第一篇第2章水污染治理基本方法厌烦氧废ppt课件.ppt

'第4章污水的厌氧生物处理4.1概述4.1.1厌氧生物处理的基本原理1厌氧分解过程2厌氧过程的影响因素4.1.2好氧生物处理与厌氧生物处理的区别4.2厌氧处理方法与设备4.3厌氧生物处理法的设计 三、污水的厌氧生物处理（一）厌氧生物处理的基本原理1．厌氧分解过程2．厌氧过程的影响因素（二）好氧生物处理与厌氧生物处理的区别（三）厌氧处理设备及工艺 4.1概述污水厌氧生物处理是指在断绝供氧（无分子氧）条件下，通过厌氧微生物(包括兼氧微生物)的作用（生命活动过程），将污水中的各种复杂有机物分解转化成较简单的有机物和无机物（甲烷和二氧化碳等物质）的处理过程，在工程上称为污水的厌氧生物处理，也称厌氧消化。与好氧过程的根本区别在于不以分子态的氧作为受氢体，而以化合态的氧、碳、硫、氢等为受氢体。 厌氧生物处理——在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用，对有机物进行生物降解的过程，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水(如屠宰场污水、发酵工业污水、羊毛洗涤污水等)、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。 厌氧污水污泥处理技术的发展1860年法国的Muras将简易沉淀池改为污泥处理构筑物；1895年英国Cameron进一步改进为腐化池；1903年英国的Travis首先建成了双层沉淀池；1906年德国的Imhoff发明Imhoff双层沉淀池；1912年英国的伯明翰市建了第一个消化池；1920年英国Watson建成最早二级消化池，同时利用了沼气；1925－1926年在德国、美国相继建成较标准的消化池。 4.1.1厌氧生物处理的基本原理1厌氧分解过程我们把污水的好氧生物处理简称为生物处理，而把污泥的厌氧生物处理称作污泥消化。污水的厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程，它是依靠三大主要类群的细菌：水解产酸细菌、产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用来完成的。因而可以粗略地将有机物的厌氧分解过程分为两个阶段。在第一阶段中，产酸细菌把存在于细菌中的复杂有机物转化成较简单的有机物和CO2、NH3、H2S等无机物，在第二阶段中，甲烷细菌接着将简单的有机物分解成CH4和CO2等。 厌氧处理要求酸的形成速度与甲烷的形成速度相平衡。由于甲烷形成的速度较慢，所以碱性发酵将控制整个系统的反应速度，即在整个过程中必须维持有效的碱性发酵条件。一般为了维持有效的处理效果，厌氧分解的pH值应保持在6.6～7.3之间。4-1 厌氧生物处理的方法和基本功能有二：（1）酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质；（2）甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料。 4-4 生化阶段ⅠⅡⅢ物态变化液化（水解）酸化（1）酸化（2）气化生化过程大分子不溶态有机物转化为小分子溶解态有机物小分子溶解态有机物转化为（H2+CO2）及A、B两类产物B类产物转化为（H2+CO2）及乙酸等CH4、CO2等菌群发酵细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌发酵工艺甲烷发酵酸发酵——表有机物厌氧消化过程 污泥的厌氧处理面对的是固态有机物，所以称为消化。消化过程液化(酸化)液态污泥的pH迅速下降，转化产物中有机酸是主体气化(甲烷化)产生消化气，主体是CH4两阶段:四阶段:大分子有机物(碳水化合物，蛋白质，脂肪等)水解细菌的胞外酶水解的和溶解的有机物酸化产酸细菌有机酸醇类醛类等H2，CO2乙酸化乙酸细菌乙酸甲烷化甲烷细菌CH4甲烷细菌CH4 甲烷细菌是专性厌氧的，目前已从纯培养中分离出数十种甲烷细菌，它们在形态上有明显的差别，但在细胞壁的结构方面有许多相似之处。值得提出的是甲烷八叠球菌，它的效率高，能利用甲醇、乙酸和CO2作为基质。与产酸菌相比，甲烷细菌对温度、pH值、有毒物质等更为敏感。厌氧消化中，产乙酸细菌和产甲烷细菌之间有复杂和严格的共生关系，只有保持一种平衡状态才能有效完成有机物的全部转化过程，复杂有机物的绝大部分(72％的COD)是经过乙酸再生成甲烷的，脱硫弧菌(硫酸还原细菌)也具有与产乙酸细菌相类似的作用，能将乳酸、丙酮酸和乙醇转化为H2、CO2和乙酸，但在含硫无机物(SO42-、SO32-)存在时，它将优先还原SO42-、SO32-，产生H2S，形成与甲烷细菌对基质的竞争。 2厌氧过程的影响因素(1)pH值和温度(2)有机物负荷(3)搅拌和混合(4)污水的C／N比(5)抑制细菌生长物质 厌氧过程的影响因素(1)pH值和温度经验和研究表明，pH值和温度是影响甲烷细菌生长的两个重要环境因素。pH值应在6.8~7.2之间。厌氧处理工艺一般分为常温（10～34℃）、中温(35～40℃)、高温(50-55℃)3种。甲烷细菌对温度的变化很敏感，因此要保持温度的恒定。通常采用的厌氧处理的温度一般选择在35～55℃。厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于±2℃。温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气。 甲烷菌专性厌氧，且处理系统中不能含有浓度过高的SO42-，SO32-。污水和泥液中的碱度有缓冲作用，如果有足够的碱度中和有机酸，其pH有可能维持在6.8以上，酸化和甲烷化两大类细菌就可以共存，从而消除分阶段现象。厌氧法与好氧法相比，降解较不彻底，放出的热量少，反应速度低。主要用于污泥的消化、高浓度有机废水和温度较高的有机工业废水的处理。影响甲烷菌生长的因素pH：6.8~7.2温度：35~38ºC和52~55ºC (2)有机物负荷如果向消化池连续投入适量的有机物、营养源，则细菌能够保持高浓度的水平，脂肪酸的生成、甲烷发酵都将正常进行，低级脂肪酸也将保持适当的浓度能够向消化池投加的有机物量，即有机物的最大负荷量因污水的种类而异，因此，在实际上对每种污水都必须是通过试验来确定其最适宜的负荷量。有机物负荷是以向每立方米消化池中，在1日内可投加的有机物量或BOD量来表示[单位是kg／(m3·d)]。厌氧生物处理可采用好氧生物处理高得多的有机负荷。一般可达5~10kgCOD/(m3·d)，甚至可高达50kgCOD/(m3·d)。厌氧过程的影响因素 (3)搅拌和混合厌氧消化是由细菌的体内酶和体外酶所进行的接触反应，所以和活性污泥法相同，只要对消化池内的底物，经常地加以充分搅拌进行混合消化就能显著地促进消化进程，厌氧过程的影响因素 (4)污水的C／N比厌氧消化法是有效地利用产酸菌和甲烷菌生理功能的一种生物处理法。因此，污水中必须含有使这类细菌增殖和生活所需要的营养成分。在有机性废水的厌氧分解时，以碳源的一部分作为能源，分解为甲烷二氧化碳，另一部分则用于合成新细胞，从这些反应中的物料平衡来看，除了磷硫及其他生物代谢所需要的微量元素外，碳氮的绝对量及其在数量上的平衡是厌氧消化的重要因素。有资料报道，厌氧消化中为维持生物代谢所需要，只要达到C0D：N：P＝200：5：1即足够。厌氧过程的影响因素 (5)抑制细菌生长物质厌氧消化法是借助于细菌酶促反应的生物处理法，因此容易受到抑制物质的影响，酶是蛋白质或蛋白性物质，因此，凡是能够与蛋白质相结合或能使蛋白质变性的物质，都会抑制参与甲烷发酵细菌的活性。主要的活性抑制物质是重金属类。以下五种重金属离子对甲烷菌毒性作用强弱的顺序是：Cr>Cu>Zn>Cd>Ni。除了上述五种以外，关于1价及2价金属如Na+、K+、NH4+、Ca2+、Mg2+等对消化也都是有毒性的。厌氧过程的影响因素 氨对厌氧消化的毒性作用机理与重金属不同，一般，蛋白类物质在厌氧条件下被分解时，最后将生成碳酸铵，这种物质在低级脂肪酸积存过多的时候，能够作为缓冲剂有效地防止pH值下降，但如浓度过高，生成大量的碳酸氢铵使pH值上升，这时所产生的毒性作用，是由NH4＋浓度增高和pH值上升两方面所产生的。在阴离子中抑制消化的主要物质是硫酸根。污水中含有的硫酸根超过5000mg／L以上时，甲烷发酵便受到抑制，是因为在甲烷发酵中硫酸还原菌的作用下，硫酸根被还原为硫化物的结果。如在发酵液中的硫化物(以S计算)的浓度超过100mg／L时，便不能连续进行发酵。 此外，如果阴离子表面活性剂在污泥中积存，则消化功能也会降低，须藤隆一等人向消化池中投加ABS(硬性洗剂)、LAS(软性洗剂)，当ABS的浓度达到400~700mg／L(固体物质占0.8％～1.4％)时，便出现产气量下降，低级脂肪酸积存的现象。LAS的分解效果虽然不像在活性污泥法中那样好，但对污泥消化的影响却比ABS小。 （二）好氧生物处理与厌氧生物处理的区别1．对污染物起分解作的微生物群不同2．处理污染物所需时间不同3．对环境要求不同4．需要后处理 4.1.2好氧生物处理与厌氧生物处理的区别 好氧生物处理与厌氧生物处理的区别之一好氧与厌氧生物处理都能降解有机污染物，它们主要区别是对有机物起分解作的微生物群不同。好氧生物处理中，有机物被转化成CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-等基本无害无机物。厌氧生物处理中，有机物先被转化成众多的中间有机物(如有机酸、醇、醛等)，以及CO2、H2O等；其中有机酸、醇、醛等有机物又被另一群被称为甲烷菌的厌氧菌继续分解，由于能量的限制，其终产物受到较少的氧化作用，如有机碳常形成CH4，而不是CO2；有机氮常形成氨、氨化物和氮气，而不是亚硝酸盐或硝酸盐；S形成H2S而不SO2或SO42-等，产物复杂，有异臭，生活污水污泥厌氧处理所产生的气体中，甲烷约占50％～75％，二氧化碳约占20％～30％，是一种很好的燃料，发热量一般为5000～6000kcal／m3。 好氧生物处理与厌氧生物处理的区别之二好氧法处理有机物所需时间比用厌氧法处理短得多，基本上没有臭气产生，但需要有氧的供应和比较复杂的处理设备，且当污水中有机物浓度太高时，一般难于供应好氧分解所需要的充足的氧气。用厌氧法处理污水，所产生的甲烷气体可以利用，但由于有硫化氢等气体产生，所以臭气大；同时，由于存在硫化铁等黑色物质，使处理过的污水颜色较深，并且出水中所含有机物也较多，如果要使有机物完全稳定，需时甚长，、当污水量大时，所需设备将很大。因此，处理污水一般都用好氧法，处理污泥则用厌氧法。 好氧生物处理与厌氧生物处理的区别之三厌氧生物处理对环境要求与好氧生物处理不同。好氧生物处理要求充分供氧，对环境要求不太严格；厌氧生物处理要求绝对厌氧的环境，对环境条件(如pH值温度)要求甚严。反应速率方面，好氧处理由于有氧作为氢受体，有机物转化速率快，需要时间短。可用较小的设备处理较多的污水；厌氧生物处理速率慢，需要时间长，在有限的设备内，仅能处理较少量污水或污泥。采用厌氧法处理污水除需要时间长外，处理水发黑，有臭味，BOD浓度仍然很高。如果污水中的BOD5浓度较低，所需的处理设备将很庞大。所以，一般污水中有机物浓度若超过1％(约1000mg/L)，才用厌氧生物处理。 好氧生物处理与厌氧生物处理的区别之四厌氧法的降解较不彻底，放出热量少，反应速度低，厌氧法处理的有机负荷率低，需要的停留时间长短是由有机物厌氧分解的反应所决定的。与好氧法相比，要克服这些缺点，最主要的方法应是增加参加反应的微生物数量(浓度)和提高反应时的温度。但要提高反应温度，就要消耗能量(而水的比热又很大)。因此，厌氧生物处理法目前还主要用于污泥的消化，高浓度有机污水和温度较高的有机工业废水的处理。 厌氧生物降解与好氧生物降解的比较好氧生物降解厌氧生物降解微生物种类:好氧微生物(较简)厌氧微生物(复杂)降解速率:快慢降解途径:碳降解氨降解碳降解对氧的要求:适当的溶解氧无溶解氧温度要求:常温常温-中温-高温环境条件:适应范围宽适应范围较窄营养物质:100:5:1200:5:1最终产物:H2OCO2CH4H2OCO2基建费用:较低较高运行费用:较高较低回收能源 厌氧生物处理的主要特征主要优点：能耗低，且还可回收生物能（沼气）；污泥产量低；——厌氧微生物的增殖速率低，——产酸菌的产率系数Y为0.15~0.34kgVSS/kgCOD，——产甲烷菌的产率系数Y为0.03kgVSS/kgCOD左右，——好氧微生物的产率系数约为0.5~0.6kgVSS/kgCOD。厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的某些有机物进行降解或部分降解； 厌氧生物处理的主要特征主要缺点：反应过程较为复杂——厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；对温度、pH等环境因素较敏感；出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；气味较大；对氨氮的去除效果不好等 厌氧技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是：①能将有机污染物转变成沼气并加以利用；②运行能耗低；③有机负荷高，占地面积少；④污泥产量少，剩余污泥处理费用低；等等厌氧工艺的综合效益表现在环境、能源、生态三个方面。 目前的厌氧生物处理多用于处理沉降的有机污泥和高浓度有机污水(像屠宰、酝酿工业、食品工业等生产污水)。而好氧生物处理则多用于处理有机污染浓度较低或适中的污水。近年，打破了好氧处理和厌氧处理决然分立的传统观念，开发了好氧技术和厌氧技术联合运用的方法，大大推进了生物处理技术的研究和应用。 （三）厌氧处理设备及工艺1．化粪池2.厌氧生物滤池3.厌氧接触法4．上流式厌氧污泥床反应器法 4.2厌氧处理方法与设备4.2.1化粪池4.2.2厌氧生物滤池4.2.3厌氧接触法4.2.4上流式厌氧污泥床反应器法 早期的厌氧生物反应器从1881年到上世纪20年代；1881年，法国Mouras的自动净化器；1891年，英国Moncriff的装有填料的升流式反应器；1895年，英国设计的化粪池（SepticTank）；1905年，德国的ImhoffTank池（又称隐化池、双层沉淀池） 70年代后，能源危机，现代高速厌氧反应器，厌氧消化工艺开始大规模地应用于污水处理；厌氧接触法（AnaerobicContactProcess）厌氧滤池（AnaerobicFilter、AF）上流式厌氧污泥层（床）反应器(UpflowAnaerobicSludgeBlanket(Bed)、UASB)厌氧流化床(AnaerobicFluidizedBed、AFB)厌氧附着膜膨胀床(AnaerobicAttachedFilmExpandedBed、AAFEB)厌氧生物转盘（AnaerobicRotatedBiologicalDisc、ARBD）挡板式厌氧反应器（AnaerobicBaffledReactor、ABR） 4.2.1化粪池早期用于处理污水的厌氧消化构筑物是化粪池和双层沉淀池。化粪池是一个矩形密闭的池子，用隔墙分为两室或三室，各室之间用水下连接管接通。污水由一端进入，通过各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行缓慢的厌氧发酵。各室的顶盖上设有人孔，可定期（数月）将消化后的污泥挖出，供作农肥。这种处理构筑物通常设于独立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步处理粪便污水。 化粪池SepticTank进水出水浮渣污泥气体 化粪池化粪池例图用于处理来自厕所的粪便污水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。还可用于郊区的别墅式建筑。 厌氧生物滤池的构造类似于一般的生物滤池；池内放置填料，但池顶密封。污水从池底进入，从池顶排出。填料浸没在水中，滤池中的微生物量较高，微生物附着在滤料表面生长，平均停留时间可长达100d左右。可达到较高的处理效果。滤料可采用拳状石质滤料，如碎石、卵石等，粒径在40mm左右，也可使用塑料填料。4.2.2厌氧生物滤池4-8 厌氧生物滤池的主要优点是：处理能力较高；滤池内可以保持很高的微生物浓度；不需另设泥水分离设备、出水SS较低；设备简单、操作方便。厌氧生物滤池的主要缺点是：滤料费用较贵；滤料容易堵塞，尤其是下部，生物膜很厚。堵塞后，没有简单有效的清洗方法。因此不宜处理高悬浮物浓度的污水，它主要适用于含悬浮物很低的溶解性有机物污染的污水。 4.2.3厌氧接触法4-9 厌氧接触法实质上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。厌氧接触法对悬浮物浓度高的有机污水(如肉类加工废水等)效果很好，悬浮颗粒成为微生物的载体，并且很容易在沉淀池中沉淀。在混合接触池中，要进行适当搅拌以使污泥保持悬浮状态。搅拌方式可以是机械搅拌，也可以用泵循环搅拌。中温消化时，厌氧接触工艺的有机负荷为2～5kgCOD／(m3·d)。这种工艺仍属于低负荷或中负荷，但其运行稳定，操作较为简单，且有较大的耐冲击负荷的能力。由于它较之普通消化法有这些优点。故近年来该法在生产上得到了较广泛的应用。 厌氧接触法对于悬浮物较高的有机污水，可以采用厌氧接触法，它实际上是厌氧活性污泥法，不需要曝气而需要脱气。 4.2.4上流式厌氧污泥床反应器法污水自下而上地通过厌氧污泥床反应器。在反应器的底部有一个高浓度、高活性的污泥层，大部分的有机物在这里被转化为CH4和CO2。由于产生的污泥活化气的搅动和污泥黏附气体的结果，在污泥层的上部可形成一个污泥悬浮层。反应器的上部为澄清区，设有三相分离器，完成气、液、固相的分离。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥则自动落到下部反应区。由于在反应器内停留了高浓度的厌氧污泥，使反应器的有机负荷有了很大提高。对于一般的高浓度有机污水，当水温在30℃左右时，负荷可达20kgCOD／(m3·d)。4-10 上流式厌氧污泥床反应器(UASB)试验结果证明，良好的污泥床，有机负荷率和去除率高，不需要搅拌设备，能适应负荷冲击和温度与pH的变化。 (1)UASB反应器的工作原理与构造(1)进水配水系统(2)反应区(3)三相分离器(4)出水系统沼气出水进水(5)集气罩悬浮污泥区颗粒污泥区 (2)、UASB反应器的工艺特征：在反应器的上部设置了气、固、液三相分离器；在反应器底部设置了均匀布水系统；反应器内的污泥能形成颗粒污泥：——直径为0.1~0.5cm，湿比重为1.04~1.08；——具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。——污泥浓度可达50gVSS/l以上，污泥龄一般为30天以上；水力停留时间大大缩短，具有很高的容积负荷；适于处理高、中浓度有机工业废水，也可以处理低浓度城市污水；将生物反应与沉淀分离集中在一个反应器内，结构紧凑；无需设置填料，节省费用，提高容积利用率。 (3)、UASB反应器的型式断面形状多为圆形或矩形，矩形断面便于三相分离器的设计和施工；常为钢结构或钢筋混凝土结构；一般不加热；多采用保温措施；必须采取防腐措施。主要有两种型式：①开敞式UASB反应器②封闭式UASB反应器 ①开敞式UASB反应器顶部不加密封，或仅加一层不密封的盖板；多用于处理中低浓度的有机废水；构造较简单，易于施工安装和维修。 ②封闭式UASB反应器顶部加盖密封;在液面与池顶之间形成了气室；适用于处理高浓度的有机废水；其池顶可以做成浮盖式。 方　法特点优点缺点传统消化法在一个消化池内进行酸化，甲烷化和固液分离设备简单反应时间长，池子容积大，污泥容易随污水带走厌氧生物滤池微生物附着在滤料表面，适于处理悬浮物含量低的污水设备简单，能承受较高的负荷，出水悬浮固体量少，能耗低底部易发生堵塞，填料费用较高厌氧接触法用沉淀池分离污泥并进行回沈，消化池中进行适当搅拌，池内污泥混合完全，可处理高有机物浓度和高悬浮固体浓度的污水能承受较高负荷，有一定抗冲击负荷能力，运行较稳定，不受进水悬浮物浓度的影响，出水悬浮固体晕少负荷高时易造成污泥流失，设备较多，操作要求高上流式厌氧污泥床反应器消化和固液分离在一个池内完成，微生物量特高负荷串高，总体积小，能耗低，不需搅拌如设计不善，污泥会大量流失，池的构造复杂两段厌氧处理法酸化和甲烷化在两个反应器内进行，两个反应器内采用不同反应温度能承受较高负荷，耐冲击，运行稳定设备多，运行操作复杂教材表4-3几种厌氧处理法比较 消化罐 UASB反应器中的沼气系统——沼气柜 高碑店污泥消化池 高碑店污泥消化池 杭州四堡污水厂污泥消化池 青岛市团岛污水厂污泥消化池 高碑店沼气柜 高碑店沼气发电机 UASB反应器的工程实例①北京啤酒厂 UASB反应器的工程实例②合肥啤酒厂 UASB反应器的工程实例③驻马店华中制药厂 UASB反应器的工程实例④武汉东西湖啤酒厂格栅井调节池污泥脱水机房泥饼外运沼气贮柜图例UASB反应器氧化沟污水管线污泥管线沼气管线回流管线沉淀池浓缩池集泥井武汉欧联东西湖啤酒废水处理流程图出水水封罐脱硫塔原废水'