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1、废水厌氧生物处理,厌氧生物处理,废水厌氧处理内容概要: 1. 厌氧生物处理概述 2. 厌氧工艺流程 3 厌氧生物处理反应器,第一节,废水厌氧生物处理概述,厌氧生物处理,1厌氧生物处理概述 19世纪末20世纪初：废水和粪便处理,反应时间长,出水水质差; 1860年法国人Mouras把简易沉淀池改进作为污水污泥处理构筑物使用，1881年法国杂志将Mouras创造的称为自动净化器(Automatic Scasenger)。 1895年英国Donald设计了厌氧化粪池。厌氧化粪池的创建，是厌氧处理工艺发展史上的里程碑。从此，厕所等家庭用生活污水可通过化粪池得到较好的处理。,1903年英国出现了Trav
2、is池。废水从一端流入，从另一端流出，两侧沉淀区分离出的污泥，在池中间的中下部分消化，产生的沼气从中间上部分排出，不会影响两侧的沉淀区 。 1905年德国人Imhoff对Travis池作了改进，设计了Imhoff池，又称隐化池，我国也称双层沉淀池。这种池型构造把污水的沉淀与污泥的消化完全分开，彼此不发生干扰。这种装置在本世纪20年代被广泛应用与欧美各国。 化粪池和双层沉淀池至今在排水工程中仍占有重要地位。,厌氧生物处理,中期-被好氧工艺取代,在污泥处理方面有应用,污泥的厌氧消化; 普通消化池是这时期的主要反应器。 70年代后-重新发展, 环境问题和能源危机, 开发了新的厌氧生物处理反应器. 以
3、UASB, 厌氧接触工艺为代表的多种工艺，均实现高的污泥浓度高的负荷，得到广泛应用。 应用现状: (A).废水处理,高浓度和高温度废水; (B). 污泥处理和城市垃圾处理; (C).生物质的资源化和能源化应用.,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,1.1 厌氧生物处理的原理 (1). 复杂有机物的厌氧生物处理： (A). 水解. 在细胞外酶作用下,将大分子有机物水解为小分子溶解性有机物, 如多糖-单糖，脂肪-脂肪酸甘油,蛋白质-氨基酸, 小分子进入细胞内. 难降解或高分子的有机物水解过程较慢, 或可能成为速率限制步骤, 颗粒有机物
4、的大小, 温度, pH, 有机物组成成分, 氨浓度,水力停留时间等影响水解速率.,厌氧生物处理,水解可以部分实现对难生物降解有机物的分解, 促进后续处理过程的生物有效性, 故对难降解废水可以预置厌氧反应器.,Water Pollution Control Engineering,温度,停留时间对水解速率常数Kh的影响,厌氧生物处理,(B)酸化. 产酸细菌酸化, 将溶解性有机物转化为挥发性脂肪酸和醇为主要产物的过程, 主要生成有机酸(甲酸,乙酸,丙酸,丁酸等)、醇(乙醇), H2, CO2 , NH3, N2, H2S等； 酸化过程速率较快, 产物对产甲烷过程影响较大, 酸化过程产物与厌氧的条件
5、, 底物种类和微生物组成有关系, 主要有三类:丙酸型,丁酸型和乙醇型. 人们常常将不完全厌氧处理过程称为水解酸化.,厌氧生物处理,(C)产氢产乙酸. 水解酸化产物(主要是2个C以上的有机酸, 不包括乙酸)在产氢产乙酸细菌作用下生成氢,乙酸和CO2；主要反应:(醇和高级脂肪酸反应生成乙酸) CH3CH2OH + H2O = CH3COO- + H+ + 2H2 CH3CH2COO- + H2O = CH3COO- + H+ + HCO3- + 3H2 丁酸, 丙酸等转化为乙酸的过程由于标准吉布斯自由能为正值, 只有反应产物H+和H2的浓度低反应可以进行.,Water Pollution Cont
6、rol Engineering,厌氧生物处理,(D)产甲烷. 主要在两类不同的甲烷细菌下产生CH4, 是严格厌氧过程. 乙酸脱羧: 2CH3COOH 2CH4 + 2CO2 氢还原CO2: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 3H2 + CO CH4 + H2O 2H2O + 4CO CH4 + 3CO2 此外还有利用醇还原CO2 得到甲烷和有机酸等途径.,厌氧生物处理,厌氧生物处理的原理和过程示意:,Water Pollution Control Engineering,复 杂 有 机 物,挥 发 酸 醇,CO2+H2,乙酸,CH4,水解 酸化 产氢产乙酸 产甲烷,5%,20%,28%
7、,72%,简 单 有 机 物,10%,13%,35%,17%,30%,厌氧生物处理,(2).其他厌氧生物处理 A.硫酸盐还原:化能异氧型的硫酸盐还原细菌(SRB, Sulfate Reducing Bacteria) 利用废水的有机物作为电子供体,将氧化态硫化合物(SO42-,SO32-等)还原为低价态硫化合物(HS-,H2S,S2-等)的过程。 低浓度硫化合物由于存在对H2的利用, 对厌氧处理有机物一定程度是促进的; 但较高浓度的硫酸盐会严重抑制有机物的厌氧生物降解过程(竞争底物对产甲烷菌不利; 产生的H2S对微生物不利)。,厌氧生物处理,B.反硝化: 硝酸盐氮(NO3-)和亚硝酸盐氮(NO
8、2-)在厌氧或缺氧条件下被还原为氮气(N2)的过程. C. 光合细菌: 光能异养的光合细菌在无氧条件下利用简单有机物进行光合作用, 然后在微氧或有氧条件下进行氧化代谢.光合细菌只能利用低分子量的有机物, 所以需要水解作为前处理过程.,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,D.厌氧氨氧化(ANAMMOX, Anaerobic Ammonium Oxidation)： 是指在厌氧条件下,微生物直接以NH4+为电子供体，以NO3-或NO2-为受体,将NO3-, NO2-, NH4+转变成N2的生物转化氧化过程. N的转化过程并未清楚.,厌氧生物处理,1
9、.2 厌氧生物处理的微生物 (A).水解酸化菌：细菌、真菌和原生动物, 多为专性厌氧菌或兼性, 根据分解有机物的不同, 分为纤维素、碳水化合物、蛋白质、脂肪分解菌等. (B).产乙酸菌：分2类-产氢产乙酸菌和同型乙酸菌, 厌氧或兼性菌. 产氢产乙酸菌将有机酸转化为氢和乙酸, 同型乙酸菌将H2+CO2转化为乙酸, 或将醇等转化为乙酸.,厌氧生物处理,产氢产乙酸菌：将有机酸转化为氢和乙酸. 如丙酸转化为乙酸过程: CH3CH2COOH +2H2O CH3COOH + 3H2 +CO2 同型乙酸菌: 将H2+CO2转化为乙酸, 或将醇等转化为乙酸 . 如乙醇转化为乙酸: CH3CH2OH +H2O
10、CH3COOH + 2H2,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(C). 产甲烷菌：严格厌氧菌。 对环境的条件要求比较苛刻, 对pH, 温度, 氧, 有毒物质浓度等较敏感.,厌氧生物处理,厌氧微生物与好氧微生物参数的比较,厌氧生物处理,1.3 厌氧生物处理影响因素 甲烷菌增殖速率慢, 世代周期长, 受环境影响大, 对pH敏感, 产甲烷菌是废水处理系统控制因素, 对废水厌氧生物处理的主要因素是甲烷菌的影响因素. (1).pH：最适宜在6.87.2, 由于酸化和产乙酸,系统pH容易降低, 此外蛋白质降解的氨能够缓冲, 系统中酸、碱度、CO2、氨降解
11、速率达到平衡.,厌氧生物处理,(2).温度：常温, 1030；中温, 35左右有适宜温度；高温, 53左右. 高温对微生物杀灭作用强, 温度要求波动小.,消化温度与消化时间的关系:,厌氧生物处理,Water Pollution Control Engineering,厌氧生物处理,(3). 污泥龄：要求大, 2030d, 厌氧微生物世代时间长. (4). 营养物质：COD:N:P=800:5:1, BOD: N: P= 100: 2.5: 1左右. 与好氧工艺相比对N,P等营养物质需求少. (5). 氧化还原电位：绝对厌氧条件, -0.2V以下. (6). 有机负荷：过高, 产酸速率大于产甲烷
12、, 酸积累, pH下降; 水力负荷大, 微生物流失; 过低, 反应器体积大, 运行投资费用大.,厌氧生物处理,(7).搅拌与混合：需要搅拌措施，不能过度搅拌影响微生物的生活环境。因为产乙酸和产甲烷菌的严格共生关系。 (8).有毒物质：H2S和NH3等，对微生物有毒害作用， NH3 的毒害作用以NH4+形式，与pH有关。,厌氧生物处理,1. 4 厌氧生物处理工艺特点 负荷高: 容积负荷高, 运行费用低, 可回收CH4, 好氧法如普通活性污泥0.5, 普通生物滤池0.3, 生物转盘1.0, 生物接触氧化2-5, 生物流化床10.0, 厌氧法中温, 以COD计算UASB, 10-20, 高温最高达4
13、0-50. 剩余污泥量少: 而且比较容易压缩和脱水,性质稳定, 如好氧0.30.6kgVSS/kgCOD, 厌氧0.050.1, 相当于好氧1/5或更少.,厌氧生物处理,对高浓度废水能耗低： 低浓度时厌氧生物处理能耗比好氧高, 很高浓度废水厌氧处理有剩余能量. 营养物质需要少，COD:N:P=500:5:1左右.,好氧法,厌氧法,废水 浓度,能量,厌氧生物处理,应用范围广: 可以处理低浓度或高浓度废水,由于厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解的一些有机物进行降解或部分降解,可以处理难降解废水, 城市污水工业废水, 可以处理高温废水. 目前基本上在污泥处理, 高浓度工业废水, 难降解废水应用多.
14、 对生物质进行处理. 脱氮除磷也涉及。 卫生：高温法可以基本杀灭病原微生物.,厌氧生物处理,出水水质差: 通常需要进一步好氧处理才能达标. 微生物增殖速度慢, 处理水量宜小, 厌氧生物处理的气味较大,对氨氮的去除效果不好 . 操作控制条件要求较严格, 设备结构复杂.厌氧过程中所涉及到的生化反应过程较为复杂， 不同种属间细菌的相互配合或平衡较难控制； 厌氧微生物特别是产甲烷细菌对温度、pH等环境因素非常敏感.,Water Pollution Control Engineering,1. 5 废水厌氧生物处理动力学简介 好氧的动力学方程仍适用,厌氧生化反应动力学方程:,厌氧生物处理,S底物浓度,
15、X污泥浓度, Y厌氧产率系数, kd厌氧的内源代谢系数.,第二节,废水厌氧生物处理工艺流程,厌氧生物处理,2. 厌氧工艺流程 2.1 两级厌氧 根据厌氧过程CH4产生的规律设计, 以节省加温与搅拌消耗的能量. 在厌氧消化过程中, 初始阶段产生CH4多, 第一级消化池有加温、搅拌、集气装置, 第二级消化池无, 节省了能量. 2.2 两相厌氧 根据厌氧机理设计, 使各消化池具有最佳微生物生长环境. 水解酸化, 产氢产乙酸阶段需要环境条件接近, 作为第一池(相)；把产甲烷阶段作为第二池(相), 有加温、搅拌、集气装置, 第二池容积小, 所以加温搅拌能耗也少, 运行管理较方便等.,第三节,废水厌氧生物
16、处理反应器,厌氧生物处理,3 厌氧生物处理反应器 第一代厌氧反应器：第一代厌氧反应器由于无法对水力停留时间和污泥停留时间分离, 造成处理废水的停留时间至少需要2030d, 因此处理污水效率低. 第二代厌氧反应器： 50 年代-厌氧接触工艺，60 年代-厌氧滤池 (AF), 70年代-UASB 反应器, 标志着厌氧反应器的研究进入了新的时代.以这些反应器为代表的第二代厌氧反应器的共同特点,就是实现了污泥停留时间与水力停留时间相分离,从而提高了反应器内污泥的浓度.,厌氧生物处理,第三代厌氧反应器：高效厌氧反应器中不仅要分离污泥停留时间和水力停留时间,保持高的污泥浓度, 还应使进水与污泥之间保持充分的接触. 但是单纯地改善混合状况有时会出现污泥的流失, 因此为了解决这一问题,20 世纪90 年代以来国际上相继开发出了以厌氧膨胀颗粒污泥床(EGSB), 内循环式厌氧反应器(IC), 厌氧上流污泥床/过滤器(UBF) 和厌氧序批式间歇反应器(ASBR)等为典型代表的第三代厌氧反应器.,厌氧生物反应器也可以根据微生物的生长状态分为三类：
