1516講厭氧生物處理

1、第六章 廢水厭氧生物處理技術(shù)概述生物學原理工藝流程6.1 廢水厭氧生物處理的微生物學與生化反應(yīng)原理厭氧微生物的種類專性厭氧微生物當暴露于有氧氣的環(huán)境之下，有些厭氧生物會死亡。這種生物稱為“專性厭氧生物”，它們是以發(fā)酵或無氧呼吸生存。在有氧的環(huán)境下，專性厭氧生物會出現(xiàn)缺乏超氧化物歧化酶及過氧化氫酶的情況，這些酶是可以幫助移走在專性厭氧生物細胞內(nèi)的致命的超氧化物。兼性厭氧微生物兼性厭氧生物是可以在有氧的環(huán)境中，利用當中的氧氣進行有氧呼吸。但當在沒有氧氣的環(huán)境下，它們部分會進行發(fā)酵，而部分則進行無氧呼吸。 2.厭氧生物處理過程發(fā)展簡史1776年，意大利物理學家Volta認為甲烷氣體產(chǎn)生與湖泊沉積物中

2、植物體的腐爛有關(guān)。1868年，Becbamp首次指出甲烷形成過程是一種微生物學過程。1875年，俄國學者Popoff也發(fā)現(xiàn)沼氣發(fā)酵是由微生物所引起的。1901年，荷蘭的N.L.Soehngen (DELFT)對產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)特性及其轉(zhuǎn)化作用提出了一個比較清楚的概念，觀察到低級脂肪酸可轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳，氫和二氧化碳發(fā)酵可形成甲烷。1902年，Maze獲得了一種產(chǎn)甲烷的微球菌，后命名為馬氏甲烷球菌。1916年，V.L.Omeliansky分離到1株不產(chǎn)芽孢、發(fā)酵乙醇產(chǎn)甲烷菌，后被命名為奧氏甲烷桿菌，現(xiàn)證實其并非一個純菌種。1934年，Van Niel提出二氧化碳還原為甲烷的理論。1936年，B

3、arker采用化學合成培養(yǎng)基培養(yǎng)陰溝污泥，獲得了能很好的發(fā)酵乙醇、丙醇和丁醇的有機體。1950年，R.E.Hungate發(fā)明了厭氧培養(yǎng)技術(shù)，為厭氧微生物的分離培養(yǎng)轉(zhuǎn)化提供了一種有效的方法，為以后對甲烷菌的研究創(chuàng)造了條件。 厭氧生物處理生物學原理 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（包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)的過程，也稱為厭氧消化。 厭氧生物處理法的處理對象是：高濃度有機工業(yè)廢水(一般B0052 000mg/L) 、城鎮(zhèn)污水的污泥、動植物殘體及糞便等。 厭氧消化的三階段理論水解、發(fā)酵階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段：產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，將丙酸、丁

4、酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸、H2/CO2；產(chǎn)甲烷階段：產(chǎn)甲烷菌利用乙酸和H2、CO2產(chǎn)生CH4；一般認為，在厭氧生物處理過程中約有70%的CH4產(chǎn)自乙酸的分解，其余的則產(chǎn)自H2和CO2。二、厭氧消化過程中的主要微生物1、發(fā)酵細菌（產(chǎn)酸細菌）：發(fā)酵產(chǎn)酸細菌的主要功能有兩種： 水解在胞外酶的作用下，將不溶性有機物水解成可溶性有機物； 酸化將可溶性大分子有機物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；大多數(shù)是厭氧菌，也有大量是兼性厭氧菌；可以按功能來分：纖維素分解菌、半纖維素分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌等。2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌的主要功能是將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；為產(chǎn)甲烷細

5、菌提供合適的基質(zhì)，在厭氧系統(tǒng)中常常與產(chǎn)甲烷細菌處于共生互營關(guān)系。主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸反應(yīng)有：乙醇： 丙酸： 丁酸：主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌多為：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等；多數(shù)是嚴格厭氧菌或兼性厭氧菌。3、產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷細菌的主要功能是將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的產(chǎn)物乙酸和H2/CO2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2，使厭氧消化過程得以順利進行；主要可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌，或稱為嗜乙酸產(chǎn)甲烷細菌和嗜氫產(chǎn)甲烷細菌；一般來說，在自然界中乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的種類較少，只有產(chǎn)甲烷八疊球菌和產(chǎn)甲烷絲狀菌，但這兩種產(chǎn)甲烷細菌在厭氧反應(yīng)器中居多，特別是后者，因為在厭氧反應(yīng)器中乙酸是主要的產(chǎn)甲烷基質(zhì)，

6、一般來說有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解。 典型的產(chǎn)甲烷反應(yīng)： 產(chǎn)甲烷菌有各種不同的形態(tài)，常見的有：產(chǎn)甲烷桿菌；產(chǎn)甲烷球菌；產(chǎn)甲烷八疊球菌；產(chǎn)甲烷絲菌；等等。產(chǎn)甲烷菌都是嚴格厭氧細菌，要求氧化還原電位在-150-400mv，氧和氧化劑對其有很強的毒害作用；產(chǎn)甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代時間長，可達46天，因此，一般情況下產(chǎn)甲烷反應(yīng)是厭氧消化的限速步驟。6.2 厭氧生物處理工藝的特點與影響因素廢水厭氧生物處理的優(yōu)點：(1)應(yīng)用范圍廣 厭氧法既適用于高濃度有機廢水，又適用于中、低濃度有機廢水。有些有機物對好氧生物處理法來說是難降解的，但對厭氧生物處理是可降解的、如固體有機物、著色劑蒽和某些

7、偶氮染料等。(2)能耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝氣費用隨著有機物濃度的增加而增大，而厭氧法不需要氧，而且產(chǎn)生的沼氣可作為能源。 (3)負荷高 通常好氧法的有機容積負荷為24kgBOD/m3.d，而厭氧法為210kg COD/m3.d，高的可達50kgCODm3.d。(4)剩余污泥量少，且其濃縮性、脫水性良好 好氧法每去除1kg COD將產(chǎn)生0.40.6 kg生物量，而厭氧法去除1kg COD只產(chǎn)生0.020.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的520。(5)氮、磷營養(yǎng)需要量較少 好氧法一般要求BOD：N：P為100：5：1，而厭氧法的BOD：N：P為100：2.5：0.5，對氮、磷

8、缺乏的工業(yè)廢水所需投加的營養(yǎng)鹽量較少。缺點：(1)厭氧微生物增殖緩慢，因而厭氧設(shè)備啟動和處理時間比好氧設(shè)備長。(2)處理后的出水水質(zhì)差，往往需進一步處理才能達標排放。(3)反應(yīng)過程較為復(fù)雜厭氧消化是由多種不同性質(zhì)、不同功能的微生物協(xié)同工作的一個連續(xù)的微生物過程；厭氧生物處理技術(shù)是我國水污染控制的重要手段我國高濃度有機工業(yè)廢水排放量巨大，這些廢水濃度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、纖維素等有機物；我國當前的水體污染物還主要是有機污染物以及營養(yǎng)元素N、P的污染；目前的形勢是：能源昂貴、土地價格劇增、剩余污泥的處理費用也越來越高；厭氧工藝的突出優(yōu)點是： 能將有機污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用；

9、 運行能耗低； 有機負荷高，占地面積少； 污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費用低等等；影響廢水厭氧生物處理的環(huán)境因素（1）溫度（2）pH（3）氧化還原電位（4）營養(yǎng)物質(zhì)與微量元素（5）有毒物質(zhì)一、 溫度條件 溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素之一。溫度主要影響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機物的分解速率有關(guān)。據(jù)產(chǎn)甲烷菌適宜溫度條件的不同，厭氧法可分為常溫消化、中溫消化和高溫消化三種類型。 （1）常溫消化（1030 ） （2）中溫消化（3538 ） （3）高溫厭氧消化（5055 ） 厭氧消化對溫度的突變也十分敏感，要求日變化小于2。溫度突變幅度太大，會招致系統(tǒng)的停止產(chǎn)氣。二、 pH值 產(chǎn)酸細菌對酸堿

10、度不及甲烷細菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.58.0之間。 產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近，最適宜pH值為7.07.2，pH6.67.4較為適宜。 在厭氧法處理廢水的應(yīng)用中，由于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷大多在同一構(gòu)筑物內(nèi)進行，故為了維持平衡，避免過多的酸積累，常保持反應(yīng)器內(nèi)的pH值在6.57.5(最好在6.87.2)的范圍內(nèi)。pH值對產(chǎn)甲烷菌活性的影響三、 氧化還原電位嚴格的厭氧環(huán)境是產(chǎn)甲烷菌進行正常生理活動的基本條件；非產(chǎn)甲烷菌可以在氧化還原電位為+100 -100mv的環(huán)境正常生長和活動；產(chǎn)甲烷菌的最適氧化還原電位為-150 -400mv，在培養(yǎng)產(chǎn)甲烷菌的初期，氧化還原電位不能高于-330

11、mv；四、 營養(yǎng) 厭氧微生物對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多數(shù)厭氧菌不具有合成某些必要的維生素或氨基酸的功能，所以有時需要投加：K、Na、Ca等金屬鹽類；微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；有機微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等。五、 有毒物質(zhì)常見的抑制性物質(zhì)有：硫化物、氨氮、重金屬、氰化物及某些有機物；對有機物來說，帶醛基、雙鍵、氯取代基、苯環(huán)等結(jié)構(gòu)，往往具有抑制性。 對厭氧消化具有抑制作用的物質(zhì)抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)揮發(fā)性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200

12、Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500二、 厭氧反應(yīng)器 厭氧活性污泥法包括普通消化池、厭氧接觸工藝、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器等。 厭氧生物膜法包括厭氧生物濾池、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤等。（一）、厭氧消化池厭氧消化池主要應(yīng)用于處理城市污水廠的污泥，也可應(yīng)用于處理固體含量很高的有機廢水；它的主要作用是： 將污泥中的一部分有機物轉(zhuǎn)化為沼氣； 將污泥中的一部分有機物轉(zhuǎn)化成為穩(wěn)定性良好的腐殖質(zhì)； 提高污泥的脫水性能； 使得污泥的體積減少1/2以上； 使污泥中的致病微生物得到一定程度的滅活，有利于污泥的進一步處理和利用。（1）、厭氧消化的基本原理（2）

13、、厭氧消化的條件與影響因素溫度污泥投配率營養(yǎng)與碳氮比攪拌PH有毒物質(zhì)含量（3）厭氧消化的工藝1、消化池的分類：傳統(tǒng)消化池和高速消化池。1) 傳統(tǒng)消化池：傳統(tǒng)消化池又稱為低速消化池，在池內(nèi)沒有設(shè)置加熱和攪拌裝置，所以有分層現(xiàn)象，一般分為浮渣層、上清液層、活性層、熟污泥層等，其中只有在活性層中才有有效的厭氧反應(yīng)過程在進行，因此在傳統(tǒng)消化池中只有部分容積有效；傳統(tǒng)消化池的最大特點就是消化反應(yīng)速率很低，HRT很長，一般為3090天。2) 高速消化池與傳統(tǒng)消化池不同的是，在高速消化池中設(shè)有加熱和/或攪拌裝置，因此縮短了有機物穩(wěn)定所需的時間，也提高了沼氣產(chǎn)量，在中溫（3035C）條件下，其HRT可以為15

14、天左右，運行效果穩(wěn)定；但攪拌使高速消化池內(nèi)的污泥得不到濃縮，上清液與熟污泥不易分離。 螺旋漿攪拌的消化池3) 兩級串聯(lián)消化池兩級串聯(lián)，第一級采用高速消化池，第二級則采用不設(shè)攪拌和加熱的傳統(tǒng)消化池，主要起沉淀濃縮和貯存熟污泥的作用，并分離和排出上清液；二者的體積的比值可采用1 : 14 : 1，一般為2 : 1。2、消化池的構(gòu)造消化池一般由池頂、池底和池體三部分組成；消化池的池頂有兩種形式，即固定蓋和浮動蓋，池頂一般還兼做集氣罩，可以收集消化過程中所產(chǎn)生的沼氣；消化池的池底一般為倒圓錐形，有利于排放熟污泥。厭氧消化池的特點是:可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液。 厭氧消化反應(yīng)與固液分離

15、在同一個池內(nèi)實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較簡單。 缺乏持留或補充厭氧活性污泥的特殊裝置，消化器中難以保持大量的微生物細胞。 對無攪拌的消化器，還存在料液的分層現(xiàn)象嚴重，微生物不能與料液均勻接觸的問題。 溫度不均勻，消化效率低。消化池的設(shè)計計算消化池的設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括： 消化池體積的計算與池體設(shè)計； 消化池內(nèi)攪拌設(shè)備的設(shè)計與計算； 消化池所需要的加熱保溫系統(tǒng)的設(shè)計與計算等。1、消化池的池體設(shè)計目前，國內(nèi)一般按污泥投配率來計算所需的消化池容積，即：式中：V消化池的有效容積，m3； V每天需要處理的新鮮污泥的統(tǒng)計，m3/d；p 污泥投配率。一般當采用高速消化池來處理來自城市生活污水處理長的剩余污泥時，在消化溫度

16、為3035C時，投配率p可取618%；在實際工程中，一般要求消化池不少于2個，以便輪流檢修。2、消化池的結(jié)構(gòu)尺寸在確定了所需的消化池的有效容積后，就可計算消化池各部的結(jié)構(gòu)尺寸，其一般要求如下： 圓柱形池體的直徑一般為635m； 柱體高徑之比為1：2； 池總高與直徑之比為0.81.0； 池底坡度一般為300； 池頂部的集氣罩，高度和直徑相同，一般為2.0m； 池頂至少設(shè)兩個直徑為0.7m的孔。某市污水廠污水量為30000m3/d，BOD5為200mg/L，用普通活性污泥法處理，曝氣池容積為5000m3，MLSS濃度為4g/l， MLVSS/ MLSS=0.75，曝氣池BOD5去除率為95%，今決

17、定污水廠的污泥采用中溫(35)厭氧消化處理，投配率為7%，試確定消化池的有效容積。Y為0.5，Kd為0.1，污泥含水率為96.5%。 沼氣的收集與利用污泥和高濃度有機廢水進行厭氧消化時均會產(chǎn)生大量沼氣；沼氣的熱值很高（一般為2100025000 kJ/m3，即50006000 kCal/m3），是一種可利用的生物能源。1、污泥消化過程中沼氣產(chǎn)量的估算：沼氣成分：一般認為CH4 5070%，CO2 2030%，H2 25%，N2 10%，微量H2S等；沼氣產(chǎn)率是指每處理單位體積的生污泥所產(chǎn)生的沼氣量，即m3沼氣/m3生污泥；當污泥來自城市污水處理廠，生污泥含水率為96%時：中溫消化，投配率為68

18、%，產(chǎn)氣率可達1012 m3沼氣/m3生污泥；高溫消化，投配率為68%，產(chǎn)氣率可達2226 m3沼氣/m3生污泥；投配率為1315%，產(chǎn)氣率可達1315 m3沼氣/m3生污泥.2、沼氣的收集：在沼氣管道沿程上應(yīng)設(shè)置凝結(jié)水罐；注意安全；設(shè)置阻火器；為防止在冬季結(jié)冰引起堵塞，有時在沼氣管上還應(yīng)采取保溫措施。3、沼氣的貯存與利用：一般需要采用沼氣柜來調(diào)節(jié)產(chǎn)氣量與用氣量之間的平衡；調(diào)節(jié)容積一般為日平均產(chǎn)氣量的2540%，即610h的產(chǎn)氣量；注意防腐、防火。（二）、 厭氧接觸法（SS高的污水）與普通厭氧消化池相比，厭氧接觸法的特點有： 污泥濃度高，一般為510 gVSS/l，抗沖擊負荷能力強； 有機容積

19、負荷高，中溫時，COD負荷16 kgCOD/m3.d，去除率為7080%； BOD負荷0.52.5 kgBOD/m3.d，去除率8090%； 出水水質(zhì)較好； 增加了沉淀池、污泥回流系統(tǒng)、真空脫氣設(shè)備，流程較復(fù)雜； 適合于處理懸浮物和有機物濃度均很高的廢水。在厭氧接觸法工藝中，最大的問題是污泥的沉淀，因為厭氧污泥上一般總是附著有小的氣泡，且由于污泥在二沉池中還具有活性，還會繼續(xù)產(chǎn)生沼氣，有可能導致已下沉的污泥上浮。因此，必須采用有效的改進措施，主要有以下兩種，即： 真空脫氣設(shè)備（真空度為500mmH2O）； 增加熱交換器，使污泥驟冷，暫時抑制厭氧污泥的活性。（三）、厭氧生物濾池實心塊狀濾料：3045mm的碎塊；比表面積和孔隙率都較小，分別為4050m2/m3和5060%；這樣的厭氧生物濾池中的生物濃度較低，有機負荷也低