當(dāng)代給水與廢水處理原理_高良敏_厭氧生物處理法

1、當(dāng)代給水與廢水處理原理當(dāng)代給水與廢水處理原理安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院高良敏 博士、教授第十章 厭氧生物處理法 20世紀(jì)70年代以來，由于城市的擴(kuò)大和工業(yè)的迅速發(fā)展，有機(jī)廢水量急劇增加，如仍用需氧法處理則需要消耗大量的能量。隨著全球性能源問題的日益突出，在廢水處理領(lǐng)域內(nèi)，人們便逐漸對(duì)厭氧生物處理工藝產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí)和估價(jià)。 本章主要內(nèi)容：10-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程10-2 厭氧過程動(dòng)力學(xué)10-3 厭氧活性污泥法10-4 厭氧生物膜法10-5 厭氧處理法的運(yùn)行與管理 第十章 厭氧生物處理法 缺點(diǎn)厭氧生物處理法厭氧生物處理法主要優(yōu)點(diǎn)第十章 厭氧生物處理法主要優(yōu)點(diǎn)： 能耗低；可回收生物能

2、源(沼氣)每去除單位質(zhì)量底物產(chǎn)生的微生物(污泥)量少；而且由于處理過程不需要氧，所以不受傳氧能力的限制，因而具有較高的有機(jī)物負(fù)荷的潛力。厭氧生物處理法的缺點(diǎn)：處理后出水的COD、BOD值較高，水力停留時(shí)間較長并產(chǎn)生惡臭等10-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程基本原理基本原理 將有機(jī)物在厭氧條件下的降解過程分成三個(gè)反應(yīng)階段: 第一階段是，廢水中的溶性大分子有機(jī)物和不溶性有機(jī)物水解為溶性小分子有機(jī)物。 第二階段為產(chǎn)酸和脫氫階段。水解形成的溶性小分子有機(jī)物被產(chǎn)酸細(xì)菌作為碳源和能源，最終產(chǎn)生短鏈的揮發(fā)酸，如乙酸等。 第三階段，即產(chǎn)甲烷階段。產(chǎn)甲烷的反應(yīng)由嚴(yán)格的專一性厭氧細(xì)菌來完成，這類細(xì)菌將產(chǎn)酸階段

3、產(chǎn)生的短鏈揮發(fā)酸(主要是乙酸)氧化成甲烷和二氧化碳。 不溶性有機(jī)物和大分子溶性有機(jī)物水解階段（胞外酶作用）簡(jiǎn)單溶性有機(jī)物產(chǎn)酸脫氫階段（產(chǎn)酸細(xì)菌作用）細(xì)菌細(xì)胞其它產(chǎn)物揮發(fā)酸CO2+H2產(chǎn)甲烷階段（產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用）細(xì)菌細(xì)胞CH4+CO210-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程甲烷的產(chǎn)生與形成途徑甲烷的產(chǎn)生與形成途徑 產(chǎn)甲烷階段，又稱堿性發(fā)酵階段,可能反應(yīng)如下： 主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌其特點(diǎn)有：1）生長慢；2）對(duì)環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。 OH2CHCOH42422OH2CH2COOHCHH42432243COCHCOOHCH10-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程基本流程基本

4、流程 厭氧處理中的發(fā)生生物氧化反應(yīng)的主體設(shè)備。促使反應(yīng)器中主體液體與進(jìn)水充分混合的設(shè)備或手段。保持反應(yīng)器中主體液體達(dá)到所需溫度的設(shè)備。 pH值調(diào)節(jié)劑投加設(shè)備。沼氣的排放、貯存和利用設(shè)備。廢棄厭氧生物污泥的貯存和處理設(shè)備。10-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡(jiǎn)史： 人類第一次利用厭氧消化處理廢棄物，是始于1881年Louis Mouras的“自動(dòng)凈化器”。隨后人類開始較大規(guī)模地應(yīng)用厭氧消化過程來處理城市污水（如化糞池、雙層沉淀池等）和剩余污泥（如各種厭氧消化池等）； 50、60年代，特別是70年代中后期，隨著能源危機(jī)的加劇，人們對(duì)利用厭氧消化過程處理有機(jī)廢水的研究得以強(qiáng)

5、化，出現(xiàn)了一批被稱為現(xiàn)代高速厭氧消化反應(yīng)器的處理工藝，厭氧消化工藝開始大規(guī)模地應(yīng)用于廢水處理； 最近（90年代以后），隨著UASB反應(yīng)器的廣泛應(yīng)用，在其基礎(chǔ)上又發(fā)展起來了EGSB和IC反應(yīng)器； 10-1 厭氧生物處理法的基本原理和流程 為解決消化池水力停留時(shí)間長的問題，近年來國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究，出現(xiàn)了不少新的厭氧工藝和新型的厭氧反應(yīng)器，其中包括： 兩相厭氧法(two-phase anaerobic treatment process) 這種工藝也稱兩段(twostage)厭氧法，是根據(jù)產(chǎn)甲烷細(xì)菌與其它非產(chǎn)甲烷細(xì)菌在生長特性方面的差異建立起來的 厭氧接觸法(anaerobic contact

6、 process) 這種工藝也稱厭氧活性話泥法，像需氧活性污泥法那樣，在消化池出水端設(shè)置污泥沉淀池，將沉淀的厭氧生物污泥回流入消化池中，以此來提高消化池中的污泥停留時(shí)間 生物膜反應(yīng)器 采用生物膜反應(yīng)器提高污泥的停留時(shí)間及污泥濃度，這類反應(yīng)器有厭氧填充床(anaerobic packed bed)、厭氧膨脹床/流化床(anaerobic expanded/fluidized bed)、厭氧生物轉(zhuǎn)盤(anaetobic rotating)等 上流式厭氧污泥床反應(yīng)器上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(upflow anaerobic sludge blanket reactor) 這種反應(yīng)器是在上流式厭氧填充休

7、的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的這種反應(yīng)器是在上流式厭氧填充休的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 10-2 厭氧過程動(dòng)力學(xué)厭氧過程動(dòng)力學(xué)涉及：厭氧過程動(dòng)力學(xué)涉及：底物的降解底物的降解微生物的生長微生物的生長甲烷的生成甲烷的生成 10-2 厭氧過程動(dòng)力學(xué)底物降解和微生物生長動(dòng)力學(xué)底物降解和微生物生長動(dòng)力學(xué) 厭氧處理過程中底物降解和微生物生長動(dòng)力學(xué)都建立在厭氧處理過程中底物降解和微生物生長動(dòng)力學(xué)都建立在Monod方程方程的基礎(chǔ)上，這兩個(gè)方面的動(dòng)力學(xué)模型形式及其導(dǎo)出公式形式，與第八、的基礎(chǔ)上，這兩個(gè)方面的動(dòng)力學(xué)模型形式及其導(dǎo)出公式形式，與第八、九章需氧處理過程中同類型反應(yīng)器的完全一樣，只是動(dòng)力學(xué)常數(shù)有些變九章需氧處理過程中同類型

8、反應(yīng)器的完全一樣，只是動(dòng)力學(xué)常數(shù)有些變動(dòng)動(dòng) 底物溫度maxl/dYGMgVSS/mgCOD b l/dKMgCOD/L生活廢水污泥250.250.040.0152000250.170.040.0153720200.140.040.0154620硬脂酸(C-18)370.100.110.010417棕酸(C-16)370.120.110.010143十四烷酸(C-14)370.110.110.010105乙酸350.340.050.040.050.015165250丙酸350.310.0420.01060丁酸350.370.0470.0271310-2 厭氧過程動(dòng)力學(xué)甲烷生成動(dòng)力學(xué)甲烷生成動(dòng)力學(xué)

9、 ： 在厭氧處理中，在厭氧處理中，COD減小的途徑主要是生成甲烷和微生物減小的途徑主要是生成甲烷和微生物的細(xì)胞，其它途徑有生成氫氣、通過硫酸鹽的還原生成硫化氫氣的細(xì)胞，其它途徑有生成氫氣、通過硫酸鹽的還原生成硫化氫氣體等。體等。 上式表明：在標(biāo)準(zhǔn)條件上式表明：在標(biāo)準(zhǔn)條件(0和和0.1MPa)下，下，1mol甲烷的體積甲烷的體積為為22.4L，這樣，這樣，1gCOD在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可生成的甲烷體積為在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可生成的甲烷體積為22.4/64=0.35L。 OH2COH2CH222410-2 厭氧過程動(dòng)力學(xué)甲烷生成動(dòng)力學(xué)甲烷生成動(dòng)力學(xué) ： 如果令G0為甲烷的產(chǎn)率系數(shù)，則在理論上G0=0.35L/GC

10、OD，在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的產(chǎn)率系數(shù)(G0)Tp可按Boyle-Charles定律計(jì)算： 式中，T為厭氧反應(yīng)器中的熱力學(xué)溫度；P為反應(yīng)器室內(nèi)的氣壓（單位Pa）。 根據(jù)7-4，每克干細(xì)菌完全氧化所需的單體氧為1.41g。利用一個(gè)類似于需氧處理中氧的攝入率計(jì)算公式（見式（8-40）形式來計(jì)算厭氧處理的甲烷生成率： 式中，G為甲烷的產(chǎn)率，單位L/d；R0為COD的減少速率，單位為g/d；Y為產(chǎn)率系數(shù)，g干細(xì)菌/gCOD。 pTpTGGOTpO21028. 11273)(Y41. 11PTR1028. 1Y41. 11RGG020T0p10-3 厭氧活性污泥法 厭氧活性污泥法是厭氧微生物在反應(yīng)器中處于懸浮生

11、長狀態(tài)的生物處理方法，厭氧活性污泥法通常包括傳統(tǒng)的消化池和厭氧接觸法。 10-3 厭氧活性污泥法傳統(tǒng)消化池傳統(tǒng)消化池主要作用：一部分有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託猓?一部分有機(jī)物形成穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)；提高了污泥的脫水性能；污泥體積可減少1/2以上；致病微生物也得到了一定程度的滅活，有利于污泥的進(jìn)一步處理和利用。 常用于廢水處理廠中有機(jī)污泥的處理，近年來也用于含有機(jī)固體較多和有機(jī)物濃度很高的廢水。傳統(tǒng)消化池又稱低速消化池，無加熱和攪拌裝置；有分層現(xiàn)象，只有部分容積有效；消化速率很低，HRT很長（3090天）。 10-3 厭氧活性污泥法傳統(tǒng)消化池傳統(tǒng)消化池)35(015. 001067. 6tk cCbYY1

12、)1 ()1 (0ccCcbkYbK)(1iciCYbYXcQVcuYXR298. 03 . 0935. 0Xd 式中以1/d為單位，K以mgCOD/L為單位。 厭氧處理和需氧處理一樣，存在一個(gè)極小的值： )35(015. 001067. 6tk)35(046. 0102224tK0cminGKY kb K10-3 厭氧活性污泥法厭氧接觸法厭氧接觸法 厭氧接觸法主要用于中、高有機(jī)物濃度廢水的處理。由于厭氧處理受溫度的影響很大，低溫時(shí)急劇增大，故厭氧處理不宜在20以下運(yùn)行。 厭氧接觸法與CSTR型活性污泥法幾乎完全一樣，只是值較大，一般取為的210倍，在和可忽略時(shí)可得到與的下列關(guān)系： 由于厭氧處

13、理中產(chǎn)甲烷細(xì)菌的生長速率（即）較低，所以厭氧處理的要比需氧處理大 maxggrrKmax1ggcrrmin0()cGKY kb Kminmax011cgGrY k10-3 厭氧活性污泥法厭氧接觸法厭氧接觸法 工藝過程對(duì)pH的控制能力，主要與在厭氧反應(yīng)過程中產(chǎn)生有機(jī)酸和二氧化碳有關(guān)，在與大氣隔絕的反應(yīng)器中，二氧化碳在水中存在如下平衡關(guān)系： 此外，還存在水的離解關(guān)系: 2223COH OH CO233H COHHCO2233H COHCO2H OHOH 根據(jù)化學(xué)質(zhì)量作用定律，可得下列三個(gè)數(shù)量關(guān)系： 式中， 、 分別為H2CO3的第一離解常數(shù)和第二離解常數(shù)； 為水的離子積； 表示物質(zhì)的量濃度，單位為

14、mol/L。 312HHCOKCO2323HCOKHCOwKHOH1K2KwK10-3 厭氧活性污泥法厭氧接觸法厭氧接觸法 通常采用揮發(fā)性有機(jī)酸（VA，以mg/L乙酸計(jì)）和碳酸氫鹽堿度（BA，以mg/L CaCO3計(jì)）之比，作為衡量厭氧反應(yīng)器對(duì)pH值緩沖能力的一個(gè)指標(biāo)。 一般地說，當(dāng)VA/BA0.8時(shí)，反應(yīng)器的緩沖能力極小，揮發(fā)性有機(jī)酸濃度的微小增加，都會(huì)造成反應(yīng)器中pH值的急劇降低。 10-3 厭氧活性污泥法厭氧接觸法厭氧接觸法 如果廢水的總堿度以甲基橙滴定終點(diǎn)（pH=4.3時(shí)消耗的酸量）測(cè)定，而有機(jī)酸鹽堿度采用酸滴定法測(cè)定，則碳酸氫鹽堿度可按下式確定： 可將VA/BA指標(biāo)轉(zhuǎn)換為BA/TA指

15、標(biāo)： 當(dāng)BA/TA0.8時(shí)，反應(yīng)器具有足夠的緩沖能力； 當(dāng)BA/TA0.6時(shí)，反應(yīng)器沒有備用緩沖能力，應(yīng)采取措施控制pH。 )VA(71. 0TABA10-4 厭氧生物膜法 在無回流的厭氧活性污泥法中，就不得不加大水力停留時(shí)間來獲得較長的污泥停留時(shí)間； 在有回流的厭氧活性污泥法中，雖然可通過回流來減短水力停留時(shí)間并增大污泥停留時(shí)間。 但由于受污泥的沉降和濃縮性能的限制，也不可能獲得太長的污泥停留時(shí)間。 由于厭氧生物膜法的微生物在填料表面固定生長，故有可能在很短的水里停留時(shí)間條件下，獲得很長的、甚至長達(dá)100d以上的污泥停留時(shí)間。 10-4 厭氧生物膜法厭氧填充床厭氧填充床 又稱厭氧濾池或厭氧固

16、定床又稱厭氧濾池或厭氧固定床 在有機(jī)物負(fù)荷很高即k/L很小時(shí)，式（10-22）中的exp(-k/L)可按級(jí)數(shù)展開后略去高次項(xiàng)得下列簡(jiǎn)化式： 為了獲得較高的去除率（即較大的k值），厭氧填充床的設(shè)計(jì)負(fù)荷宜采用1.5kgCOD/m3d。 設(shè)計(jì)厭氧填料床的適用公式，可采用9-4所介紹的Eckenfelder公式的形式： 式中，i和e為進(jìn)、出水的有機(jī)物COD濃度，L為有機(jī)物負(fù)荷，單位為kgCOD/m3d；k為去除有機(jī)物的系數(shù)，單位為kgCOD/m3d。 )L/kexp(ieL/k1)L/kexp(ie10-4 厭氧生物膜法厭氧膨脹床厭氧膨脹床/流化床流化床 載體：固體顆粒，常用的有：石英砂、無煙煤、活性

17、炭、陶粒和沸石等，粒徑一般為0.21mm；常采用出水回流的方法使載體顆粒膨脹或流化；一般將床體內(nèi)載體略有松動(dòng)，載體間空隙增加但仍保持互相接觸的反應(yīng)器稱為膨脹床；將上升流速增大到使載體可在床體內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)而互不接觸的反應(yīng)器稱為流化床。 厭氧膨脹床/流化床是使1mm左右粒徑的填料處于流化狀態(tài)來處理廢水；上流式厭氧污泥床用自然培養(yǎng)的0.52.0mm左右的顆粒污泥處于流化狀態(tài)來處理廢水。這樣，既避免了堵塞，又大大增加了微生物固定生長的表面積，提高了反應(yīng)器中的微生物濃度，從而大幅度提高了有機(jī)物體積負(fù)荷。 10-4 厭氧生物膜法厭氧膨脹床厭氧膨脹床/流化床流化床 主要缺點(diǎn)：載體的流化耗能較大； 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)

18、行要求高 主要特點(diǎn)：細(xì)顆粒的載體為微生物的附著生長提供了較大的比表面積，使床內(nèi)的微生物濃度很高（一般可達(dá)30gVSS/l）；具有較高的有機(jī)容積負(fù)荷（1040kgCOD/m3.d），水力停留時(shí)間較短；具有較好的耐沖擊負(fù)荷的能力，運(yùn)行較穩(wěn)定；載體處于膨脹或流化狀態(tài)，可防止載體堵塞；床內(nèi)生物固體停留時(shí)間較長，運(yùn)行穩(wěn)定，剩余污泥量較少；既可應(yīng)用于高濃度有機(jī)廢水的處理，也應(yīng)用于低濃度城市廢水的處理。 10-4 厭氧生物膜法厭氧膨脹床厭氧膨脹床/流化床流化床對(duì)厭氧流化床作如下假定：厭氧反應(yīng)器中的流態(tài)為完全混合型（CSTR）；填料上生長的生物膜為均質(zhì)增長，其密度a；填料為均質(zhì)球體，直徑為d，自然堆積孔隙率為m；進(jìn)水微生物濃度為零。 如圖10-12所示，流化床內(nèi)底物的物料衡算方程為：式中， （-d/dt）為流化床底物濃度變化速率，單位為kgCOD/m3d； V為流化床反應(yīng)區(qū)的容積，單位為m3； Q為進(jìn)、出水流量，單位為m3/d； i、s分別為進(jìn)、出水底物濃度，單位為kgCOD/m3； 為單位質(zhì)量的生物膜對(duì)底物質(zhì)量的降解速率，單位為kgCOD/(kgd)； Xa為流化床的生物膜濃度，單位為kg/m3； 為單位質(zhì)量的懸浮生長微生物對(duì)底物的質(zhì)量降解速率，kgCOD/(kgd)。 adt/dMsdt/dM10-4 厭氧生物膜法厭氧生物轉(zhuǎn)盤厭氧生物轉(zhuǎn)盤 主要特點(diǎn)： 微生物濃度