厭氧生物處理(環(huán)保培訓(xùn)課件）

1、厭氧生物處理9-1厭氧生物處理的基本原理 9-2厭氧處理技術(shù)的發(fā)展 9-3 厭氧處理的主要優(yōu)點(diǎn) 9-4 厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì) 厭氧生物處理的基本原理9.1.1 厭氧發(fā)酵過程 9.1.2 甲烷菌在發(fā)酵中的重要地位 厭氧發(fā)酵過程一、早期的理論 二、厭氧處理的四階段（三階段）理論 早期理論有機(jī)物的厭氧分解分為兩個(gè)階段酸性發(fā)酵和堿性發(fā)酵階段，其中酸性發(fā)酵產(chǎn)酸菌利用胞外酶將復(fù)雜的大分子水解成小分子，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸。此階段也稱產(chǎn)酸階段。堿性發(fā)酵甲烷細(xì)菌利用上階段產(chǎn)生的有機(jī)酸為底物，生成甲烷和CO2。此階段又稱為甲烷發(fā)酵階段。 厭氧處理的四階段理論 兩階段理論作為厭氧處理的基本理論，多年來一直為人們所認(rèn)可

2、。直到60年代末期，人們對(duì)厭氧過程進(jìn)行了深入的研究，尤其是對(duì)其中發(fā)揮重要作用的甲烷細(xì)菌的研究表明，甲烷細(xì)菌在厭氧處理過程中發(fā)揮了極其重要的作用，它只能以乙酸、甲酸氫等極少數(shù)的物質(zhì)為底物。因此，厭氧過程中還應(yīng)該有產(chǎn)生甲烷菌底物的步驟。于是，厭氧處理理論發(fā)展為三階段（或四階段）理論。 厭氧處理的四階段理論1、水解階段 2、酸化階段 3、產(chǎn)乙酸階段 4、甲烷化階段 三階段（四階段）理論見圖9-1-1 水解階段 兼性和部分專性厭氧細(xì)菌發(fā)揮作用，復(fù)雜的大分子有機(jī)物被胞外酶水解成小分子的溶解性有機(jī)物 酸化階段溶解性有機(jī)物由兼性或?qū)Ｐ詤捬跫?xì)菌經(jīng)發(fā)酵作用轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸、醇、醛、CO2和H2。 有時(shí)將上述兩個(gè)階段

3、合為一個(gè)階段，稱水解酸化階段。 產(chǎn)乙酸階段 專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將上階段的產(chǎn)物進(jìn)一步利用，生成乙酸和H2、CO2；同時(shí)同型乙酸細(xì)菌將H2和CO2合成乙酸，有時(shí)也將乙酸分解成H2和CO2。 甲烷化階段產(chǎn)甲烷菌（最嚴(yán)格的專性厭氧菌）利用乙酸、H2、CO2和一碳化合物產(chǎn)生CH4。轉(zhuǎn)化的途徑為：CH3COOH CH4 + CO2CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O上述階段不再象以前認(rèn)為的那樣是簡(jiǎn)單的接續(xù)關(guān)系，而是一個(gè)復(fù)雜平衡的生態(tài)系統(tǒng)，存在著互生、共生關(guān)系。甲烷菌在發(fā)酵中的重要地位一、甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求 二、甲烷化的意義 厭氧處理法的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用范圍廣有機(jī)容積負(fù)荷高污泥少，沉降性能好動(dòng)力消耗低營(yíng)

4、養(yǎng)鹽少降解有機(jī)物種類多對(duì)水溫適應(yīng)范圍廣缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，降解慢出水水質(zhì)差，要與好氧連接甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求在厭氧生物處理中，甲烷化是非常重要的一個(gè)階段，只有經(jīng)過甲烷化才能使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為不溶性的甲烷氣體從而與水分離，既回收了能源，又達(dá)到了廢水處理的目的。因此，甲烷細(xì)菌是厭氧處理中至關(guān)重要的微生物。在進(jìn)行厭氧處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量創(chuàng)造適宜于甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境條件，保證甲烷化的正常進(jìn)行。 微生物學(xué)中我們知道，甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)非常緩慢，對(duì)環(huán)境條件的要求很苛刻，因此甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)是整個(gè)發(fā)酵過程的控制步驟。 甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求1、溫度甲烷細(xì)菌在常溫下生長(zhǎng)較為緩慢，一般采用中溫或高溫發(fā)酵中溫：3238 高溫：5

5、0552、pH一般pH68，最佳6.87.2 甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求3、營(yíng)養(yǎng)需求由于甲烷菌的產(chǎn)率低，因此營(yíng)養(yǎng)需求也較低未經(jīng)酸化的廢水 CODBD：N：P=350：5：1完全酸化的廢水 CODBD：N：P=1000：5：1甲烷細(xì)菌的化學(xué)組成中，鐵、鈷和鎳的含量相對(duì)其它微生物較高，因此在缺乏此類物質(zhì)的廢水中應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充，以免處理過程中產(chǎn)生痕量金屬缺乏引起的負(fù)荷率降低。 甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求4、有毒物質(zhì) 處于溶解狀態(tài)的有毒物質(zhì)才顯毒性，如重金屬、NH3、硫化物（H2S）等。高濃度游離態(tài)的NH3對(duì)甲烷細(xì)菌活性影響很大，在味精廢水的厭氧處理中反應(yīng)器較難成功運(yùn)轉(zhuǎn)的主要原因之一就是游離NH3含量太高，因此對(duì)預(yù)處

6、理脫NH3的要求高；當(dāng)進(jìn)水中COD：SO42-2時(shí)采用多級(jí)厭氧可以防止S2-對(duì)甲烷細(xì)菌生長(zhǎng)產(chǎn)生的影響 甲烷菌生長(zhǎng)的環(huán)境要求 目前已分離出9個(gè)屬，14個(gè)種的甲烷細(xì)菌。 甲烷菌具有一種獨(dú)特的輔酶F420，一種低分子量的熒光物質(zhì)，在紫外光照下發(fā)出熒光，其主要作用是在電子傳遞方面。對(duì)測(cè)定甲烷菌的生物量和活性有重要實(shí)用意義。 甲烷化的意義從厭氧處理的理論可知，厭氧去除有機(jī)物有三條途徑：一是合成，其量極??；二是通過產(chǎn)H2、CO2，可去除部分有機(jī)物，但產(chǎn)能少；三是產(chǎn)CH4，可大量回收能量，大幅度去除有機(jī)物。 因此，廢水處理中利用厭氧微生物去除有機(jī)物通?？刹捎脙煞N方法：一是利用產(chǎn)H2和CO2，二是產(chǎn)CH4。

7、甲烷化的意義 由于甲烷細(xì)菌的生長(zhǎng)是整個(gè)厭氧發(fā)酵過程的控制步驟，實(shí)現(xiàn)甲烷化要求的時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)甲烷細(xì)菌對(duì)環(huán)境條件要求苛刻，使得有些廢水對(duì)預(yù)處理要求非常高。對(duì)這一類廢水的厭氧處理，可設(shè)法通過對(duì)環(huán)境條件的控制，使厭氧發(fā)酵處于產(chǎn)H2產(chǎn)乙酸階段，通過產(chǎn)H2和CO2來達(dá)到去除有機(jī)物的目的，但回收的能源較甲烷化少得多； 對(duì)易生化的廢水，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)甲烷化，這樣既可較為徹底地去除有機(jī)物，又可回收大量能量。在實(shí)際工程中有非常重大的意義，進(jìn)水COD10000mg/L的廢水厭氧處理，其回收能量產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益完全可以抵消運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，這對(duì)企業(yè)來講是非常具有吸引力的。 甲烷化的意義厭氧處理技術(shù)的發(fā)展9.2.1 早期的厭氧工藝

8、9.2.2 厭氧工藝的新發(fā)展 早期的厭氧工藝一、化糞池 二、殷霍夫池（雙層沉淀池） 三、普通消化池 四、厭氧接觸法 化糞池普通化糞池見圖9-2-1。1、適用范圍：主要是住宅和公用建筑生活污水的處理 2、流程： 3、功能：攔截生活污水中的懸浮固體（糞便等）并進(jìn)行消化；對(duì)溶解和膠體狀態(tài)的有機(jī)物無作用。 殷霍夫池 它是污水沉淀與污泥自然消化在同一構(gòu)筑物內(nèi)完成，見圖9-2-2。該池管理簡(jiǎn)單，適合于小型污水處理廠，如小城鎮(zhèn)、生活小區(qū)的污水處理。 普通消化池 1、適用范圍：用于污泥消化 2、池型：基本池型有圓柱型、蛋型，見圖9-2-3。 3、構(gòu)造：包括污泥的投配、排泥及溢流系統(tǒng)，沼氣排出、收集與貯氣設(shè)備、

9、攪拌設(shè)備、加溫設(shè)備等。 4、功能：使剩余污泥中的有機(jī)成分得以降解，污泥得以穩(wěn)定化，生污泥變熟污泥。 污泥投配管通常設(shè)于污泥上層，用于向池內(nèi)投加污泥，排泥管設(shè)在消化池底部，作為排出消化污泥之用，管徑一般大于200mm；溢流管主要考慮在池內(nèi)受壓狀態(tài)下溢流，應(yīng)避免與大氣相通，常用的溢流管有倒虹管式、大氣壓式和水封式，見圖9-2-4。 污泥的投配、排泥及溢流系統(tǒng)沼氣排出、收集與貯氣設(shè)備 采用沼氣管排氣，集氣時(shí)應(yīng)保證均勻集氣；貯氣設(shè)備有固定蓋式和浮蓋式兩類，浮蓋式可調(diào)節(jié)出氣壓力，目前使用較為廣泛，見圖9-2-5。 攪拌設(shè)備 常用的攪拌方式有機(jī)械攪拌、泵水射器攪拌及沼氣攪拌。 機(jī)械攪拌現(xiàn)已不常用；泵水射器

10、攪拌是利用水泵壓力將污泥經(jīng)水射器噴如池內(nèi)，水射器處吸入已消化污泥（熟污泥），使生、熟污泥混合，一般生、熟污泥之比為1：（35）；沼氣攪拌是利用壓縮后的沼氣通過配氣管注入池中，使生、熟污泥混合的一種方式，由于沒有機(jī)械磨損、攪拌充分而廣為使用（見圖9-2-3）。 加溫設(shè)備 由于污泥消化通常采用中溫或高溫消化，因此需對(duì)投加的污泥進(jìn)行加溫。加溫方式有兩種：一是池內(nèi)直接加溫，一是池外間接加溫。池內(nèi)加溫可能導(dǎo)致污泥局部受熱過度、加熱管、盤外結(jié)垢等，較少使用；池外加溫是通過熱交換器將生污泥加至一定溫度以補(bǔ)充由于池壁及管道散熱造成的熱損失、從而維持池內(nèi)的消化溫度。 厭氧接觸法1、適用范圍：高濃度有機(jī)廢水 2、

11、工藝流程：見圖9-2-6 3、功能：大幅度降解廢水中的有機(jī)物；回收能源沼氣 4、特點(diǎn) 停留時(shí)間長(zhǎng)，效率不高 構(gòu)筑物體積龐大，投資高 混合液中挾帶氣泡，泥水分離效率低，易造成污泥流失 厭氧工藝的新發(fā)展 七十年代初起，人們針對(duì)早期厭氧處理工藝的不足，提出了一些改進(jìn)思路：設(shè)法增加構(gòu)筑物中的微生物濃度設(shè)法改善微生物與廢水接觸的條件提高氣、液、固三相分離的效率根據(jù)消化分階段的理論，合理設(shè)計(jì)工藝流程一、厭氧濾池 二、上流式厭氧污泥床(UASB) 三、厭氧膨脹床或流化床（AAFEB或AFB）四、兩相厭氧消化法 五、厭氧折流板（ABR） 厭氧工藝的新發(fā)展厭氧濾池1、上流式：1969年，美國(guó)斯坦福大學(xué)Young

12、 &Mc Carty 發(fā)明（見圖9-2-7）適用范圍：含SS低的高濃度有機(jī)廢水厭氧處理，低濃度有機(jī)廢水厭氧水解構(gòu)造：池體、填料、進(jìn)出水設(shè)備及沼氣排出和收集設(shè)備組成。底部進(jìn)水、上部出水；填料浸沒在水中，微生物附著生長(zhǎng)在填料上，填料用碎石、卵石等，微生物量大，負(fù)荷高，F(xiàn)v可達(dá)1015kgCOD/m3d，污泥停留時(shí)間（SRT）可達(dá)100天左右。沼氣由頂部收集并經(jīng)沼氣管排出。 厭氧濾池特點(diǎn)： 微生物濃度高（1020gVSS/L），不需攪拌設(shè)備； 不需單設(shè)泥水分離設(shè)備，出水SS低； 設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便； 濾料費(fèi)用高，容易堵塞，清洗困難； 容積利用率低。 厭氧濾池2、下流式：由加拿大Kennendy等人發(fā)

13、明一般采用塑料填料，F(xiàn)v可達(dá)310 kgCOD/m3d近年來有采用軟性、半軟性填料的AF反應(yīng)器，可解決堵塞問題，但掛膜較困難。 上流式厭氧污泥床 1974年，由荷蘭Lattinga等人發(fā)明 適用范圍：高濃度有機(jī)廢水厭氧處理，低濃度有機(jī)廢水厭氧水解、剩余污泥消化 構(gòu)造： 見圖9-2-8、9-2-9 分三個(gè)區(qū)： 底部污泥床：X=6080g/L，高濃度、高活性。 普通活性污泥法1.53g/L，純氧57g/L 懸浮層：由于氣、液上升，以及氣泡附著于污泥顆粒上，使污泥密度降低，導(dǎo)致部分污泥呈懸浮狀態(tài) 澄清區(qū)（沉淀區(qū)）：主要是三相（氣、液、固）分離器（有多種專利）上流式厭氧污泥床上流式厭氧污泥床 （3）特

14、點(diǎn)：平均污泥濃度可達(dá)40g/L，F(xiàn)v=1020kgCOD/m3d，簡(jiǎn)單廢水可達(dá)40 kgCOD/m3d；污泥攔截性能好；良好的污泥床形成相當(dāng)穩(wěn)定的生物相，污泥絮體沉降性能好，負(fù)荷高，去除效率高，可達(dá)9095%；無需攪拌，對(duì)沖擊負(fù)荷和pH、溫度變化有一定適應(yīng)能力；通過控制上升流速，可形成顆粒污泥，增加三相分離效果，提高處理穩(wěn)定性；關(guān)鍵技術(shù)：防止短流的配水技術(shù)、三相分離上流式厭氧污泥床上流式厭氧污泥床 多年來，UASB通常有兩種：一種是顆粒污泥UASB，另一種是絮凝污泥UASB。為了提高UASB反應(yīng)器的高度采用了較大的上升流速，產(chǎn)生了膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器EGSB。EGSB采用了更高的上升流速和更大

15、的高徑比，上升流速可以通過采用大的回流比來保證。近年來，UASB已有進(jìn)一步的發(fā)展，充分利用進(jìn)水動(dòng)力以及中心進(jìn)水管內(nèi)外的污泥密度差形成內(nèi)循環(huán)，增加廢水與污泥的混合接觸次數(shù)，提高容積利用率，稱為ICUASB（內(nèi)循環(huán)UASB）。 厭氧膨脹床或流化床 1974年，由美國(guó)Jewell 發(fā)明。 結(jié)構(gòu)上類似于兩相好氧流化床，利用隋性濾料作為載體，上升水流使之部分或全部流態(tài)化。提高了積累污泥的能力，從而提高了處理效率，可以處理較低濃度的廢水。 兩相厭氧消化法 又稱兩段式厭氧消化法，是根據(jù)厭氧分階段理論而提出的。兩相厭氧消化將水解發(fā)酵與產(chǎn)甲烷過程分開在兩個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行，使不同類型的微生物都能在各自最佳的條件下生

16、長(zhǎng)繁殖。 主要通過控制不同條件，縮短第一階段停留時(shí)間，減小反應(yīng)器總?cè)莘e，優(yōu)化運(yùn)行條件。 兩相厭氧消化法適用范圍：特別適用于處理含有能抑制甲烷菌生長(zhǎng)的物質(zhì)的有機(jī)廢水。流程：將兩個(gè)厭氧反應(yīng)器串聯(lián)，控制各段的停留時(shí)間和負(fù)荷，必要時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器之間可有其他分離措施。（見圖9-2-10）功能：第一段實(shí)現(xiàn)水解酸化，緩沖進(jìn)水沖擊負(fù)荷，轉(zhuǎn)化部分有毒有害物質(zhì)（如NH3、SO42-等）；第二段完成甲烷化，大量去除有機(jī)物。一般第一段停留時(shí)間短，第二段停留時(shí)間長(zhǎng)；第一段負(fù)荷高，第二段負(fù)荷低。 厭氧折流板由美國(guó)Mc Carty教授發(fā)明 適用范圍：同UASB，但低濃度厭氧水解時(shí)混合較差構(gòu)造：如圖9-2-11所示包括上向流

17、室、下向流室、進(jìn)出水設(shè)備及集氣設(shè)備等。下向流室窄、流速大，可使上向流室的污泥部分懸浮；上向流室寬，是廢水處理的主要場(chǎng)所。泥水混合主要靠氣泡的上升攪拌作用。污泥濃度可達(dá)2030g/L，最高達(dá)78g/L；Fv=1020KgCOD/m3.d。 厭氧處理的主要優(yōu)點(diǎn)新型厭氧反應(yīng)器共同特點(diǎn):以不同方式在反應(yīng)器中積累大量活性厭氧微生物，改善了處理設(shè)備性能。厭氧條件下，微生物的代謝活動(dòng)不受氧傳質(zhì)的限制和影響，只要保證充分接觸，就可能有效地提高效率。利用有機(jī)物通過發(fā)酵途徑分解，產(chǎn)能水平低，維持一定量的厭氧微生物生命活動(dòng)消耗基質(zhì)量大的原理，大大提高了單位反應(yīng)器處理能力。 厭氧處理的主要優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)：適用于多

18、種工業(yè)有機(jī)廢水，食品加工、輕工、制革、制藥、造紙等行業(yè)；加強(qiáng)對(duì)低濃度廢水處理的研究，如城市廢水； 低溫條件應(yīng)用的研究 厭氧處理的主要優(yōu)點(diǎn)1、有機(jī)負(fù)荷高，處理效率高；2、剩余污泥少；3、可以產(chǎn)生甲烷，用作能源；4、厭氧條件一些難以降解的有機(jī)物可以獲得降解；5、不用曝氣，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。 厭氧反應(yīng)器的設(shè)計(jì)9.4.1 構(gòu)筑物選型 9.4.2 體積計(jì)算9.4.3 沼氣產(chǎn)量9.4.4 簡(jiǎn)化熱力計(jì)算 構(gòu)筑物選型 根據(jù)廢水的水質(zhì)、水量特征以及處理要求，可選擇不同的厭氧處理反應(yīng)器或工藝，其原則是經(jīng)濟(jì)、高效、耐用、不易產(chǎn)生故障等。 體積計(jì)算常用設(shè)計(jì)參數(shù)為水力停留時(shí)間（T）和容積負(fù)荷（Fv）。反應(yīng)器容積V： （9-1）式中：Q廢水流量，m3/d t停留時(shí)間，d 體積計(jì)算或按容積負(fù)荷計(jì)算：（9-2）式中：S0原水COD，Kg/m3 Fv容積負(fù)荷，KgCOD/m3.dt及Fv的選擇，應(yīng)考慮同類廢水的處理經(jīng)驗(yàn)或以小試、中試資料為依據(jù)。 沼氣產(chǎn)量以每氧化1gCOD產(chǎn)生0.35LCH4計(jì)算，可算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每天產(chǎn)生的CH4體積，然后按查理定律計(jì)算出實(shí)際溫度下的體積： （9-3） 當(dāng)然，CH4體積只能是沼氣體積的一部分