厭氧生化法全解課件

1、厭氧生化法The Anaerobic Processes15.1 概 述15.2 厭氧生物處理基本原理15.3 厭氧生物處理工藝和設(shè)備15.4 厭氧法的影響因素 15.5 產(chǎn)氣量計算15.6 厭氧法工藝的新進(jìn)展15.1 概 述厭氧生物處理是環(huán)境工程與能源工程中的一項(xiàng)重要技術(shù)。以前，多用于剩余污泥、有機(jī)廢棄物及部分高濃度有機(jī)廢水的處理。目前，不僅用于處理剩余污泥和高濃度有機(jī)廢水，也用于處理中、低濃度有機(jī)廢水，包括城市污水。1 厭氧法的主要特點(diǎn)（1）適用范圍廣好氧法：中、低濃度有機(jī)廢水。厭氧法：高、中、低濃度有機(jī)廢水；好氧難降解有機(jī)物 （如固體有機(jī)物、某些偶氮染料等）。（2）能耗低好氧法：曝氣費(fèi)用

2、隨著有機(jī)物濃度的增加而增大。厭氧法：不充氧，且沼氣可作為能源。 當(dāng)原水BOD5達(dá)到1500mg/L時，厭氧處理即有能量剩余。 厭氧法的動力消耗約為活性污泥法的1/10。（3）高負(fù)荷好氧：2-4 kgBOD/(m3d)厭氧：2-lO kgCOD/(m3d)，高的可達(dá)50 kgCOD/(m3d)。（4）剩余污泥產(chǎn)率低，濃縮性、脫水性良好 好氧：0.4-O.6 kg生物量/kgCOD 厭氧：0.02-0.l kg生物量/l kgCOD 消化污泥在衛(wèi)生學(xué)和化學(xué)上是穩(wěn)定的。（5）氮、磷營養(yǎng)需要量較少好氧：BOD:N:Pl00:5:1厭氧：BOD:N:Pl00:2.5:0.5（6）有殺菌作用（7）污泥易貯

3、存（1）厭氧微生物增殖緩慢，厭氧設(shè)備啟動和厭氧處理所需時間比好氧長；（2）出水達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，需進(jìn)一步處理，一般在厭氧處理后串聯(lián)好氧處理；（3）厭氧處理系統(tǒng)操作控制因素較為復(fù)雜；（4）厭氧過程產(chǎn)生氣味對空氣有污染。2 缺 陷 廢水厭氧生物處理是指在無分子氧條件下通過厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物質(zhì)的過程，也稱為厭氧消化(anaerobic digestion)15.2 厭氧法的基本原理一、基本原理第一階段普通厭氧菌碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)消化有機(jī)酸

4、、乙醇、乙醛第二階段絕對厭氧菌甲烷二氧化碳消化細(xì)胞合成新細(xì)胞酶細(xì)胞合成厭氧消化兩階段示意圖1 兩階段理論（30-60年代）第一階段：發(fā)酵階段 又稱產(chǎn)酸階段或酸性發(fā)酵階段；進(jìn)行水解和酸化，產(chǎn)物主要是脂肪酸、醇類、CO2和H2等； 主要參與微生物：發(fā)酵細(xì)菌或產(chǎn)酸細(xì)菌； 特點(diǎn)：1）生長快； 2）適應(yīng)性（溫度、pH等）強(qiáng)。 第二階段：產(chǎn)甲烷階段 又稱堿性發(fā)酵階段；產(chǎn)甲烷菌將前一階段的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為CH4和CO2； 主要參與微生物：產(chǎn)甲烷菌； 特點(diǎn)：1）生長慢； 2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）敏感。在厭氧消化系統(tǒng)中微生物主要分為兩大類：非產(chǎn)甲烷菌（non-menthanogens）和產(chǎn)甲烷細(xì)菌（me

5、nthanogens）。 產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的特性參數(shù)參數(shù)產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)酸菌對pH的敏感性敏感，最佳pH為6.87.2不太敏感，最佳pH為5.57.0氧化還原電位Eh-350mv(中溫)，-560mv(高溫)2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500酸堿度、pH值和消化液的緩沖作用 微生物活性與pH有密切的關(guān)系，pH值變化直接影響著消化過程和產(chǎn)物，過高或過低pH對微生物是不利的。表現(xiàn)在：1pH的變化引起微生物體表面電荷變化，影響微生物對營養(yǎng)物的吸收；2pH可促使有機(jī)化合物的

6、離子化作用，多數(shù)非離子狀態(tài)化合物比離子狀態(tài)化合物更易滲入細(xì)胞；3酶在最適宜的pH值時發(fā)揮最大活性。 15.3 厭氧法的工藝和設(shè)備1 化糞池（Septic Tank）用于處理來自廁所的糞便廢水。曾廣泛用于不設(shè)污水廠的合流制排水系統(tǒng)。2 厭氧消化池 （Digester ）常用密閉圓柱形池，廢水定期或連續(xù)進(jìn)入池中，經(jīng)消化的污泥和廢水分別由池底和上部排出，所產(chǎn)沼氣從頂部排出。池形：圓柱形和蛋形兩種。構(gòu)造：主要包括污泥的投配、排泥及溢流系統(tǒng)，沼氣排出、收集與貯氣設(shè)備、攪拌設(shè)備及加溫設(shè)備等。 溢流系統(tǒng)貯氣設(shè)備加溫設(shè)備 主要應(yīng)用：剩余污泥和固體含量很高的有機(jī)廢水； 主要作用： 部分有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託猓?部分有

7、機(jī)物形成穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)； 提高污泥的脫水性能； 減少污泥體積（可達(dá)1/2以上）； 致病微生物也得到了一定程度的滅活。3 厭氧接觸法（anaerobic contact process）消化池后設(shè)沉淀池，將沉淀污泥回流至消化池，形成厭氧接觸法。特點(diǎn)：（1）污泥回流保持消化池內(nèi)較高污泥濃度（10-15g/L），耐沖擊能力強(qiáng)；（2）容積負(fù)荷較普通消化池高（中溫消化時為2-l0kgCOD/m3d），水力停留時間比普通消化池短（常溫下普通消化池為15-30天，而接觸法小于10天）；（3）可直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題；4 厭氧生物濾池（Anaerobic Biofilte

8、r）優(yōu)點(diǎn)：（1）生物固體濃度高，有機(jī)負(fù)荷高, SRT長，可縮短HRT， 耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；（2）廢水與生物膜接觸面大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程，有機(jī)物去除速度快；5 升流式厭氧污泥層(床)反應(yīng)器Upflow Anaerobic Sludge Blanket (Bed) Reactor上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB反應(yīng)器），是荷蘭G. Lettnga等人在70年代初研制開發(fā)的。污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒有載體，是一種懸浮生長型的消化器。由反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)和氣室三部分組成。池形有圓形、方形、矩形。小型裝置常為圓柱形，底部呈錐形或圓弧形。大型裝置為便于設(shè)置氣、液、固三相分離器，一般為矩形，高度一般為3-8m，其中污泥床

9、1-2m，污泥懸浮層2-4m，多用鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，(2)反應(yīng)區(qū)： 污泥床區(qū):集中大部分高活性的顆粒污泥，是有機(jī)物的主要降解場所； 污泥懸浮區(qū):絮狀污泥集中的區(qū)域。A、組成：由沉淀區(qū)、回流縫和氣封組成 ；B、功能： 保證出水水質(zhì)； 將氣體(沼氣)、固體(污泥)、和液體(出水)分開； 保證反應(yīng)器內(nèi)污泥量； 有利于污泥顆?；?把沉淀區(qū)的處理后的廢水均勻地加以收集，并排出反應(yīng)器；(5)氣室：也稱集氣罩，主要作用是收集沼氣；(1)進(jìn)水配水系統(tǒng)： 將廢水均勻地分配到整個反應(yīng)器的底部； 水力攪拌； UASB反應(yīng)器結(jié)構(gòu)工藝特征 反應(yīng)器上部設(shè)置了氣、固、液三相分離器； 在反應(yīng)器底部設(shè)置了均勻布水系統(tǒng)；

10、反應(yīng)器內(nèi)的污泥能形成顆粒污泥： 顆粒污泥的平均濃度為50gVss/l以上； 反應(yīng)器的HRT相應(yīng)較短，SRT較長； 反應(yīng)器具有很高的容積負(fù)荷；適合于處理高濃度的有機(jī)工業(yè)廢水， 具有良好的沉降性能和很高的產(chǎn)甲烷活性。上流式厭氧污泥床反應(yīng)器特點(diǎn):（a）污泥濃度高 平均濃度：30-40g/L， 底部：60-80g/L 污泥懸浮層(sludge blanket)：5-7g/L 由顆粒污泥(sludge granules)組成，直徑在0.5-5.0mm之間，顆粒污泥是UASB反應(yīng)器的一個重要特征。（b）有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負(fù)荷一般為10-20kg COD/（m3d）；（c）反應(yīng)

11、器內(nèi)設(shè)三相分離器，被沉淀區(qū)分離的污泥能自動回流到反應(yīng)區(qū)，一般無污泥回流設(shè)備；（d）無混合攪拌設(shè)備。利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來攪動；（e）污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價及避免堵塞問題；（f）短流現(xiàn)象影響處理能力。進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高，以免對污泥顆粒化不利或減少反應(yīng)區(qū)的有效容積，甚至引起堵塞；（g）運(yùn)行啟動時間長，對水質(zhì)和負(fù)荷突然變化比較敏感。Anaerobic Sludge Granules6 厭氧擋板反應(yīng)器 主要特點(diǎn)： 與厭氧生物轉(zhuǎn)盤相比，可省去轉(zhuǎn)動裝置； 與UASB相比，可不設(shè)三相分離器而截流污泥； 反應(yīng)器啟動運(yùn)行時間較短，遠(yuǎn)行較穩(wěn)定； 不需設(shè)置混

12、合攪拌裝置；不存在污泥堵塞問題；7 兩相厭氧生物處理與兩級厭氧生物處理兩相厭氧消化：根據(jù)消化機(jī)理設(shè)計。 目的：改善厭氧消化條件，從而減少池容與能耗。 特點(diǎn)： 第一相： 處于水解與發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段（即消化的第一、二階段）。 需加熱、攪拌。 第二相： 處于產(chǎn)甲烷階段（即消化的第三階段）需加熱、攪拌。 優(yōu)點(diǎn)： （1） 總?cè)莘e小 （2） 加熱耗熱量少，攪拌能耗少 （3） 運(yùn)行管理方便兩相工藝最本質(zhì)的特征：實(shí)現(xiàn)相的分離。 方法主要有： 化學(xué)法：投加抑制劑或調(diào)整氧化還原電位，抑制產(chǎn)甲烷菌在產(chǎn)酸相中生長； 物理法：選擇性的半透明膜使進(jìn)入兩個反應(yīng)器基質(zhì)有顯著差別，實(shí)現(xiàn)相分離； 動力學(xué)控制法：利用產(chǎn)酸菌和產(chǎn)

13、甲烷菌在生長速率上的差異，控制兩個反應(yīng)器的水力停留時間，使產(chǎn)甲烷菌無法在產(chǎn)酸相中生長；主要優(yōu)點(diǎn)： 有機(jī)負(fù)荷比單相工藝明顯提高； 產(chǎn)甲烷相中產(chǎn)甲烷菌活性得到提高，產(chǎn)氣量增加； 運(yùn)行更加穩(wěn)定，承受沖擊負(fù)荷的能力較強(qiáng)；兩級消化：根據(jù)沼氣產(chǎn)生的規(guī)律（如下）設(shè)計。 目的：節(jié)省能量（節(jié)省污泥加溫與攪拌的部分能量） 特點(diǎn)：第一級：加熱（3335）、攪拌； 第二級：不加熱（2026）、不攪拌（可視為污泥濃縮池用）。 根據(jù)廢水有機(jī)物化學(xué)組成計算產(chǎn)氣量 用化學(xué)經(jīng)驗(yàn)方程式計算產(chǎn)氣量，對不含氮的有機(jī)物可用以下巴斯維爾（Buswell和Mueller）通式計算: 根據(jù)COD與產(chǎn)氣量關(guān)系計算 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1mol甲烷相

14、當(dāng)于2mol（或64g）COD，則還原1gCOD相當(dāng)于生成22.4/64=0.35L甲烷。 1 理論產(chǎn)氣量計算15.5 厭氧產(chǎn)氣量計算 產(chǎn)氣率受物料的性質(zhì)、工藝條件以及管理技術(shù)水平等多種因素的影響。物料的性質(zhì)：脂類（類脂物）蛋白質(zhì)碳水化合物COD濃度：濃度越低，單位有機(jī)物的甲烷產(chǎn)率越低甲烷含量：甲烷含量越高，在水中的溶解度越大，實(shí)際產(chǎn)氣率越低。生物相：硫酸鹽還原菌及反硝化細(xì)菌等使產(chǎn)氣率下降。工藝條件：不同的工藝條件產(chǎn)氣率不同。2 實(shí)際產(chǎn)氣率分析發(fā)展思路：處理效能與微生物活性與數(shù)量直接相關(guān)1.持留厭氧活性污泥 增設(shè)攪拌裝置，發(fā)展高效厭氧消化器，但SRT與HRT相等，提高水力負(fù)荷，導(dǎo)致污泥流失。延

15、長SRT成為提高效能的關(guān)鍵。 泥水分離：增設(shè)沉淀池，如厭氧接觸反應(yīng)器。 克服分離難題：通過培養(yǎng)顆粒污泥和設(shè)置三相分離器等措施，如UASB。2.提高厭氧污泥活性 三大類厭氧消化菌群：發(fā)酵菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群。 為提高微生物活性，采用兩相厭氧工藝。15.6 厭氧生物處理工藝的新進(jìn)展 高效厭氧反應(yīng)器的條件：一是保持大量的厭氧污泥和足夠的活性；二是保持廢水與污泥之間的充分接觸。 為了滿足第一個條件，可以采用固定化（生物膜）或沉淀性能良好的活性污泥（顆粒污泥）的方式。這一類反應(yīng)器可以劃分為第二代厭氧反應(yīng)器。如：厭氧濾器、厭氧流化床、UASB反應(yīng)器。 為了滿足第二個條件，必須采用高攪拌強(qiáng)度，措

16、施包括高的反應(yīng)器或者出水回流，這類反應(yīng)器稱為第三代厭氧反應(yīng)器。如：厭氧顆粒膨脹床反應(yīng)器（EGSB）、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器（IC）、厭氧折板反應(yīng)器（ABR）、厭氧序批式反應(yīng)器（ASBR）等。1 內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器(Internal Circulation,IC) 由荷蘭PAQUES公司于20世紀(jì)80年代中期研制； 基于USAB概念而改進(jìn)的新型反應(yīng)器； 第三代厭氧生物反應(yīng)器；基本構(gòu)造IC反應(yīng)器由第一厭氧反應(yīng)室和第二厭氧反應(yīng)室疊加而成.每個厭氧反應(yīng)室的頂部各設(shè)有一個氣固液 三相分離器，如兩個UASB反應(yīng)器單元上下重疊串聯(lián)。1-進(jìn)水氣液分離器7-出水管2-沉淀區(qū)3-集氣管5-沼氣導(dǎo)管6-回流管4-三相分離器

17、工作原理第一個UASB反應(yīng)器產(chǎn)生的沼氣作為動力，實(shí)現(xiàn)下部混合液的內(nèi)循環(huán)，使廢水獲得強(qiáng)化的預(yù)處理；IC反應(yīng)器實(shí)際上是由兩個上下重疊的UASB反應(yīng)器串聯(lián)組成。第二個UASB反應(yīng)器對廢水繼續(xù)進(jìn)行后處理，使出水可達(dá)到預(yù)期的處理要求。IC反應(yīng)器的技術(shù)特點(diǎn)A、優(yōu)點(diǎn)：（1）容積負(fù)荷率高，水力停留 時間短；（2）基建投資省，占地面積??；（3）節(jié)省能耗；（4）具有緩沖pH變化的能力；（5）出水水質(zhì)穩(wěn)定；B、缺點(diǎn)：（1）出水中含較多的細(xì)微顆粒，加重后續(xù)處理的負(fù)擔(dān)；（2）反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，增加了安裝和維護(hù)困難； 二、厭氧顆粒污泥膨脹床（EGSB） 是改進(jìn)的UASB反應(yīng)器，與UASB結(jié)構(gòu)相同，運(yùn)行不同通過維持較高

18、的水流上升速度使顆粒污泥處于懸浮狀態(tài)，或采用出水回流獲得較高的攪拌強(qiáng)度，保證進(jìn)水與顆粒污泥充分接觸第三代厭氧反應(yīng)器的主要代表工藝之一 工藝流程廢水由底部進(jìn)入反應(yīng)器，通過富含厭氧菌的顆粒污泥，膨脹區(qū)，在厭氧菌的作用下，COD大量去除，同時產(chǎn)生大量沼氣，在反應(yīng)器的頂部通過三相分離器的作用，氣體和出水分別排出，部分處理水流，污泥則沉降回污泥區(qū)。能在高負(fù)荷下取得高處理效率，尤其是在低溫條件下，對低濃度有機(jī)廢水的處理； EGSB反應(yīng)器內(nèi)維持很高的上升水流速度； 顆粒污泥性能良好，呈膨脹狀態(tài)； EGSB對布水系統(tǒng)要求較為寬松，但對三相分離器要求比較嚴(yán)格； 采用處理水回流技術(shù)工藝特點(diǎn)研究和應(yīng)用 EGSB厭氧工藝是在UASB厭氧工藝的基礎(chǔ)