第六章 污水的厌氧生物处理.

第六章污水的厌氧生物处理参考教材8.3和14.36-1厌氧生物处理的基本原理6-2污水的厌氧生物处理方法6-3UASB工艺设计 污水的生化处理法按氧的利用方式不同：好氧生物处理厌氧生物处理按微生物在水中的集聚状态不同：悬浮生长系统固定膜系统 污水生物处理厌氧处理好氧处理废水浓度水力停留时间有机容积负荷能耗主要副产物5-20天3-10小时7~45kgBOD/（m3∙d）高质燃料中、浓度低浓度高出十倍剩余污泥低0.4~1.0kgBOD/（m3∙d）BOD:N:P=100:5:1BOD:N:P=200~400:5:1营养物需要参考教材589~590页 6-1厌氧生物处理的基本原理参考教材8.3 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：1.厌氧消化的机理（1）定义：废水的厌氧生物处理是指在无氧条件下通过厌氧微生物(anaerobicmicrobes)(专性厌氧菌和兼性菌）的作用，分解废水中的各种复杂有机物，最终产物是甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物质的过程，也称为厌氧消化(anaerobicdigestion) （2）厌氧消化过程6-1厌氧生物处理的基本原理有机物要经过水解，产酸等多种不同的微生物降解过程，最终由产甲烷细菌作用而生成甲烷和二氧化碳。①厌氧消化的两阶段理论：酸性发酵阶段：消化液的pH迅速下降，转化产物中有机酸和醇是主体甲烷发酵阶段：产生消化气，主体是CH4酸性发酵阶段甲烷发酵阶段 复杂有机物碳水化合物，蛋白质，脂类简单溶解性有机物水解发酵脂肪酸、醇类H2，CO2CH3COOH产氢产乙酸菌同型产乙酸菌另一组产甲烷菌CH4+CO2一组产甲烷菌甲烷产量的70%甲烷产量的30%6-1厌氧生物处理的基本原理水解发酵阶段水解发酵菌主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌产氢产乙酸阶段在产氢产乙酸菌的作用下产甲烷阶段两组生理上不同的产甲烷菌按降解机理分段：②厌氧消化的三阶段理论参考教材第353页 ③厌氧消化的4阶段理论 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（1）温度根据甲烷菌对于温度的适应性，可分为中温甲烷菌和高温甲烷菌两类。中温处理一般为33-36℃，高温处理为50-55℃。两区之间的温度，反应速度反而减退。工程上的厌氧反应器有常温、中温、高温三种方式，分别称为常温消化、中温消化和高温消化。厌氧发酵对温度突变比较敏感，一般允许范围为±1.5-2.0℃。突然的温度变化会抑制消化速率，可使甲烷化严重受阻。由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常作为厌氧消化过程的控制阶段，反应条件应重点满足甲烷菌的环境要求。参考教材第357页 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（2）pH及碱度产甲烷菌适宜的pH值为7.0左右，大体在6.5-7.5之间。在消化系统中，如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速率超过产甲烷阶段，则pH会降低，影响甲烷菌的生活环境。反应器的pH值过低，常表现为挥发酸浓度过高；pH值过高，常见于NH4+浓度过高。消化系统中，消化液有一定的缓冲作用，缓冲剂是有机物分解过程中产生的，即消化液中的CO2（碳酸）及NH3（以NH3和NH4+的形式存在）。重碳酸盐（HCO3-）与碳酸H2CO3组成缓冲溶液。 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（3）氧化还原电位（ORP）氧化还原电位是指一个体系中氧化剂和还原剂的相对强度，表示溶液的氧化或还原反应的能力，以伏特或毫伏来计量。甲烷菌对氧化还原电位的要求一般为-330mV以下，但这个氧化还原电位通常是指常温条件的数值。可用于常温或中温反应器的设计与运行管理指标。但是在高温反应器中适宜的氧化还原电位要低得多，一般应低于-500mV。一般情况下，氧的溶入是引起发酵系统的氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（4）营养比一般工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般认为，厌氧法中的碳、氮、磷的比例应控制在200-400：5：1为宜（好氧法中BOD5：N：P=100：5：1）。其中以碳氮比的控制较为重要。碳氮比过高，不仅厌氧菌增值缓慢，而且消化液的缓冲能力较低，在有机负荷较高等情况下，pH容易下降。相反，若氮源过多，即碳氮比太低，氨化和反硝化过程将产生大量的氨，使pH值升高。当pH值升高到7.9以上时，会抑制产甲烷菌的活性，使消化效率降低。 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（5）有机负荷在厌氧法中，有机负荷通常是指容积有机负荷，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]。此外也有用污泥负荷表达的，即[kgCOD/kgVSS∙d]。厌氧消化过程中，产酸阶段反应速率比产甲烷阶段反应速率快得多，必须十分谨慎的选择有机负荷，使挥发性脂肪酸的生成和消耗不致失调，形成挥发酸的积累。为保持系统的平衡，有机负荷不能过高。厌氧生物处理可采用比好氧生物处理高得多的有机负荷，一般厌氧法为7~45[kgBOD/m3∙d]，好氧法为0.4~1.0[kgBOD/m3∙d]。 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（6）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器内，常有料液分层现象。搅拌可消除分层，促进基质与微生物间的传质速度和甲烷、二氧化碳等产物的逸出速度。搅拌的方法一般有：泵加水射器搅拌法；消化气循环搅拌法和混合搅拌法等。 6-1厌氧生物处理的基本原理按降解机理分段：2.厌氧消化的影响因素（7）有毒物质①重金属重金属离子对甲烷消化的抑制作用有两个方面：与酶结合，产生变性物质，使酶的作用消失；某些重金属离子及其氢氧化物的絮凝作用，使酶沉淀。②阴离子的毒害作用主要是指硫化物。硫酸盐浓度超过5000mg/L，即有抑制作用。硫过多，消化液中过多的H2S将释放出进入消化气中，降低消化气质量并腐蚀管道。③氨的毒害作用当NH4+浓度超过150mg/L时，消化受到抑制。④氧氧对甲烷菌的毒害可分为两个阶段，即抑菌阶段和杀菌阶段。 6-2污水的厌氧生物处理方法参考教材14.3 一般地，可用BOD5/COD值作为有机物生物降解性的评价指标：BOD5/COD＞0.40时为易生物降解；BOD5/COD＞0.30时为可生物降解；BOD5/COD＜0.30时为较难生物降解；BOD5/COD＜0.20时为不宜生物降解。 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：1.化粪池化粪池用于处理来自厕所的粪便污水。广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。例如，郊区的别墅式建筑。居民区和办公楼也常设化粪池。下图是化粪池的一种构造方式。污水首先进入第一室，池水一般分为三层，上层为浮渣层，下层为污泥层，中间为水流，然后，进入第二室，底泥和浮渣被第一室截留。 生活污水处理系统示意图房屋下水管道废水排入化粪池，一些固体物质沉淀析出，并发生厌氧分解。污水在池内的停留时间一般为12~24h，澄清后的水流到分配槽，出水不能直接排入水体，常在绿地下设渗水系统或由排水管网输出、汇总进入下一步处理。化粪池污泥要定时清理。房屋下水管道化粪池分配槽渗水系统 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：对于悬浮物较高的有机废水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法，消化池后设沉淀池。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌可以用机械方法，也可以用泵循环池水。厌氧接触法工艺流程2.厌氧接触法（anaerobiccontactprocess） 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：厌氧接触法的主要特征是在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，使污泥停留时间与水力停留时间分开，厌氧反应器内能维持较高的污泥浓度，同时可大大降低水力停留时间。式中θc——生物固体平均停留时间，d；X——反应器内微生物浓度，g/m3；V——反应器容积，m3；Xe——出水微生物浓度，g/m3；Q——处理废水流量，m3/dXω——剩余污泥微生物浓度，g/m3Qω——剩余污泥排放量，m3/d2.厌氧接触法（anaerobiccontactprocess） 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：厌氧接触法存在的问题是，从厌氧反应器排出的混合液中的污泥由于附着大量气泡，在沉淀池中易于上浮到水面而被出水带走；进入沉淀池的污泥仍有产甲烷菌在活动，产生沼气，使已沉下的污泥上翻，固液分离效果不佳。可采取的解决办法：（1）在反应器与沉淀池之间设真空脱气器，真空度为5000Pa，尽可能将混合液中的沼气脱除，但不能抑制产甲烷菌在沉淀池内继续产气；（2）在反应器与沉淀池之间设冷却器，使混合液的温度由35℃降至15℃，抑制甲烷菌的活动；（3）向沉淀池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）用膜过滤代替沉淀池，以改善固液分离效果。2.厌氧接触法（anaerobiccontactprocess） 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：2.厌氧接触法主要设计参数容积负荷：2~6kgCODcr/(m3d)混合液污泥浓度：10kgVSS/m3污泥回流比：0.8~1.0 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：3.厌氧生物滤池（anaerobicfilter,AF）厌氧生物滤池又称厌氧固定膜反应器（SFF），是60年代末开发的新型高效厌氧处理装置。滤池多呈圆柱形，池内装放填料，池底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长，当废水通过填料层时，在填料表面的厌氧生物膜的吸附、微生物的代谢作用和滤料的截留作用下，废水中的有机物被降解，并产生沼气，沼气从池顶部排出。根据进水的方向将厌氧固定膜反应器分为升流式（USFF）、降流式（DSFF）和平流式（LSFF）三种；根据填料填充的程度分为全充填型和部分充填型。填料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，也可使用陶粒、塑料等填料。升流式厌氧生物滤池 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：3.厌氧生物滤池（anaerobicfilter）厌氧生物滤池的特点：厌氧微生物大部分存在于生物膜中，少部分以厌氧活性污泥的形式存在于滤料的孔隙中，微生物的停留时间长，可超过100d，不易流失。冲击负荷对其影响小。反应器内各种不同类群的微生物自然分层固定，易使各类微生物得到最佳的环境，保持其高的活性。在水温25℃～35℃时，有机负荷在3kg（COD）/m3·d～10kg（COD）/m3·d以上，一般COD去除率可达80％以上。厌氧固定膜反应器特别适用于处理低浓度的溶解性有机废水。缺点：厌氧微生物总量沿池高度分布很不均匀。进水部位容易发生堵塞现象。见教材第593页 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：3.厌氧生物滤池（anaerobicfilter）厌氧生物滤池的改进措施：（1）可采取处理水回流的措施降低原废水悬浮固体与有机物的浓度，提高水力负荷，提高池内水流的上升速度，减少滤料空隙间的悬浮物，减轻堵塞的可能性；可使滤料层中的生物膜量趋于均匀分布，充分发挥滤池作用。（2）为了防止堵塞可采用部分充填载体型结构方式。此外采用平流式厌氧滤池也有利于改善容易发生堵塞的不足。污泥排放沼气出水薄层填料部分充填载体型结构的平流式厌氧滤池示意图进水 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：3.厌氧生物滤池主要设计参数滤料：填充高度2m以上，比表面积100m2/m3以上，填充率在2/3以上滤池高度：3m以上容积负荷：12kgCOD/（m3·d）以下 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：4.升流式厌氧污泥床（UASB）（1）概述上流式厌氧污泥床反应器（upflowanaerobicsludgeblanketreactor)，简称UASB反应器。废水由池底进入反应器，通过反应区气、液分离后混合液进入沉淀区进行固液分离，反应器内微生物以自身聚集生长，为颗粒污泥状态存在，因而能达到高生物量和高效高负荷，污泥床反应器内没有填料，不设搅拌，上升的水流和产生的沼气可满足搅拌要求。入水三相分离器沼气升流式厌氧污泥床（USAB)沉淀区反应区出水悬浮污泥区颗粒污泥区 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：4.升流式厌氧污泥床（UASB）（2）升流式厌氧污泥床的构造①进水配水系统将进水均匀分配到反应器整个横断面；起到水力搅拌的作用。②反应区UASB的核心，包括颗粒污泥区和悬浮污泥区。③三相分离器（图）由沉淀区、回流缝和气封组成，其功能是将沼气、污泥、废水等三相进行分离。④气室也称集气罩，其功能是收集产生的沼气。入水三相分离器沼气升流式厌氧污泥床（USAB)沉淀区反应区出水悬浮污泥区颗粒污泥区 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：4.升流式厌氧污泥床（UASB）（2）升流式厌氧污泥床的构造⑤出水排水系统将沉淀区的上清液均匀地加以收集，并将其排出反应器。⑥排泥系统均匀排泥，可进行均布多点排泥，可选择每10m2设一个排泥点。⑦浮渣清除系统浮渣清除可采用撇渣机或刮渣机清除，或采用人工清渣。入水三相分离器沼气升流式厌氧污泥床（USAB)沉淀区反应区出水悬浮污泥区颗粒污泥区气室 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：4.升流式厌氧污泥床（UASB）（3）颗粒污泥形成机理所谓污泥颗粒化是指床中的污泥形态发生了变化，由絮状污泥变为密实、边缘圆滑的颗粒。粒径为0.5～4mm。形成机理：①晶核假说②微生物本身形成A.电中和作用B.胞外多聚物架桥作用 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：5.厌氧膨胀床和厌氧流化床厌氧流化床是一种填有比表面积很大的惰性载体颗粒的反应器，它的一部分出水回流，与进水混合后，进入池内向上流动，使载体颗粒在整个反应器内均匀分布。根据颗粒膨胀程度可分为膨胀床和流化床。膨胀床运行流速控制在略高于初始流化速度，相应的膨胀率为5％～20％。流化床一般按20％～70％的膨胀率运行，这样颗粒不致流失并且生物膜与废水又充分接触。进水循环泵沼气出水厌氧流化床反应器示意图 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：6.厌氧生物转盘厌氧生物转盘和好氧法生物转盘相似，不同之处在于盘片大部分或全部渗没在处理水中。为保证厌氧条件和收集沼气整个生物转盘设在密闭的容器内。厌氧生物转盘的优点（1）不需回流，运行中动力消耗及费用较低。（2）运行管理简单，没有堵塞问题，可处理高浓的废水。（3）转盘上微生物量很大，微生物停留时间长，水利停留时间短。（4）工作稳定，耐冲击负荷能力强。隔板进水出水沼气转轴固定盘片转动盘片 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：6.厌氧生物转盘中温发酵条件下，有机物面积负荷可达0.04kgCOD/(m2(盘片)·d)盘片总面积按负荷法进行计算：A——所需盘片总面积，m2Ns——有机物面积负荷，kgCOD/（m2盘片·d） 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：7.厌氧折流板反应器该工艺使用一系列垂直放置的折流板使废水在反应器内沿折流板上下流动，但整个反应器内的水流则以较慢的速度作水平推流，由于污水在折流板的作用下，呈上下锯齿形绕流，水流所流经的总长度加大了，加上大小不等的折流板的阻挡及污泥自身沉降作用，生物固体被有效地截留在反应器内。进水出水沼气循环泵回流厌氧挡板反应器工艺流程 6-2污水的厌氧生物处理方法8.两相厌氧法两步厌氧消化法，问世于20世纪70年代后期，基本设想，是将有机物酸化和气化过程分别在两个独立的反应器中进行。如高固形物浓度废水处理，酸化罐采用不易堵塞的完全混合（CSTR）式的厌氧接触反应器为好，酸化罐不必严格厌氧。气化罐要求严格厌氧，中性pH值，中温或高温发酵。高热值沼气排泥沉淀池低热值气酸化罐气化罐CSTRUASB污泥回流出水进水两段反应器系统可由上述各种反应器组合而成。选用时，主要考虑废水水质和微生物特点。 6-2污水的厌氧生物处理方法9.厌氧内循环反应器(IC) 6-2污水的厌氧生物处理方法按降解机理分段：10.复合厌氧法复合厌氧法是在一个设备内由几种厌氧反应器复合而成的一种厌氧处理法。目前开发的多为升流式厌氧污泥床和厌氧生物滤池复合而成升流式厌氧污泥床过滤器。根据有无三相分离器升流式厌氧污泥床过滤器又可分为无三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器（UBF）和有三相分离器的升流式厌氧污泥床过滤器（UASB＋AF） 填料UBF 6-3UASB污水处理工艺设计 设计的主要内容：①选定池型，确定尺寸；②设计进水、配水和出水系统；③选定三相分离器的型式。1.UASB池形①矩形②方形③圆形反应器结构较稳定，但三相分离器复杂，多用于小、中型。UASB的设计大型UASB池形一般为矩形，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，三相分离器可由多个单元组合而成。6-3UASB污水处理工艺设计 UASB的设计6-3UASB污水处理工艺设计 2.UASB反应器容积的确定①进水容积负荷法V——反应器有效容积，m3；Q——废水流量，m3/d；So——进水COD或BOD5浓度，g/mL；NV——COD或BOD5容积负荷，kg/(m3∙d)UASB的设计6-3UASB污水处理工艺设计 UASB允许容积负荷UASB的设计反应温度（℃）容积负荷kgCOD/m3∙d溶解性VFA废水不含VFA废水SS占COD总量30%的废水152~41.5~31.5~2204~62~42~3256~124~83~63010~188~126~93515~2412~189~144020~3215~2414~186-3UASB污水处理工艺设计 ②水力停留时间对低浓度有机废水（COD<1000mg/L）,不加热的条件下。UASB的设计温度（℃）水力停留时间（h）日平均日最大高峰时16~1910~147~93~522~267~95~7326以上642.5UASB处理生活污水最小水力停留时间6-3UASB污水处理工艺设计 进水配水系统要求：①进水必须均匀分配到反应器底部；②满足污泥床水力搅拌的需要。进水配水系统形式主要有：①树枝管式②穿孔管式③多管多点式④上给式UASB的设计①树枝管式进水系统②穿孔管式进水系统6-3UASB污水处理工艺设计 UASB的设计6-3UASB污水处理工艺设计 每个配水孔水流速要求UASB的设计污泥性质进水容积负荷率[kgCOD/(m3∙d)]每个进水点服务面积（m2）密实的絮体污泥浓度（>40kgTSS/m3）<11~2>20.5~11~22~3疏松的絮体污泥浓度20~40kgTSS/m31~231~22~5颗粒污泥22~4>40.5~10.5~2>2UASB反应器每个进水点服务面积6-3UASB污水处理工艺设计 4.三相分离器3个主要功能：气液分离、固液分离和污泥回流3个主要组成部分：气封、沉淀区和回流缝（1）三相分离器的基本构造UASB的设计单个三相分离器的基本构造6-3UASB污水处理工艺设计 4.三相分离器（2）设计方法①沉淀区设计vg，污泥自身重力沉淀速度；vmax，最小过水断面，水的向上流速。vg>vmax。如果vL