水污染控制工程
第 7章 污水的厌氧生物处理
内蒙古科技大学环境工程教研室
目录
? 概述
? 原理
? 主要构筑物及工艺
? 厌氧生物处理法的设计
厌氧生物处理 —— 概述
厌氧污水污泥处理技术的发展
? 1860年法国的 Muras将简易沉淀池改为污泥处理构筑物;
? 1895年英国 Cameron进一步改进为腐化池;
? 1903年英国的 Travis首先建成了双层沉淀池;
? 1906年德国的 Imhoff发明 Imhoff双层沉淀池;
? 1912年英国的伯明翰市建了第一个消化池;
? 1920年英国 Watson建成最早二级消化池,同时利用了沼气;
? 1925- 1926年在德国、美国相继建成较标准的消化池。
厌氧生物处理法或厌氧消化法,在断绝与空气接触的条件下,依赖
兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用,对有机物进行生物降解
的过程。
厌氧生物处理法的处理对象是:高浓度有机工业废水、城镇污水的
污泥、动植物残体及粪便等。
图 15-1 厌氧发酵的几个阶段
厌氧生物处理 —— 概述
? 厌氧生物处理的方法和基本功能有二,
( 1)酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物
降解的基质;
( 2)甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃
料。
? 完全的厌氧生物处理工艺 因兼有降解有机物和生产气
体燃料的双重功能,因而得到了广泛的发展和应用。
厌氧生物处理 —— 原理
一、厌氧消化的生化阶段
复杂有机物 的厌氧消化过程要经历数个阶段,由不同的
细菌群接替完成。根据复杂有机物在此过程中的物态
及物性变化,可分三个阶段(表 15-1)。
厌氧生物处理 —— 原理
表 15-1 有机物厌氧消化过程
生化阶段 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
物态变化 液化(水解) 酸化( 1) 酸化( 2) 气 化
生化过程
大分子不溶态
有机物转化为
小分子溶解态
有机物
小分子溶解态
有机物转化为
( H2+CO2)及
A,B两类产物
B类产物转化为
( H2+CO2)及
乙酸等
CH4,CO2等
菌 群 发酵细菌 产氢产乙酸细菌 甲烷细菌
发酵工艺
甲烷发酵
酸 发 酵 ——
厌氧生物处理 —— 原理
二、发酵的控制条件
(以下重点讨论甲烷发酵的控制条件。)
(一)营养与环境条件
废水、污泥及废料中的有机物种类繁多,只要未达
到抑制浓度,都可连续进行厌氧生物处理。对生物可
降解性有机物的浓度并无严格限制,但若浓度太低,
比耗热量高,经济上不合算;水力停留时间短,生物
污泥易流失,难以实现稳定的运行。一般要求 COD大
于 1000mg/L。
COD∶ N∶ P=200∶ 5∶ 1
厌氧生物处理 —— 原理
( 1)氧化还原电位( ORP或 Eh)
厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件。
厌氧环境,主要以体系中的氧化还原电位来反映。
一般情况下,氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电
位升高的最主要和最直接的原因。但是,除氧以外,
其它一些氧化剂或氧化态物质的存在(如某些工业废
水中含有的 Fe3+,Cr2O72-,NO3-,SO42-以及酸性
废水中的 H+等),同样能使体系中的氧化还原电位升
高。当其浓度达到一定程度时,同样会危害厌氧消化
过程的进行。
厌氧生物处理 —— 原理
高温厌氧消化系统 适宜的氧化还原电位为 -500~-600mV;
中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统 要求的氧化还原
电位应低于 -300~-380mV。
产酸细菌 对氧化还原电位的要求不甚严格,甚至可在
+100~-100mV的兼性条件下生长繁殖;
甲烷细菌 最适宜的氧化还原电位为 -350mV或更低。
厌氧生物处理 —— 原理
( 2)温度 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。
工程上,
中温消化温度为 30~38℃ (以 33~35℃ 为多);
高温消化温度为 50~55℃ 。
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。
厌氧生物处理 —— 原理
( 3) pH值及酸碱度 由于发酵系统中的 CO2分压很高
( 20.3~40.5kPa),发酵液的实际 pH值比在大气
条件下的实测值为低。一般认为,实测值应在
7.2~7.4之间为好。
( 4)毒物 凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用的物质,
都可称为毒物。
厌氧生物处理 —— 原理
(二)工艺条件控制
( 1)生物量
各种反应器要求的污泥浓度不尽相同,一般介于
10~30gVSS/L之间。
为了保持反应器生物量不致因流失而减少,可采用多种措施,如
安装三相分离器、设置挂膜介质、降低水流速度和回流污泥
量等。
厌氧生物处理 —— 原理
( 2)负荷率 负荷率是表示消化装置处理能力的一个参数。
负荷率有三种表示方法:容积负荷率、污泥负荷率、
投配率。
? 反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量,
称为容积负荷率,单位为 kg/m3·d或 g/L·d。有机物
量可用 COD,BOD,SS和 VSS表示。
? 反应器内单位重量的污泥在单位时间内接纳的有机物
量,称为污泥负荷率,单位为 kg/kg·d或 g/g·d。
? 每天向单位有效容积投加的新料的体积,称为投配率,
单位为 m3/m3·d。投配率的倒数为平均停留时间或消
化时间,单位为 d。投配率有时也用百分数表示,例如,
0.07m3/m3·d的投配率也可表示为 7%。
厌氧生物处理 —— 原理
? 厌氧消化装置的负荷率是怎样确定的呢?
一个重要的原则是:在两个转化(酸化和气化)速
率保持稳定平衡的条件下,求得最大的处理目标
(最大处理量或最大产气量)。
一般而言,厌氧消化微生物进行酸化转化的能力强,
速率快,对环境条件的适应能力也强;而进行气化
转化的能力相对较弱,速率也较慢,对环境的适应
能力也较脆弱。这种前强后弱的特征使两个转化速
率保持稳定平衡颇为困难,因而形成了三种发酵状
态。
当有机物负荷率很高时,由于供给产酸菌的食物相当
充分,致使作为其代谢产物的有机物酸产量很大,超过
了甲烷细菌的吸收利用能力,导致有机酸在消化液中的
积累和 pH值(以下均指大气压条件下的实测值)下降,
其结果是使消化液显酸性( pH<7)。这种在酸性条件
下进行的厌氧消化过程称为酸性发酵状态,它是一种低
效而又不稳定的发酵状态,应尽量避免。
当有机负荷率适中时,产酸细菌代谢产物中的有机酸基本
上能被甲烷细菌及时地吸收利用,并转化为沼气,溶液
中残存的有机酸量一般为每升数百毫克。此时消化液中
pH值维持在 7~7.5之间,溶液呈弱碱性。这种在弱碱
性条件下进行的厌氧消化过程称之为弱碱性发酵状态,
它是一种高效而又稳定的发酵状态,最佳负荷率应达此
状态。
当有机物负荷率偏小时,供给产酸细菌的食物不足,产酸
量偏少,不能满足甲烷细菌的需要。此时,消化液中的
有机酸残存量很少,pH值偏高,在 pH值偏高(大于
7.5)的条件下进行的厌氧消化过程,称为碱性发酵状
态。如前所述,由于负荷偏低,因而是一种虽稳定但低
效的厌氧消化状态。
厌氧生物处理 —— 原理
( 3)加热 为把料液控制到要求的发酵温度,则必须加热。
据估算,去除 8000mg/L的 COD所产生的沼气,能
使一升水升温 10℃ 。
( 4) pH值的控制 如果料液会导致反应器内液体的 pH值
低于 6.5或高于 8.0时,则应对料液预先中和。当有机
酸的积累而使反应液的 pH值低于 6.8~7时,应适当减
小有机物负荷或毒物负荷,使 pH值恢复到 7.0以上
(最好为 7.2~7.4)。若 pH低于 6.5,应停止加料,
并及时投加石灰中和。
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
一、早期用于处理废水的厌氧消化构筑物是化粪池和双层
沉淀池。
? 化粪池 是一个矩形密闭的池子,用隔墙分为两室或
三室,各室之间用水下连接管接通。废水由一端进入,
通过各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后进行缓
慢的厌氧发酵。各室的顶盖上设有人孔,可定期(数
月)将消化后的污泥挖出,供作农肥。这种处理构筑
物通常设于独立的居住或公共建筑物的下水管道上,
用于初步处理粪便废水。
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
? 双层沉淀池 上部有一个流槽,槽底呈 V形。废水沿槽缓
慢流过时,悬浮物便沉降下来,并从 V形槽底缝滑落于
大圆形池底,在那里进行厌氧消化。这两种处理构筑
物仅起截留和降解有机悬浮物的功用,产生的沼气难
以收集利用。
化粪池
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
二、普通消化池,主要用于处理城市污水的沉淀污泥。普
通消化池多建成加顶盖的筒状。
生污泥从池顶进入,通过搅拌与池内污泥混合,进行厌氧
消化。分解后的污泥从池底排出。产生的生物气从池
顶收集。普通消化池需要加热,以维持高的生化速率。
这种处理构筑物通常是 每天加排料各 1~2次,与此同时进
行数小时的搅拌混合。
h
4
h
3
h
2
h
1
D
d
2
d
1
圆筒形厌氧消化池 蛋形厌氧消化池
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
三、厌氧接触系统
普通消化池用于处理高浓度有机废水时,为了强化有机物
与池内厌氧污泥的充分接触,必须连续搅拌;
同时为了提高处理效率,必须改间断进水排水为连续进水
排水。但这样一来,会造成厌氧污泥的大量流失。
为了克服这一缺点,可在消化池后串联一个沉淀池,将沉
淀下的污泥又送回消化池,因此组成了厌氧接触系统。
污泥回流量约为进水流量的 2~3倍。消化池内的 MLVSS
为 6~10g/L。
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
四、厌氧生物滤池和厌氧生物转盘
为了防止消化池的污泥流失,可
在池内设置挂膜介质,使厌氧微
生物生长在上面,由此出现了厌
氧生物滤池和厌氧生物转盘。
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
五、上流式厌氧污泥床反应器( UASB)
这种反应器是目前应用最为广泛的一种厌氧生物处理装
置。
UASB布置结果示意图
布水区
反应区
三相分离区
超高
三项分离器
厌氧生物处理 —— 主要构筑物及工艺
六、厌氧流化床反应器
厌氧流化床反应器的内部充填着粒径很小
( d=0.5mm左右)的挂膜介质,当其表面长满微生
物时,称为生物颗粒。
在上升水流速度很小时,生物颗粒相互接触,形成固定
床。借助循环管增大反应器内的上升流速,可使生物
颗粒开始脱离接触,并呈悬浮状态。当继续增大流速
至污泥床的膨胀率达 10~20%时,生物颗粒便呈流化
态。
七、分段厌氧处理法
? 第一段:水解和液化有机物为有机酸;缓冲和
稀释
负荷冲击与有害物质,并将截留难降解的固态物
质。
? 第二段:保持严格的厌氧条件和 pH值,以利于
甲烷菌的生长;降解、稳定有机物,产生含甲
烷较多的消化气,并截留悬浮固体,以改善出
水水质。
厌氧生物处理法的设计
厌氧和好氧技术的联合运用
?有些废水,含有很多复杂的有机物,对于好氧生物处理而
言是属于难生物降解或不能降解的,但这些有机物往往可以
通过厌氧菌分解为较小分子的有机物,而那些较小分子的有
机物可以通过好氧菌进一步分解。
?采用缺氧与好氧工艺相结合的流程,可以达到生物脱氮的
目的 (A/O法 )。厌氧 -缺氧 -好氧法 (A/A/O法 )和缺氧 -厌氧 -
好氧法 (倒置 A/A/O法 ),可以在去除 BOD,COD的同时,
达到脱氮、除磷的效果。