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1、厌氧生物处理,安徽工业大学建筑工程学院,第十章 污水的厌氧生物处理,什么叫污水的厌氧生物处理？厌氧生物处理是利用厌氧微生物的代谢过程，在无须提供氧气的情况下，把有机物转化为无机物和少量的细胞物质，这些无机物主要包括大量的生物气（沼气）和水。沼气的主要成分是约2/3的甲烷气和约1/3的二氧化碳以及少量的H2、NH3、H2S，是一种可回收的能源。,第十章 污水的厌氧生物处理,第一节 厌氧生物处理的基本原理 第二节 厌氧工艺的类型和发展 第三节 UASB厌氧反应器,厌氧生物处理的基本原理,厌氧生物处理的早期目的和过程 厌氧生物处理机理,厌氧生物处理的早期目的和过程,早期的厌氧处理研究主要针对污泥消化
2、，即将污泥中的固态有机物降解为液态和气态的物质。污泥的消化过程明显分为两个阶段：固态有机物先液化，称液化阶段；接着降解产物气化，称气化阶段；整个过程历时半年以上。,厌氧生物处理的早期目的和过程,液化阶段：最显著的特征是液态污泥的PH值迅速下降，不到10d，降到最低值(例如在室温下，露在空气中的食物几天内就变馊发酸)，所以又称酸化阶段。污泥中的固态有机物如淀粉、纤维素、油脂、蛋白质等，在无氧环境中降解时，转化为有机酸、醇、醛、水分子等液态产物和C02、H2、NH3、H2S等气体分子。由于转化产物中有机酸是主体，所以导致PH值下降。又由于产生的NH3溶解于水后产生的NH4OH具有碱性，产生中和反应
3、并经过长时间的过程后使PH值回升，并进入气化阶段。,厌氧生物处理的早期目的和过程,气化阶段：有机酸、醇、醛等中间产物在甲烷菌的作用下转化为生物气，也可称消化气，主体是CH4，因此气化阶段常称甲烷化阶段。该阶段除产生CH4外，还产生CO2和微量H2S。液化阶段：兼性厌氧菌作用，大量氢产生，也称氢发酵阶段，有机酸大量积累，pH迅速下降，污泥带有粘性，呈灰黄色，并发出恶臭，污泥称为酸性发酵污泥。气化阶段：专性厌氧菌作用，需隔绝光和空气，最佳pH值，有机酸浓度不超过2000mg/L，最佳50500mg/L 碱度不应超过5000mg/L，最佳20003000mg/L 污泥呈黑色，稳定不易腐化，无甚恶臭，
4、易于脱水，这种污泥成为熟污泥或消化污泥。,厌氧生物处理机理,厌氧生物处理机理,有机物的厌氧生物降解过程:厌氧生物处理是一个复杂的过程，大致可分为3个阶段：第一阶段：水解发酵阶段；第二阶段：产酸脱氢阶段；第三阶段：产甲烷阶段。有机物厌氧降解过程模式见下图：,厌氧生物处理机理,厌氧降解模式图,厌氧生物处理机理,1）水解发酵阶段 水解发酵阶段是将大分子不溶性复杂有机物在细胞外酶的作用下，水解成小分子溶解性高级脂肪酸(醇类；醛类、酮类等)，然后渗入细胞内，参与的微生物主要是兼性细菌与专性厌氧菌。兼性细菌的附带作用：是消耗掉污水带来的溶解氧，为专性厌氧细菌的生长创造有利条件。此外还有真菌(毛霉Mucor
5、，根霉Rhigopus，共头霉syncephastrum,曲霉Aspergillus)以及原生动物(鞭毛虫，纤毛虫，变形虫)等。可统称为水解发酵菌。,厌氧生物处理机理,在该阶段，污水中三种有机物的分解情况如下：a.碳水化合物水解成单糖，是最易分解的有机物，b.含氮有机物水解产氨较慢，故蛋白质及非蛋白质的含氮化合物(嘌呤、嘧啶等)继碳水化合物及脂肪的水解后进行，经水解为脲，胨，肌酸，多肽后形成氨基酸；c.脂肪的水解产物主要为甘油、醛等。上述三种有机物的水解速率常数为：碳水化合物(纤维素为0.040.13，半纤维素为0.54)，脂肪为0.081.7，蛋白质为0.020.03。不溶性有机物的水解发酵
6、速度较缓慢。从水解速率常数可看出水解过程的快慢，不难理解不同的水质需有不同的水解停留时间。,厌氧生物处理机理,2）产酸脱氢阶段 产酸脱氢阶段是将第一阶段的产物降解为简单脂肪酸(乙酸、丙酸、丁酸等)并脱氢。奇数碳有机物还产生C02，如戊酸：CH3CH2CH2CH2COOH+2H20CH3CH2COOH+CH3COOH+2H2 CH3CH2COOH+2H20CH3COOH+3H2+C02参与该阶段作用的微生物是兼性或专性厌氧菌(产氢产乙酸菌以及硝酸盐还原菌NRB、硫酸盐还原菌SRB等)。故第二阶段的主要产物是简单脂肪酸，C02，碳酸根HCO3-，铵盐NH4+和HS-，H+等。此阶段速率较快。,厌氧
7、生物处理机理,3）产甲烷阶段产甲烷阶段是将第二阶段的产物还原成CH4,参与作用的微生物是绝对厌氧菌(甲烷菌)。碳水化合物分解的主要反应式：(C6H1005)x+xH20 x(C6H1206)5(C6H1206)6CH3CHOHCOOH+4CH3CH2COOH+3CH3COOH+CH3CH20H+4C02+2H2+H20 简化反应式为C6H1206一3CH3COOHCH3C00HCH4+C024H2+C02一CH4+2H20,厌氧生物处理机理,上述3个阶段，以产甲烷阶段的反应速度最慢，为厌氧消化的限制阶段。与好氧氧化相比，厌氧生物处理产生的污泥量远少于好氧氧化。有的研究人员将厌氧过程分为四个阶段
8、:水解、酸化、酸性减退(由于产生中间产物氨,中和了酸)、产甲烷阶段。参与厌氧反应的细菌，酸化阶段的统称产酸或酸化细菌，几乎包括所有的兼性细菌；甲烷化阶段的统称甲烷细菌，已经证实的已有80多种,厌氧生物处理机理,厌氧反应的影响因素：1.pH值：应在6.87.2之间。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值有可能维持在6.8之上，酸化和甲烷化两大类细菌就有可能共存，从而消除分阶段现象。此外，消化池池液的充分混合对调整pH值也是必要的。2.温度：应在3538（中温）和5255（高温）各有一个最适温度。从液温看，消化可在中温(3538)进行(称中温消化)，也可在高温(5255
9、)进行(称高温消化)。但后者需要的热量比前者要高很多。,厌氧工艺的类型和发展,厌氧工艺的发展早期的厌氧消化工艺可以称为第一代厌氧消化工艺，以厌氧消化池为代表(图15-1)，属于低负荷系统由于厌氧微生物生长缓慢，世代时间长，故保持足够长的停留时间是厌氧消化工艺成功的关键条件。,厌氧工艺的类型和发展,图15-1 污泥传统厌氧消化池示意图,厌氧工艺的类型和发展,随着对厌氧发酵过程认识不断提高，人们认识到反应器内保持大量的微生物和尽可能长的污泥龄是提高反应效率和反应器成败的关键。为此一个设计合理的厌氧处理系统可以在停留时间非常短和负荷比好氧处理高的条件下，获得较高的可生物降解有机物的去除效果。仿照好氧
10、活性污泥法，开发了厌氧接触工艺(图15-2)；增加微生物与废水的固液分离与回流，从而可提高消化池的污泥龄，与普通消化池相比，它的水力停留时间可大大缩短.,厌氧工艺的类型和发展,图15-2 传统厌氧接触工艺示意图,厌氧工艺的类型和发展,高速率厌氧处理系统必须满足的原则:能够保持大量的厌氧活性污泥和足够长的污泥龄；保持废水和污泥之间的充分接触。,厌氧工艺的类型和发展,为了满足第一条原则，可以采用固定化(生物膜)或培养沉淀性能良好的厌氧污泥(颗粒污泥)的方式来保持厌氧污泥。从而在采用高的有机和水力负荷时不发生严重的厌氧活性污泥流失。依照第一条原则，在20世纪70年代末期人们成功地开发了各种新型的厌氧
11、工艺，例如，厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧接触膜膨胀床反应器和厌氧流化床(FB)等。这些反应器的一个共同的特点是可以将固体停留时间与水力停留时间相分离，固体停留时间可以长达上百天。这使得厌氧处理高浓度污水的停留时间从过去的几天或几十天可以缩短到几小时或几天。这一系列厌氧反应器被称为第二代厌氧反应器。,厌氧工艺的类型和发展,高效厌氧处理系统需要满足的第二个条件是获得进水和保持与污泥之间的良好接触。为了在厌氧反应器内满足这一条件，应该确保反应器布水的均匀性，这样才可最大程度地避免短流。从另一方面讲，厌氧反应器的混合来源于进水的混合和产气的扰动。但是对于进水在无法采用高的
12、水力和有机负荷的情况下，UASB反应器的应用负荷和产气率受到限制；为获高的搅拌强度，必须采用高的反应器或采用出水回流，获得高的上升流速。正是对于这一问题的研究导致了第三代厌氧反应器的开发和应用。,厌氧反应器的分类,(1)第一代厌氧消化工艺 普通厌氧消化池；厌氧接触工艺。(2)第二代厌氧消化工艺 上流式厌氧污泥床(UASB)反应器；厌氧滤床；厌氧流化床反应器；厌氧生物转盘；其它，如厌氧混合反应器和厌氧折流反应器。(3)第三代厌氧反应器和其他改进工艺 厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器；厌氧复合床反应器(AF+UASB)；水解工艺和两阶段厌氧消化(水解+EGSB)工艺。,厌氧消化池,化粪池是最普
13、及的厌氧消化池，用于处理来自厕所的粪便污水。如教材P196所示为化粪池的一种构造形式。厌氧消化池的形式见图15-1，污水或污泥定期或连续加入消化池，经消化的污泥和污水分别从消化池底部和上部排出，所产的沼气从顶部排出。通常是间断进料，也有采用连续进料方式的。为了使进料和厌氧污泥密切接触而设有搅拌装置，一般情况下每隔2-4h搅拌一次。在排放消化液时，通常停止搅拌，待沉淀分离后从上部排出上清液。目前，消化工艺被广泛地应用于城市污水厂的污泥处理上。,厌氧接触反应器,厌氧接触工艺(图15-2)的反应器是完全混合的，排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，可以采用沉淀池或气浮处置。污水由沉淀池上部排出，沉
14、淀下的污泥回流至消化池；这样做既保证污泥不会流失，又可提高消化池内的污泥浓度；从而在一定程度上提高了设备的有机负荷率和处理效率。与普通消化池相比，它的水力停留时间可以大大缩短。厌氧接触工艺在我国已成功地应用于酒精糟液的处理上。,厌氧滤池,厌氧滤池(AF)是在Coulter等人(1955)工作的基础上由Young和McCarty于1969年重新开发的。厌氧滤池是在反应器内充填有各种类型的固体填料，如卵石、炉渣、瓷环、塑料等来处理有机废水。废水向上流动通过反应器的厌氧滤池称为升流式厌氧滤池；当有机物的浓度和性质适宜时采用的有机负荷COD可高达1020kg/(m3d)。另外还有下流式厌氧滤池。污水在
15、流动过程中生长并保持与厌氧细菌的填料相接触；因为细菌生长在填料上，不随出水流失。在短的水力停留时间下可取得长的污泥龄，平均细胞停留时间可以长达100天以上。厌氧滤池的缺点是载体相当昂贵，据估计载体的价格与构筑物建筑价格相当。其另一个缺点是如采用的填料不当，在污水中悬浮物较多的情况下，容易发生短路和堵塞，这是AF工艺不能迅速推广的原因。,厌氧滤池,上流式厌氧滤池,下流式厌氧滤池,升流式厌氧污泥床反应器,图l5-3 上流式和下流式厌氧滤池和升流式厌氧污泥床反应器,升流式厌氧污泥床反应器,升流式厌氧污泥床(UASB)反应器是由Lettinga在20世纪70年代开发的。待处理的废水被引入UASB反应器
16、的底部，向上流过由絮状或颗粒状污泥组成的污泥床(图15-3)。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气并引起污泥床扰动。在污泥床产生的气体中有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的顶部。污泥颗粒上升撞击到脱气挡板的底部，这引起气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由气体和从污泥颗粒释放的气体被收集在反应器顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到沉淀室内，剩余固体和生物颗粒从液体中分离并通过反射板落回到污泥层的上面。,流化床和膨胀床系统,流化床系统由Jcris在1982年开发，厌氧流化床是一种具有很大比表面积的惰性载体颗粒的反应器，
17、厌氧微生物在其上附着生长。它的一部分出水回流，使载体颗粒在整个反应器内处于流化状态(图15-4)。最初采用的颗粒载体是沙子，但随后采用低密度载体如无烟煤和塑料物质以减少所需的液体上升流速，从而减少提升费用。由于流化床使用了比表面积很大的填料，使得厌氧微生物浓度增加。根据流速大小和颗粒膨胀程度可分成膨胀床和流化床，流化床一般按20一40的膨胀率运行。膨胀床运行流速应控制在比初始流化速度略高的水平，相应的膨胀率为520。固定膜膨胀床(AAFEB)反应器床仅膨胀1020(Jewen，1982)。由于载体重量较大，为便于介质颗粒流化和膨胀需要大量的回流，这增加了运行过程的能耗；并且其三相分离特别是固液
18、分离比较困难，要求较高的运行和设计水平，所以实际应用较少。,流化床和膨胀床系统,图15-4 厌氧流化床反应器,厌氧生物转盘反应器,厌氧生物转盘是与好氧生物转盘相类似的装置。在这种反应器中，微生物附着在惰性(塑料)介质上，介质可部分地或全部浸没在废水中(图15-5a)。介质在废水中转动时，可适当限制生物膜的厚度。剩余污泥和处理后的水从反应器排除。,厌氧生物转盘反应器,a,b,图15-5 厌氧生物转盘和厌氧折流反应器,厌氧折流反应器,折流反应器结构如图15-5b所示。由于折板的阻隔使污水上下折流穿过污泥层，造成了反应器推流的性质，并且每一单元相当于一个单独的反应器，各单元中微生物种群分布不同，可以
19、取得好的处理效果。,厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器,荷兰Wageningen农业大学进行了关于厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器的研究。EGSB反应器实际上是(改进的)UASB反应器，其运行在高的上升流速下使颗粒污泥处于悬浮状态，从而保持了进水与污泥颗粒的充分接触。EGSB反应器的特点是颗粒污泥床通过采用高的上升流速(与小于12m/h的UASB反应器相比)即612m/h，运行在膨胀状态。EGSB特别适于低温和低浓度污水。当沼气产率低、混合强度低时，在此条件下较高的进水动能和颗粒污泥床的膨胀高度将获得比“通常的”UASB反应器好的运行结果。EGSB反应器由于采用高的上升流速因而不适于颗粒
20、有机物的去除。进水悬浮固体“流过”颗粒污泥床并随出水离开反应器，胶体物质被污泥絮体吸附而部分去除。,厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器,厌氧内循环反应器(IC):IC工艺是基于UASB反应器颗粒化和三相分离器的概念而改进的新型反应器，属于EGSB的一种。厌氧内循环反应器(IC)可以看成是由两个UASB反应器的单元相互重叠而成。它的特点是在一个高的反应器内将沼气的分离分两个阶段。底部一个处于极端的高负荷，上部一个处于低负荷。,厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB)反应器,厌氧升流式流化床工艺(UFB BIOBED):厌氧升流式流化床工艺是由Bio-thane系统国际公司所开发的一种新型反应器。其起源于
21、Biothane公司的厌氧流化床，在其设计的生产性流化床装置上，由于强烈的水力和气体剪切作用，形成载体的生物膜脱落十分厉害，无法保持生物膜的生长。相反地，在运行过程中形成了厌氧颗粒污泥，因此在实际运行中将厌氧流化床转变为EGSB运行形式；UFB是其商品名称，在文献上有时该公司也称其为EGSB反应器；这从另一方面给出了厌氧流化床不成功的例子，因此它是EGSB反应器的一种。它可以在极高的水、气上升流速(两者都可达到57m/h)下产生和保持颗粒污泥，所以不需采用载体物质。由于高的液体和气体的上升流速造成了进水和污泥之间的良好混合状态，因此系统可以采用CODl530kg/(m3d)的高负荷。,厌氧颗粒
22、污泥膨胀床(EGSB)反应器,图l5-6 厌氧内循环(IC)反应器示意图,图l5-7 Biobed厌氧反应器示意图,复合床反应器(UASB+AF),许多研究者为了充分发挥升流式厌氧污泥床与厌氧滤池的优点，采用了将两种工艺相结合的反应器结构，被称为复合床反应器(UASB+AF)，也称为UBF反应器。复合床反应器的结构见图15-8，一般是将厌氧滤池置于污泥床反应器的上部。一般认为这种结构可发挥AF和UASB反应器的优点，改善运行效果。当处理含颗粒性有机物组分的污水(如生活污水)时，采用两级厌氧工艺可能更有优势：第一级是絮状污泥的水解反应器并运行在相对低的上升流速下。颗粒有机物在第一级被截留，并部分转变为溶解性化合物，重新进入到液相而在随后的第二个反应器内消化。,复合床反应器(UASB+AF),图l5-8 厌氧复合床(AF+UASB)反应器图示,水解酸化,水解酸化反应器即水解池，可以在短的停留时间(HRT=2.5h)和相对高的水力负荷下获得高的悬浮物去除率(SS去除率平均为85),并可以改善和提高原污水的可生化性和溶解性，以利于好氧后处理工艺。其COD去除率相对UASB较低，仅有40一50,
