本科10級(jí)·厭氧生物處理工藝1.ppt

厭氧生物處理工藝 孫根行 陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 電話E-mail: ,厭氧生物處理工藝 參考文獻(xiàn),沈耀良,王寶貞.廢水生物處理新技術(shù)（第二版）中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2009年11月 李奎白，張杰.水質(zhì)工程學(xué)中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005年7月 胡紀(jì)萃.廢水厭氧生物處理理論與技術(shù)中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003年5月 王凱軍，左劍惡.UASB工藝的理論與工程實(shí)踐中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社.2000年12月 高廷耀，顧國(guó)維.水污染控制工程（第三版）高等教育出版社.2007年3月 張自杰.排水工程（第四版）中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2000年6月 升流式厭氧污泥床反應(yīng)器工程技術(shù)規(guī)范（HJ2013-2012）,厭氧生物處理工藝 本章內(nèi)容,厭氧生物處理工藝的發(fā)展概況及特征 現(xiàn)代厭氧生物反應(yīng)器 厭氧生物處理工藝的運(yùn)行管理 厭氧生物處理工藝的新進(jìn)展,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 厭氧過(guò)程廣泛存在于自然界中 1881年，法國(guó)，Louis Mouras，“自動(dòng)凈化器” 處理城市污水的化糞池、雙層沉淀池等處理剩余污泥的各種厭氧消化池等。 特點(diǎn)：HRT很長(zhǎng)、處理效率很低、濃臭的氣味等,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 上個(gè)世紀(jì)70年代后，能源危機(jī)，現(xiàn)代高速厭氧反應(yīng)器，厭氧消化工藝開(kāi)始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理。 厭氧接觸法（Anaerobic Contact Process） 厭氧濾池（Anaerobic Filter、AF ） 上流式厭氧污泥層（床）反應(yīng)器(Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed)、UASB ) 厭氧流化床(Anaerobic Fluidized Bed、AFB ) 厭氧附著膜膨脹床(Anaerobic Attached Film Expanded Bed、AAFEB) 厭氧生物轉(zhuǎn)盤（Anaerobic Rotated Biological Disc、ARBD） 擋板式厭氧反應(yīng)器（Anaerobic Baffled Reactor、ABR） 特點(diǎn)：HRT與SRT分離；SRT相對(duì)很長(zhǎng)，反應(yīng)器內(nèi)生物量很高；HRT則很短，有機(jī)負(fù)荷極大提高，處理效率極大提高。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史 90年代以后，在UASB反應(yīng)器基礎(chǔ)上又發(fā)展起來(lái)了EGSB和IC反應(yīng)器 EGSB (Expanded Granular Sludge Bed)反應(yīng)器，處理低溫低濃度的有機(jī)廢水 IC (Internal Circulation)反應(yīng)器，處理高濃度有機(jī)廢水，可達(dá)到更高的有機(jī)負(fù)荷。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 概念：厭氧消化（或稱厭氧發(fā)酵）是指在厭氧條件下由多種（厭氧或兼性厭氧）微生物的共同作用下，使有機(jī)物分解并產(chǎn)生CH4和CO2的過(guò)程。 厭氧消化過(guò)程的基本生物過(guò)程階段性理論 兩階段理論 三階段理論 四階段(群)理論,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 兩階段理論:(1)發(fā)酵階段，又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段。 功 能：水解和酸化 產(chǎn) 物：脂肪酸、醇類、CO2和H2等。 微生物：統(tǒng)稱為發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌 主要特點(diǎn)有：生長(zhǎng)快；適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 兩階段理論:(2)產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段；產(chǎn)甲烷菌利用前一階段的產(chǎn)物，并將其轉(zhuǎn)化為CH4和CO2 微生物：產(chǎn)甲烷細(xì)菌 特點(diǎn)：生長(zhǎng)慢；對(duì)環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 兩階段理論 研究表明，產(chǎn)甲烷菌只能利用一些簡(jiǎn)單有機(jī)物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺類以及H2/CO2等，而不能利用含兩個(gè)碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇類； 70年代，Bryant發(fā)現(xiàn)原來(lái)認(rèn)為是一種被稱為“奧氏產(chǎn)甲烷菌”的細(xì)菌，是由兩種細(xì)菌共同組成的，一種細(xì)菌首先把乙醇氧化為乙酸和H2，另一種細(xì)菌利用H2和CO2產(chǎn)生CH4； 因而提出了“三階段理論”,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 三階段理論 水解、發(fā)酵階段 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2； 產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸、 H2和CO2產(chǎn)生CH4； 一般認(rèn)為，在厭氧生物處理過(guò)程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 四類群理論 同型產(chǎn)乙酸菌：將H2/CO2合成為乙酸。實(shí)際上這一部分乙酸的量較少，只占全部乙酸的5%。 三階段、四類群理論是目前認(rèn)為的對(duì)厭氧生物處理過(guò)程較全面和較準(zhǔn)確的描述。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧消化的多階段理論,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 厭氧消化過(guò)程中的微生物 發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌） 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌 同型產(chǎn)乙酸菌 產(chǎn)甲烷菌等,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 發(fā)酵細(xì)菌（產(chǎn)酸細(xì)菌） 主要功能： 水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物； 酸化將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等； 主要細(xì)菌： 梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等； 特 點(diǎn)： 水解過(guò)程較緩慢，并受多種因素影響（pH、SRT、有機(jī)物種類等），有時(shí)會(huì)成為厭氧反應(yīng)的限速步驟； 產(chǎn)酸反應(yīng)的速率較快； 大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌； 按功能來(lái)分類：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌 主要功能：將高級(jí)脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2； 主要反應(yīng)： 乙醇： 丙酸： 丁酸： 注意：上述反應(yīng)只有在乙酸濃度很低、系統(tǒng)中氫分壓很低時(shí)才能順利進(jìn)行。 主要細(xì)菌：互營(yíng)單胞菌屬、互營(yíng)桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 產(chǎn)甲烷菌 上個(gè)世紀(jì)60年代，Hungate開(kāi)創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)； 主要功能：將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過(guò)程得以順利進(jìn)行； 兩大類：乙酸營(yíng)養(yǎng)型和H2營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌；乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有甲烷八疊球菌和甲烷絲狀菌，但在厭氧反應(yīng)器中，有70%左右的甲烷是來(lái)自乙酸的氧化分解。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 產(chǎn)甲烷菌,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)：,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 產(chǎn)甲烷菌的代表,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理基本原理 產(chǎn)甲烷菌的特性 在生物分類學(xué)上，產(chǎn)甲烷細(xì)菌(Methanogens)屬于古細(xì)菌(Archaebacteria)，大小、外觀上與普通細(xì)菌(Eubacteria)相似，其細(xì)胞成分特殊，特別是細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)較特殊（詳見(jiàn)：胡繼萃）； 在自然界的分布，一般可認(rèn)為是棲息于一些極端環(huán)境中（如地?zé)崛?、深海火山口、沉積物等），但實(shí)際上其分布極為廣泛，如污泥、瘤胃、昆蟲(chóng)腸道、濕樹(shù)木、厭氧反應(yīng)器等（詳見(jiàn)：微生物教材）； 產(chǎn)甲烷細(xì)菌都是嚴(yán)格厭氧細(xì)菌，要求氧化還原電位在-150- 400mV，氧和氧化劑對(duì)其有很強(qiáng)的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，世代時(shí)間很長(zhǎng)，可達(dá)46天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理特點(diǎn) 主要優(yōu)點(diǎn)： 能耗低，且還可回收生物能（沼氣）； 污泥產(chǎn)量低； 厭氧微生物的增殖速率低（本質(zhì)原因？）， 產(chǎn)酸菌的產(chǎn)率系數(shù)Y為0.150.34 kgVSS/kgCOD， 產(chǎn)甲烷菌的產(chǎn)率系數(shù)Y為0.03 kgVSS/kgCOD左右， 好氧微生物的產(chǎn)率系數(shù)約為0.50.6 kgVSS/kgCOD。 厭氧微生物有可能對(duì)好氧微生物不能降解的某些有機(jī)物進(jìn)行降解或部分降解,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理特點(diǎn) 主要缺點(diǎn)： 反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個(gè)連續(xù)的微生物過(guò)程； 對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素較敏感； 出水水質(zhì)較差，對(duì)氨氮的去除效果不好，需進(jìn)一步利用好氧法進(jìn)行處理； 氣味較大。,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧生物處理特點(diǎn) 厭氧工藝與好氧工藝的比較 ,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化過(guò)程的控制階段，因此，一般來(lái)說(shuō)，在討論厭氧生物處理的影響因素時(shí)，主要討論影響產(chǎn)甲烷菌的各項(xiàng)因素；,主要因素,溫度 pH值 氧化還原電位 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 有機(jī)負(fù)荷 有毒物質(zhì),厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 溫度：對(duì)厭氧微生物的影響十分顯著 厭氧細(xì)菌可分為嗜熱菌（或高溫菌）、嗜溫菌（中溫菌）；相應(yīng)地，厭氧消化分為：高溫消化（55左右）和中溫消化（35左右）； 高溫消化的反應(yīng)速率約為中溫消化的1.51.9倍，產(chǎn)氣率也較高，但氣體中甲烷含量較低（Why？）； 當(dāng)處理含有病原菌和寄生蟲(chóng)卵的廢水或污泥時(shí)，高溫消化可取得較好的衛(wèi)生效果，消化后污泥的脫水性能也較好； 隨著新型厭氧反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)研究和應(yīng)用，溫度對(duì)厭氧消化的影響不再非常重要（新型反應(yīng)器內(nèi)的生物量很大），因此可以在常溫條件下（2025）進(jìn)行，以節(jié)省能量和運(yùn)行費(fèi)用。,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 pH值和堿度：是厭氧消化過(guò)程中的最重要的影響因素； 產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH值的變化非常敏感，最適pH值范圍為6.87.2，在8.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌會(huì)受到嚴(yán)重抑制，并可能導(dǎo)致整個(gè)厭氧消化過(guò)程的惡化； 厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)（有機(jī)物濃度、種類等）、生化反應(yīng)、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等； 厭氧體系是一個(gè)pH值的緩沖體系，主要由碳酸鹽體系所控制； 系統(tǒng)中脂肪酸含量的增加，將消耗HCO3-，使pH下降；但產(chǎn)甲烷菌的作用可消耗脂肪酸，且還會(huì)產(chǎn)生HCO3- ，使系統(tǒng)的pH值回升； 堿度的作用主要是保證厭氧體系具有一定的緩沖能力，維持值pH； 厭氧體系一旦發(fā)生酸化，則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 氧化還原電位： 嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行正常生理活動(dòng)的基本條件； 非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100-100mV的環(huán)境正常生長(zhǎng)和活動(dòng)； 產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150-400mV，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330mV。,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 營(yíng)養(yǎng)要求 厭氧微生物對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求COD : N : P = 400 : 5 : 1； 多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時(shí)需要投加： K、Na、Ca等金屬鹽類； 微量元素Ni、Co、Mo、Fe等； 有機(jī)微量物質(zhì)酵母浸出膏生物素維生素等。,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 有機(jī)負(fù)荷： 厭氧生物處理的有機(jī)負(fù)荷很高，達(dá)510 kgCOD/(m3d)，甚至可達(dá)5080 kgCOD/(m3d)； 無(wú)傳氧的限制； 更高的生物量。 產(chǎn)酸階段的反應(yīng)速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，二者之間的平衡不易控制，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷； 高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，相應(yīng)的污泥負(fù)荷仍然較低；高的有機(jī)容積負(fù)荷可縮短HRT，減小反應(yīng)器容積,厭氧生物處理工藝 概況,影響厭氧生物處理過(guò)程的主要因素 有毒物質(zhì)抑制性物質(zhì)（胡，p136） 硫化物或硫酸鹽：基質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)與H2S的毒性 氨氮：pH，可逆性，IC50 重金屬：游離態(tài)的影響大。使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞。 氰化物： 某些有機(jī)物：,厭氧生物處理工藝 概況,厭氧技術(shù)是水污染控制的重要手段 我國(guó)高濃度有機(jī)工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等有機(jī)物； 我國(guó)當(dāng)前的水體污染物還主要是有機(jī)污染物以及營(yíng)養(yǎng)元素N、P的污染； 目前的形勢(shì)：能源昂貴、土地價(jià)格劇增、剩余污泥的處理費(fèi)用也越來(lái)越高； 厭氧工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是：1）能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用；2）運(yùn)行能耗低；3）有機(jī)負(fù)荷高，占地面積少；4）污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費(fèi)用低等等 厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三方面。,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,概況 1955年，Schroepter首先提出了厭氧接觸法（Anaerobic Contact Process ）參考活性污泥法，增設(shè)二沉池和污泥回流系統(tǒng)；處理能力提高，應(yīng)用于食品包裝廢水的處理；標(biāo)志著厭氧技術(shù)應(yīng)用于有機(jī)廢水處理的開(kāi)端。隨后: 厭氧生物濾池 (AF, Anaerobic Filter) 上流式厭氧污泥床反應(yīng)器 (UASB, Upflow Anaerobic Sludge Blanket) 厭氧附著膜膨脹床反應(yīng)器 (AAFEB, Anaerobic Attached Film Expanded Bed) 厭氧流化床 (AFB, Anaerobic Fluidized Bed) 厭氧折流板 (ABR, Anaerobic Baffled Reactor) 厭氧生物池轉(zhuǎn)盤 (ARBR, Anaerobic Rotating Biological Reactor),厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,特點(diǎn) 微生物不只是呈懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，也有也有附著生長(zhǎng)； 容積負(fù)荷大大提高，水力停留時(shí)間顯著縮短； 應(yīng)用于高濃度有機(jī)工業(yè)廢水的處理，如食品工業(yè)廢水、酒精工業(yè)廢水、發(fā)酵工業(yè)廢水、造紙廢水、制藥工業(yè)廢水、屠宰廢水等； 也能應(yīng)用于城市廢水等低濃度廢水的處理； 與好氧工藝的串聯(lián)和組合，可以脫氮和除磷； 含難降解有機(jī)物的工業(yè)廢水的處理。,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧接觸法工藝(ACP） 厭氧接觸法的工藝流程,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧接觸法工藝(ACP） 厭氧接觸法的特點(diǎn) 污泥回流；使得HRT與SRT分離。 厭氧反應(yīng)器產(chǎn)泥量很少，幾乎不排剩余污泥，則Qw = 0，則有：,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧接觸法工藝(ACP） 厭氧接觸法的特點(diǎn) 在普通高速厭氧消化池中， Xe = X， 所以：c = SRTHRT， 在中溫條件下，為了滿足產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)， SRT要求2030d，因此高速厭氧消化池的HRT為2030d。 對(duì)于厭氧接觸法，由于X Xe， 所以: HRTSRT； X越大，Xe越小，則HRT就可越短。,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧接觸法工藝(ACP） 厭氧接觸法的特點(diǎn) 污泥濃度高，一般為510 gVSS/L； 有機(jī)容積負(fù)荷高； 中溫，COD負(fù)荷16 kgCOD/(m3d)，去除率為 70%80%；BOD5負(fù)荷0.52.5 kgBOD/(m3d)，去除率80%90%； 出水水質(zhì)較好； 流程較復(fù)雜； 適合于處理懸浮物和有機(jī)物濃度很高的廢水。,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧接觸法工藝(ACP） 厭氧接觸法存在問(wèn)題 存在的問(wèn)題: 最大的問(wèn)題是污泥的沉淀，污泥上附著有小氣泡；二沉池中污泥易上浮。 改進(jìn)措施：真空脫氣設(shè)備（真空度為500mmH2O）； 增加熱交換器，使污泥驟冷，暫時(shí)抑制厭氧污泥的活性。,厭氧生物處理工藝 現(xiàn)代厭氧反應(yīng)器,厭氧生物濾池(AF) 工藝特征 上世紀(jì)60年代末，美國(guó)，Young和Mc. Carty。1972年，第一座生產(chǎn)性AF投入運(yùn)行。 與好氧生物濾池相似，厭氧生物濾池是