1516讲厌氧生物处理

1、第六章 废水厌氧生物处理技术概述生物学原理工艺流程6.1 废水厌氧生物处理的微生物学与生化反应原理厌氧微生物的种类专性厌氧微生物当暴露于有氧气的环境之下，有些厌氧生物会死亡。这种生物称为“专性厌氧生物”，它们是以发酵或无氧呼吸生存。在有氧的环境下，专性厌氧生物会出现缺乏超氧化物歧化酶及过氧化氢酶的情况，这些酶是可以帮助移走在专性厌氧生物细胞内的致命的超氧化物。兼性厌氧微生物兼性厌氧生物是可以在有氧的环境中，利用当中的氧气进行有氧呼吸。但当在没有氧气的环境下，它们部分会进行发酵，而部分则进行无氧呼吸。 2.厌氧生物处理过程发展简史1776年，意大利物理学家Volta认为甲烷气体产生与湖泊沉积物中

2、植物体的腐烂有关。1868年，Becbamp首次指出甲烷形成过程是一种微生物学过程。1875年，俄国学者Popoff也发现沼气发酵是由微生物所引起的。1901年，荷兰的N.L.Soehngen (DELFT)对产甲烷菌的形态特性及其转化作用提出了一个比较清楚的概念，观察到低级脂肪酸可转化为甲烷和二氧化碳，氢和二氧化碳发酵可形成甲烷。1902年，Maze获得了一种产甲烷的微球菌，后命名为马氏甲烷球菌。1916年，V.L.Omeliansky分离到1株不产芽孢、发酵乙醇产甲烷菌，后被命名为奥氏甲烷杆菌，现证实其并非一个纯菌种。1934年，Van Niel提出二氧化碳还原为甲烷的理论。1936年，B

3、arker采用化学合成培养基培养阴沟污泥，获得了能很好的发酵乙醇、丙醇和丁醇的有机体。1950年，R.E.Hungate发明了厌氧培养技术，为厌氧微生物的分离培养转化提供了一种有效的方法，为以后对甲烷菌的研究创造了条件。 厌氧生物处理生物学原理 废水厌氧生物处理是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物（包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质的过程，也称为厌氧消化。 厌氧生物处理法的处理对象是：高浓度有机工业废水(一般B0052 000mg/L) 、城镇污水的污泥、动植物残体及粪便等。 厌氧消化的三阶段理论水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁

4、酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CO2。二、厌氧消化过程中的主要微生物1、发酵细菌（产酸细菌）：发酵产酸细菌的主要功能有两种： 水解在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物； 酸化将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；可以按功能来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。2、产氢产乙酸菌产氢产乙酸细菌的主要功能是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细

5、菌提供合适的基质，在厌氧系统中常常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要的产氢产乙酸反应有：乙醇： 丙酸： 丁酸：主要的产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。3、产甲烷菌产甲烷细菌的主要功能是将产氢产乙酸菌的产物乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；一般来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有产甲烷八叠球菌和产甲烷丝状菌，但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，特别是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要的产甲烷基质，

6、一般来说有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解。 典型的产甲烷反应： 产甲烷菌有各种不同的形态，常见的有：产甲烷杆菌；产甲烷球菌；产甲烷八叠球菌；产甲烷丝菌；等等。产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150-400mv，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产甲烷菌的增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达46天，因此，一般情况下产甲烷反应是厌氧消化的限速步骤。6.2 厌氧生物处理工艺的特点与影响因素废水厌氧生物处理的优点：(1)应用范围广 厌氧法既适用于高浓度有机废水，又适用于中、低浓度有机废水。有些有机物对好氧生物处理法来说是难降解的，但对厌氧生物处理是可降解的、如固体有机物、着色剂蒽和某些

7、偶氮染料等。(2)能耗低 好氧法需要消耗大量能量供氧，曝气费用随着有机物浓度的增加而增大，而厌氧法不需要氧，而且产生的沼气可作为能源。 (3)负荷高 通常好氧法的有机容积负荷为24kgBOD/m3.d，而厌氧法为210kg COD/m3.d，高的可达50kgCODm3.d。(4)剩余污泥量少，且其浓缩性、脱水性良好 好氧法每去除1kg COD将产生0.40.6 kg生物量，而厌氧法去除1kg COD只产生0.020.1kg 生物量，其剩余污泥量只有好氧法的520。(5)氮、磷营养需要量较少 好氧法一般要求BOD：N：P为100：5：1，而厌氧法的BOD：N：P为100：2.5：0.5，对氮、磷

8、缺乏的工业废水所需投加的营养盐量较少。缺点：(1)厌氧微生物增殖缓慢，因而厌氧设备启动和处理时间比好氧设备长。(2)处理后的出水水质差，往往需进一步处理才能达标排放。(3)反应过程较为复杂厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；厌氧生物处理技术是我国水污染控制的重要手段我国高浓度有机工业废水排放量巨大，这些废水浓度高、多含有大量的碳水化合物、脂肪、蛋白质、纤维素等有机物；我国当前的水体污染物还主要是有机污染物以及营养元素N、P的污染；目前的形势是：能源昂贵、土地价格剧增、剩余污泥的处理费用也越来越高；厌氧工艺的突出优点是： 能将有机污染物转变成沼气并加以利用；

9、 运行能耗低； 有机负荷高，占地面积少； 污泥产量少，剩余污泥处理费用低等等；影响废水厌氧生物处理的环境因素（1）温度（2）pH（3）氧化还原电位（4）营养物质与微量元素（5）有毒物质一、 温度条件 温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有机物的分解速率有关。据产甲烷菌适宜温度条件的不同，厌氧法可分为常温消化、中温消化和高温消化三种类型。 （1）常温消化（1030 ） （2）中温消化（3538 ） （3）高温厌氧消化（5055 ） 厌氧消化对温度的突变也十分敏感，要求日变化小于2。温度突变幅度太大，会招致系统的停止产气。二、 pH值 产酸细菌对酸碱

10、度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.58.0之间。 产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为7.07.2，pH6.67.4较为适宜。 在厌氧法处理废水的应用中，由于产酸和产甲烷大多在同一构筑物内进行，故为了维持平衡，避免过多的酸积累，常保持反应器内的pH值在6.57.5(最好在6.87.2)的范围内。pH值对产甲烷菌活性的影响三、 氧化还原电位严格的厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动的基本条件；非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100 -100mv的环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150 -400mv，在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330

11、mv；四、 营养 厌氧微生物对N、P等营养物质的要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P = 200：5：1；多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能，所以有时需要投加：K、Na、Ca等金属盐类；微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。五、 有毒物质常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及某些有机物；对有机物来说，带醛基、双键、氯取代基、苯环等结构，往往具有抑制性。 对厌氧消化具有抑制作用的物质抑制物质浓度/(mg/L)抑制物质浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Na35005500氨氮15003000Fe1710溶解性硫化物200

12、Cr6+3Ca25004500Cr3+500Mg10001500Cd150K25004500二、 厌氧反应器 厌氧活性污泥法包括普通消化池、厌氧接触工艺、上流式厌氧污泥床反应器等。 厌氧生物膜法包括厌氧生物滤池、厌氧流化床、厌氧生物转盘等。（一）、厌氧消化池厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也可应用于处理固体含量很高的有机废水；它的主要作用是： 将污泥中的一部分有机物转化为沼气； 将污泥中的一部分有机物转化成为稳定性良好的腐殖质； 提高污泥的脱水性能； 使得污泥的体积减少1/2以上； 使污泥中的致病微生物得到一定程度的灭活，有利于污泥的进一步处理和利用。（1）、厌氧消化的基本原理（2）

13、、厌氧消化的条件与影响因素温度污泥投配率营养与碳氮比搅拌PH有毒物质含量（3）厌氧消化的工艺1、消化池的分类：传统消化池和高速消化池。1) 传统消化池：传统消化池又称为低速消化池，在池内没有设置加热和搅拌装置，所以有分层现象，一般分为浮渣层、上清液层、活性层、熟污泥层等，其中只有在活性层中才有有效的厌氧反应过程在进行，因此在传统消化池中只有部分容积有效；传统消化池的最大特点就是消化反应速率很低，HRT很长，一般为3090天。2) 高速消化池与传统消化池不同的是，在高速消化池中设有加热和/或搅拌装置，因此缩短了有机物稳定所需的时间，也提高了沼气产量，在中温（3035C）条件下，其HRT可以为15

14、天左右，运行效果稳定；但搅拌使高速消化池内的污泥得不到浓缩，上清液与熟污泥不易分离。 螺旋浆搅拌的消化池3) 两级串联消化池两级串联，第一级采用高速消化池，第二级则采用不设搅拌和加热的传统消化池，主要起沉淀浓缩和贮存熟污泥的作用，并分离和排出上清液；二者的体积的比值可采用1 : 14 : 1，一般为2 : 1。2、消化池的构造消化池一般由池顶、池底和池体三部分组成；消化池的池顶有两种形式，即固定盖和浮动盖，池顶一般还兼做集气罩，可以收集消化过程中所产生的沼气；消化池的池底一般为倒圆锥形，有利于排放熟污泥。厌氧消化池的特点是:可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液。 厌氧消化反应与固液分离

15、在同一个池内实现，结构较简单。 缺乏持留或补充厌氧活性污泥的特殊装置，消化器中难以保持大量的微生物细胞。 对无搅拌的消化器，还存在料液的分层现象严重，微生物不能与料液均匀接触的问题。 温度不均匀，消化效率低。消化池的设计计算消化池的设计计算的主要内容包括： 消化池体积的计算与池体设计； 消化池内搅拌设备的设计与计算； 消化池所需要的加热保温系统的设计与计算等。1、消化池的池体设计目前，国内一般按污泥投配率来计算所需的消化池容积，即：式中：V消化池的有效容积，m3； V每天需要处理的新鲜污泥的统计，m3/d；p 污泥投配率。一般当采用高速消化池来处理来自城市生活污水处理长的剩余污泥时，在消化温度

16、为3035C时，投配率p可取618%；在实际工程中，一般要求消化池不少于2个，以便轮流检修。2、消化池的结构尺寸在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下： 圆柱形池体的直径一般为635m； 柱体高径之比为1：2； 池总高与直径之比为0.81.0； 池底坡度一般为300； 池顶部的集气罩，高度和直径相同，一般为2.0m； 池顶至少设两个直径为0.7m的孔。某市污水厂污水量为30000m3/d，BOD5为200mg/L，用普通活性污泥法处理，曝气池容积为5000m3，MLSS浓度为4g/l， MLVSS/ MLSS=0.75，曝气池BOD5去除率为95%，今决

17、定污水厂的污泥采用中温(35)厌氧消化处理，投配率为7%，试确定消化池的有效容积。Y为0.5，Kd为0.1，污泥含水率为96.5%。 沼气的收集与利用污泥和高浓度有机废水进行厌氧消化时均会产生大量沼气；沼气的热值很高（一般为2100025000 kJ/m3，即50006000 kCal/m3），是一种可利用的生物能源。1、污泥消化过程中沼气产量的估算：沼气成分：一般认为CH4 5070%，CO2 2030%，H2 25%，N2 10%，微量H2S等；沼气产率是指每处理单位体积的生污泥所产生的沼气量，即m3沼气/m3生污泥；当污泥来自城市污水处理厂，生污泥含水率为96%时：中温消化，投配率为68

18、%，产气率可达1012 m3沼气/m3生污泥；高温消化，投配率为68%，产气率可达2226 m3沼气/m3生污泥；投配率为1315%，产气率可达1315 m3沼气/m3生污泥.2、沼气的收集：在沼气管道沿程上应设置凝结水罐；注意安全；设置阻火器；为防止在冬季结冰引起堵塞，有时在沼气管上还应采取保温措施。3、沼气的贮存与利用：一般需要采用沼气柜来调节产气量与用气量之间的平衡；调节容积一般为日平均产气量的2540%，即610h的产气量；注意防腐、防火。（二）、 厌氧接触法（SS高的污水）与普通厌氧消化池相比，厌氧接触法的特点有： 污泥浓度高，一般为510 gVSS/l，抗冲击负荷能力强； 有机容积

19、负荷高，中温时，COD负荷16 kgCOD/m3.d，去除率为7080%； BOD负荷0.52.5 kgBOD/m3.d，去除率8090%； 出水水质较好； 增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程较复杂； 适合于处理悬浮物和有机物浓度均很高的废水。在厌氧接触法工艺中，最大的问题是污泥的沉淀，因为厌氧污泥上一般总是附着有小的气泡，且由于污泥在二沉池中还具有活性，还会继续产生沼气，有可能导致已下沉的污泥上浮。因此，必须采用有效的改进措施，主要有以下两种，即： 真空脱气设备（真空度为500mmH2O）； 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。（三）、厌氧生物滤池实心块状滤料：3045mm的碎块；比表面积和孔隙率都较小，分别为4050m2/m3和5060%；这样的厌氧生物滤池中的生物浓度较低，有机负荷也低