第三章廢水厭氧處理

廢水厭氧生物處理工程厭氧生物處理在斷絕與空氣接觸的條件下，依賴兼性厭氧菌和專性厭氧菌的生物化學(xué)作用，對有機(jī)物進(jìn)行生物降解的過程，稱為厭氧生物處理法或厭氧消化法厭氧生物處理法的處理對象是：高濃度有機(jī)工業(yè)廢水、城鎮(zhèn)污水的污泥、動植物殘體及糞便等

厭氧生物處理階段厭氧生物處理是一個依靠三大主要類群的細(xì)菌完成的復(fù)雜的微生物學(xué)過程。將厭氧消化過程劃分為三個連續(xù)的階段：

第一階段為水解酸化階段

第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段

第三階段為產(chǎn)甲烷階段1、水解酸化階段〔產(chǎn)酸或酸化細(xì)菌〕碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的水解酸化過程2、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段和產(chǎn)甲烷階段甲烷化階段產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段水解酸化階段復(fù)雜的大分子、不溶性有機(jī)物先在細(xì)胞外酶的作用下水解為小分子、溶解性有機(jī)物，然后滲入細(xì)胞體內(nèi)，分解產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)酸、醇類、醛類。這個階段主要產(chǎn)生較高級脂肪酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下，第一階段產(chǎn)生的各種有機(jī)酸被分解轉(zhuǎn)化成乙酸和H2，在降解奇數(shù)碳素有機(jī)酸時還形成CO2產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸胺、CO2和H2等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過程由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸胺產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的1/3，后者約占2/3厭氧生物處理的根本原理厭氧生物處理厭氧生物處理的方法和根本功能酸發(fā)酵的目的是為進(jìn)一步進(jìn)行生物處理提供易生物降解的基質(zhì)甲烷發(fā)酵的目的是進(jìn)一步降解有機(jī)物和生產(chǎn)氣體燃料厭氧生物處理技術(shù)是我國水污染控制的重要手段我國高濃度有機(jī)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(jī)物我國當(dāng)前的水體污染物還主要是有機(jī)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(fèi)用也越來越高厭氧工藝的突出優(yōu)點(diǎn)是：①能將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)變成沼氣并加以利用；②運(yùn)行能耗低；③有機(jī)負(fù)荷高，占地面積少；④污泥產(chǎn)量少，剩余污泥處理費(fèi)用低；等等厭氧工藝的綜合效益表現(xiàn)在環(huán)境、能源、生態(tài)三個方面優(yōu)點(diǎn)：既適用于高濃度廢水，又適用于中低濃度廢水能耗低，厭氧法產(chǎn)生的沼氣可作為能源有機(jī)負(fù)荷高，厭氧法為2～10kgCOD/m3·d剩余污泥量少，厭氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多氮、磷營養(yǎng)需要量少：厭氧法的C:N:P為100:2.1:0.5厭氧微生物有可能對好氧微生物不能降解的一些有機(jī)物進(jìn)行降解或局部降解厭氧活性污泥可以長期貯存缺點(diǎn)：反響過程較為復(fù)雜，厭氧微生物增殖緩慢，設(shè)備啟動時間長出水往往達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步處理對溫度、pH等環(huán)境因素較敏感厭氧生化法與好氧生化法相比的優(yōu)缺點(diǎn)厭氧消化過程中的主要微生物發(fā)酵細(xì)菌〔產(chǎn)酸細(xì)菌〕主要功能：水解——在胞外酶的作用下，將不溶性有機(jī)物水解成可溶性有機(jī)物；酸化——將可溶性大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為脂肪酸、醇類等；主要細(xì)菌：梭菌屬、擬桿菌屬、丁酸弧菌屬、雙岐桿菌屬等；水解過程較緩慢，并受多種因素影響〔pH、細(xì)胞平均停留時間等〕，有時會成為厭氧反響的限速步驟；產(chǎn)酸反響的速率較快；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。厭氧消化過程中的主要微生物產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌主要功能：將各種高級脂肪酸和醇類氧化分解為乙酸和H2；主要反響：乙醇：丙酸：丁酸：注意：上述反響只有在乙酸濃度很低，系統(tǒng)中氫分壓很低時才能順利進(jìn)行。主要細(xì)菌：互營單胞菌屬、互營桿菌屬、梭菌屬、暗桿菌屬等多數(shù)是嚴(yán)格厭氧菌或兼性厭氧菌厭氧消化過程中的主要微生物產(chǎn)甲烷菌60年代Hungate開創(chuàng)了嚴(yán)格厭氧微生物培養(yǎng)技術(shù)主要功能：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(jìn)行一般可分為兩大類：乙酸營養(yǎng)型和H2營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌乙酸營養(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)甲烷絲菌，但在厭氧反響器中，有70%左右的甲烷是來自乙酸的氧化分解厭氧生物處理的影響因素-溫度溫度主要影響微生物的生化反響速度，與有機(jī)物的分解速率有關(guān)工程上：中溫消化溫度為30~38℃〔以33~35℃為多〕高溫消化溫度為50~55℃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)氣產(chǎn)甲烷菌對pH值的變化敏感，其最適pH值范圍為6.8~7.2，在<6.5或>8.2時，產(chǎn)甲烷菌會受到嚴(yán)重抑制厭氧體系中的pH值受多種因素的影響：進(jìn)水pH值、進(jìn)水水質(zhì)〔有機(jī)物濃度、有機(jī)物種類等〕、生化反響、酸堿平衡、氣固液相間的溶解平衡等如果有機(jī)物負(fù)荷太大，水解和產(chǎn)酸過程的生化速率大大超過氣化速率，將導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸的積累和pH值的下降，抑制甲烷細(xì)菌的生理機(jī)能。最終使氣化速率銳減，甚止停止厭氧生物處理的影響因素-pH無氧環(huán)境是嚴(yán)格厭氧的產(chǎn)甲烷菌繁殖的最根本條件之一，厭氧環(huán)境主要以體系中的氧化復(fù)原電位反映產(chǎn)甲烷菌對氧和氧化劑非常敏感。產(chǎn)甲烷菌初始繁殖的環(huán)境條件是氧化復(fù)原電位不能高于-330mV,相當(dāng)于2.36×1056L水中有1mol氧氧氣和其它一些氧化劑或氧化態(tài)物質(zhì)的存在〔如某些工業(yè)廢水中含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性廢水中的H+等〕，同樣能使體系中的氧化復(fù)原電位升高。當(dāng)其濃度到達(dá)一定程度時，同樣會危害厭氧消化過程的進(jìn)行厭氧生物處理的影響因素-氧化復(fù)原電位厭氧生物處理的影響因素-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：①K、Na、Ca等金屬鹽類；②微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；③有機(jī)微量物質(zhì)：酵母浸出膏、生物素、維生素等厭氧生物處理的影響因素-

F/M比厭氧生物處理的有機(jī)物負(fù)荷較好氧生物處理更高，一般可達(dá)5~10kgCOD/m3.d，甚至可達(dá)50~80kgCOD/m3.d；無傳氧的限制可以積聚更高的生物量產(chǎn)酸階段的反響速率遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷階段，因此必須十分謹(jǐn)慎地選擇有機(jī)負(fù)荷高的有機(jī)容積負(fù)荷的前提是高的生物量，而相應(yīng)較低的污泥負(fù)荷高的有機(jī)容積負(fù)荷可以縮短HRT，減少反響器容積厭氧生物處理的影響因素-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(jī)物；硫化物和硫酸鹽：硫酸鹽和其它硫的氧化物很容易在厭氧消化過程中被復(fù)原成硫化物可溶的硫化物到達(dá)一定濃度時，會對厭氧消化過程主要是產(chǎn)甲烷過程產(chǎn)生抑制作用投加某些金屬如Fe可以去除S2-，或從系統(tǒng)中吹脫H2S可以減輕硫化物的抑制作用。氨氮：氨氮是厭氧消化的緩沖劑但濃度過高，那么會對厭氧消化過程產(chǎn)生毒害作用；抑制濃度為50~200mg/l，但馴化后，適應(yīng)能力回得到加強(qiáng)重金屬—使厭氧細(xì)菌的酶系統(tǒng)受到破壞抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)抑制物質(zhì)濃度/(mg/L)揮發(fā)性脂肪酸>2000Na3500～5500氨氮1500～3000Fe1710溶解性硫化物>200Cr6+3Ca2500～4500Cr3+500Mg1000～1500Cd150K2500～4500厭氧生物處理的影響因素-有毒物質(zhì)厭氧消化裝置的負(fù)荷率是怎樣確定的呢？一個重要的原那么是：在兩個轉(zhuǎn)化〔酸化和氣化〕速率保持穩(wěn)定平衡的條件下，求得最大的處理目標(biāo)〔最大處理量或最大產(chǎn)氣量〕。一般而言，厭氧消化微生物進(jìn)行酸化轉(zhuǎn)化的能力強(qiáng)，速率快，對環(huán)境條件的適應(yīng)能力也強(qiáng)；而進(jìn)行氣化轉(zhuǎn)化的能力相對較弱，速率也較慢，對環(huán)境的適應(yīng)能力也較脆弱。這種前強(qiáng)后弱的特征使兩個轉(zhuǎn)化速率保持穩(wěn)定平衡頗為困難，因而形成了三種發(fā)酵狀態(tài)。厭氧消化裝置負(fù)荷率確實(shí)定三種發(fā)酵狀態(tài)-酸性發(fā)酵狀態(tài)當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率很高時，由于供給產(chǎn)酸菌的食物相當(dāng)充分，致使作為其代謝產(chǎn)物的有機(jī)物酸產(chǎn)量很大，超過了甲烷細(xì)菌的吸收利用能力，導(dǎo)致有機(jī)酸在消化液中的積累和pH值〔以下均指大氣壓條件下的實(shí)測值〕下降，其結(jié)果是使消化液顯酸性〔pH<7〕。這種在酸性條件下進(jìn)行的厭氧消化過程稱為酸性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種低效而又不穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，應(yīng)盡量防止。三種發(fā)酵狀態(tài)-弱堿性發(fā)酵狀態(tài)當(dāng)有機(jī)負(fù)荷率適中時，產(chǎn)酸細(xì)菌代謝產(chǎn)物中的有機(jī)酸根本上能被甲烷細(xì)菌及時地吸收利用，并轉(zhuǎn)化為沼氣，溶液中殘存的有機(jī)酸量一般為每升數(shù)百毫克。此時消化液中pH值維持在7~7.5之間，溶液呈弱堿性。這種在弱堿性條件下進(jìn)行的厭氧消化過程稱之為弱堿性發(fā)酵狀態(tài)，它是一種高效而又穩(wěn)定的發(fā)酵狀態(tài)，最正確負(fù)荷率應(yīng)達(dá)此狀態(tài)。三種發(fā)酵狀態(tài)-堿性發(fā)酵狀態(tài)當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷率偏小時，供給產(chǎn)酸細(xì)菌的食物缺乏，產(chǎn)酸量偏少，不能滿足甲烷細(xì)菌的需要。此時，消化液中的有機(jī)酸殘存量很少，pH值偏高，在pH值偏高〔大于7.5〕的條件下進(jìn)行的厭氧消化過程，稱為堿性發(fā)酵狀態(tài)。如前所述，由于負(fù)荷偏低，因而是一種雖穩(wěn)定但低效的厭氧消化狀態(tài)。厭氧生物處理工藝厭氧消化應(yīng)用于廢水處理的初級階段，是從1881年法國Mouras設(shè)計的自動凈化器開始到本世紀(jì)的20年代；1881年法國Mouras的自動凈化器：1891年英國Moncriff的裝有填料的升流式反響器：1895年，英國設(shè)計的化糞池〔SepticTank〕1905年，德國的Imhoff池〔又稱隱化池、雙層沉淀池〕早期的厭氧生物反響器雙層沉淀池一個矩形密閉的池子，用隔墻分為兩室或三室，各室之間用水下連接管接通。廢水由一端進(jìn)入，通過各室后由另一端排出。懸浮物沉于池底后進(jìn)行緩慢的厭氧發(fā)酵。各室的頂蓋上設(shè)有孔，可定期〔數(shù)月〕將消化后的污泥挖出，供作農(nóng)肥。通常設(shè)于獨(dú)立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步處理糞便廢水。雙層沉淀池分為兩層，上層為沉淀池，下層為消化池。池上部有一個流槽，槽底呈V形。廢水沿槽緩慢流過時，懸浮物便沉降下來，并從V形槽底縫滑落于大圓形池底，在那里進(jìn)行厭氧消化。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(jī)廢水主要作用一局部有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)檎託庖痪植坑袡C(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)一步處理和利用傳統(tǒng)厭氧消化池傳統(tǒng)厭氧消化池又稱低速消化池，無加熱和攪拌裝置；有分層現(xiàn)象：只有局部容積有效消化速率很低，HRT很長〔30~90天〕高速厭氧消化池設(shè)有加熱和攪拌裝置縮短了有機(jī)物穩(wěn)定所需的時間，也提高了沼氣產(chǎn)量，在中溫〔30~35C〕條件下，一般消化時間為15天左右，運(yùn)行穩(wěn)定但攪拌使高速消化池內(nèi)的污泥得不到濃縮，上清液不能別離，污泥易隨水流帶走兩級消化池兩級串聯(lián)，第一極是高速消化池，第二級那么不設(shè)攪拌和加熱，主要起沉淀濃縮和貯存的作用，并能別離上清液厭氧消化池攪拌方式有三種：池內(nèi)機(jī)械攪拌；沼氣攪拌；循環(huán)消化液攪拌加熱方式有三種：廢水在消化池外先經(jīng)熱交換器預(yù)熱到定溫再進(jìn)入消化池；熱蒸汽直接在消化器內(nèi)加熱；在消化池內(nèi)部安裝熱交換管特點(diǎn)總結(jié)：可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液；厭氧消化反響與固液別離在同一個池內(nèi)實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)較簡單；但缺乏持留或補(bǔ)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(xì)胞；對無攪拌的消化器，還存在料液的分層現(xiàn)象嚴(yán)重，微生物不能與料液均勻接觸，溫度也不均勻，消化效率低等缺點(diǎn)厭氧接觸法也稱厭氧活性污泥法，像好氧活性污泥法那樣，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間；也可在消化池出水部位安裝固體別離膜以提高污泥停留時間厭氧接觸法的優(yōu)點(diǎn)通過污泥回流，保持消化池內(nèi)污泥濃度較高，一般為10～15g/L，耐沖擊能力強(qiáng)消化池的容積負(fù)荷較普通消化池高，中溫消化時，一般為2～10kgCOD/m3·d，水力停留時間比普通消化池大大縮短，如常溫下，普通消化池為15～30天，而接觸法小于10天可以直接處理懸浮固體含量較高或顆粒較大的料液，不存在堵塞問題混合液經(jīng)沉淀后，出水水質(zhì)好厭氧接觸法存在的問題混合液難于在沉淀池中進(jìn)行固液別離，即污泥難以沉淀原因：污泥上附著有小氣泡，且污泥在二沉池中還有活性，還會產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致已下沉的污泥上浮解決方法：脫氣真空脫氣，由消化池排出的混合液經(jīng)真空脫氣器，將污泥絮體上的氣泡除去，改善污泥的沉淀性能熱交換器急冷法，將從消化池排出的混合液進(jìn)行急速冷卻，如中溫消化液35℃冷到15～25℃，可以控制污泥繼續(xù)產(chǎn)氣，使厭氧污泥有效地沉淀絮凝沉淀，向混合液中投加絮凝劑，使厭氧污泥易凝聚成大顆粒，加速沉降用超濾器代替沉淀池，以改善固液分高效果升流式厭氧污泥層反響器(UASB)反響流程廢水自下而上地通過厭氧污泥床反響器，在反響器的底部有一個高濃度〔可達(dá)60-80g/L〕、高活性的污泥層，大局部的有機(jī)物在這里被轉(zhuǎn)化為CH4和C02。由于氣態(tài)產(chǎn)物〔消化氣〕的攪動和氣泡粘附污泥，在污泥層之上形成一個污泥懸浮層。反響器的上部設(shè)有三相別離器，完成氣、液、泥三相的別離。被別離的沼氣從上部導(dǎo)出，被別離的污泥那么自動滑落到懸浮污泥層。出水那么從澄清區(qū)流出升流式厭氧污泥層反響器的優(yōu)點(diǎn)反響器內(nèi)污泥濃度高，一般平均污泥濃度為30～40g/L有機(jī)負(fù)荷高，水力停留時間短，中溫消化，COD容積負(fù)荷一般為10～20kgCOD/m3·d反響器內(nèi)設(shè)三相別離器，被沉淀區(qū)別離的污泥能自動回流到反響區(qū)，一般無污泥回流設(shè)備無混合攪拌設(shè)備，投產(chǎn)運(yùn)行正常后，利用本身產(chǎn)生的沼氣和進(jìn)水來攪動污泥床內(nèi)不填載體，節(jié)省造價及防止堵塞問題升流式厭氧污泥層反響器的缺點(diǎn)反響器內(nèi)有短流現(xiàn)象，影響處理能力進(jìn)水中的懸浮物應(yīng)比普通消化池低得多，特別是難消化的有機(jī)物固體不宜太高運(yùn)行啟動時間長，對水質(zhì)和負(fù)荷變化比較敏感厭氧生物濾池處理水

原廢水

處理水

沼氣沼氣濾料原廢水

濾料圖19-10厭氧生物濾池反響流程厭氧微生物附著于填料的外表生長，當(dāng)廢水通過填料層時，在填料外表的厭氧生物膜作用下，廢水中的有機(jī)物被降解并產(chǎn)生沼氣，沼氣從池頂部排出。濾池中的生物膜不斷地進(jìn)行新陳代謝，脫落的生物膜隨出水流出池外廢水從池底進(jìn)入，從池上部排出，稱升流式厭氧濾池；廢水從池上部進(jìn)入，從池底部排出，稱降流式厭氧濾池厭氧生物濾池的特點(diǎn)由于填料為微生物附著生長提供廣較大的外表積，濾池中的微生物量較高，又生物膜停留時間長，平均停留時間長達(dá)100天左右，因而可承受的有機(jī)容積負(fù)荷高，COD容積負(fù)荷為2～16kgCOD/m3·d，且耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)廢水與生物膜兩相接觸面大，強(qiáng)化了傳質(zhì)過程，因而有機(jī)物去除速度快微生物固著生長為主，不易流失，因此不需污泥回流和攪拌設(shè)備啟動或停止運(yùn)行后再啟動比前述厭氧工藝法時間短缺點(diǎn)：處理含懸浮物濃度高的有機(jī)廢水，易發(fā)生堵塞，尤以進(jìn)水部位更嚴(yán)重。濾池的清洗也還沒有簡單有效的方法厭氧生物轉(zhuǎn)盤厭氧生物轉(zhuǎn)盤的構(gòu)造與好氧生物轉(zhuǎn)盤相似。不同之處在于盤片大局部(70％以上)或全部浸沒在廢水中，為保證厭氧條件和收集沼氣，整個