水污染控制工程15-1.ppt

第十五章第十五章 厌氧生物处理厌氧生物处理 一、概述一、概述 1.基本原理基本原理 1)概念概念 在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生用下，使有机物分解并产生CH4和和CO2的过程。的过程。2)发展简史发展简史 厌氧过程广泛地存在于自然界中；厌氧过程广泛地存在于自然界中；第一次利用厌氧消化处理废弃物：第一次利用厌氧消化处理废弃物：1881年年Louis Mouras的的“自动净化器自动净化器”；较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水和剩较大规模地应用厌氧消化过程来处理城市污水和剩 余污泥余污泥 50、60年代（特别是年代（特别是70年代中后期），一批被称为年代中后期），一批被称为现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺现代高速厌氧消化反应器的处理工艺，厌氧消化工艺开始大规模地应用于废水处理；开始大规模地应用于废水处理；HRT大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也大大缩短，有机负荷大大提高，处理效率也 大大提高；大大提高；HRT与与SRT分离，分离，SRT相对很长，相对很长，HRT则可以较则可以较 短，反应器内生物量很高；短，反应器内生物量很高；厌氧接触法、厌氧滤池（厌氧接触法、厌氧滤池（AF）、）、上流式厌氧污泥上流式厌氧污泥 床（床（UASB）反应器、厌氧流化床（反应器、厌氧流化床（AFB）、）、厌氧厌氧 生物转盘（生物转盘（ARBC）和挡板式厌氧反应器等；和挡板式厌氧反应器等；2)基本生物过程基本生物过程 I.两阶段理论两阶段理论 20世纪世纪3060年代，被普遍接受的是年代，被普遍接受的是“两阶段理论两阶段理论”90年代以后，随着年代以后，随着UASB反应器的广泛应用，在其基反应器的广泛应用，在其基础上又发展起来了础上又发展起来了EGSB和和IC反应器反应器 EGSB反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废反应器可以在较低温度下处理低浓度的有机废水；水；IC反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，可以达反应器则主要应用于处理高浓度有机废水，可以达到更高的有机负荷。到更高的有机负荷。发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、水解和酸化，产物主要是脂肪酸、醇类、CO2和和H2等；等；主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；主要参与微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；特点特点：生长快：生长快；适应性（温度、；适应性（温度、pH等）强。等）强。产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段 产产甲甲烷烷菌菌利利用用前前一一阶阶段段的的产产物物，并并将将其其转转化化为为CH4和和CO2；主要参与微生物统称为产甲烷菌；主要参与微生物统称为产甲烷菌；特特点点：生生长长慢慢；对对环环境境条条件件（温温度度、pH、抑抑制制物物等）非常敏感。等）非常敏感。存在问题存在问题?不能真实反映厌氧反应过程的本质；不能真实反映厌氧反应过程的本质；微微生生物物学学的的研研究究表表明明，产产甲甲烷烷菌菌只只能能利利用用一一些些简简单单有有机机物物如如甲甲酸酸、乙乙酸酸、甲甲醇醇、甲甲基基胺胺类类以以及及H2/CO2等等，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；70年年代代，Bryant发发现现原原来来认认为为是是一一种种被被称称为为“奥奥氏氏产产甲甲烷烷菌菌”的的细细菌菌，实实际际上上是是由由两两种种细细菌菌共共同同组组成成的的，一一种种细细菌菌首首先先把把乙乙醇醇氧氧化化为为乙乙酸酸和和H2，另另一一种种细细菌菌利利用用H2和和CO2产生产生CH4；II.三阶段理论三阶段理论 水解、发酵阶段水解、发酵阶段 产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、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产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生产生CH4；一般认为，在厌氧生物处理过程中约有一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自产自乙酸的分解，其余的则产自H2和和CO2。III.四阶段理论（四菌群学说）四阶段理论（四菌群学说）同型产乙酸菌：将同型产乙酸菌：将H2/CO2合成为乙酸。合成为乙酸。实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的实际上这一部分乙酸的量较少，只占全部乙酸的5%。3)厌氧生物处理的主要特征厌氧生物处理的主要特征 能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；能耗大大降低，而且还可以回收生物能（沼气）；污泥产量很低；污泥产量很低；厌厌氧氧微微生生物物的的增增殖殖速速率率比比好好氧氧微微生生物物低低得得多多，产产酸酸菌菌的的产产率率Y为为0.150.34 kg VSS/kg COD，产产甲甲烷烷菌菌的的产产率率Y为为0.03 kgVSS/kg COD左左右右，而而好好氧氧微微生生物物的的产产率率约为约为0.250.6kg VSS/kg COD。厌厌氧氧微微生生物物有有可可能能对对好好氧氧微微生生物物不不能能降降解解的的一一些些有有机机物物进行降解或部分降解；进行降解或部分降解；反反应应过过程程较较为为复复杂杂厌厌氧氧消消化化是是由由多多种种不不同同性性质质、不不同同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；功能的微生物协同工作的一个连续的微生物过程；对温度、对温度、pH等环境因素较敏感；等环境因素较敏感；处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；处理出水水质较差，需进一步利用好氧法进行处理；气味较大；气味较大；对氨氮的去除效果不好等。对氨氮的去除效果不好等。4)我国水污染控制的重要手段我国水污染控制的重要手段 我我国国高高浓浓度度有有机机工工业业废废水水排排放放量量巨巨大大，这这些些废废水水浓浓度度高高、多多含含有有大大量量的的碳碳水水化化合合物物、脂脂肪肪、蛋蛋白白质质、纤纤维维素等有机物；素等有机物；我我国国当当前前的的水水体体污污染染物物还还主主要要是是有有机机污污染染物物以以及及营营养养元素元素N、P的污染；的污染；能能源源昂昂贵贵、土土地地价价格格剧剧增增、剩剩余余污污泥泥的的处处理理费费用用也也越越来越高；来越高；厌厌氧氧工工艺艺的的突突出出优优点点是是：能能将将有有机机污污染染物物转转变变成成沼沼气气并并加加以以利利用用；运运行行能能耗耗低低；有有机机负负荷荷高高，占占地地面面积积少少；污泥产量少，剩余污泥处理费用低等。污泥产量少，剩余污泥处理费用低等。2.厌氧消化过程中的主要微生物厌氧消化过程中的主要微生物 发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等 1)发酵细菌（产酸细菌）发酵细菌（产酸细菌）I.主要功能主要功能 II.主要细菌主要细菌 梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水水解解在在胞胞外外酶酶的的作作用用下下，将将不不溶溶性性有有机机物物水水解成可溶性有机物；解成可溶性有机物；酸酸化化将将可可溶溶性性大大分分子子有有机机物物转转化化为为脂脂肪肪酸酸、醇类等；醇类等；III.水水解解过过程程较较缓缓慢慢，并并受受多多种种因因素素影影响响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤；有机物种类等），有时回成为厌氧反应的限速步骤；IV.产酸反应的速率较快；产酸反应的速率较快；V.大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；VI.按按功功能能来来分分：纤纤维维素素分分解解菌菌、半半纤纤维维素素分分解解菌菌、淀淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。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菌 I.功能功能 将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；II.主要反应主要反应 乙醇：乙醇：丙酸丙酸:丁酸丁酸：注意注意:上述反应只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低上述反应只有在乙酸浓度很低，系统中氢分压很低 时才能顺利进行。时才能顺利进行。主要细菌主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；暗杆菌属等；(多数是严格厌氧菌或兼性多数是严格厌氧菌或兼性 厌氧菌厌氧菌)3)产甲烷菌产甲烷菌 I.功能功能 将将产产氢氢产产乙乙酸酸菌菌的的产产物物乙乙酸酸和和H2/CO2转转化化为为CH4和和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；使厌氧消化过程得以顺利进行；II.分类分类 一一般般来来说说，乙乙酸酸营营养养型型产产甲甲烷烷菌菌的的种种类类较较少少，只只有有Methanosarcina和和Methanothrix，但但在在厌厌氧氧反反应应器器中中，有有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解 乙酸营养型产甲烷菌乙酸营养型产甲烷菌 H2营养型产甲烷菌营养型产甲烷菌 III.典型的产甲烷反应典型的产甲烷反应 IV.根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，分类：根据产甲烷菌的形态和生理生态特征，分类：产甲烷菌的形态产甲烷菌的形态 产甲烷杆菌产甲烷杆菌 产甲烷球菌产甲烷球菌 产甲烷八叠球菌产甲烷八叠球菌 产甲烷丝菌产甲烷丝菌 特点特点产产甲甲烷烷菌菌（Methanogens）属属于于古古细细菌菌，大大小小、外外观观上上与与普普通通细细菌菌（Eubacteria）相相似似，但但实实际际上上，其其细细胞胞成成分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊。分特殊，特别是细胞壁的结构较特殊。分分布布极极为为广广泛泛，如如污污泥泥、瘤瘤胃胃、昆昆虫虫肠肠道道、湿湿树树木木、厌厌氧反应器等。氧反应器等。产产甲甲烷烷菌菌都都是是严严格格厌厌氧氧细细菌菌，要要求求氧氧化化还还原原电电位位在在-150-400 mV，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；产产甲甲烷烷菌菌的的增增殖殖速速率率很很慢慢，繁繁殖殖世世代代时时间间长长，可可达达4 6天天，因因此此，一一般般情情况况下下产产甲甲烷烷反反应应是是厌厌氧氧消消化化的的限限速速步步骤骤。3.厌氧生物处理的影响因素厌氧生物处理的影响因素 主要因素有：温度、主要因素有：温度、pH值、氧化还原电位、营养物质、值、氧化还原电位、营养物质、F/M比、有毒物质等。比、有毒物质等。1)温度温度 温度对厌氧微生物的影响尤为显著温度对厌氧微生物的影响尤为显著 厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（菌）；相应地，厌氧消化分为：高温消化（55 C左左右）和中温消化（右）和中温消化（35 C左右）；左右）；高温消化的反应速率约为中温消化的高温消化的反应速率约为中温消化的1.51.9倍，产气倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；率也较高，但气体中甲烷含量较低；当当处处理理含含有有病病原原菌菌和和寄寄生生虫虫卵卵的的废废水水或或污污泥泥时时，高高温温消消化化可可取取得得较较好好的的卫卫生生效效果果，消消化化后后污污泥泥的的脱脱水水性性能能也也较较好；好；随随着着新新型型厌厌氧氧反反应应器器的的开开发发研研究究和和应应用用，温温度度对对厌厌氧氧消消化化的的影影响响不不再再非非常常重重要要（新新型型反反应应器器内内的的生生物物量量很很大大），因因此此可可以以在在常常温温条条件件下下（20 25 C）进进行行，以以节节省省能能量和运行费用。量和运行费用。2)pH值和碱度值和碱度 pH值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素。值是厌氧消化过程中的最重要的影响因素。原因？原因？产甲烷菌对产甲烷菌对pH值的变化非常敏感，一般认为，其最适值的变化非常敏感，一般认为，其最适pH值范围为值范围为6.87.2，在，在8.2时，产甲烷菌会受时，产甲烷菌会受到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化。到严重抑制，而进一步导致整个厌氧消化过程的恶化。影响影响pH值的主要因素？值的主要因素？进水进水pH值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等。生化反应、酸碱平衡、气固液相间的溶解平衡等。厌氧体系是一个厌氧体系是一个pH值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所值的缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制控制。一一般般来来说说：系系统统中中脂脂肪肪酸酸含含量量的的增增加加（累累积积），将将消消耗耗，使使pH下下降降；但但产产甲甲烷烷菌菌的的作作用用不不但但可可以以消消耗耗脂脂肪肪酸酸，而且还会产生，使系统的而且还会产生，使系统的pH值回升。值回升。碱度碱度 曾被认为是厌氧消化中一个至关重要的影响因素，但实曾被认为是厌氧消化中一个至关重要的影响因素，但实际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，际上其作用主要是保证厌氧体系具有一定的缓冲能力，维持合适的维持合适的pH值；值；注意注意 厌氧体系一旦发生酸化，需很长的时间才能恢复。厌氧体系一旦发生酸化，需很长的时间才能恢复。3)氧化还原电位氧化还原电位 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。条件。非产甲烷菌可以在氧化还原电位为非产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100 -100 mV的的环境正常生长和活动；环境正常生长和活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为产甲烷菌的最适氧化还原电位为-150 -400 mV，在在培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于-330 mV。4)营养要求营养要求 厌厌氧氧微微生生物物对对N、P等等营营养养物物质质的的要要求求略略低低于于好好氧氧微微生生物，其要求物，其要求COD：N：P=200：5：1；多多数数厌厌氧氧菌菌不不具具有有合合成成某某些些必必要要的的维维生生素素或或氨氨基基酸酸的的功能，有时需要投加：功能，有时需要投加：K、Na、Ca等金属盐类；等金属盐类；微量元素微量元素Ni、Co、Mo、Fe等；等；有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。5)F/M比比 厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一厌氧生物处理的有机物负荷较好氧生物处理更高，一般可达般可达510 kgCOD/m3.d，甚至可达甚至可达5080kgCOD/m3.d；原因？原因？注意注意产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十产酸阶段的反应速率远高于产甲烷阶段，因此必须十分谨慎地选择有机负荷。分谨慎地选择有机负荷。高的有机容积负荷的前提是高的生物量高的有机容积负荷的前提是高的生物量；高的有机容；高的有机容积负荷可以缩短积负荷可以缩短HRT，减少反应器容积。减少反应器容积。无传氧的限制；无传氧的限制；可以积聚更高的生物量。可以积聚更高的生物量。6)有毒物质有毒物质 常见的抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰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。化物及某些有机物。I.硫化物和硫酸盐硫化物和硫酸盐 硫硫酸酸盐盐和和其其它它硫硫的的氧氧化化物物很很容容易易在在厌厌氧氧消消化化过过程中被还原成硫化物；程中被还原成硫化物；可可溶溶的的硫硫化化物物达达到到一一定定浓浓度度时时，会会对对厌厌氧氧消消化化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投投加加某某些些金金属属如如Fe可可以以去去除除S2-，或或从从系系统统中中吹吹脱脱H2S可以减轻硫化物的抑制作用。可以减轻硫化物的抑制作用。II.氨氮氨氮 氨氮是厌氧消化的缓冲剂。氨氮是厌氧消化的缓冲剂。浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为抑制浓度为50200mg/l，但驯化后，适应能力会得到但驯化后，适应能力会得到加强。加强。III.重金属重金属 使厌氧细菌的酶系统受到破坏。IV.氰化物氰化物 V.有毒有机物有毒有机物 4.厌氧消化过程中沼气产量的估算厌氧消化过程中沼气产量的估算 糖糖类类、脂脂类类和和蛋蛋白白质质等等有有机机物物经经过过厌厌氧氧消消化化能能转转化化为为甲甲 烷烷 和和 CO2等等 气气 体体，这这 种种 混混 合合 气气 体体 统统 称称 为为 沼沼 气气Biogas）。）。产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学产生沼气的数量和成分取决于被消化的有机物的化学组成，一般可以用下式进行估算：组成，一般可以用下式进行估算：理论上，理论上，1 g COD在厌氧条件下完全降解可以生成在厌氧条件下完全降解可以生成0.25 gCH4，相当于标准状态下的甲烷气体体积为相当于标准状态下的甲烷气体体积为0.35L。二、二、厌氧生物处理工艺厌氧生物处理工艺 1.早期的厌氧生物反应器早期的厌氧生物反应器 初初级级阶阶段段，是是从从1881年年法法国国Mouras设设计计的的自自动动净净化化器器开始到上世纪的开始到上世纪的20年代；年代；1881年法国年法国Mouras的自动净化器：的自动净化器：1891年英国年英国Moncriff的装有填料的升流式反应器：的装有填料的升流式反应器：1895年，英国设计的化粪池（年，英国设计的化粪池（Septic Tank）；）；1905年，德国的年，德国的Imhoff池（又称隐化池、双层沉淀池）。池（又称隐化池、双层沉淀池）。特点特点 处理废水的同时，也处理有废水沉淀下来的污泥；处理废水的同时，也处理有废水沉淀下来的污泥；前前几几种种构构筑筑物物由由于于废废水水和和污污泥泥不不分分隔隔而而影影响响出出水水水水质质；双双层层沉沉淀淀池池则则有有了了很很大大改改进进，有有上上层层沉沉淀淀池池和和下下层层消消化化池；池；停留时间很长，出水水质也较差；停留时间很长，出水水质也较差；后后两两种种反反应应器器曾曾在在英英、美美、德德、法法等等国国得得到到广广泛泛推推广广，在我国目前仍有应用。在我国目前仍有应用。2.厌氧消化池厌氧消化池 主要特征主要特征 1927年年，首首次次在在消消化化池池中中加加上上了了加加热热装装置置，使使产产气气速速率显著提高；率显著提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；随后，又增加了机械搅拌器，反应速率进一步提高；50年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；年代初又开发了利用沼气循环的搅拌装置；带带加加热热和和搅搅拌拌装装置置的的消消化化池池被被称称为为高高速速消消化化池池，至至今今仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。仍是城市污水处理厂中污泥处理的主要技术。1)消化池的类型与构造消化池的类型与构造 厌氧消化池主要应用于处理城市污水厂的污泥，也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。可应用于处理固体含量很高的有机废水。I.作用作用 一部分有机物转变为沼气；一部分有机物转变为沼气；一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质；一部分有机物形成稳定性良好的腐殖质；提高了污泥的脱水性能；提高了污泥的脱水性能；污泥体积可减少污泥体积可减少1/2以上；以上；致致病病微微生生物物也也得得到到了了一一定定程程度度的的灭灭活活，有有利利于于污污泥的进一步处理和利用。泥的进一步处理和利用。II.分类分类 按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形；按形状：圆柱形、椭圆形（卵形）和龟甲形；按池顶结构：固定盖式和浮动盖式；按池顶结构：固定盖式和浮动盖式；按运行方式：传统消化池和高速消化池。按运行方式：传统消化池和高速消化池。A.传统消化池传统消化池 低速消化池低速消化池 无加热和搅拌装置无加热和搅拌装置有分层现象有分层现象 只有部分容积有效只有部分容积有效 消化速率很低消化速率很低HRT很长（很长（3090天）天）B.高速消化池高速消化池 设有加热和搅拌装置设有加热和搅拌装置 缩缩短短了了有有机机物物稳稳定定所所需需的的时时间间，也也提提高高 了了沼沼气气产产量量，在在中中温温（3035 C）条条件件下下，一一般般消消化化时时间间为为15天天左左右，运行稳定；右，运行稳定；但但搅搅拌拌使使高高速速消消化化池池内内的的污污泥泥得得不不到到浓浓缩缩，上上清清液液不不能分离。能分离。C.两级消化池两级消化池 两级串联，第一极是高速消化池，第二级则不设搅拌和两级串联，第一极是高速消化池，第二级则不设搅拌和加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能分离上清液；加热，主要起沉淀浓缩和贮存的作用，并能分离上清液；二者的二者的HRT的比值可采用的比值可采用1:14:1，一般为，一般为1：2。III.构造构造 由池顶、池底和池体三部分组成。由池顶、池底和池体三部分组成。池顶：固定盖和浮动盖，集气罩；池顶：固定盖和浮动盖，集气罩；池底：倒圆锥形，有利于排泥。池底：倒圆锥形，有利于排泥。搅拌：机械搅拌和沼气搅拌搅拌：机械搅拌和沼气搅拌