的蛋白质均能被微生物迅速分解；对含这类有机物为主的废水，则产甲烷易成为反应速度的限制步骤。第15页/共69页2 厌氧微生物处理影响因素 o 虽然厌氧消化过程从机理上可分为以上三个阶段，但是在厌氧反应器中，三个阶段是同时进行的，并保持某种程度的动态平衡。这种动态平衡一旦被pH、温度、有机负荷等外加因素所破坏，则首先将使产甲烷阶段受到抑制，其结果会导致低级脂肪酸的积存和厌氧进程的异常变化，甚至会导致整个厌氧消化过程停滞。第16页/共69页2 厌氧微生物处理影响因素 o控制厌氧处理效率的基本因素包括：o温度opHo有毒物质o营养物质的配比o搅拌。第17页/共69页o（1）温度o温度是控制厌氧消化的主要因素。温度适宜时，细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。o细菌对温度的适应性可分为低温、中温和高温三个区：低温消化1030；中温消化30一35；高温消化50一56。在056的范围内，甲烷细菌并没有特定的温度限制，然而在一定温度范围被驯化以后，图53 温度对消化的影响o温度的变化就会妨碍甲烷细菌的活动，尤其是高温消化对温度的变化更为敏感。因此在消化过程中要保持一个相对稳定的消化温度。温度对消化的影响见图53，可见各种甲烷菌适宜的温度区域是不一致的。第18页/共69页第19页/共69页o（2）pHo甲烷细菌生长适宜的pH范围约在6872之间，如pH低于6或高于8，生长繁殖将大受影响。产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH在4.58之间，其pH范围较广。所以在用厌氧法处理污泥或废水的应用中，由于有机物的酸性发酵和碱性发酵在同一构筑物内进行，故为了维持产生的酸和形成的甲烷之间的平衡，避免产生过多的酸，应维持处理构筑物内的应维持处理构筑物内的pH在在6.5-7.5(最好在最好在687.2)的范围内。的范围内。、第20页/共69页o在实际运行中，挥发酸的控制在高pH更为重要，因当酸量积至足以降低pH时，厌氧处理的效果已显著下降。在正常运行的消化池中挥发酸(以醋酸计)一般在200800mgL之间，如超出2000mgL，产气率将迅速下降，甚至停止产气。挥发酸本身不毒害甲烷菌，但pH的下降会抑制甲烷菌的生长。第21页/共69页o厌氧消化过程中要防止pH值下滑，造成pH下滑的主要原因有：超负荷运行，进水中带有有毒物质或者抑制剂、温度突然下降等。o如果不慎使pH值低于6.5，可短暂停止进料，待pH值恢复，也可加石灰或碳酸钠，一般加石灰，但不应加得太多，以免产生CaC03沉淀。第22页/共69页o（3）有毒物质o 主要的有毒物质是重金属和某些阳离子，因此必须严格控制排入城市排水系统的工业废水中的重金属等离子的含量。表51所列是对工业废水中有害物质进行污泥活化的最大容许浓度；可供参考。第23页/共69页第24页/共69页（4）营养物质的配比o参与处理的微生物不仅要从废水中吸取营养物质以取得能源，而且要用这些营养物质合成新的细胞物质。o合成细胞的主要元素为C、H、O、N、S、P。其中C、H、O、S易从废水中获得，所以一般考察营养物质都考察N、P的配比，而C是这个细胞物质的主要构架元素，所以N、P的配比都以这个骨架元素作为基础来确定C、N、P的比值。第25页/共69页（4）营养物质的配比o不同的微生物在不同的环境条件下所需的碳、氮、磷控制为(200300)：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等养分的利用率较好氧微生物低有关。在碳、氮、磷的比例中，碳氮比例对厌氧消化的影响最为重要。第26页/共69页（5）接触o在厌氧消化池中，只有实现基质与微生物之间充分而又有效的接触，才能最大限度地发挥反应器的处理效应。o三种接触方式：搅拌接触、气流接触、气泡接触。第27页/共69页（5）接触 o新鲜污泥投入消化池后，应该及时加以搅拌，使新、熟污泥充分接触，整个消化池内的温度、底物、甲烷细菌分布均匀。o并能避免在消化池表面结成污泥壳，加速消化气的释放。厌氧滤池和上流式厌氧污泥床等新型厌氧消化设备，虽没有专设搅拌装置，但以上流的方式连续投入料液，通过液流及其扩散作用，也起到了一定的搅拌作用。第28页/共69页3 厌氧生物处理的特点o厌氧生物法与好氧生物法相比具有以下优点：o应用范围广o能耗低o负荷高o剩余污泥量少o氮、磷营养需要量较少o杀菌效果好 o是一种简单的能降低COD和BOD的方法，可以为后序工艺做准备；同时还是一种能产能和回收生物能的方法。第29页/共69页3 厌氧生物处理的特点o厌氧生物法与好氧生物法相比具有以下不足之处：o (a)启动和处理的时间长。厌氧微生物增长缓慢，厌氧设备启动和处理的时间比好氧设备长。o (b)出水难以直接达标排放。厌氧处理后的出水往往难以达到排放标准，需经进一步处理，故一般在厌氧处理后串联好氧处理。o (c)操作控制复杂。厌氧生物法对环境条件的要求比好氧法严格，因而操作控制因素较为复杂。第30页/共69页4 厌氧生物处理的分类 o厌氧接触器法o厌氧生物滤池法o上升式厌氧污泥反应器法(UASB)o厌氧流化床法o分段厌氧消化法o水解(酸化)法等。第31页/共69页（1）厌氧接触工艺第32页/共69页（1）厌氧接触工艺o污泥回流可使污泥不流失，运行稳定，提高了消化池的有机负荷和处理效率。但污泥沉降困难。o中温消化时，厌氧接触工艺的有机负荷为25 Kg COD(m3d)。这种工艺仍属于低负荷或中负荷，但其运行稳定，操作较为简单，且有较大的耐冲击负荷的能力。由于它较之普通消化法有这些优点，故近年来该法在生产上得到了较广泛的应用。第33页/共69页（2）厌氧生物滤池法 第34页/共69页o厌氧生物滤池的中心构造是滤料，滤料的形态，性质和填装方式对滤池的净化效果和运行有重要影响。o要求质地坚固、耐腐蚀，而且要有较大的比表面积。o表面粗糙，有一定的空隙率。第35页/共69页o厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高，出水SS较低，操作方便，设备简单，滤池内可以保持很高的微生物浓度而不需要搅拌设备，不需要另设泥水分离设备。它的主要缺点是：滤料费用较贵，滤料容易堵塞，尤其是在滤池下部生物膜浓度很大，容易堵塞；滤池的清洗也还没有简单有效的方法。因此，它主要适用于含悬浮物很低的溶解性有机物污染的废水。第36页/共69页（3）上流式厌氧污泥床反应器法 第37页/共69页上流式厌氧污泥床反应器o废水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有个高浓度(污泥浓度可达60一80gL)、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化为CH4和C02，由于产生的气体的搅动和污泥黏附气体的结果，在污泥层的上部可形成一个污泥悬浮层。反应器的上部为澄清区，设有三相分离器，完成气、液、固相的分离。被分离的沼气从上部导出，被分离的污泥则自动翻到下部反应区。清水由出水口溢流而出。第38页/共69页上流式厌氧污泥床反应器oUASB的特点：o费用低、投资省、效果好、耐冲击负荷，适应PH和温度变化，结构简单便于操作等优点 第39页/共69页（4）厌氧流化床法第40页/共69页（4）厌氧流化床法o原理：o它以小粒径载体为流化粒料，废水作为流化介质。当废水以升流式通过床体时，与床中附着于载体上的厌氧微生物膜不断接触反应，达到厌氧生物降解目的，产生的沼气，于床顶部排出。第41页/共69页o厌氧流化床具有以下特点：o载体比表面积大 o床层不易堵塞，适合各种高低浓度废水o有机物净化速度快 o床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少 o占地少，结构紧，投资省等 第42页/共69页（5）两相厌氧法第43页/共69页（5）两相厌氧法原理o第一个反应器的作用是水解和酸化有机底物使之成为可被甲烷菌利用的有机酸；其次是作为缓冲器，由底物浓度和进水量引起的负荷冲击得到缓冲，有害物质也得到稀释，一些难降解物质得到截流。o第二个反应器的作用是严格保持适当的pH和厌氧条件，以利于甲烷菌的生长；其次是降解有机物，产生含甲烷较多的消化气，截留悬浮固体，保证出水水质。第44页/共69页两相厌氧法特点o两相厌氧法具有如下特点：o耐冲击负荷能力强，运行稳定；o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；o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。o它的缺点是：o设备较多，流程和操作复杂。第45页/共69页（6）水解(酸化)法 o水解是指有机物(底物)进人微生物细胞前，在胞外进行的生物化学反应，大分子物质进行断链和水溶，同时排出代谢产物的过程(厌氧条件下主要为各种有机酸)。o一般要连接后序生物处理过程。第46页/共69页第47页/共69页第48页/共69页5厌氧生物的培养和驯化o（1）厌氧生物的培养o厌氧消化系统试运行的一个主要任务是培养厌氧活性污泥，即消化污泥。厌氧活性污泥培养的主要目标是厌氧消化所需要的甲烷细菌和产酸菌。o污泥的厌氧消化中，甲烷细菌的培养与驯化方法主要有两种：接种培养法接种培养法和逐步培养法逐步培养法。第49页/共69页o（2）驯化驯化 o 驯化的目的是选择适应实际水质情况的微生物，淘汰无用的微生物，对于厌氧生物处理工艺，是通过驯化使厌氧菌成为优势菌群。o具体做法首先是保持工艺的正常运转，然后严格控制工艺控制参数，DO在厌氧池控制在0.1 mgL以下，外回流比50一l00，内回流比200300，并且，每天排除日产泥量3050的剩余污泥。在此过程中，每天测试进出水水质指标，直到出水各指标达到设计要求。第50页/共69页6、厌氧生物处理的运行管理（UASB）oUASB反应器构造如图56所示，废水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有个高浓度(污泥浓度可达60一80gL)、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化为CH4和C02，由于产生的气体的搅动和污泥黏附气体的结果，在污泥层的上部可形成一个污泥悬浮层。反应器的上部为澄清区，设有三相分离器，完成气、液、固相的分离。被分离的沼气从上部导出，被分离的污泥则自动翻到下部反应区。第51页/共69页o由于在反应器内停留了高浓度的厌氧污泥，使反应器的有机负荷有了很大提高。对于一般高浓度有机废水,当水温在30度左右时,负荷可以达到20-30 Kg COD(m3d)第52页/共69页oUASB反应器的特色主要体现在反应器内颗粒污泥的形成，使反应器内污泥浓度大幅度提高，水力停留时间因此大大缩短，加上UASB 内设三相分离器而省去了沉淀池，又不需搅拌设备和填料，从而使结构趋于简单。可处理几乎所有以有机污染物为主的废水，例如各类发酵工业、淀粉加工、制糖、罐头、饮料、牛奶与乳制品、豆制品、肉类加工、皮革、造纸、制药与石油精练及石油化工等各种来源的有机废水。第53页/共69页 o（1）UASB反应器结构反应器结构 oUASB反应器总体结构及运行流程 见图5-9。由污泥床、污泥悬浮层、沉淀区(分离区)、沉淀区(分离区)、布水系统构成。第54页/共69页第55页/共69页5 厌氧生物处理的运行管理UASB oUASB反应器运行的三个重要前提是：o(1)反应器内形成沉降性能良好的颗粒污泥或絮状污泥；o(2)由产气和进水的均匀分布所形成的良好的自然搅拌作用；o(3)设计合理的三相分离器，这使沉淀性能良好的污泥能保留在反应器内。第56页/共69页(1)水质分析项目与运行控制指标 o水质分析的项目o水质分析的项目有：o(a)反映处理效果的项目：进出水总的可溶解性的BOD、COD、进出水总的和挥发性的ss、进出水的有毒物质(对应工业废水)：o(b)反映污泥情况的项目：污泥沉降比(SV)、MLSS、MLVSS、SVl、溶解氧、微生物观察等；o(c)反映污泥营养和环境条件的项目：氯、磷、pH、水温等。第57页/共69页o水质测定频次 o 一般SV和溶解氧最好每24h测定一次，至少每班一次，以便及时调节回流污泥量和空气量。微生物观察最好每班一次，以预示污泥异常现象。除氮、磷、MLSS、MLVSS、SVI可定期测定外。其他各项值每天测一次。水样除测溶解氧外，均取混合水样。o 此外，每天要记录进水量、回流污泥量和剩余污泥量，还要记录剩余污泥的排放规律和电耗等。剩余污泥(或回流污泥)浓度也要定期测定。上述检测项目如有条件。应尽可能进行自动检测和自动控制，并据此分析反应器的运行情况，针对出现的问题做出对策。第58页/共69页o运行控制指标 第59页/共69页(2)UASB反应器的启动反应器的启动oUASB反应器的初次启动 o初次启动通常指对一个新建的UASB系统以未经驯化的非颗粒污泥(例如污水厂污泥消化他的消化污泥)接种，使反应器达到设计负荷和有机物去除效率的过程，通常这一过程伴随着颗粒化的完成，因此也称之为污泥的颗粒化。第60页/共69页oUASB的初次启动和颗粒化过程分为三个阶段，这种划分是基于以VFA混合液为进液，以消化污泥为种泥的试验结果。o阶段：即启动的初始阶段 o阶段2：即当反应器负荷上升至25KgCOD(m3d)的启动阶段。o阶段3：这一阶段是指反应器负荷超过5KgCOD(m3d)以后。第61页/共69页初次启动过程的一些要点oUASB反应器启动的过程实质上是对菌种驯化、选择、增殖的过程。因此在启动阶段应有一定的目标和遵循某些基本原则。要注意以下事项o对启动初期的目标应明确。o进液的浓度 o负荷增加的操作方法 o启动前应了解的废水特征第62页/共69页初次启动的控制关键第63页/共69页oUASB反应器的二次启动 o二次启动进液浓度在开始时一般与初次启动相当，但可以相对迅速地增大进液浓度。o负荷和浓度增加的模式与初次启动类似。o产气、出水VFA等仍是重要的控制参数，COD去除率、pH等也是重要的监测指标。第64页/共69页（）厌氧消化过程的控制参数厌氧消化过程的控制参数 o有机负荷o在厌氧法中，有机负荷通常指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化反应器单位有效容积每天接受的有机物量KgCOD(m3d)。对悬浮生长工艺，也有用污泥负荷表达的，即KgCOD(KMLssd)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。由于各种湿污泥的含水率、挥发组分不尽一致，投配率不能反映实际的有机负荷，为此，又引入应器单位有效容积每天接受的挥发性固体重量这一参数，即KMLVSS(m3d)。第65页/共69页o厌氧消化时间 o 厌氧消化时间即微生物固体停留时间以o C=V/Q(5-12)o公式中：C停留时间，S；o V反应器容积，m3；o Q反应器的流量，m3/S；第66页/共69页 UASB布置结果示意图布置结果示意图布水区布水区反应区反应区三相分离区三相分离区超高超高第67页/共69页参考书目废水厌氧生物处理工程张希衡等 主编中国环境科学出版社第68页/共69页谢谢大家！第69页/共69页