第四章

廢水與污泥的厭氧生物處理工藝廢水與污泥的厭氧生物處理第一節(jié)概述與好氧生物處理工藝相同，廢水與污泥的厭氧生物處理工藝也可以分為厭氧活性污泥法和厭氧生物膜法。兩種方法沒(méi)有根本性的差異，主要差異在于微生物在反響器內(nèi)的生長(zhǎng)狀態(tài)。在厭氧活性污泥法處理工藝中，微生物懸浮生長(zhǎng)在反響器內(nèi)的混合液中，外觀為絮狀污泥。在厭氧生物膜法處理工藝中，微生物附著生長(zhǎng)在人為提供的填料〔載體〕外表，外觀為膜狀覆蓋。第一節(jié)概述長(zhǎng)期以來(lái)，厭氧生物處理工藝一直以厭氧活性污泥法為主，特別是在處理污泥和含大量懸浮物的污水時(shí)，一般均采用厭氧活性污泥法。厭氧活性污泥法經(jīng)歷了較長(zhǎng)的開(kāi)展歷程，從歷史悠久的普通厭氧消化池，衍生出厭氧接觸工藝、升流式厭氧污泥床〔UASB〕、厭氧擋板式反響器〔ABR〕等多種處理工藝。由于厭氧微生物處于懸浮生長(zhǎng)狀態(tài)，容易隨出水帶出反響器。因此，在厭氧活性污泥法處理工藝的研究、設(shè)計(jì)過(guò)程中，把很大的注意力放在了氣、液、固三相別離上。所以，三相別離器是厭氧活性污泥法處理工藝的主要工藝特征之一。第一節(jié)概述在反響器內(nèi)，充填各種不同類型的供微生物附著生長(zhǎng)的填料〔載體〕是生物膜法處理工藝的主要工藝特征之一。厭氧生物膜法的典型處理工藝：厭氧生物濾池〔AF〕厭氧生物流化床〔AFB〕厭氧膨脹顆粒污泥床〔AEGSB〕厭氧生物轉(zhuǎn)盤〔ARBC〕第一節(jié)概述與傳統(tǒng)的厭氧活性污泥法相比，厭氧生物膜法具有很多特點(diǎn)：由于填料〔載體〕的比外表積很大，單位容積反響器中的微生物量增大，容積負(fù)荷率比普通消化池高2－3倍。污水通過(guò)反響器時(shí)，液膜與生物膜處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，強(qiáng)化了相間的傳質(zhì)效果，去除效率高。微生物在反響器內(nèi)固著生長(zhǎng)，不易隨水流失，泥齡長(zhǎng)，出水懸浮物少，不存在浮渣問(wèn)題，運(yùn)轉(zhuǎn)管理方便。不需設(shè)置特別設(shè)計(jì)的三相別離器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。可處理濃度很低的有機(jī)污水，適用范圍廣。污水中懸浮物含量高，或填料〔載體〕選擇運(yùn)用不當(dāng)時(shí)，易堵塞。第二節(jié)普通消化池消化池的攪拌：循環(huán)攪拌：水泵循環(huán)消化液進(jìn)行攪拌，為了強(qiáng)化攪拌效果，可在池內(nèi)設(shè)射流器。循環(huán)攪拌設(shè)備簡(jiǎn)單，維修方便。與池外間接加熱結(jié)合，在循環(huán)管路上設(shè)加熱套管。低揚(yáng)程，大流量。能耗：0.005kW/m3。機(jī)械攪拌：池內(nèi)設(shè)攪拌葉輪，由防爆電機(jī)、減速器驅(qū)動(dòng)。密封、防爆要求嚴(yán)格，加工精度要求高，維修困難。能耗：0.0065kW/m3。第二節(jié)普通消化池消化池的攪拌：沼氣攪拌：沼氣壓縮機(jī)循環(huán)沼氣進(jìn)行攪拌，為了強(qiáng)化攪拌效果，可在池內(nèi)設(shè)擴(kuò)散、混流裝置。沼氣攪拌效果好，可提高沼氣產(chǎn)量。沼氣壓縮機(jī)防爆要求嚴(yán)格，國(guó)產(chǎn)設(shè)備不過(guò)關(guān)。能耗：0.005－0.008kW/m3。聯(lián)合攪拌：循環(huán)攪拌與沼氣攪拌聯(lián)合使用，常見(jiàn)搭配方式。三種攪拌方式同時(shí)使用，保證攪拌效果。能耗高，設(shè)備多，維修量大。第二節(jié)普通消化池消化池的種類：池體外形：圓柱型：傳統(tǒng)池型。卵型：新型消化池，設(shè)計(jì)合理，特點(diǎn)突出，建造困難。池體容積：小型：<2500m3。中型：2500~5000m3。大型：>5000m3。池頂結(jié)構(gòu)：固定蓋式：普通池型，防止沼氣壓力過(guò)大損壞頂蓋。浮動(dòng)蓋式：沼氣壓力恒定，水封是關(guān)鍵。第二節(jié)普通消化池消化池的缺點(diǎn)：效率低：負(fù)荷低，水力停留時(shí)間〔HRT〕長(zhǎng)。池子容積大。能耗大：加熱。攪拌。操作管理復(fù)雜：工藝條件控制要求苛刻。微生物增殖緩慢。設(shè)備多，隱患大，防火、防爆要求高。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)： 根據(jù)中溫消化的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在消化的前8天，產(chǎn)生的沼氣量占全部產(chǎn)氣量的80%左右，而一般中溫消化的水力停留時(shí)間為20天左右，在整個(gè)消化過(guò)程中，為維持產(chǎn)甲烷細(xì)菌所需的適宜溫度〔33~35℃〕，那么需消耗大量的熱能。 因此，目前污泥中溫消化常按兩級(jí)消化進(jìn)行設(shè)計(jì)，即在消化池總?cè)莘e不變的前提下，將消化池按容積比例〔1:1,2:1,3:2〕分為兩級(jí)。第一級(jí)消化池按普通消化池設(shè)計(jì)，采用加熱和攪拌設(shè)備。第二級(jí)消化池不加熱，不攪拌，依靠剩余熱量繼續(xù)消化。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：總?cè)莘e不增加，且第二級(jí)消化池被簡(jiǎn)化，建設(shè)費(fèi)用大幅度降低。第二級(jí)消化池不加熱，不攪拌，能耗和運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低。第二級(jí)消化池沼氣產(chǎn)量低，可不設(shè)沼氣收集設(shè)施。第二級(jí)消化池不攪拌，可兼作污泥后濃縮池。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：如前所述，厭氧消化過(guò)程可分為水解發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和甲烷發(fā)酵三個(gè)階段，各階段的菌種、對(duì)環(huán)境的要求、分解過(guò)程、分解速度及最終產(chǎn)物都不相同，造成運(yùn)行管理方面的諸多不便。近來(lái)出現(xiàn)的兩相厭氧消化工藝是根據(jù)消化機(jī)理，將消化過(guò)程的第一、第二階段與第三階段分別在兩個(gè)消化池中進(jìn)行。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧消化分階段在最正確環(huán)境條件下進(jìn)行，消化速度快，效果好。由于效率提高，水力停留時(shí)間縮短〔第一相約1d，第二相6－6.5d〕，消化池總?cè)莘e可減少一半，建設(shè)費(fèi)用大幅度降低。由于消化池容積小，加熱、攪拌等能耗和運(yùn)行費(fèi)用大幅度降低。兩相環(huán)境條件互不干擾，便于運(yùn)行管理。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：Schroepter(1955)認(rèn)識(shí)到在厭氧處理設(shè)備內(nèi)保持大量污泥的重要性，他仿照好氧活性污泥法，在消化池后增設(shè)沉淀池回收污泥。污泥回流到消化池，使池內(nèi)污泥量提高，設(shè)備處理效率提高，稱為厭氧接觸工藝。第二節(jié)普通消化池消化池的改進(jìn)：兩級(jí)消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：兩相消化工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝：根本原理：主要特點(diǎn)：厭氧接觸工藝只是普通消化池的簡(jiǎn)單改進(jìn)，易于改造實(shí)施。由于消化池內(nèi)污泥濃度增大，效率提高，水力停留時(shí)間縮短，消化池總?cè)莘e可大幅度減少，建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用相應(yīng)降低?？梢蚤g斷運(yùn)行，操作簡(jiǎn)便。厭氧污泥沉淀效果差。而且，由于污泥產(chǎn)氣過(guò)程仍在繼續(xù)，工作環(huán)境較差。第三節(jié)升流式厭氧污泥床升流式厭氧污泥床〔UpflowAnaerobicSludgeBed，簡(jiǎn)稱UASB〕反響器是荷蘭農(nóng)業(yè)大學(xué)1974－1978年間研制出來(lái)的一種高效厭氧生物反響器。據(jù)1993年的報(bào)道，國(guó)外至少已有300多座生產(chǎn)規(guī)模處理裝置在運(yùn)行，其中設(shè)備最大容積達(dá)15600m3。第三節(jié)升流式厭氧污泥床UASB反響器的工作原理工作原理示意圖：反響區(qū)別離區(qū)反響器運(yùn)行的三個(gè)重要前提：反響器內(nèi)形成沉降性能良好的顆粒污泥或絮狀污泥由產(chǎn)氣和進(jìn)水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用設(shè)計(jì)合理的三相別離器，使沉淀性能良好的污泥能夠保存在反響器內(nèi)第三節(jié)升流式厭氧污泥床UASB反響器的工作原理工作原理示意圖：反響區(qū)別離區(qū)反響器運(yùn)行的三個(gè)重要前提：反響器內(nèi)形成沉降性能良好的顆粒污泥或絮狀污泥由產(chǎn)氣和進(jìn)水的均勻分布所形成的良好的自然攪拌作用設(shè)計(jì)合理的三相別離器，使沉淀性能良好的污泥能夠保存在反響器內(nèi)第三節(jié)升流式厭氧污泥床UASB反響器的主要特點(diǎn)：UASB產(chǎn)生的剩余顆粒污泥在常溫下可保存很長(zhǎng)時(shí)間而不損失活性，因此，UASB采用剩余污泥接種，可使反響器啟動(dòng)時(shí)間縮短到幾天之內(nèi)。產(chǎn)氣的攪拌作用使污泥床不斷運(yùn)動(dòng)而與廢水良好混合，因此，UASB一般不易形成溝流。由于沒(méi)有填料，UASB有更大的空間容納污泥，容積負(fù)荷比其它厭氧處理工藝更高。由于沒(méi)有填料，UASB在投資和運(yùn)行本錢上更節(jié)省，能耗低，操作維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)易。第四節(jié)厭氧生物濾池厭氧濾池〔AnaerobicFilter，簡(jiǎn)稱AF〕是世界上最早使用的污水生物處理構(gòu)筑物之一。1891年，Scott-Moncrieff在英格蘭建成了第一座使用石質(zhì)載體的池子，池子上部是濾層，污水自下而上通過(guò)濾層，使污水得到凈化。雖然這座池子只供處理10人生活污水，也未冠以厭氧生物濾池之名，但實(shí)質(zhì)上可以稱作厭氧生物濾池的首次應(yīng)用實(shí)例。到20世紀(jì)60年代，美國(guó)的McCarty等人將厭氧生物濾池開(kāi)展成為第一個(gè)高速厭氧反響器，容積負(fù)荷可達(dá)10-15kgCOD/m3.d。第四節(jié)厭氧生物濾池厭氧生物濾池的工作原理工作原理示意圖：填料生物固定化技術(shù)反響器運(yùn)行的主要工藝特征：填料固定，微生物附著生長(zhǎng)，不隨水流失，不需回流。生物相沿填料高度分布，各自有優(yōu)勢(shì)菌群生長(zhǎng)。生物濃度高，抗沖擊負(fù)荷及抗毒物負(fù)荷能力強(qiáng)。填料會(huì)造成堵塞、溝流問(wèn)題，且使工藝造價(jià)增高。污水處理水沼氣填料厭氧濾池第四節(jié)厭氧生物濾池厭氧生物濾池的工作原理工作原理示意圖：填料生物固定化技術(shù)反響器運(yùn)行的主要工藝特征：填料固定，微生物附著生長(zhǎng)，不隨水流失，不需回流。生物相沿填料高度分布，各自有優(yōu)勢(shì)菌群生長(zhǎng)。生物濃度高，抗沖擊負(fù)荷及抗毒物負(fù)荷能力強(qiáng)。填料會(huì)造成堵塞、溝流問(wèn)題，且使工藝造價(jià)增高。第五節(jié)厭氧生物流化床厭氧流化床反響器〔AnaerobicFludizedBedReactor，簡(jiǎn)稱AFBR〕是借鑒流態(tài)化技術(shù)的一種生物反響裝置。它以小粒徑載體〔石英砂、活性炭、沸石、塑料顆粒等，粒徑多在0.2－0.7mm〕為流化粒料，污水作為流化介質(zhì)，當(dāng)污水以升流式通過(guò)粒料床體時(shí)，污水上升流速使顆粒載體呈流化狀態(tài)，污水與外表生長(zhǎng)厭氧生物膜的顆粒載體不斷接觸反響，到達(dá)厭氧生物反響處理污水的目的。第五節(jié)厭氧生物流化床厭氧流化床的主要特點(diǎn)：流態(tài)化能夠最大程度使厭氧污泥與污水接觸顆粒與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度高，液膜擴(kuò)散阻力小。此外，顆粒外表生物膜厚度小，傳質(zhì)作用強(qiáng)。因此，生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行較快，污水在反響器內(nèi)的水力停留時(shí)間短，處理效率高。克服了厭氧生物濾池存在的堵塞和溝流問(wèn)題。高容積負(fù)荷使反響器體積減小，同時(shí)，由于其高度與直徑比例大于其它厭氧反響器，因此，厭氧生物流化床占地面積小。第五節(jié)厭氧生物流化床厭氧流化床存在的主要問(wèn)題：為了實(shí)現(xiàn)良好的流態(tài)化并使污泥與填料不致從反響器流失，必須使生物膜顆粒保持均勻的形狀、大小和密度，但這在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的，因此，穩(wěn)定的流態(tài)化液難以保證。為了獲得高的水流速度以保證流態(tài)化，流化床需要大量的回流水，導(dǎo)致能耗增大，本錢提高。流化床設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題是底部進(jìn)水的均勻分布，盡管出現(xiàn)了多種布水方式，但在生產(chǎn)規(guī)模的設(shè)備中，均勻布水是非常困難的。第六節(jié)水解〔酸化〕工藝水解〔酸化〕工藝與厭氧發(fā)酵的區(qū)別：水解〔酸化〕工藝將厭氧反響控制在水解、酸化階段，此階段的微生物主要是水解、產(chǎn)酸菌。在水解階段，固體物質(zhì)降解為溶解性物質(zhì)，大分子物質(zhì)降解為小分子物質(zhì)。在產(chǎn)酸階段，碳水化合物降解為脂肪酸。由于反響交叉進(jìn)行，速度快，兩個(gè)階段難以分開(kāi)，工程上用作好氧生物處理的預(yù)處理。不需要密閉，不需要三相別離器，不需要加熱，便于維護(hù)運(yùn)行。由于反響控制在酸化階段，無(wú)不良?xì)馕懂a(chǎn)生。水解〔酸化〕工藝反響速度快，池體容積小，造價(jià)低。由于固體物質(zhì)的降解，污泥的VSS降低，剩余污泥量少。第六節(jié)水解〔酸化〕工藝水解〔酸化〕工藝的主要功能：溶解性有機(jī)物比例顯著增加；BOD5/COD比值提高，可生化性改善；縮短好氧生物