厌氧生物处理原理及工艺课件

厌氧生物处理原理及工艺厌氧生物处理原理及工艺1内容概述原理主要构筑物及工艺内容概述2概述概述 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，称为厌氧生物处理法或厌氧消化法。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。概述 在断绝与空气接触的条件下，依赖兼性厌氧菌和专性厌氧3厌氧生物处理原理及工艺课件4厌氧生物氧生物处理的方法和基本功能有二：理的方法和基本功能有二：（1）酸）酸发酵的目的是酵的目的是为进一步一步进行生物行生物处理提供易生理提供易生物降解的基物降解的基质；（2）甲）甲烷发酵的目的是酵的目的是进一步降解有机物和生一步降解有机物和生产气体气体燃料。燃料。厌氧生物处理的方法和基本功能有二：5 完全的完全的完全的完全的厌厌氧生物氧生物氧生物氧生物处处理工理工理工理工艺艺因兼有降解有机物和生因兼有降解有机物和生产气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的气体燃料的双重功能，因而得到了广泛的发展和展和应用。用。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6原理一、一、厌氧消化的生化氧消化的生化阶段段复复杂有机物有机物的的厌氧消化氧消化过程要程要经历数个数个阶段，由不段，由不同的同的细菌群接替完成。根据复菌群接替完成。根据复杂有机物在此有机物在此过程中程中的物的物态及物性及物性变化，可分三个化，可分三个阶段（表段（表9-1）。）。原理一、厌氧消化的生化阶段7厌氧生物氧生物处理理原理原理表表9-1 有机物有机物厌氧消化氧消化过程程生化阶段生化阶段 物态变化物态变化液化（水解）液化（水解）酸化（酸化（1）酸化（酸化（2）气气 化化生化过程生化过程大分子不溶态有大分子不溶态有机物转化为小分机物转化为小分子溶解态有机物子溶解态有机物小分子溶解态有小分子溶解态有机物转化为机物转化为（H2+CO2）及）及A、B两类产物两类产物B类产物转化为类产物转化为（H2+CO2）及乙）及乙酸等酸等CH4、CO2等等菌菌 群群发酵细菌发酵细菌产氢产乙酸细菌产氢产乙酸细菌甲烷细菌甲烷细菌发酵工艺发酵工艺甲烷发酵甲烷发酵酸酸 发发 酵酵厌氧生物处理原理表9-1 有机物厌氧消化过程生化阶段8厌氧生物氧生物处理理原理原理二、二、发酵的控制条件酵的控制条件（以下重点（以下重点讨论甲甲烷发酵的控制条件。）酵的控制条件。）（一）（一）营养与养与环境条件境条件废水、水、污泥及泥及废料中的有机物种料中的有机物种类繁多，只要未繁多，只要未达到抑制达到抑制浓度，都可度，都可连续进行行厌氧生物氧生物处理。理。对生生物可降解性有机物的物可降解性有机物的浓度并无度并无严格限制，但若格限制，但若浓度度太低，比耗太低，比耗热量高，量高，经济上不合算；水力停留上不合算；水力停留时间短，生物短，生物污泥易流失，泥易流失，难以以实现稳定的运行。一般定的运行。一般要求要求COD大于大于1000mg/L。COD N P=200 5 1 厌氧生物处理原理二、发酵的控制条件9厌氧生物氧生物处理理原理原理（1）氧化）氧化还原原电位（位（ORP或或Eh）厌氧氧环境是境是厌氧消化氧消化过程程赖以正常以正常进行的最重要的条件。行的最重要的条件。厌氧氧环境，主要以体系中的氧化境，主要以体系中的氧化还原原电位来反映。位来反映。一般情况下，氧的溶入无疑是引起一般情况下，氧的溶入无疑是引起发酵系酵系统的氧化的氧化还原原电位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，其位升高的最主要和最直接的原因。但是，除氧以外，其它一些氧化它一些氧化剂或氧化或氧化态物物质的存在（如某些工的存在（如某些工业废水中水中含有的含有的Fe3+、Cr2O72-、NO3-、SO42-以及酸性以及酸性废水中的水中的H+等）等），同，同样能使体系中的氧化能使体系中的氧化还原原电位升高。当其位升高。当其浓度达到度达到一定程度一定程度时，同，同样会危害会危害厌氧消化氧消化过程的程的进行。行。厌氧生物处理原理（1）氧化还原电位（ORP或Eh）10厌氧生物氧生物处理理原理原理高温高温厌氧消化系氧消化系统适宜的氧化适宜的氧化还原原电位位为-500-600mV；中温中温厌氧消化系氧消化系统及浮及浮动温度温度厌氧消化系氧消化系统要求的氧化要求的氧化还原原电位位应低于低于-300-380mV。产酸酸细菌菌对氧化氧化还原原电位的要求不甚位的要求不甚严格，甚至可在格，甚至可在+100-100mV的兼性条件下生的兼性条件下生长繁殖；繁殖；甲甲烷细菌菌最适宜的氧化最适宜的氧化还原原电位位为-350mV或更低。或更低。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-511厌氧生物氧生物处理理原理原理（2）温度）温度温度是影响微生物生命活温度是影响微生物生命活动过程的重要因程的重要因素之一。温度主要影响微生物的生化反素之一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因速度，因而与有机物的分解速率有关。而与有机物的分解速率有关。工程上：工程上：中温消化温度中温消化温度为3038（以（以3335为多）；多）；高温消化温度高温消化温度为5055。厌氧消化氧消化对温度的突温度的突变也十分敏感，要求日也十分敏感，要求日变化小于化小于2。温度突。温度突变幅度太大，会招致系幅度太大，会招致系统的停止的停止产气。气。厌氧生物处理原理（2）温度 温度是影响微生物生命活动过12厌氧生物氧生物处理理原理原理（3）pH值及酸碱度及酸碱度由于由于发酵系酵系统中的中的CO2分分压很高很高（20.340.5kPa），），发酵液的酵液的实际pH值比在大气条比在大气条件下的件下的实测值为低。一般低。一般认为，实测值应在在7.27.4之之间为好。好。（4）毒物）毒物凡凡对厌氧氧处理理过程起抑制或毒害作用的物程起抑制或毒害作用的物质，都可称，都可称为毒物。毒物。厌氧生物处理原理（3）pH值及酸碱度 由于发酵系统中的13厌氧生物氧生物处理理原理原理（1）生物量）生物量 各种反各种反应器要求的器要求的污泥泥浓度不尽相同，一般介于度不尽相同，一般介于1030gVSS/L之之间。为了保持反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、安装三相分离器、设置挂膜介置挂膜介质、降低水流速度和回流、降低水流速度和回流污泥量泥量等。等。厌氧生物处理原理（1）生物量 14厌氧生物氧生物处理理原理原理（2）负荷率荷率负荷率是表示消化装置荷率是表示消化装置处理能力的一个理能力的一个参数。参数。负荷率有三种表示方法：容荷率有三种表示方法：容积负荷率、荷率、污泥泥负荷率、投配率。荷率、投配率。反反应器器单位有效容位有效容积在在单位位时间内接内接纳的有机物量，的有机物量，称称为容容积负荷率，荷率，单位位为kg/m3d或或g/Ld。有机物量。有机物量可用可用COD、BOD、SS和和VSS表示。表示。反反应器内器内单位重量的位重量的污泥在泥在单位位时间内接内接纳的有机的有机物量，称物量，称为污泥泥负荷率，荷率，单位位为kg/kgd或或g/gd。每天向每天向单位有效容位有效容积投加的新料的体投加的新料的体积，称，称为投配投配率，率，单位位为m3/m3d。投配率的倒数。投配率的倒数为平均停留平均停留时间或消化或消化时间，单位位为d。投配率有。投配率有时也用百分数表示，也用百分数表示，例如，例如，0.07m3/m3d的投配率也可表示的投配率也可表示为7%。厌氧生物处理原理（2）负荷率 负荷率是表示消化装置处理15厌氧生物氧生物处理理原理原理厌氧消化装置的氧消化装置的负荷率是怎荷率是怎样确定的呢？确定的呢？一个重要的原一个重要的原则是：在两个是：在两个转化（酸化和气化（酸化和气化）速率保持化）速率保持稳定平衡的条件下，求得最大的定平衡的条件下，求得最大的处理目理目标（最大（最大处理量或最大理量或最大产气量）。气量）。一般而言，一般而言，厌氧消化微生物氧消化微生物进行酸化行酸化转化的化的能力能力强，速率快，速率快，对环境条件的适境条件的适应能力也能力也强；而而进行气化行气化转化的能力相化的能力相对较弱，速率也弱，速率也较慢，慢，对环境的适境的适应能力也能力也较脆弱。脆弱。这种前种前强后弱的特后弱的特征使两个征使两个转化速率保持化速率保持稳定平衡定平衡颇为困困难，因而，因而形成了三种形成了三种发酵状酵状态。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？16当有机物当有机物负荷率很高荷率很高时，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（pH7）。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17当有机当有机负荷率适中荷率适中时，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77.5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18当有机物当有机物负荷率偏小荷率偏小时，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。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19厌氧生物氧生物处理理原理原理（3）加）加热为把料液控制到要求的把料液控制到要求的发酵温度，酵温度，则必必须加加热。据估算，去除。据估算，去除8000mg/L的的COD所所产生的沼气，生的沼气，能使一升水升温能使一升水升温10。（4）pH值的控制的控制如果料液会如果料液会导致反致反应器内液体的器内液体的pH值低于低于6.5或高于或高于8.0时，则应对料液料液预先中和。当先中和。当有机酸的有机酸的积累而使反累而使反应液的液的pH值低于低于6.87时，应适适当减小有机物当减小有机物负荷或毒物荷或毒物负荷，使荷，使pH值恢复到恢复到7.0以以上（最好上（最好为7.27.4）。若）。若pH低于低于6.5，应停止加料，停止加料，并及并及时投加石灰中和。投加石灰中和。厌氧生物处理原理（3）加热 为把料液控制到要求的发酵温20厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺一、早期用于一、早期用于处理理废水的水的厌氧消化构筑物是化氧消化构筑物是化粪池和池和双双层沉淀池。沉淀池。化化粪池池是一个矩形密是一个矩形密闭的池子，用隔的池子，用隔墙分分为两室或两室或三室，各室之三室，各室之间用水下用水下连接管接通。接管接通。废水由一端水由一端进入，通入，通过各室后由另一端排出。各室后由另一端排出。悬浮物沉于池底后浮物沉于池底后进行行缓慢的慢的厌氧氧发酵。各室的酵。各室的顶盖上盖上设有人孔，可有人孔，可定期（数月）将消化后的定期（数月）将消化后的污泥挖出，供作泥挖出，供作农肥。肥。这种种处理构筑物通常理构筑物通常设于独立的居住或公共建筑物的于独立的居住或公共建筑物的下水管道上，用于初步下水管道上，用于初步处理理粪便便废水。水。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21厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺双双层沉淀池沉淀池上部有一个流槽，槽底呈上部有一个流槽，槽底呈V形。形。废水沿槽水沿槽缓慢流慢流过时，悬浮物便沉降下来，并从浮物便沉降下来，并从V形槽底形槽底缝滑滑落于大落于大圆形池底，在那里形池底，在那里进行行厌氧消化。氧消化。这两种两种处理构筑物理构筑物仅起截留和降解有机起截留和降解有机悬浮物的功用，浮物的功用，产生生的沼气的沼气难以收集利用。以收集利用。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22厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺二、普通消化池，主要用于二、普通消化池，主要用于处理城市理城市污水的沉淀水的沉淀污泥。泥。普通消化池多建成加普通消化池多建成加顶盖的筒状。盖的筒状。生生污泥从池泥从池顶进入，通入，通过搅拌与池内拌与池内污泥混合，泥混合，进行行厌氧消化。分解后的氧消化。分解后的污泥从池底排出。泥从池底排出。产生的生物生的生物气从池气从池顶收集。普通消化池需要加收集。普通消化池需要加热，以，以维持高的持高的生化速率。生化速率。这种种处理构筑物通常是理构筑物通常是每天加排料各每天加排料各12次，次，与此同与此同时进行数小行数小时的的搅拌混合。拌混合。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23圆筒形筒形厌氧消化池氧消化池 蛋形蛋形厌氧消化池氧消化池 圆筒形厌氧消化池 蛋形厌氧消化池 24厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺三、三、厌氧接触系氧接触系统普通消化池用于普通消化池用于处理高理高浓度有机度有机废水水时，为了了强化有机物化有机物与池内与池内厌氧氧污泥的充分接触，必泥的充分接触，必须连续搅拌；拌；同同时为了提高了提高处理效率，必理效率，必须改改间断断进水排水水排水为连续进水水排水。但排水。但这样一来，会造成一来，会造成厌氧氧污泥的大量流失。泥的大量流失。为了克服了克服这一缺点，可在消化池后串一缺点，可在消化池后串联一个沉淀池，将沉一个沉淀池，将沉淀下的淀下的污泥又送回消化池，因此泥又送回消化池，因此组成了成了厌氧接触系氧接触系统（图9-4）。）。污泥回流量泥回流量约为进水流量的水流量的23倍。消化池内的倍。消化池内的MLVSS为610g/L。厌氧生物处理主要构筑物及工艺三、厌氧接触系统25厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺四、四、厌氧生物氧生物滤池和池和厌氧生物氧生物转盘为了防止消化池的了防止消化池的污泥流失，可在池内泥流失，可在池内设置挂膜置挂膜介介质，使，使厌氧微生物生氧微生物生长在上面，由此出在上面，由此出现了了厌氧氧生物生物滤池和池和厌氧生物氧生物转盘。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26厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺五、上流式五、上流式厌氧氧污泥床反泥床反应器（器（UASB）这种反种反应器是目前器是目前应用最用最为广泛的一种广泛的一种厌氧生物氧生物处理装置。理装置。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（27 UASB布置布置结果示意果示意图布水区布水区反反应区区三相分离区三相分离区超高超高 UASB布置结果示意图布水区反应区三相分离区超高28厌氧生物氧生物处理理主要构筑物及工主要构筑物及工艺六、六、厌氧流化床反氧流化床反应器器厌氧流化床反氧流化床反应器的内部充填着粒径很小器的内部充填着粒径很小（d=0.5mm左右）的挂膜介左右）的挂膜介质，当其表面，当其表面长满微生微生物物时，称，称为生物生物颗粒。粒。在上升水流速度很小在上升水流速度很小时，生物，生物颗粒相互接触，形粒相互接触，形成固定床。借助循成固定床。借助循环管增大（即管增大（即图9-6中回流用水中回流用水泵及流量及流量计控制）反控制）反应器内的上升流速，可使生物器内的上升流速，可使生物颗粒开始脱离接触，并呈粒开始脱离接触，并呈悬浮状浮状态。当。当继续增大流速增大流速至至污泥床的膨泥床的膨胀率达率达1020%时，生物，生物颗粒便呈流化粒便呈流化态。厌氧生物处理主要构筑物及工艺六、厌氧流化床反应器29