污水处理-厌氧生物处理方法演示课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,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,2,一、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。,3,在这个过程中,:,部分有机物转化为,CH,4,部分被分解为,CO,2,、,H,2,O,、,NH,3,、,H,2,S,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,4,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/m,3,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,5,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,6,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,7,1)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。,8,1)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,C0,2,、,H,2,、,NH,3,、,H,2,S,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,NH,3,溶解于水后产生的,NH,4,OH,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,。,9,1)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,CH,4,，,因此气化阶段常称甲烷化阶段。该阶段除产生,CH,4,外，还产生,CO,2,和微量,H,2,S,。,10,1)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。,11,2)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,12,厌氧发酵的几个阶段,13,2)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。,14,2)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。,15,2)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，,C0,2,，,碳酸根,HCO,3,-,，,铵盐,NH,4,+,和,HS,-,，,H,+,等。此阶段速率较快。,16,2)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、,CO,2,和,H,2,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,。,17,2)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,18,二、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。,19,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。,20,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6.87.2,不太敏感，最佳pH为5.57.0,氧化还原电位Eh,-350mv(中温)，,-560mv(高温),2000,Na,35005500,氨氮,15003000,Fe,1710,溶解性硫化物,200,Cr,6+,3,Ca,25004500,Cr,3+,500,Mg,10001500,Cd,150,K,25004500,对厌氧消化具有抑制作用的物质,32,7、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2.361056L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-0.560.6V（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。,33,8、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。,厌氧活性污泥的浓度和性状与消化的效能有密切的关系。性状良好的污泥是厌氧消化效率的基础保证。,厌氧活性污泥的性质主要表现为它的,作用效能与沉淀性能,，前者主要取决于活微生物的比例及其对废物的适应性和活微生物中生长速率低的产甲烷菌的数量是否达到与不产甲烷菌数量相适应的水平。活性污泥的沉淀性能与污泥的凝聚性有关、与好氧处理一样，厌氧活性污泥的沉淀性能也以,SVI,衡量。,34,第一代厌氧消化工艺,普通厌氧消化池；,厌氧接触工艺。,第二代厌氧消化工艺,上流式厌氧污泥床(UASB)反应器；,厌氧滤床；,厌氧流化床反应器；,厌氧生物转盘；,其它，如厌氧混合反应器和厌氧折流反应器。,第三代厌氧反应器和其他改进工艺,厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器；,厌氧复合床反应器(AF+UASB)；,水解工艺和两阶段厌氧消化(水解+EGSB)工艺。,四、厌氧法的工艺和设备,35,1、普通厌氧消化池,废水定期或连续进入池中，经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出，所产沼气从顶部排出。,为了使进料和厌氧污泥充分接触、使所产的沼气气泡及时逸出而设有搅拌装置，常用,搅拌方式有三种：,（1）池内机械搅拌,（2）沼气搅拌,（3）循环消化液搅拌。,四、厌氧法的工艺和设备,36,常用加热方式有三种：,（,1,）废水在消化池外先经热交换器预热到定温再进入消化池；,（,2,）热蒸汽直接在消化器内加热；,（,3,）在消化池内部安装热交换管。,普通消化池一般的负荷：,中温为,2,3kgCOD/m,3,d,高温为,5,6kgCOD/m,3,d,1、普通厌氧消化池,37,普通消化池的特点,优点：可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液,。厌氧消化反应与固液分离在同一个池内实现，结构较简单。,缺点：,（,1,）缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞；,（,2,）对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触，温度也不均匀，消化效率低,。,1、普通厌氧消化池,38,2、厌氧接触法,为克服普通消化池,不能持留或补充厌氧活性污泥的缺点，,在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法。,该系统既使污泥不流失、出水水质稳定，又可提高消化池内污泥浓度，从而提高设备的有机负荷和处理效率。,39,为了提高沉淀池中混合液的固液分离效果，目前采用以下几 种方法脱气：,（,1,）真空脱气，由消化池排出的混合液经真空脱气器，将污泥絮体上的气泡除去，改善污泥的沉淀性能；,（,2,）热交换器急冷法，将从消化池排出的混合液进行急速冷却，如中温消化液,35,冷到,15,25,，可以控制污泥继续产气，使厌氧污泥有效地沉淀；,（,3,）絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝剂，使厌氧污泥易凝聚成大颗粒，加速沉降；,（,4,）用超滤器代替沉淀他，以改善固液分高效果。,2、厌氧接触法,40,厌氧接触法的特点：,（,1,）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；,（,2,）消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为,2,10kgCOD/m3d,，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；,（,3,）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；,（,4,）混合液经沉淀后，出水水质好，但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。厌氧接触法还存在混合液难于在沉淀池中进行固液分离的缺点。,41,3、上流式厌氧污泥床应应器,42,上流式厌氧污泥床反应器的特点：,（,1,）反应器内污泥浓度高一般平均污泥浓度为,30,40g/L,；（,2,）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/m,2,d,；,（,3,）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；,（,4,）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；,（,5,）污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。但反应器内有短流现象，影响处理能力；进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高；运行启动时间长，对水质和负荷变化比较敏感。,43,4、厌氧生物滤池,废水从池底进入，从池上部排出，称升流式厌氧滤池；废水从池上部进入，从池底部排出，称降流式厌氧滤池。,44,厌氧生物滤池的特点是：,（,1,）由于填料为微生物附着生长提供广较大的表面积，滤池中的微生物量较高，又生物膜停留时间长，平均停留时间长达,100,天左右，因而可承受的有机容积负荷高，,COD,容积负荷为,2,16kgCOD/m3d,，且耐冲击负荷能力强；,（,2,）废水与生物膜两相接触面大，强化了传质过程，因而有机物去除速度快；,（,3,）微生物固着生长为主，不易流失，因此不需污泥回流和搅拌设备；,（,4,）启动或停止运行后再启动比前述厌氧工艺法时间短。但该工艺也存在一些问题：处理含悬浮物浓度高的有机废水，易发生堵,塞，尤以进水部位更严重。滤池的清洗也还没有简单有效的方法。,45,5、厌氧流化床,第一段：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，并将截留难降解的固态物质。,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，,并截留悬浮固体，以改善出水水质。,46,厌氧流化床特点：,（,1,）载体颗粒细，比表面积大，可高达,2000,3000m,2,/m,3,左右，使床内具有很高的微生物浓度，因此有机物容积负荷大，一般为,10,40kgCOD/m,3,d,，水力停留时间短，具有较强的耐冲击负荷能力，运行稳定；,（,2,）载体处于流化状态，无床层堵塞现象，对高、中低浓度废水均表现出较好的效能；,（,3,）载体流化时，废水与微生物之间接触面大，同时两者相对运动速度快，强化了传质过程，从而具有较高的有机物净化速度；,（,4,）床内生物膜停留时间较长，剩余污泥量少；,（,5,）结构紧凑、占地少以及基建投资省等。但载体流化耗能较大，且对系统的管理技术要求较高。,47,6、厌氧转盘,48,七、两步厌氧法和复合厌氧发,7、两步厌氧法和复合厌氧法,两步厌氧消化法是厌氧消化反应分别在两个独立的反应器中进行，每一反应器完成一个阶段的反应；复合厌氧法是在一个反应器内由两种厌氧法组合而成。如上流式厌氧污泥床与厌氧滤池组成的复合厌氧法。,49,五、厌氧产气量计算与反应器设计1）理论产气量的计算,1.根据废水有机物化学组成计算产气量,2根据COD与产气量关系计算,在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1gCOD相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。,50,2）实际产气率分析,在厌氧消化工艺中，实际产气率受,物料的性质、工艺条件以及管理技术水平,等多种因素的影响，在不同的场合，实际产气率与理论值会有不同程度的差异。,1.物料的性质,就厌氧分解等当量COD的不同有机物而言，脂类（类脂物）的产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高；碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；,51,2废水COD浓度,废水的COD浓度越低，单位有机物的甲烷产率越低，主要原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在实际工程中，高浓度有机废水的产气率接近理论值，而低浓度有机废水的产气率则低于理论值。,3沼气中的甲烷含量,沼气中的甲烷含量越高，其在水中的溶解度越大。故甲烷的实际产气率越低。,4生物相的影响,产气率还与系统中硫酸盐还原菌及反硝化细菌等的活动有关。若系统中上述菌较多，则由于这些菌会与产甲烷菌争夺碳源，从而使产气率下降。,52,5工艺条件影响,对同种废水，在不同的工艺条件下，其去除单位重量COD的产气量不同。,6去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例,对于等当量COD的不同有机物，厌氧消化时用于细菌细胞合成的系数有一定的差异，故产气率不是常量。去除的COD中用于合成细菌细胞所占的比例越大，则分解用以产生甲烷的比例将越小，从而去除1kgCOD的甲烷产量越低。一般情况下，变幅小于10。,53,厌氧反应器的设计,厌氧反应器的设计包括工艺设备的选型、反应器容积的计算和设备构造的确定等。,厌氧处理装置的选择，在很大程度上取决于废水中的悬浮物含量、粒度和厌氧可降解性。,54,六、厌氧设备的运行管理,一、厌氧设备的启动,厌氧设备在进入正常运行之前应进行污泥的,培养和驯化,。厌氧活性污泥可以取自正在工作的厌氧处理构筑物或江河湖泊沼泽底，下水道及污水集积腐臭处等厌氧生境中的污泥，最好选择同类物料厌氧消化污泥。,在启动过程中，控制升温速度为1/h，达到要求温度即保持恒温；注意保持pH值在6.87.8之间；此外，有机负荷常常成为影响启动成功的关键性因素。启动的,初始有机负荷因工艺类型、废水性质、温度,等的工艺条件以及接种污泥的性质而异。,55,二、厌氧反应器运行中的欠平衡现象及其原因,保持厌氧消化作用的平衡性是厌氧消化系统运行管理的关键,。,欠平衡：厌氧消化过程易于出现酸化，即产酸量与用酸量不协调现象。厌氧消化作用欠平衡时可以,显示出如下的症状,；,（,1,）消化液挥发性有机酸浓度增高；,（,2,）沼气中甲烷含量降低；,（,3,）消化液,pH,值下降；,（,4,）沼气产量下降；,（,5,）有机物去除率下降。诸症状中最先显示的是挥发性有机酸浓度的增高，故它是一项最有用的监视参数，有助于尽早地察觉欠平衡状态的出现。其他症状则因其显示的滞缓性,或者因其并非专一的欠平衡症状，故不如前者那样灵敏有用。,56,厌氧消化作用欠平衡的原因,是多方面的，如：有机负荷过高；进水,pH,值过低或过高；碱度过低缓冲能力差；有毒物质抑制；反应温应急剧波动；池内有溶解氧及氧化剂存在等。,一经检测到系统处于欠平衡状态时，就必须立即控制并加以纠正，以避免欠平衡状态进一步发展到消化作用停顿的程度。,可暂时投加石灰乳以中和积累的酸，但过量石灰乳能起杀菌作用。解决欠平衡的根本办法是查明失却平衡的原因，有针对性地采取纠正措施二、厌氧反应器运行中的欠平衡现象及其原因,57,三、运行管理中的安全要求,厌氧设备的运行管理很重要的问题是安全问题。沼气中的甲烷比空气轻、非常易燃，空气中甲烷含量为,5%,15,时，遇明火即发生爆炸。,因此消化池、贮气罐、沼气管道及其附属设备等沼气系统，都应绝对密封，无沼气漏出。并且不能使空气有进入沼气系统的可能，周围严禁明火和电气火花。所有电气设备应满足防爆要求。,沼气中含有微量有毒的硫化氢，但低浓度的硫化氢就能被人们所察觉。硫化氢比空气重，必须预防它在低凹处积聚。沼气中的二氧化碳也比空气重，同样应防止在低凹处积聚，因为它虽然无毒，却能使人窒息。因此，凡需因出料或检修进入消化池之前，务必以新鲜空气彻底置换池内的消化气体，以策安全。,58,A/O,法；可以达到生物脱氮的目的、脱磷效果,厌氧一缺氧,好氧法,(A/A/O,法,),缺氧,厌氧,好氧法,(,倒置,A/A/O,法,),可以在去除,BOD,、,COD,的同时，达到脱氮、除磷的效果。,五、厌氧和好氧技术的联合运用,59,