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水处理工程(四):废水的厌氧处理

摘要: 1.概述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。废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程中...

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1.概述

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。

废水厌氧生物处理是环境工程与能源工程中的一项重要技术,是 有机废水 强有力的处理方法之一。

过去,它多用于城市污水处理厂的污泥、有机废料以及部分高浓度有机废水的处理。

目前,厌氧生化法不仅可用于处理有机污泥和高浓度有机废水,也用于处理中、低浓度有机废水。

 

 

 

1.1.厌氧法的主要特点

应用范围广:因供氧限制,好氧法一般只适用于中、低浓度有机废水的处理,而厌氧法既 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、着色剂蒽醌和某些偶氮染料等。

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,而厌氧法不需要充氧,而且产生的沼气可作为能源。废水有机物达一定浓度后, 沼气能量可以抵偿消耗能量。研究表明,当原水BOD5达到1500mg/L 时,采用厌氧处理即有能量剩余。有机物浓度愈高,剩余能量愈多。一般厌氧法的 动力消耗约为活性污泥法的1/10

负荷高:通常一般好氧法的有机容积负荷为2-4kgBOD/(m3·d) ,而厌氧法为2-l0kgCOD/(m3·d) ,高的可达50kgCOD/(m3·d)

剩余污泥量少,且其浓缩性、脱水性良好。

好氧法每去除l kgCOD 将产生0.4-O.6 kg 生物量,而厌氧出去除 l kgCOD 只产生0.02~0.l kg生物量,其剩余污泥量只有好氧法的5~20%。

氮、磷营养需要量较少:好氧法一般要求BOD:N:P 10051;而厌氧法的BODNP 20051。对氮、磷缺乏的工业废水所需投加的营养。

有杀菌作用:厌氧处理过程有一定的杀菌作用,可以杀死废水和污泥中的寄生虫卵、病毒等。消化污泥在卫生学上和化学上都是稳定的。因此,剩余污泥处理和处置简单、运行费用低,甚至可作为肥料、饲料或饵料利用。

污泥易贮存:厌氧微生物代谢速度缓慢,厌氧活性污泥可以长期贮存,重新启动容易,厌氧反应器可以季节性或间歇性运转。

缺点:厌氧微生物增殖缓慢,因而厌氧设备启动和处理所需时间比好氧设备长;出水往往达不到排放标准 ,需要进一步处理,故一般在厌氧处理后串联好氧处理;厌氧处理系统操作控制因素较为复杂;厌氧过程会 产生气味对空气有污染。

2.厌氧法的基本原理

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程,依靠 三大主要类群的细菌 ,即 水解产酸细菌、 产氢产乙酸细菌和产甲烷细菌的联合作用完成。6.png

厌氧消化过程划分为三个连续的阶段,即 水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段和产甲烷阶段

研究表明,产甲烷菌 只能利用一些简单有机物如甲酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等,而不能利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类

水解酸化阶段:

胞外水解:将大分子不溶性的有机物水解成为小分子水溶性有机物。水解作用是在水解酶的催化作用下完成的。 水解酶 是一种胞外酶,因此水解过程是在细菌细胞的表面或周围介质中完成的。

细胞内转化:发酵细菌将水解产物吸收进细胞内,经细胞内复杂的酶系统的催化转化,将一部分供能源使用的有机物转化为代谢产物,排入细胞外的水溶液里,称为参与下一阶段生化反应的细菌群(主要是产氢产乙酸细菌)吸收利用的基质(主要是 有机酸、醇、酮 等)。

产氢产乙酸阶段:将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2

产甲烷阶段:产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、CO2H2等转化为转化为CH4CO2,厌氧消化过程得以顺利进行。甲烷细菌主要类型:乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌。

产酸细菌是甲烷细菌的营养物质供应者。

1g COD → 0.35L CH4(标准状态)。

3.厌氧法的影响因素

基础因素: 包括微生物量 ( 污泥浓度) 、营养比、混合接触状况、有机负荷等。7.png

环境因素: 如温度、pH 值、氧化还原电位、有毒物质等。

产甲烷细菌是决定厌氧消化效率和成败的主要微生物, 产甲烷阶段 是厌氧过程速率的限制步骤。

产甲烷菌的温度范围为5-60℃。在35℃53℃上下可以分别获得较高的消化效率,温度为40-45℃时,厌氧消化效率较低。

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。

常温甲烷菌(适应温度8-30 ℃);中温甲烷菌(适应温30-36 ℃);高温甲烷菌(嗜热甲烷菌,适应温度50-55 ℃)。

维持50-55 ℃进行消化处理称高温厌氧消化,高温厌氧消化对COD的去除率通常比中温时高25%~50%;存在问题是高温甲烷菌的内源呼吸消耗较大,细菌的老化率和死亡率也较高,使细菌的产率降低,挥发性脂肪酸(VFA)可能累积到1000mg/L

产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感,其适宜的pH 值范围较广,在4.5~8.0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7.0~7.2pH=6.6~7.4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6.5~7.5(最好在6.8~7.2) 的范围内。

无氧环境是严格厌氧的产甲烷菌繁殖的最基本条件之一。产甲烷菌对氧和氧化剂非常敏感,这是因为它不像好氧菌那样具有过氧化氢酶;氧是影响厌氧反应器中氧化还原电位条件的重要因素,但不是唯一因素;挥发性有机酸的增减、pH 值的升降以及铵离子浓度的高低

等因素均影响系统的还原强度。pH值低,氧化还原电位高;pH值高,氧化还原电位低。

在通常的情况下,常规厌氧消化工艺中温处理高浓度工业废水的有机负荷为2~3kgCOD/(md) ,在高温下为4~6kgCOD /(m3·d);上流式厌氧污泥床反应器、厌氧滤池、厌氧流化床等新型厌氧工艺的有机负荷在中温下为5~15kgCOD/(m3·d) ,可高达30 kgCOD/(m3·d) 。在处理具体废水时,最好通过试验来确定其最适宜的有机负荷。

一定的范围内,活性污泥浓度愈高,厌氧消化的效率也愈高。但也不是越高越好。

厌氧法中碳:氮:磷控制为200-30051 为宜;在碳、氮、磷比例中,碳氮比例对厌氧消化的影响更为重要。研究表明,合适的C/N 10-181

包括有毒有机物、重金属离子和一些阴离子等往往具有抑制性。

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4.厌氧法的设备与工艺

  按微生物生长状态分为厌氧活性污泥法和厌氧生物膜法;按投料、出料及运行方式分为分批式、连续式和半连续式;根据厌氧消化中物质转化反应的总过程是否在同一反应器中并在同一工艺条件下完成,又可分为一步厌氧消化与两步厌氧消化等。9.png

化粪池:用于处理来自厕所的粪便废水。曾广泛用于不设污水厂的合流制排水系统。尚可用于郊区的别墅式建筑。

厌氧消化池:消化池常用密闭的圆柱形池,废水定期或连续进入池中,经消化的污泥和废水分别由消化池底和上部排出,所产沼气从顶部排出。

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。

主要作用:部分有机物转变为沼气;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;污泥体积可减少1/2 以上;致病微生物也得到了一定程度的灭活,有利于污泥的进一步处理和利用,HRT很长。

构造:池顶、池底和池体三部分。

厌氧接触法:在消化池后设沉淀池,将沉淀污泥回流至消化池,形成了厌氧接触法。


特点:通过污泥回流,保持消化池内污泥浓度较高,一般为10-15g/L ,耐冲击能力强;消化池的容积负荷较普通消化池高;混合液经沉降后,出水水质好;可以直接处理悬浮固体含量较高或颗粒较大的料液,不存在堵塞问题;但需增加沉淀池、污泥回流和脱气等设备。

厌氧生物滤池的工艺特征:滤池呈圆柱形,池内装放填料,池底和池顶密封。厌氧微生物附着于填料的表面生长,当废水通过填料层时,在填料表面的厌氧生物膜作用下,废水中的有机物被降解,并产生沼气,沼气从池顶部排出。废水从池底进入,从池上部排出,称 升流式厌氧滤池;废水从池上部进入,以降流的形式流过填料层,从池底部排出,称降流式厌氧滤池。

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厌氧升流式厌氧污泥层()(UASB) 反应器:由 反应区、沉淀区和气室 三部分组成。11.png

上流式厌氧污泥床的池形有圆形、方形、矩形。小型装置常为圆柱形,底部呈锥形或圆弧形。大型装置为便于设置气、液、固三相分离器,则一般为矩形,高度一般为3~8m,其中污泥床1~2m ,污泥悬浮层2~4m ,多用钢结构或钢筋混凝土结构。

反应器上部设置了气、固、液三相分离器;在反应器底部设置了均匀布水系统;反应器内的污泥能形成颗粒污泥;颗粒污泥的平均浓度为50gVss/l 以上;反应器的HRT相应较短 SRT 较长;反应器具有很高的容积负荷;适合于处理高浓度的有机工业废水;具有良好的沉降性能和很高的产甲烷活性。

特点:反应器内污泥浓度高,一般平均污泥浓度为30~40g/L,其中底部污泥床污泥浓60~80g/L,污泥悬浮层污泥浓度5~7 g/L ;污泥床中的污泥由活性生物量占70~80%的高度发展的颗粒污泥组成,颗粒的直径一般在0.5~5.0 mm 之间,颗粒污泥是 UASB 反应器的一个重要特征;有机负荷高,水力停留时间短,中温消化,COD 容积负荷一般为10~20kgCOD/m3·d);反应器内设三相分离器 被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区 ,一般无污泥回流设备。无混合搅拌设备。投产运行正常后,利用本身产生的沼气和进水来搅动;污泥床内不填载体 节省造价及避免堵塞问题;反应器内有短流现象 影响处理能力。进水中的悬浮物应比普通消化池低得多 特别是难消化的有机物固体不宜太高 ,以免对污泥颗粒化不利或减少反应区的有效容积 甚至引起堵塞;运行启动时间长 对水质和负荷突然变化比较敏感

厌氧膨胀床 (AEB):一般将床体内载体略有松动,载体间空隙增加但仍保持互相接触的反应器。

厌氧流化床:将上升流速增大到使载体可在床体内自由运动而互不接触的反应器。

厌氧生物转盘的构造与好氧生物转盘相似,不同之处在于盘片大部分(70%以上)或全部浸没在废水中,为保证厌氧条件和收集沼气,整个生物转盘设在一个密闭的容器内。

厌氧挡板反应器、两相厌氧消化工艺、接触消化池—上流式污泥床两步消化工艺、厌氧复合床反应器(AF+ UASB)。

5.厌氧法工艺的新进展

内循环厌氧反应器(IC)(Internal Circulation

厌氧颗粒污泥膨胀床(EGSB

厌氧和好氧技术的联合运用


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