武理工水污染控制原理研究生教案第10章 厭氧生物處理法

PAGEPAGE8第十章厭氧生物處理法（一）教學(xué)設(shè)計1.1本章節(jié)內(nèi)容歸納本章節(jié)主要內(nèi)容包括以下幾個方面①厭氧處理作用機(jī)制、主要工藝流程類別分析②厭氧動力學(xué)③厭氧污泥原理及動力學(xué)設(shè)計④厭氧生物膜法原理及動力學(xué)設(shè)計⑤厭氧運行管理1.2本章節(jié)重點本章節(jié)重點：厭氧處理作用機(jī)制、厭氧動力學(xué)分析、厭氧污泥、生物膜法原理及動力學(xué)設(shè)計本章節(jié)難點：厭氧機(jī)制、厭氧動力學(xué)模型1.3本章節(jié)教學(xué)內(nèi)容本章教學(xué)內(nèi)容如下10.厭氧生物處理法10.1厭氧生物處理法的基本原理和流程10.2厭氧過程動力學(xué)10.3厭氧活性污泥法10.4厭氧生物膜法10.5厭氧處理法的運行與管理1.4本章節(jié)教學(xué)方法1）情景導(dǎo)入從排水箱涵、啤酒釀造情景入手，引出厭氧作用及機(jī)制，提出動力學(xué)設(shè)計的概念。2）雙案例關(guān)聯(lián)厭氧處理基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用（案例二十）厭氧處理工程設(shè)計方面的應(yīng)用（案例二十一）1.5本章節(jié)教學(xué)互動與考核在課程雙案例教學(xué)過程中，引導(dǎo)研究生進(jìn)行相關(guān)的教學(xué)討論。研究生在進(jìn)行教學(xué)討論之前，主動加強(qiáng)與指導(dǎo)老師的溝通，明確以后研究方向所需要的本門課程的相關(guān)理論知識，了解這些理論知識在研究過程中的意義、地位、作用及如何應(yīng)用，了解基礎(chǔ)理論在創(chuàng)新工作中的作用。利用本課程建立的教學(xué)網(wǎng)站，并將這類問題變成啟發(fā)問答式用來和學(xué)生互動，通過互動了解研究生對各個知識點掌握情況、學(xué)習(xí)的主動性、創(chuàng)新性等，并將互動情況作為課程成績考核的一個部分，主要問題有：①厭氧在水處理中的應(yīng)用、②厭氧的階段學(xué)說、③水解酸化及工程意義、④厭氧污泥法原理及動力學(xué)設(shè)計、⑤厭氧生物膜法及動力學(xué)設(shè)計（二）教學(xué)內(nèi)容1.厭氧生物處理法的基本原理和流程厭氧處理階段學(xué)說及機(jī)制、工藝流程及進(jìn)展2.厭氧過程動力學(xué)厭氧動力學(xué)參數(shù)、甲烷產(chǎn)生動力學(xué)3.厭氧活性污泥法傳統(tǒng)消化池、厭氧接觸法的動力學(xué)設(shè)計4.厭氧生物膜法厭氧固定床、厭氧膨脹床/流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤動力學(xué)設(shè)計5.厭氧處理法的運行與管理主要運行性能指標(biāo)及參數(shù)管理第十章厭氧生物處理法厭氧生物處理法的主要優(yōu)點有：能耗低；可回收生物能源(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，所以不受系統(tǒng)傳氧能力的限制，因而具有較高的有機(jī)物負(fù)荷的潛力。其缺點是處理后出水的COD、BOD值較高，水力停留時間較長并產(chǎn)生惡臭等?！?0.1厭氧生物處理法的基本原理和流程1.基本原理階段學(xué)說回顧2.甲烷的產(chǎn)生與形成途徑堿性發(fā)酵階段分析，主要參與微生物統(tǒng)稱為產(chǎn)甲烷菌。其特點有：1）生長慢；2）對環(huán)境條件（溫度、pH、抑制物等）非常敏感。3.基本流程主要由六部分組成，簡單說明如下：⑴厭氧反應(yīng)器⑵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。⑶保持反應(yīng)器中主體液體達(dá)到所需溫度的設(shè)備。⑷pH值調(diào)節(jié)劑投加設(shè)備。⑸沼氣的排放、貯存和利用設(shè)備。⑹廢棄厭氧生物污泥的貯存和處理設(shè)備。厭氧生物處理工藝的發(fā)展簡史回顧。1881年-LouisMouras的“自動凈化器”-化糞池-雙層沉淀池等）-厭氧消化池—厭氧接觸法-AF-UASB-AFB-AAFEB-ARBC-擋板式厭氧反應(yīng)器-UASB-EGSB-IC反應(yīng)器；⑴兩相厭氧法(two-phaseanaerobictreatmentprocess)分析機(jī)制⑵厭氧接觸法(anaerobiccontactprocess)分析機(jī)制⑶生物膜反應(yīng)器分析機(jī)制⑷上流式厭氧污泥床反應(yīng)器分析機(jī)制§10-2厭氧過程動力學(xué)厭氧過程動力學(xué)涉及底物的降解、微生物的生長和甲烷的生成等三個方面的關(guān)系式。1.底物降解和微生物生長動力學(xué)厭氧處理過程動力學(xué)常數(shù)與需氧處理過程比較，厭氧處理中的μmax一般小一至兩個數(shù)量級，而K值一般則較大。2.甲烷生成動力學(xué)在厭氧處理中，COD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體等。目前通用COD、甲烷、微生物三者間的平衡，并根據(jù)化學(xué)計量學(xué)的方法來計算甲烷的生成量，甲烷的氧當(dāng)量可按下式計算：CH4+2H2CO2+2H2O（10-1）式（10-4）表明1mol(16g)甲烷需2mol(64g)的氧，這相當(dāng)于2mol(64g)的COD生成1mol甲烷。在標(biāo)準(zhǔn)條件(0℃和0.1MPa)下，1mol甲烷的體積為22.4L，這樣，1gCOD在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下可生成的甲烷體積為22.4/64=0.35L。如果令G0為甲烷的產(chǎn)率系數(shù)，則在理論上G0=0.35L/Gcod，在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的產(chǎn)率系數(shù)(G0)Tp可按Boyle-Charles定律計算：（10-2）算厭氧處理的甲烷生成率：(10-3)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?！?0-3厭氧活性污泥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。1.傳統(tǒng)消化池傳統(tǒng)消化池一般采用無回流完全混合方式運行，采用CSTR型活性污泥法方程式完全適用于傳統(tǒng)消化池的設(shè)計，但因無回流，水力停留時間等于污泥停留時間，即等于污泥齡，因此得下列方程式：（10-4）（10-4）(10-5)(10-6)(10-7)(10-8)上述各式中的動力學(xué)參數(shù)、、和一般可采用試驗裝置進(jìn)行測定，在厭氧處理中，溫度是一個重要的影響因素，O`Rourke得出城市廢水污泥厭氧處理時的和與溫度t的下列關(guān)系：(10-9)(10-10)式中以1/d為單位，K以mgCOD/L為單位。2.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，低溫時急劇增大，故厭氧處理不宜在20℃以下運行。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2~10倍，在和可忽略時可得到與的下列關(guān)系：(10-11)（10-12）（10-13）（10-14）在厭氧處理常用溫度和pH基本控制在中性附近的條件下，和值都比值小5至7個數(shù)量級，因此，可以只按式（10-16）來估計厭氧反應(yīng)器的pH值，即：（10-15）通常采用揮發(fā)性有機(jī)酸（VA，以mg/L乙酸計）和碳酸氫鹽堿度（BA，以mg/LCaCO3計）之比，作為衡量厭氧反應(yīng)器對pH值緩沖能力的一個指標(biāo)。一般地說，當(dāng)VA/BA<0.4時，反應(yīng)器具有足夠的緩沖能力，揮發(fā)性有機(jī)酸濃度的增加不致引起反應(yīng)器中pH值很大的波動；當(dāng)VA/BA=0.4~0.8時，反應(yīng)器的緩沖能力有限；而當(dāng)VA/BA>0.8時，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，都會造成反應(yīng)器中pH值的急劇降低。當(dāng)反應(yīng)器處于不平衡狀態(tài)時，揮發(fā)性有機(jī)酸將按下式消耗碳酸氫鹽的堿度：(10-16)§10-4厭氧生物膜法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間條件下，獲得很長的、甚至長達(dá)100d以上的污泥停留時間。1.厭氧填充床Eckenfelder公式的形式：（10-17）式中，ρi和ρe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/m3?d；k為去除有機(jī)物的系數(shù)，單位為kgCOD/m3?d。在有機(jī)物負(fù)荷很高即k/L很小時，式（10-22）中的exp(-k/L)可按級數(shù)展開后略去高次項得下列簡化式：（10-18）從上式可看出，k的物理意義為被去除的有機(jī)物負(fù)荷。為了獲得較高的去除率（即較大的k值），厭氧填充床的設(shè)計負(fù)荷宜采用1.5kgCOD/m3?d。2.厭氧膨脹床/流化床流化床內(nèi)底物的物料衡算方程為：（10-19）式中，（-dρ/dt）為流化床底物濃度變化速率，單位為kgCOD/m3?d；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；ρi、ρs分別為進(jìn)、出水底物濃度，單位為kgCOD/m3；為單位質(zhì)量的生物膜對底物質(zhì)量的降解速率，單位為kgCOD/(kg?d)；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底物的質(zhì)量降解速率，kgCOD/(kg?d)。（10-20）（10-21）式中，Ya、Ys分別為生物膜和懸浮生長微生物的表現(xiàn)產(chǎn)率系數(shù)?？紤]穩(wěn)態(tài)條件，即，則可得：（10-22）（10-23）引入生物膜密度（10-24）（10-25）將上式代入式（10-34）得：（10-26）厭氧流化床生物膜表面面積底物降解動力學(xué)關(guān)系式：（10-27）在厭氧流化床中，因D值小，可以用填料的表面面積Wm代替生物膜的表面面積W：（10-28）式中：de為填料的當(dāng)量直徑；α為填料的形狀系數(shù)；β為流化床中填料所占的分?jǐn)?shù)，以流化床體積V計；m為填料的孔隙率。3.厭氧生物轉(zhuǎn)盤填料的表面面積按盤片浸水的表面面積計算：(10-29)式中：n為盤片數(shù)；R1和R2分別為