廢水厭氧生物處理原理與工藝ppt課件

廢水厭氧生物處理,1,厭氧生物處理,廢水厭氧處理內(nèi)容概要:1.厭氧生物處理概述2.厭氧工藝流程3厭氧生物處理反應(yīng)器,2,第一節(jié),廢水厭氧生物處理概述,3,厭氧生物處理,1厭氧生物處理概述19世紀末20世紀初：廢水和糞便處理,反應(yīng)時間長,出水水質(zhì)差;1860年法國人Mouras把簡易沉淀池改進作為污水污泥處理構(gòu)筑物使用，1881年法國雜志將Mouras創(chuàng)造的稱為自動凈化器(AutomaticScasenger)。1895年英國Donald設(shè)計了厭氧化糞池。厭氧化糞池的創(chuàng)建，是厭氧處理工藝發(fā)展史上的里程碑。從此，廁所等家庭用生活污水可通過化糞池得到較好的處理。,4,1903年英國出現(xiàn)了Travis池。廢水從一端流入，從另一端流出，兩側(cè)沉淀區(qū)分離出的污泥，在池中間的中下部分消化，產(chǎn)生的沼氣從中間上部分排出，不會影響兩側(cè)的沉淀區(qū)。1905年德國人Imhoff對Travis池作了改進，設(shè)計了Imhoff池，又稱隱化池，我國也稱雙層沉淀池。這種池型構(gòu)造把污水的沉淀與污泥的消化完全分開，彼此不發(fā)生干擾。這種裝置在本世紀20年代被廣泛應(yīng)用與歐美各國?；S池和雙層沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。,厭氧生物處理,5,中期-被好氧工藝取代,在污泥處理方面有應(yīng)用,污泥的厭氧消化;普通消化池是這時期的主要反應(yīng)器。70年代后-重新發(fā)展,環(huán)境問題和能源危機,開發(fā)了新的厭氧生物處理反應(yīng)器.以UASB,厭氧接觸工藝為代表的多種工藝，均實現(xiàn)高的污泥濃度高的負荷，得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用現(xiàn)狀:(A).廢水處理,高濃度和高溫度廢水;(B).污泥處理和城市垃圾處理;(C).生物質(zhì)的資源化和能源化應(yīng)用.,厭氧生物處理,WaterPollutionControlEngineering,6,厭氧生物處理,1.1厭氧生物處理的原理(1).復(fù)雜有機物的厭氧生物處理：(A).水解.在細胞外酶作用下,將大分子有機物水解為小分子溶解性有機物,如多糖-單糖，脂肪-脂肪酸甘油,蛋白質(zhì)-氨基酸,小分子進入細胞內(nèi).難降解或高分子的有機物水解過程較慢,或可能成為速率限制步驟,顆粒有機物的大小,溫度,pH,有機物組成成分,氨濃度,水力停留時間等影響水解速率.,7,厭氧生物處理,水解可以部分實現(xiàn)對難生物降解有機物的分解,促進后續(xù)處理過程的生物有效性,故對難降解廢水可以預(yù)置厭氧反應(yīng)器.,WaterPollutionControlEngineering,溫度,停留時間對水解速率常數(shù)Kh的影響,8,厭氧生物處理,(B)酸化.產(chǎn)酸細菌酸化,將溶解性有機物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸和醇為主要產(chǎn)物的過程,主要生成有機酸(甲酸,乙酸,丙酸,丁酸等)、醇(乙醇),H2,CO2,NH3,N2,H2S等；酸化過程速率較快,產(chǎn)物對產(chǎn)甲烷過程影響較大,酸化過程產(chǎn)物與厭氧的條件,底物種類和微生物組成有關(guān)系,主要有三類:丙酸型,丁酸型和乙醇型.人們常常將不完全厭氧處理過程稱為水解酸化.,9,厭氧生物處理,(C)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸.水解酸化產(chǎn)物(主要是2個C以上的有機酸,不包括乙酸)在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌作用下生成氫,乙酸和CO2；主要反應(yīng):(醇和高級脂肪酸反應(yīng)生成乙酸)CH3CH2OH+H2O=CH3COO-+H+2H2CH3CH2COO-+H2O=CH3COO-+H+HCO3-+3H2丁酸,丙酸等轉(zhuǎn)化為乙酸的過程由于標準吉布斯自由能為正值,只有反應(yīng)產(chǎn)物H+和H2的濃度低反應(yīng)可以進行.,WaterPollutionControlEngineering,10,厭氧生物處理,(D)產(chǎn)甲烷.主要在兩類不同的甲烷細菌下產(chǎn)生CH4,是嚴格厭氧過程.乙酸脫羧:2CH3COOH2CH4+2CO2氫還原CO2:4H2+CO2CH4+2H2O3H2+COCH4+H2O2H2O+4COCH4+3CO2此外還有利用醇還原CO2得到甲烷和有機酸等途徑.,11,厭氧生物處理,厭氧生物處理的原理和過程示意:,WaterPollutionControlEngineering,復(fù)雜有機物,揮發(fā)酸醇,CO2+H2,乙酸,CH4,水解酸化產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸產(chǎn)甲烷,5%,20%,28%,72%,簡單有機物,10%,13%,35%,17%,30%,12,厭氧生物處理,(2).其他厭氧生物處理A.硫酸鹽還原:化能異氧型的硫酸鹽還原細菌(SRB,SulfateReducingBacteria)利用廢水的有機物作為電子供體,將氧化態(tài)硫化合物(SO42-,SO32-等)還原為低價態(tài)硫化合物(HS-,H2S,S2-等)的過程。低濃度硫化合物由于存在對H2的利用,對厭氧處理有機物一定程度是促進的;但較高濃度的硫酸鹽會嚴重抑制有機物的厭氧生物降解過程(競爭底物對產(chǎn)甲烷菌不利;產(chǎn)生的H2S對微生物不利)。,13,厭氧生物處理,B.反硝化:硝酸鹽氮(NO3-)和亞硝酸鹽氮(NO2-)在厭氧或缺氧條件下被還原為氮氣(N2)的過程.C.光合細菌:光能異養(yǎng)的光合細菌在無氧條件下利用簡單有機物進行光合作用,然后在微氧或有氧條件下進行氧化代謝.光合細菌只能利用低分子量的有機物,所以需要水解作為前處理過程.,WaterPollutionControlEngineering,14,厭氧生物處理,D.厭氧氨氧化(ANAMMOX,AnaerobicAmmoniumOxidation)：是指在厭氧條件下,微生物直接以NH4+為電子供體，以NO3-或NO2-為受體,將NO3-,NO2-,NH4+轉(zhuǎn)變成N2的生物轉(zhuǎn)化氧化過程.N的轉(zhuǎn)化過程并未清楚.,15,厭氧生物處理,1.2厭氧生物處理的微生物(A).水解酸化菌：細菌、真菌和原生動物,多為專性厭氧菌或兼性,根據(jù)分解有機物的不同,分為纖維素、碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪分解菌等.(B).產(chǎn)乙酸菌：分2類-產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和同型乙酸菌,厭氧或兼性菌.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將有機酸轉(zhuǎn)化為氫和乙酸,同型乙酸菌將H2+CO2轉(zhuǎn)化為乙酸,或?qū)⒋嫉绒D(zhuǎn)化為乙酸.,16,厭氧生物處理,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌：將有機酸轉(zhuǎn)化為氫和乙酸.如丙酸轉(zhuǎn)化為乙酸過程:CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH+3H2+CO2同型乙酸菌:將H2+CO2轉(zhuǎn)化為乙酸,或?qū)⒋嫉绒D(zhuǎn)化為乙酸.如乙醇轉(zhuǎn)化為乙酸:CH3CH2OH+H2OCH3COOH+2H2,WaterPollutionControlEngineering,17,厭氧生物處理,(C).產(chǎn)甲烷菌：嚴格厭氧菌。對環(huán)境的條件要求比較苛刻,對pH,溫度,氧,有毒物質(zhì)濃度等較敏感.,18,厭氧生物處理,厭氧微生物與好氧微生物參數(shù)的比較,19,厭氧生物處理,1.3厭氧生物處理影響因素甲烷菌增殖速率慢,世代周期長,受環(huán)境影響大,對pH敏感,產(chǎn)甲烷菌是廢水處理系統(tǒng)控制因素,對廢水厭氧生物處理的主要因素是甲烷菌的影響因素.(1).pH：最適宜在6.87.2,由于酸化和產(chǎn)乙酸,系統(tǒng)pH容易降低,此外蛋白質(zhì)降解的氨能夠緩沖,系統(tǒng)中酸、堿度、CO2、氨降解速率達到平衡.,20,厭氧生物處理,(2).溫度：常溫,1030；中溫,35左右有適宜溫度；高溫,53左右.高溫對微生物殺滅作用強,溫度要求波動小.,21,消化溫度與消化時間的關(guān)系:,厭氧生物處理,WaterPollutionControlEngineering,22,厭氧生物處理,(3).污泥齡：要求大,2030d,厭氧微生物世代時間長.(4).營養(yǎng)物質(zhì)：COD:N:P=800:5:1,BOD:N:P=100:2.5:1左右.與好氧工藝相比對N,P等營養(yǎng)物質(zhì)需求少.(5).氧化還原電位：絕對厭氧條件,-0.2V以下.(6).有機負荷：過高,產(chǎn)酸速率大于產(chǎn)甲烷,酸積累,pH下降;水力負荷大,微生物流失;過低,反應(yīng)器體積大,運行投資費用大.,23,厭氧生物處理,(7).攪拌與混合：需要攪拌措施，不能過度攪拌影響微生物的生活環(huán)境。因為產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷菌的嚴格共生關(guān)系。(8).有毒物質(zhì)：H2S和NH3等，對微生物有毒害作用，NH3的毒害作用以NH4+形式，與pH有關(guān)。,24,厭氧生物處理,1.4厭氧生物處理工藝特點負荷高:容積負荷高,運行費用低,可回收CH4,好氧法如普通活性污泥0.5,普通生物濾池0.3,生物轉(zhuǎn)盤1.0,生物接觸氧化2-5,生物流化床Xe，所以HRTSRT；而且X越大，則HRT可以越短,HRT可以縮短到幾小時十幾小時.,厭氧生物處理,52,厭氧生物處理,(2)厭氧接觸工藝本質(zhì)：屬于厭氧活性污泥工藝,污泥懸浮生長.沉淀池泥水分離困難(?)解決方法：真空脫氣,使氣泡破裂;熱交換急冷卻，以抑制產(chǎn)氣過程;絮凝沉淀;采用膜濾；浮選.,53,厭氧生物處理,(3)厭氧接觸工藝特點：污泥濃度高，過高易造成污泥膨脹(類似好氧活性污泥);容積負荷較高；處理能力強,適合處理高SS廢水,無堵塞問題;增加了回流、沉淀、脫氣等設(shè)備,且脫氣困難,抗沖擊負荷能力不強.,54,厭氧生物處理,3.8升流式厭氧污泥床(UASBUpflowAnaerobicSludgeBlanket)(1)UASB工藝原理：生物反應(yīng)與沉淀一體,反應(yīng)器同時具有沉淀功能,進水從下向上通過反應(yīng)器,底部存在污泥濃度很高活性很高的污泥層,顆粒污泥層；上為懸浮污泥層,兩污泥層為反應(yīng)區(qū)。三相分離器：氣液固分離.形成顆粒污泥是UASB工藝的關(guān)鍵,關(guān)于顆粒污泥的形成機理.,55,厭氧生物處理,(2)UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：進水分配系統(tǒng)：配水均勻反應(yīng)區(qū)：顆粒和懸浮污泥三相分離：作用等于沉淀池,收集氣體,56,1)進水配水系統(tǒng)：功能：廢水均勻地分配到反應(yīng)器底部；水力攪拌；2)反應(yīng)區(qū)：分為污泥床區(qū)和污泥懸浮區(qū),污泥床區(qū)集中了高活性的顆粒污泥，污泥懸浮區(qū)是絮狀污泥集中的區(qū)域.3)三相分離器：功能:將氣,固,液分開;保證出水水質(zhì);維持反應(yīng)器內(nèi)污泥量;有利于污泥顆?；?,厭氧生物處理,57,UASB反應(yīng)器外觀,厭氧生物處理,58,UASB反應(yīng)器收集沼氣警示牌,厭氧生物處理,59,UASB反應(yīng)器沼氣收集管,厭氧生物處理,沼氣,60,UASB反應(yīng)器中間沉淀池表面有大量的沼氣釋放！,厭氧生物處理,61,厭氧生物處理,(3).UASB工藝特點：底部污泥濃度大,水力停留時間短(接近好氧),容積負荷高；底部污泥以顆粒存在,最大比重達1.041.08,污泥顆?；笫狗磻?yīng)器對不利條件的抗性增強,所以耐沖擊負荷；顆粒污泥的相對密度比人工載體小,在一定的水力負荷下,可以靠反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生的氣體來混合,可省去攪拌和回流污泥所需的設(shè)備和能耗；,62,厭氧生物處理,沉降良好的顆粒污泥避免了附設(shè)沉淀分離裝置,輔助脫氣裝置和回流污泥設(shè)備,簡化了工藝,節(jié)約了投資和運行費用；容積利用率高,無堵塞問題；處理效果好;需要分離器,如果污泥膨脹則污泥流失；啟動時間長,對水質(zhì)要求,(SS不能太高,排泥少,形成污泥密度低),對N,P去除效果差;操作管理要求高.,63,厭氧生物處理,(4)UASB反應(yīng)器中的(顆粒)污泥:顆粒污泥和懸浮污泥.反應(yīng)器底部是顆粒污泥,污泥濃度大;反應(yīng)器中部是懸浮污泥,污泥濃度較大.,64,UASB反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度特征A:水力負荷低B:水力負荷高,厭氧生物處理,A,B,65,顆粒污泥的性質(zhì):能在反應(yīng)器內(nèi)形成沉降性能良好、活性高的顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的重要特征，顆粒污泥的形成與成熟，也是保證UASB反應(yīng)器高效穩(wěn)定運行的前提.(1)顆粒污泥的外觀(2)顆粒污泥的組成(3)顆粒污泥的培養(yǎng)馴化,厭氧生物處理,顆粒污泥,66,厭氧生物處理,顆粒污泥層的形成與培養(yǎng)(反應(yīng)器啟動):(1)最初的污泥負荷應(yīng)低于0.10.2kgCOD/(kgSSd)；(2)廢水中原來存在和產(chǎn)生出來的各種揮發(fā)酸未能有效地分解之前，不應(yīng)增加反應(yīng)器負荷；(3)反應(yīng)器內(nèi)的環(huán)境條件應(yīng)控制在有利于厭氧細菌繁殖的范圍內(nèi)；(4)種泥量應(yīng)盡可能多，一般應(yīng)為1015kgVSS/m3；(5)控制一定的上升流速，允許多余的污泥沖洗出來，截留住重質(zhì)污泥。,67,厭氧生物處理,形成顆粒污泥層的過程：第一階段：啟動與提高污泥活性階段；有機負荷1kgCOD/（m3d），時間約11.5個月。第二階段：形成顆粒污泥階段；有機負荷選擇13kgCOD/（m3d），顆粒逐漸成長為直徑13mm左右的顆粒污泥，此階段11.5月。第三階段：逐漸形成顆粒污泥層階段。反應(yīng)器的有機負荷大于35kgCOD/（m3d），隨著負荷的提高，反應(yīng)器的污泥總量逐漸增加，污泥層逐漸提高，顆粒污泥層需要34個月。,68,厭氧生物處理,顆粒污泥性質(zhì)1.顆粒污泥的物理性質(zhì)(1)形狀不規(guī)則，一般呈球形或橢球形，直徑0.12mm左右，最大可達35mm；(2)顏色呈灰黑色或褐黑色；(3)相對密度一般為1.011.05左右；(4)污泥指數(shù)(SVI)與顆粒大小有關(guān)，顆粒污泥一般為10mL/gSS；(5)顆粒污泥在反應(yīng)器中的沉降速率一般為0.30.8m/h；2.顆粒污泥的成分含有微生物及分泌物外。一般都含有惰性物質(zhì)，還含有金屬離子。成熟的顆粒污泥，VSS/SS一般為7080，根據(jù)廢水性質(zhì)可在3090。,69,厭氧生物處理,(5)UASB反應(yīng)器中的結(jié)構(gòu)設(shè)計UASB反應(yīng)器在一定程度上還屬于較新的廢水處理工藝技術(shù)，在實際應(yīng)用過程中還存在著許多不確定因素，因此還沒有形成完善的工程設(shè)計的計算方法。UASB反應(yīng)器設(shè)計需要考慮的主要因素為：(1)廢水組成成分和固體含量；(2)有機容積負荷；(3)上升流速；(4)三相分離系統(tǒng)；(5)布水系統(tǒng)和水封高度等物理特性。,70,厭氧生物處理,廢水性質(zhì):廢水溶解性COD越高,負荷可以越大;進水SS不宜高于6g/L.上升流速:上升流速相當于表面水力負荷(m3/m2d),考慮污泥的沉降性能.,71,有效容積及主要構(gòu)造尺寸的確定：UASB反應(yīng)器的有效容積，一般將沉淀區(qū)和反應(yīng)區(qū)的總?cè)莘e作為反應(yīng)器的有效容積進行考慮，多采用進水容積負荷法確定，即：式中：Q-廢水流量，m3/d；Si-進水有機物濃度，mgCOD/l；Lv-COD容積負荷，kgCOD/m3d。,厭氧生物處理,72,UASB反應(yīng)器的容積負荷與反應(yīng)溫度、廢水性質(zhì)和濃度以及是否能夠在反應(yīng)器內(nèi)形成顆粒污泥等多種因素有關(guān)，在不同的反應(yīng)溫度下的進水容積負荷的選擇可參考如下數(shù)據(jù)：,厭氧生物處理,73,厭氧生物處理,三相分離器的結(jié)構(gòu)氣、固、液分離器又稱三相分離器，由沉淀區(qū)、集氣室(或稱集氣罩)和氣封組成，其功能是把氣體(沼氣)、固體(微生物)和液體分離。氣體被分離后進入集氣室(罩)，然后，固液混合液在沉淀區(qū)進行固液分離，下沉的固體藉重力由回流縫返回反應(yīng)區(qū)。,74,厭氧生物處理,三相分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖,75,厭氧生物處理,三相分離器的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面的因素：(1)沉淀器底部傾角應(yīng)較大，可選擇4560(2)沉淀器內(nèi)最大截面的表面水力負荷應(yīng)保持在us=0.7m3/m2d以下，水流通過液固分離孔隙的平均流速應(yīng)保持在u0=2m3/m2d以下；(3)氣體收集器間縫隙的截面面積不小于總面積的1520;(4)對于高為57m的反應(yīng)器，氣體收集器的高度應(yīng)為1.52m;(5)b100200mm；(6)控制氣室的水面高度及壓力。,76,厭氧生物處理,EGSB結(jié)構(gòu)示意圖：比UASB多出水循環(huán)系統(tǒng),膨脹的顆粒污泥,三相分離器,CH4,進水,出水,3.9厭氧膨脹顆粒污泥床(ExpandedGranularSludgeBed,EGSB):與UASB比,具有更高的液體升速,使顆粒污泥床處于膨脹狀態(tài).,77,厭氧生物處理,EGSB特點：工作區(qū)為流態(tài)化的初期,即膨脹階段,進水流速較低,在充分保證進水基質(zhì)與污泥顆粒接觸的條件下,加速生化反應(yīng),增加容積負荷；反應(yīng)器高度大-占地面積小;有利于減輕或消除靜態(tài)床(如UASB)中常見的底部負荷過重的狀況,增加對毒物的承受能力,更耐沖擊負荷;避免反應(yīng)器內(nèi)死角和短流,均勻了負荷,運行穩(wěn)定;為使污泥膨脹,采用出水循環(huán),需要更高的動力;,78,厭氧生物處理,3.10內(nèi)循環(huán)式厭氧反應(yīng)器(InternalCirculation,簡稱IC):IC反應(yīng)器實際上是由底部和上部兩個UASB反應(yīng)器串聯(lián)疊加而成。反應(yīng)器具有兩個三相分離器,使生物量得到有效滯留：進水和循環(huán)回流的泥水在膨